Sistemas de retorno de bolas, Selección de husillos de bolas y Lubricación de husillos de bolas.

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

Un accionamiento de husillo de bolas traduce el movimiento rotacional en movimiento lineal o viceversa y puede aplicar o soportar cargas de empuje elevadas (más de 750 000 lb de capacidad estática utilizando un conjunto de husillo de bolas de Ø6000 in) con una eficiencia generalmente superior al 90 %. Los husillos de bolas ayudan a guiar, soportar, localizar y mover con precisión componentes y productos en una variedad de aplicaciones de automatización.

Un husillo de bolas se compone de un husillo de bolas y una tuerca de bolas con rodamientos de bolas. La interfaz entre el husillo y la tuerca está formada por rodamientos de bolas que ruedan en formas coincidentes en el husillo de bolas y la tuerca de bolas. La carga sobre el husillo de bolas se distribuye entre un gran número de rodamientos de bolas, de modo que cada bola está sometida a una carga relativamente pequeña. Gracias a sus elementos rodantes, el husillo de bolas tiene un coeficiente de fricción muy bajo, lo que equivale a una alta eficiencia mecánica.

La diferencia clave entre husillos de bolas y husillos de avance es el uso de rodamientos de bolas de recirculación en el husillo de bolas para minimizar la fricción y maximizar la eficiencia. Los husillos de bolas son más caros que los husillos de avance, pero su capacidad para transportar cargas elevadas, alcanzar velocidades rápidas y ofrecer una vida útil predecible hace que valga la pena su costo adicional para muchas aplicaciones.

Los husillos de bolas suelen ofrecer una eficiencia mecánica superior al 90%, por lo que su coste suele verse compensado por menores requisitos de energía. La mayor capacidad de carga, la vida útil más larga y la confiabilidad predecible de los husillos de bolas son ventajas sobre los husillos de avance.

Repetibilidad y precisión

La precisión es una medida de qué tan cerca se acerca 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 la operación. Los husillos de bolas ofrecen una excelente repetibilidad (el juego depende del diámetro del rodamiento de bolas, pero normalmente oscila 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 etiquetados como de precisión). -más).

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

El juego 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 contra el movimiento y empujar y tirar axialmente de la tuerca de bolas mientras se mide su movimiento con un indicador de cuadrante. El juego también se puede medir colocando un indicador de cuadrante en la tuerca de bola del sistema y llevándolo una pulgada hacia adelante y hacia atrás a la posición original. La variación desde cero es la reacción. La repetibilidad es simplemente el valor cuantitativo del juego de un husillo de bolas.

Una tuerca de bolas no precargada tiene espacios internos entre los componentes, lo que significa que existe juego. Una tuerca de bolas precargada no tiene juego axial y, por lo tanto, elimina el juego y, posteriormente, aumenta la rigidez. La precarga también aumenta el torque requerido para girar el tornillo y se mide por el porcentaje de precarga a la capacidad dinámica (una tuerca de bolas con una capacidad dinámica de 1500 lb y una clasificación de 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 el juego, pero no afecta la precisión.

Las tuercas de bolas precargadas están disponibles en tornillos Precision Plus y en productos seleccionados 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 husillos de bolas se pueden precargar con configuraciones de tuerca simple o doble. Hay tres tipos principales de precarga: bola de gran tamaño de tuerca simple (contacto de 4 puntos), tuerca simple (contacto de 2 puntos) y tuerca doble (contacto de 2 puntos). La precarga de una sola tuerca mantiene el tamaño de paquete más pequeño mientras mantiene la capacidad de carga total. Las tuercas de bolas de plomo tienen la mitad de capacidad que las tuercas individuales 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 muchos métodos para fabricar husillos de bolas, aunque normalmente 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 laminación en frío. La tuerca está mecanizada para igualar la capacidad de rendimiento del tornillo. Este enfoque proporciona una precisión moderada, del orden de ±0,004 pulg./pie de precisión de avance en tornillos de transporte de la serie en pulgadas. El tornillo y la tuerca de los husillos de bolas con rosca Precision Plus se producen mediante rectificado de precisión. Los husillos de bolas con rosca Precision-plus ofrecen una precisión mucho mayor de ±0,0005 pulg./pie en los tornillos de la serie Precision-plus en pulgadas. El costo de los husillos de bolas de precisión más rosca es mayor que el de los tornillos de precisión debido al mayor tiempo de procesamiento.

Sistemas de retorno de bolas

Normalmente se utilizan tres tipos diferentes de sistemas de retorno de bola. Los tubos de retorno externos, normalmente utilizados en tornillos en pulgadas, son rentables y fáciles de instalar, mantener y reparar. Los sistemas de retorno de botón interno se utilizan normalmente en tornillos de bajo avance. Son compactos, sin protuberancias radiales externas que compliquen 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, tuerca única y precarga. Los retornos de tapa de extremo internos se utilizan normalmente en tornillos de alto avance. Son compactos y 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 especificada y la vida útil requerida para una aplicación específica se selecciona mejor mediante un proceso iterativo. La carga de diseño, la orientación del sistema, la longitud del recorrido, la vida útil y la velocidad requerida se utilizan para determinar el diámetro y el avance del conjunto del husillo de bolas. Luego, los componentes individuales del husillo de bolas se seleccionan según los requisitos de precisión y repetibilidad, las limitaciones dimensionales, la configuración de montaje, los requisitos de energía disponibles y las condiciones ambientales.

