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

Seleccionar el husillo de bolas adecuado para una aplicación determinada garantizará la precisión, la repetibilidad y la vida útil de la máquina, al tiempo que minimiza el coste total de propiedad.

Un husillo de bolas transforma el movimiento rotacional en movimiento lineal o viceversa, y puede aplicar o soportar cargas axiales elevadas (hasta 750 000 lb de capacidad estática con un husillo de bolas de Ø6,000 pulgadas) con una eficiencia generalmente superior al 90 %. Los husillos de bolas ayudan a guiar, soportar, posicionar y mover con precisión componentes y productos en diversas aplicaciones de automatización.

Un mecanismo de husillo de bolas consta de un husillo y una tuerca de bolas con rodamientos de bolas recirculantes. La interfaz entre el husillo y la tuerca se realiza mediante rodamientos de bolas que ruedan de forma acoplada dentro del husillo y la tuerca. La carga sobre el husillo se distribuye entre un gran número de rodamientos de bolas, de modo que cada bola soporta una carga relativamente baja. Gracias a sus elementos rodantes, el mecanismo de 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 rosca radica en el uso de rodamientos de bolas recirculantes en los primeros para minimizar la fricción y maximizar la eficiencia. Si bien los husillos de bolas son más caros que los de rosca, su capacidad para soportar cargas elevadas, alcanzar altas velocidades y ofrecer una vida útil predecible justifican su mayor costo en muchas aplicaciones.

Los husillos de bolas suelen ofrecer una eficiencia mecánica superior al 90%, por lo que su coste se compensa a menudo con una menor demanda de energía. La mayor capacidad de carga, la vida útil más prolongada y la fiabilidad predecible de los husillos de bolas representan ventajas frente a los husillos de bolas tradicionales.

Repetibilidad y precisión

La precisión es una medida de cuán cerca se aproxima 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 regresar a una ubicación durante el funcionamiento. Los accionamientos de husillo de bolas ofrecen una excelente repetibilidad (el juego libre depende del diámetro del rodamiento de bolas, pero generalmente oscila entre 0,005 y 0,015 pulgadas) y precisión (±0,004 pulgadas/pie para husillos de bolas de precisión y ±0,0005 pulgadas/pie para husillos de bolas etiquetados como precision-plus).

La precisión de avance es la medida más común de la precisión de un husillo de bolas. El avance se refiere a la distancia que recorre una tuerca de bolas fija con un giro completo de 360° del husillo. La precisión de avance se mide como la variación de recorrido admisible (posición real frente a posición teórica) por pie o por cada 300 mm. Los husillos de bolas se ofrecen en grados de precisión plus y de transporte; el grado de precisión plus controla rigurosamente la acumulación de errores de avance a lo largo de todo el recorrido.

El juego libre es el movimiento entre la tuerca y el tornillo, y se puede medir axial y radialmente. La mejor manera de medir el juego libre axial es inmovilizar el tornillo y empujar y tirar axialmente de la tuerca de bolas mientras se mide su movimiento con un comparador de cuadrante. El juego libre también se puede medir colocando un comparador de cuadrante en la tuerca de bolas del sistema y moviéndola una pulgada hacia adelante y hacia atrás hasta su posición original. La variación con respecto a cero es el juego libre. La repetibilidad es simplemente el valor cuantitativo del juego libre de un husillo de bolas.

Una tuerca de bolas sin precarga presenta holguras internas entre sus componentes, lo que genera juego. Una tuerca de bolas precargada no tiene holgura axial, eliminando así el juego y aumentando la rigidez. La precarga también incrementa 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 tornillos de bolas de rosca de precisión se suelen utilizar sin precarga. La precarga de un tornillo de bolas mejora la repetibilidad al eliminar el juego, pero no afecta a la precisión.

Las tuercas de bolas precargadas están disponibles en tornillos de precisión plus y en algunos productos de tornillos 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 husillo de bolas pueden precargarse con configuraciones de tuerca doble o simple. Existen tres tipos principales de precarga: tuerca simple de bolas sobredimensionadas (contacto de 4 puntos), tuerca simple de paso salteado (contacto de 2 puntos) y tuerca doble (contacto de 2 puntos). La precarga de tuerca simple mantiene el tamaño de paquete más pequeño manteniendo la capacidad de carga completa. Las tuercas de bolas de paso salteado tienen la mitad de la capacidad de 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 una tuerca de bolas se carga en cada dirección.

