Sistemas de retorno de bolas, selección de husillos de bolas y lubricación de husillos de bolas.

La especificación del tornillo de bola correcto para una aplicación determinada garantizará la precisión, la repetibilidad y la vida útil de la máquina, minimizando al mismo tiempo el costo total de propiedad.

Un accionamiento por husillo de bolas convierte el movimiento rotatorio en lineal o viceversa, y puede aplicar o soportar cargas de empuje elevadas (hasta 750.000 lb de capacidad estática con un conjunto de husillo de bolas de Ø6.000 pulg.), con una eficiencia típicamente superior al 90 %. Los husillos de bolas ayudan a guiar, sujetar, localizar y mover con precisión componentes y productos en diversas aplicaciones de automatización.

Un husillo de bolas consta de un husillo y una tuerca con rodamientos de bolas recirculantes. La interfaz entre el husillo y la tuerca se realiza mediante rodamientos que ruedan en las formas correspondientes del husillo y la tuerca. La carga sobre el husillo se distribuye entre un gran número de rodamientos, de modo que cada bola está sometida a una carga relativamente baja. Gracias a sus elementos rodantes, el husillo de bolas presenta un coeficiente de fricción muy bajo, lo que se traduce en una alta eficiencia mecánica.

La principal diferencia entre los husillos de bolas y los husillos de avance reside en el uso de rodamientos de bolas recirculantes para minimizar la fricción y maximizar la eficiencia. Los husillos de bolas son más caros que los husillos de avance, pero su capacidad para soportar cargas elevadas, alcanzar altas velocidades y ofrecer una vida útil predecible justifican su coste adicional en muchas aplicaciones.

Los accionamientos de husillo a bolas suelen ofrecer una eficiencia mecánica superior al 90%, por lo que su coste suele compensarse con una menor demanda de energía. La mayor capacidad de carga, la mayor vida útil y la fiabilidad predecible de los husillos a bolas son ventajas frente a los husillos de avance.

Repetibilidad y precisión

La precisión mide la proximidad de un sistema de movimiento a una posición de comando y se define como el error máximo entre la posición esperada y la real. La repetibilidad se define como la capacidad de un sistema de posicionamiento para volver a una posición durante la operación. Los husillos de bolas ofrecen una excelente repetibilidad (la holgura depende del diámetro del rodamiento, pero suele oscilar entre 0,005 y 0,015 pulg.) y precisión (±0,004 pulg./pie para husillos de bolas de precisión y ±0,0005 pulg./pie para husillos de bolas de precisión-plus).

La precisión de avance es la medida más común de la precisión de los husillos de bolas. El avance se refiere a la distancia que recorre una tuerca de bolas no giratoria con un giro de 360°. La precisión de avance se mide como la variación admisible del recorrido (posición real frente a la posición teórica) por pie o por 300 mm. Los husillos de bolas se ofrecen en grados de precisión plus y de transporte, donde el grado de precisión plus controla estrictamente la acumulación de errores de avance a lo largo de todo el recorrido.

El juego axial es el movimiento libre entre la tuerca y el tornillo, y se puede medir axial y radialmente. La mejor manera de medir el juego axial es asegurar el tornillo para que no se mueva y empujar y tirar axialmente de la tuerca de bolas mientras se mide su movimiento con un reloj comparador. El juego también se puede medir colocando un reloj comparador en la tuerca de bolas del sistema y moviéndolo una pulgada hacia adelante y hacia atrás hasta su posición original. La variación desde cero es el juego axial. La repetibilidad es simplemente el valor cuantitativo del juego axial de un tornillo de bolas.

Una tuerca de bolas sin precarga presenta holgura interna entre sus componentes, lo que implica holgura. Una tuerca de bolas precargada no tiene holgura axial, por lo que elimina la holgura y, en consecuencia, aumenta la rigidez. La precarga también aumenta el par necesario para girar el tornillo y se mide como el porcentaje de precarga respecto a la capacidad dinámica (una tuerca de bolas con una capacidad dinámica de 1500 lb y una precarga del 10 % tiene una precarga interna de 150 lb). Los husillos de bolas con rosca de precisión se utilizan generalmente sin precarga. La precarga de un husillo de bolas mejora la repetibilidad al eliminar la holgura, pero no afecta la precisión.

Las tuercas de bolas precargadas están disponibles en husillos Precision Plus y en productos selectos de husillos de precisión. Su costo es mayor que el de las tuercas no precargadas debido a la complejidad, el mecanizado adicional, el ensamblaje y la verificación/medición. Los conjuntos de husillos de bolas pueden precargarse con configuraciones de tuerca doble o simple. Existen tres tipos principales de precarga: tuerca simple de bola sobredimensionada (4 puntos de contacto), tuerca simple de paso libre (2 puntos de contacto) y tuerca doble (2 puntos de contacto). La precarga de tuerca simple mantiene el tamaño de empaque más pequeño, manteniendo al mismo tiempo la capacidad de carga completa. Las tuercas de bolas de paso libre tienen la mitad de la capacidad que las tuercas simples de tamaño similar, ya que solo la mitad de los rodamientos de bolas se cargan en cada dirección. Los conjuntos de precarga de tuerca doble tienen la misma capacidad de carga que una tuerca simple, ya que solo se carga una tuerca de bolas en cada dirección.

