El cobre alrededor de ese agujero no es una arandela

El desacuerdo, expuesto con justicia

La primera es una razón aparte, y buena; nada de lo que sigue la discute. Las otras dos parecen una contradicción y no lo son, porque hablan de dos magnitudes distintas. Una de esas magnitudes es aritmética, así que empecemos por ella.

Repartir la carga es una cuestión de rigidez, y la rigidez va con el cubo

Una arandela reparte la carga porque es lo bastante rígida a flexión como para llevar la fuerza hacia fuera de la cabeza antes de que ceda el material que tiene debajo. La rigidez a flexión por unidad de anchura va con E × t³, y ese cubo es lo que decide esta discusión. Tomemos cobre de unos 117 GPa sobre una placa de 1,6 mm de unos 20 GPa:

Así que, en el mecanismo concreto que se invoca, repartir la carga como lo hace una arandela, la réplica tiene razón, y por cuatro órdenes de magnitud. No es un caso dudoso que la experiencia pueda revertir. Es el cubo.

De qué podría tratar la observación en realidad

Quien dijo que el cobre ayuda no describía un experimento sobre rigidez a flexión. Sin la pista, la cabeza del tornillo apoya sobre la máscara de soldadura que cubre la resina curada. Con ella, la cabeza apoya sobre cobre recocido. Si una superficie soporta mejor que la otra que se apriete una cabeza sobre ella es una cuestión de contacto y de superficie, no de reparto de carga, y ambas se confunden porque las dos terminan con las palabras «la placa se daña».

No encontramos ninguna medición que estuviéramos dispuestos a citar en un sentido ni en otro, así que esta página no le dirá que la pista ayuda ni que no ayuda. Lo que sí dirá es que la discusión del hilo nunca trató dos veces sobre la misma magnitud, y por eso ninguna de las partes pudo convencer a la otra.

La cifra que nadie en el hilo fue a buscar

Si lo que preocupa es que el tornillo dañe el laminado, la magnitud que hay que mirar es el área sobre la que apoya realmente la cabeza. Con el mismo método que este sitio usa en otras páginas: el diámetro mínimo normalizado de la cara de apoyo frente a un agujero de paso ISO 273:

Toda una cabeza M3 apoya sobre unos once milímetros cuadrados. Esa es toda la zona de contacto por la que la fuerza de apriete llega a la placa, y por eso una arandela cambia la situación y una lámina no puede.

Y las normas ya responden a la pregunta que se planteaba. Las series de arandelas planas son tres, y la serie ancha existe, según la describía ya este sitio, para materiales blandos y agujeros sobredimensionados, con unas tres veces el diámetro nominal. Un laminado es un material blando. Qué serie de arandelas poner en el plano es una decisión que tiene respuesta, y la respuesta no es un vertido de cobre.

Dos cosas que conviene añadir antes de llevar esto a una placa

• Si la pista está conectada, es otro diseño. Un tornillo metálico que atraviesa una pista conectada a tierra hasta un separador metálico es un camino intencionado, no una decoración, y conviene dibujarlo así en lugar de heredarlo. Lo que una arandela aislante hace en el lado eléctrico, y cuál de las dos distancias modifica, se explica en línea de fuga, no distancia en el aire
• Una arandela es un cambio de la unión, no un accesorio. Añadirla altera la longitud de apriete, las superficies en el camino de la fuerza y el rozamiento, que es la parte que se omite. Aquí el material y la clase de dureza de la arandela importan más que su diámetro, porque una arandela más blanda que las piezas entre las que se encuentra simplemente se deforma, y el área calculada desaparece

La forma general del problema del material base blando, en el que el límite lo pone el material y no el elemento de fijación, está en tornillos en plástico, y el método usado para las áreas de apoyo anteriores se desarrolla en la cabeza es más pequeña de lo que cree.

Las arandelas que puede usar son menos de las que parece, y solo una de las tres normas de arandelas planas dice para qué sirve una arandela. La más ancha es también la más blanda y no está prevista por encima de la clase de resistencia 6.8.

Este artículo trata el paso 3: cabeza. El orden completo es sustrato, rosca, cabeza, accionamiento, acabado y documentación. El artículo inglés Specifying a screw explica por qué alterarlo genera retrabajo.