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

Sistemas de retorno de pelota

Se utilizan comúnmente tres tipos diferentes de sistemas de retorno de bolas. Los tubos de retorno externos, que se usan normalmente en husillos de una pulgada, son económicos y fáciles de instalar, mantener y reparar. Los sistemas de retorno de botón internos se usan normalmente en husillos de paso bajo. Son compactos, no tienen protuberancias radiales externas que compliquen el montaje y ofrecen menos ruido y vibración que los retornos externos. Los sistemas de retorno de botón internos se usan a menudo en conjuntos de contacto de 4 puntos, tuerca simple y precarga. Los retornos de tapa de extremo internos se usan normalmente en husillos de paso alto. Son compactos, no tienen protuberancias radiales externas que compliquen el montaje. Su ruido y vibración también son bajos en comparación con los retornos externos.

Selección de husillo 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. Posteriormente, los componentes individuales del husillo de bolas se seleccionan 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 y repetibilidad de posicionamiento 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 grado Transporte se utilizan en aplicaciones que requieren solo movimientos gruesos o que utilizan retroalimentación lineal para la ubicación de posición. Los husillos de bolas de grado Precisión Plus se utilizan cuando el posicionamiento preciso y repetible es fundamental. Los husillos de grado Transporte permiten una mayor variación acumulada a lo largo de su longitud útil. Los husillos de grado Precisión Plus contienen la acumulación de error de avance para un posicionamiento preciso a lo largo de toda su longitud útil.

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

Un husillo de bolas sometido a tensión puede soportar cargas de hasta la capacidad nominal de la tuerca. Para una tuerca de bolas sometida a compresión, utilice la tabla de cargas de compresión disponible del 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 de ejemplo. Las cargas de compresión adecuadas que se muestran en este gráfico no deben exceder 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 una fijación de un extremo y el otro apoyado, la selección mínima es un conjunto de husillo de bolas de precisión plus de 1,750 x 0,200 pulgadas.

Calcule el paso del husillo de bolas que producirá la velocidad requerida utilizando la siguiente fórmula.

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

Determinación de la vida útil esperada de la aplicación

La vida útil del conjunto se puede calcular utilizando la capacidad de carga dinámica especificada para cada tuerca de bola. Todas las tuercas de bola cuyas curvas pasan por el punto graficado o lo superan son adecuadas para este ejemplo. Las expectativas de vida útil adecuadas que se muestran en este gráfico no deben exceder la capacidad de carga estática máxima indicada en la tabla de clasificación para cada conjunto de tuerca de bola. En este ejemplo, la vida útil esperada (recorrido total) es de 2 millones de pulgadas (50,8 millones de mm). La carga máxima de operación normal es de 10 000 lb (44 500 N).

Determinación de la velocidad crítica del tornillo

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

Si los cálculos de carga, vida útil y velocidad confirman que el conjunto de husillo de bolas seleccionado cumple o supera los requisitos de diseño, proceda al siguiente paso. De lo contrario, los husillos de mayor diámetro aumentarán la capacidad de carga y la velocidad nominal. Los pasos de rosca más cortos disminuirán 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. Los pasos de rosca más largos aumentarán la velocidad lineal (suponiendo una velocidad de entrada constante del motor), disminuirán la velocidad de entrada 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 fijarla a la carga. Las tuercas de bolas roscadas y las cilíndricas son alternativas para proporcionar dicha integración.

Las tuercas de bolas precargadas eliminan la holgura del sistema y aumentan la rigidez. Los kits de limpieza protegen el conjunto de contaminantes y retienen la lubricación. También se ofrecen soportes de cojinetes 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 golpes en los rodamientos pueden dañar las pistas de rodadura, provocando desgaste o agrietamiento. Las cargas elevadas o la flexión del husillo pueden causar 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 los conductos de recirculación, y la alta humedad o la lluvia pueden causar corrosión.

El montaje del sistema es otro aspecto importante a considerar. La tuerca de bolas debe soportar únicamente carga axial, ya que cualquier carga radial reduce significativamente el rendimiento del conjunto. Asimismo, el conjunto debe estar correctamente alineado con el sistema de transmisión, los soportes de los cojinetes y la carga para lograr un rendimiento y una vida útil óptimos.

lubricación de husillos de bolas

El husillo de bolas nunca debe funcionar sin la lubricación adecuada. Los lubricantes mantienen la ventaja de baja fricción de los husillos 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 necesario y, al pasar por la tuerca de bolas, elimina los contaminantes. También proporciona refrigeración. Sin embargo, para una correcta aplicación, se requiere una bomba y un sistema de dosificación, ya que el aceite también puede contaminar los fluidos del proceso.

La grasa es menos costosa y requiere una aplicación menos frecuente que el aceite, además de no contaminar los fluidos del proceso. Sin embargo, es difícil mantener la grasa dentro de la tuerca de bolas y tiende a acumularse en los extremos de su recorrido, donde se acumulan virutas y partículas abrasivas. La incompatibilidad de la grasa vieja con la grasa de relubricación puede generar problemas, por lo que es importante verificar la compatibilidad. Una grasa con capacidad de carga puede ayudar a prolongar la vida útil de un conjunto, pero la capacidad de carga general no cambiará.