Existen diversos métodos para la fabricación de husillos a bolas, aunque generalmente se clasifican en dos categorías: de precisión y de precisión plus. La pista de un husillo a bolas con rosca de precisión se forma mediante un proceso de laminado en frío. La tuerca se mecaniza para que se ajuste a la capacidad de rendimiento del husillo. Este método proporciona una precisión moderada, del orden de ±0,004 pulg./pie de paso en husillos de la serie en pulgadas para transporte. El husillo y la tuerca de los husillos a bolas con rosca de precisión plus se fabrican mediante rectificado de precisión. Los husillos a bolas con rosca de precisión plus ofrecen una precisión mucho mayor, de ±0,0005 pulg./pie de paso en los husillos de la serie en pulgadas de precisión plus. El coste de los husillos a bolas con rosca de precisión plus es mayor que el de los husillos de precisión debido a su mayor tiempo de procesamiento.

Sistemas de retorno de bolas

Se utilizan comúnmente tres tipos diferentes de sistemas de retorno de bola. Los tubos de retorno externos, generalmente utilizados en husillos de pulgadas, son rentables y fáciles de instalar, mantener y reparar. Los sistemas de retorno de botón interno se utilizan generalmente en husillos de paso bajo. Son compactos, sin protuberancias radiales externas que dificulten el montaje y ofrecen menos ruido y vibración que los retornos externos. Los sistemas de retorno de botón interno se utilizan a menudo en conjuntos de contacto de 4 puntos, de tuerca simple y de precarga. Los retornos de tapa interna se utilizan generalmente en husillos de paso alto. Son compactos, sin protuberancias radiales externas que dificulten el montaje. Su ruido y vibración también son bajos en comparación con los retornos externos.

Selección de husillos de bolas

El conjunto de husillo de bolas que proporciona la capacidad de carga y la vida útil requeridas para una aplicación específica se selecciona mejor mediante un proceso iterativo. La carga de diseño, la orientación del sistema, la longitud de recorrido, la vida útil requerida y la velocidad requerida se utilizan para determinar el diámetro y el paso del conjunto de husillo de bolas. Los componentes individuales del husillo de bolas se seleccionan posteriormente en función de los requisitos de precisión y repetibilidad, las limitaciones dimensionales, la configuración de montaje, los requisitos de potencia disponibles y las condiciones ambientales.

Comience por determinar la precisión posicional y la repetibilidad requeridas para la aplicación. Los husillos de bolas en pulgadas se fabrican en dos grados principales: transporte y precisión plus. Los husillos de bolas de transporte se utilizan en aplicaciones que requieren solo un movimiento aproximado o que utilizan retroalimentación lineal para la localización posicional. Los husillos de bolas de precisión plus se utilizan donde un posicionamiento preciso y repetible es fundamental. Los husillos de transporte permiten una mayor variación acumulativa a lo largo de su longitud útil. Los husillos de precisión plus contienen un error de avance acumulado para un posicionamiento preciso en toda su longitud útil.

Determine cómo se montará el conjunto de husillo de bolas en la máquina. La configuración de los soportes de extremo y el recorrido determinarán las limitaciones de carga y velocidad del husillo de bolas.

Un husillo de bolas en tensión puede soportar cargas hasta la capacidad nominal de la tuerca. Para una tuerca de bolas en compresión, utilice la tabla de cargas de compresión disponible por el fabricante para seleccionar un diámetro de husillo de bolas que cumpla o supere la carga de diseño. Todos los husillos con curvas que pasan por encima o a la derecha del punto trazado, por ejemplo, son adecuados para la siguiente aplicación. Las cargas de compresión adecuadas que se muestran en esta gráfica no deben superar la capacidad de carga estática máxima indicada en la tabla de clasificación para el conjunto de tuerca de bolas individual. Por lo tanto, con una longitud de 85 pulg. (2159 mm), una carga del sistema de 30 000 lb (133 500 N) y con un extremo fijo y el otro apoyado, la selección mínima es un conjunto de husillo de bolas de precisión de 1,750 x 0,200 pulgadas.

Calcule el paso del tornillo de bola que producirá la velocidad requerida utilizando la siguiente fórmula.