Preguntas frecuentes

¿El cobre alrededor de un agujero para tornillo protege la placa de circuito?

No repartiendo la carga, que es el mecanismo que suele invocarse. La rigidez a flexión va con el cubo del espesor, así que 35 micrómetros de cobre de una onza sobre una placa de 1,6 mm aportan unas seis milésimas del uno por ciento de su rigidez a flexión, y el cobre tendría que tener unos 0,9 mm para igualar a la placa. Si el hecho de que la cabeza apoye sobre cobre y no sobre máscara de soldadura sobre resina cambia algo en el daño superficial es otra cuestión, y no encontramos ninguna medición que estuviéramos dispuestos a citar al respecto.

¿Sobre cuánta área apoya realmente una cabeza de tornillo pequeña?

Menos de lo que se espera. Tomando el diámetro mínimo normalizado de la cara de apoyo de una cabeza M3, 5,07 mm, frente a un agujero de paso medio ISO 273 de 3,4 mm, el área de apoyo es de unos 11 milímetros cuadrados. Esa es toda la zona por la que la fuerza de apriete llega a la placa, y por eso añadir una arandela cambia el panorama y añadir una lámina no.

¿Qué arandela debe ir bajo un tornillo sobre un laminado?

Las arandelas planas vienen en tres series de diámetro exterior, y la serie ancha existe para materiales blandos y agujeros sobredimensionados, con unas tres veces el diámetro nominal. En M3 eso supone unas cinco veces el área de apoyo de la cabeza sola. Especifíquela por número de norma y no por medidas, y especifique también el material y la clase de dureza, porque una arandela más blanda que lo que la rodea se deforma y devuelve el área ganada.

Entonces, ¿hay alguna buena razón para dejar el cobre?

Sí, y la respuesta más votada del hilo original da una que no tiene nada que ver con la mecánica: marca dónde va el agujero. Si la pista está conectada a un plano, es además un camino eléctrico deliberado a través del tornillo y el separador, una decisión de diseño que debe dibujarse en lugar de heredarse de un valor por defecto. Ninguna de las dos es el argumento del reparto de carga.

¿Por qué las dos partes de esa discusión parecían tener razón?

Porque no discutían sobre la misma magnitud. Una hablaba de repartir la carga, una cuestión de rigidez a flexión que queda resuelta por el cubo del espesor. La otra hablaba de lo que ocurre en la superficie que toca la cabeza, una cuestión de contacto. Las dos terminan en la frase «la placa se daña», y por eso el desacuerdo pudo prolongarse sin que ninguna parte se equivocara sobre su propio mecanismo.

Referencias

• ISO 14579:2011 — tornillos de cabeza cilíndrica con hexalóbulo interior; tabla 1, de donde procede el diámetro mínimo de cara de apoyo usado arriba
• r/AskElectronics — el hilo donde empezó todo, con el argumento de la arandela, la réplica y la respuesta sobre teoría frente a experiencia

La comparación de rigidez es un cálculo propio y puede repetirse a partir de dos módulos elásticos y dos espesores. Esos módulos son valores típicos, no normalizados: cobre en torno a 117 GPa y un laminado de vidrio-epoxi en torno a 20 GPa en el plano; las propiedades de los laminados varían bastante según el grado, el tejido y la dirección. La conclusión no es sensible a ello, porque la relación es de cuatro órdenes de magnitud y el módulo tendría que estar equivocado en un factor de miles para cambiarla. Los pesos de cobre son una convención comercial, no una norma. El diámetro de cara de apoyo de 5,07 mm para M3 procede de la tabla 1 de ISO 14579, leída en la vista previa pública, y el agujero de paso de 3,4 mm es la serie media de ISO 273 tal como se tabula en nuestra página anterior. La cifra de la serie ancha de arandelas es aproximada: sale de la descripción de esa serie como unas tres veces el diámetro nominal, no de un diámetro exterior tabulado, y un plano debe llevar el número de norma y no esta estimación. Aquí no se cita ninguna resistencia del laminado, límite a compresión ni temperatura de transición vítrea, porque no tenemos una fuente citable para ellos, y por la misma razón esta página no toma postura sobre si una pista protege la superficie que cubre.