Comience determinando la precisión posicional y la repetibilidad requeridas por la aplicación. Los husillos de bolas en pulgadas se fabrican en dos calidades principales: transporte y precisión plus. Los husillos de bolas aptos para transporte se utilizan en aplicaciones que solo requieren movimientos aproximados o en aquellas que utilizan retroalimentación lineal para la ubicación posicional. Los husillos de bolas de grado Precision Plus se utilizan cuando un posicionamiento preciso y repetible es fundamental. Los tornillos aptos para transporte permiten una mayor variación acumulativa sobre la longitud útil del tornillo. Los tornillos de precisión plus contienen acumulación de error de avance para un posicionamiento preciso en toda la longitud útil del tornillo.

Determine cómo se montará el conjunto del husillo de bolas en la máquina. La configuración de los soportes de los extremos y la distancia de recorrido dictarán 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 una tabla de carga de compresión disponible del fabricante para seleccionar un diámetro de husillo de bolas que cumpla o exceda la carga de diseño. Todos los tornillos con curvas que pasan, por ejemplo, a través o por encima y a la derecha del punto trazado, son adecuados para el siguiente ejemplo de aplicación. 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, a una longitud de 85 pulg. (2159 mm), una carga del sistema de 30 000 lb (133 500 N) y con una fijación final de un extremo fijo y el otro extremo apoyado; la selección mínima es una precisión de 1,750 x 0,200 más pulgadas. conjunto de husillo de bolas.

Calcule el avance del husillo de bolas que producirá el requisito de velocidad 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. Para este ejemplo son adecuadas todas las tuercas esféricas con curvas que pasan por el punto trazado o se encuentran por encima del mismo. Las expectativas de vida adecuadas que se muestran en este gráfico no deben exceder la capacidad de carga estática máxima que se indica en la tabla de clasificación para el conjunto de tuerca de bolas individual. En este ejemplo, la esperanza de vida de la aplicación (recorrido total) deseada es de 2 millones de pulgadas (50,8 millones de mm). Entonces la carga operativa normal máxima es de 10 000 lb (44 500 N).

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. La velocidad crítica depende del diámetro de la raíz del tornillo, la longitud sin soporte y la configuración del soporte del extremo. En la mayoría de las tablas de fabricantes, todos los tornillos con curvas que pasan a través o por encima y a la derecha del punto trazado son adecuados para el siguiente ejemplo. Los cuatro dibujos de fijación de los extremos muestran las configuraciones de los rodamientos para soportar un eje giratorio y el cuadro 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 se aplican al eje del tornillo seleccionado y no son indicativas de las velocidades alcanzables de 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, continúe con el siguiente paso. De lo contrario, los tornillos de mayor diámetro aumentarán la capacidad de carga y aumentarán la clasificación de velocidad. Los cables más pequeños 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 conductores más altos 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 conectará la tuerca de bolas con la aplicación. Una brida de tuerca de bolas es el método típico para fijar la tuerca de bolas a la carga. Las tuercas de bolas roscadas y las tuercas de bolas cilíndricas son formas alternativas de proporcionar la interfaz.

Las tuercas de bolas precargadas eliminarán el juego del sistema y aumentarán la rigidez. Los kits de limpiaparabrisas protegen el conjunto de contaminantes y contienen lubricación. También se encuentran disponibles soportes de rodamientos y mecanizado de extremos para la mayoría de los husillos de bolas.

Los tornillos de bolas deben manipularse con cuidado antes de realizar una instalación adecuada. Los golpes en los rodamientos de bolas pueden dañar las pistas de los rodamientos mediante formación de brilladura o grietas. Las cargas elevadas o la flexión del tornillo pueden provocar que se doble. Es importante mantener el conjunto empaquetado, lubricado y almacenado en un área limpia y seca porque los desechos y la contaminación pueden obstruir las vías de recirculación y la alta humedad o la lluvia pueden causar corrosión.

El montaje del sistema es otra consideración 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 cojinetes y la carga para lograr un rendimiento y una vida útil óptimos.

Lubricación de husillos de bolas

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

El aceite se puede aplicar a un caudal controlado directamente al punto de necesidad y limpiará los contaminantes a medida que pasa a través de la tuerca de bolas. También puede proporcionar refrigeración. Por otro lado, se necesita una bomba y un sistema de medición para aplicar el aceite adecuadamente, ya que el aceite también tiene el potencial de contaminar los fluidos del proceso.

La grasa es menos costosa y requiere una aplicación menos frecuente que el aceite y no contamina los fluidos del proceso. Por otro lado, es difícil mantener la grasa dentro de la tuerca de bolas y tiende a acumularse en los extremos del recorrido de la tuerca de bolas, donde acumula virutas y partículas abrasivas. La incompatibilidad de la grasa vieja con la grasa relubricada puede crear un problema, por lo que es importante comprobar la compatibilidad. Una grasa para soportar cargas puede ayudar a prolongar la vida útil de un conjunto, pero la capacidad de carga general no cambiará.