Avance (pulg.) = Velocidad de desplazamiento (pulg. min-1)/rpm

Determinación de la esperanza de vida de la aplicación

La vida útil del conjunto se puede calcular utilizando la capacidad de carga dinámica especificada para cada tuerca de bolas. Todas las tuercas de bolas con curvas que pasan por el punto trazado o lo superan son adecuadas para este ejemplo. Las expectativas de vida útil adecuadas que se muestran en este gráfico no deben superar la capacidad de carga estática máxima indicada en la tabla de capacidades para cada conjunto de tuerca de bolas. En este ejemplo, la vida útil de la aplicación (recorrido total) deseada es de 50,8 millones de mm (2 millones de pulg.). Por lo tanto, la carga máxima de funcionamiento normal es de 44 500 N (10 000 lb).

Determinación de la velocidad crítica del tornillo

La velocidad crítica del tornillo es la condición en la que la velocidad de rotación del conjunto genera vibraciones armónicas. Esta velocidad crítica depende del diámetro de la raíz del tornillo, la longitud sin soporte y la configuración del soporte final. En la mayoría de las tablas de fabricantes, todos los tornillos con curvas que pasan por encima o a la derecha del punto trazado son adecuados para el siguiente ejemplo. Los cuatro planos de fijación final muestran las configuraciones de los rodamientos para soportar un eje giratorio, y la tabla muestra el efecto de estas condiciones en la velocidad crítica del eje para la longitud del tornillo sin soporte. Las velocidades aceptables que se muestran en este gráfico corresponden al eje del tornillo seleccionado y no son indicativas de las velocidades alcanzables por todos los conjuntos de tuercas de bolas asociados.

Si los cálculos de carga, vida útil y velocidad confirman que el husillo de bolas seleccionado cumple o supera los requisitos de diseño, continúe con el siguiente paso. De lo contrario, los husillos de mayor diámetro aumentarán la capacidad de carga y la velocidad nominal. Unos pasos más pequeños reducirán la velocidad lineal (suponiendo una velocidad de entrada constante del motor), aumentarán la velocidad del motor (suponiendo una velocidad lineal constante) y disminuirán el par de entrada requerido. Unos pasos más altos aumentarán la velocidad lineal (suponiendo una velocidad de entrada constante del motor), reducirán la velocidad del motor (suponiendo una velocidad lineal constante) y aumentarán el par de entrada requerido.

Determine cómo se integrará la tuerca de bolas en la aplicación. Una brida para tuerca de bolas es el método típico para fijar la tuerca a la carga. Las tuercas de bolas roscadas y cilíndricas son alternativas para proporcionar la interfaz.

Las tuercas de bolas precargadas eliminan la holgura del sistema y aumentan la rigidez. Los kits de rascadores protegen el conjunto de contaminantes y contienen lubricación. También disponemos de soportes de rodamientos y mecanizado de extremos para la mayoría de los husillos de bolas.

Los husillos de bolas deben manipularse con cuidado antes de su correcta instalación. Los impactos en los rodamientos de bolas pueden dañar las pistas de rodadura, provocando la formación de brinelling o grietas. Las cargas elevadas o la flexión del husillo pueden provocar su deformación. Es importante mantener el conjunto embalado, lubricado y almacenado en un lugar limpio y seco, ya que los residuos y la contaminación pueden obstruir las vías de recirculación, y la humedad elevada o la lluvia pueden causar corrosión.

El montaje del sistema es otro factor importante. La tuerca de bolas debe cargarse únicamente axialmente, ya que cualquier carga radial reduce significativamente el rendimiento del conjunto. El conjunto también debe estar correctamente alineado con el sistema de transmisión, los soportes de los rodamientos y la carga para lograr un rendimiento y una vida útil óptimos.

Lubricación de husillos de bolas

El conjunto de husillo de bolas nunca debe funcionar sin la lubricación adecuada. Los lubricantes mantienen la baja fricción de los conjuntos de husillo de bolas al minimizar la resistencia a la rodadura entre las bolas y las ranuras, así como la fricción por deslizamiento entre bolas adyacentes.

El aceite se puede aplicar a un caudal controlado directamente en el punto de necesidad y eliminará los contaminantes a medida que fluye por la tuerca de bolas. También puede proporcionar refrigeración. Por otro lado, se necesita una bomba y un sistema de dosificación para aplicar el aceite correctamente, ya que este también puede contaminar los fluidos del proceso.

La grasa es más económica y requiere una aplicación menos frecuente que el aceite, además de no contaminar los fluidos del proceso. Por otro lado, la grasa es difícil de retener dentro de la tuerca de bolas y tiende a acumularse en los extremos de su recorrido, donde acumula virutas y partículas abrasivas. La incompatibilidad de la grasa usada con la grasa de relubricación puede causar problemas, por lo que es importante verificar su compatibilidad. Una grasa de carga puede ayudar a prolongar la vida útil de un conjunto, pero la capacidad de carga general no se verá afectada.