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Cómo especificar, seleccionar y aplicar los accionamientos lineales de husillos de bolas

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

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

Un accionamiento de husillo de bolas traduce el movimiento rotacional a movimiento lineal o viceversa y puede aplicar o soportar altas cargas de empuje -más de 750.000 libras de capacidad estática usando un ensamblaje de husillo de bolas de Ø6.000 pulgadas- con una eficiencia típicamente superior al 90%. Los husillos de bolas ayudan a guiar, soportar, localizar y mover con precisión los componentes y productos en una serie de aplicaciones de automatización.

Un accionamiento de husillo de bolas consiste en un husillo de bolas y una tuerca de bolas con cojinetes de recirculación de bolas. La interfaz entre el husillo y la tuerca está hecha por cojinetes de bolas que ruedan en las formas correspondientes en el husillo y la tuerca de bolas. La carga del husillo de bolas se distribuye sobre un gran número de cojinetes de bolas, de modo que cada bola está sujeta a una carga relativamente baja. Debido a sus elementos rodantes, el accionamiento del husillo de bolas tiene un coeficiente de fricción muy bajo, lo que equivale a una alta eficiencia mecánica.

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

Los accionamientos de husillo de bolas suelen proporcionar una eficiencia mecánica superior al 90%, por lo que su coste se compensa a menudo con la reducción de los requisitos de potencia. El aumento de la capacidad de carga, la mayor duración y la fiabilidad predecible de los husillos de bolas son ventajas sobre los husillos de plomo.

Repetibilidad y precisión

La precisión es una medida de la aproximación de un sistema de movimiento a una posición de mando, y se define como el máximo error 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 accionamientos de los husillos de bolas ofrecen una excelente repetibilidad (el juego depende del diámetro de los rodamientos de bolas, pero normalmente oscila entre 0,005 y 0,015 pulgadas) y precisión (±0,004 pulgadas/pie para los husillos de bolas de precisión y ±0,0005 pulgadas/pie para los husillos de bolas etiquetados como de precisión-plus).

La precisión del plomo es la medida más común de la precisión de los husillos de bolas. El plomo se refiere a cuán lejos viajará una tuerca de bola no giratoria con una sola vuelta de 360º del tornillo. La precisión del plomo se mide como la variación de desplazamiento permitida (posición real frente a posición teórica) por pie o por 300 mm. Los husillos de bolas se ofrecen en los grados de precisión plus y transporte, con el grado de precisión plus controlando estrechamente la acumulación de errores de plomo en toda la longitud del recorrido.

La holgura es el libre movimiento entre la tuerca y el tornillo, y puede medirse axial y radialmente. La mejor manera de medir el juego axial es asegurar el tornillo del movimiento y empujar y tirar axialmente de la tuerca de la bola mientras se mide su movimiento con un indicador de cuadrante. La holgura también puede medirse colocando un indicador de cuadrante en la tuerca de bola del sistema y conduciéndola una pulgada hacia adelante y hacia atrás hasta la posición original. La variación desde cero es el juego. La repetibilidad es simplemente el valor cuantitativo del juego de un husillo de bolas.

Una tuerca de bola no precargada tiene holguras internas entre los componentes, lo que significa que existe un juego. Una tuerca de bolas precargada no tiene holgura axial y, por lo tanto, elimina el juego y, por consiguiente, aumenta la rigidez. La precarga también aumenta el par necesario para girar el tornillo y se mide por el porcentaje de precarga con respecto a la capacidad dinámica (una tuerca de bolas con una capacidad dinámica de 1500 libras y una capacidad de precarga del 10% tiene una precarga interna de 150 libras). Los husillos de bolas de 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 a la precisión.

Las tuercas de bola precargadas están disponibles en los tornillos de precisión plus y en productos de tornillos de precisión selectos. Su coste es mayor que el de las tuercas no precargadas debido a la complejidad, el mecanizado adicional, el montaje y la verificación/medición. Los conjuntos de husillos de bolas pueden ser precargados con configuraciones de tuercas dobles o simples. Hay tres tipos principales de precarga: tuerca simple de bola sobredimensionada (4 puntos de contacto), tuerca simple de salto de cable (2 puntos de contacto) y tuerca doble (2 puntos de contacto). La precarga de tuerca simple mantiene el tamaño más pequeño del paquete y a la vez mantiene la capacidad de carga completa. Las tuercas de bola de salto tienen la mitad de la capacidad de las tuercas simples de tamaño similar, ya que sólo la mitad de los rodamientos de bolas están cargados en cada dirección. Los conjuntos de precarga de tuerca doble tienen la misma capacidad de carga que una tuerca simple, ya que sólo una tuerca de bolas se carga en cada dirección.

Hay muchos métodos para fabricar husillos de bolas, aunque normalmente se clasifican en dos categorías: precisión y precisión plus. La carrera de un husillo de bolas de precisión se forma por un proceso de laminación en frío. La tuerca se mecaniza para que coincida con la capacidad de rendimiento del tornillo. Este enfoque proporciona una precisión moderada, del orden de ±0,004 pulg./pies de precisión en tornillos de transporte de serie de pulgadas. El tornillo y la tuerca de los husillos de bolas de rosca plus de precisión se producen mediante un rectificado de precisión. Los husillos de bolas de rosca Precision-plus ofrecen una precisión mucho mayor de ±0,0005 pulgadas/pie de avance en los husillos de serie de pulgadas de Precision-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 la bola

Se utilizan comúnmente tres tipos diferentes de sistemas de retorno de la bola. Los tubos de retorno externos, típicamente usados en tornillos de pulgadas, son rentables y fáciles de instalar, mantener y reparar. Los sistemas de retorno interno de botón se utilizan típicamente en tornillos de bajo plomo. Son compactos, sin salientes radiales externos 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 montajes de contacto de 4 puntos, tuerca simple y precarga. Los retornos de tapa internos se utilizan típicamente en tornillos de plomo alto. Son compactos, sin salientes radiales externos que compliquen el montaje. Su ruido y vibración también son bajos comparados 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 a través de un proceso iterativo. La carga de diseño, la orientación del sistema, la longitud del recorrido, la vida útil requerida y la velocidad necesaria se utilizan para determinar el diámetro y el plomo del conjunto de husillo de bolas. Los componentes individuales de los husillos de bolas se seleccionan entonces en función de los requisitos de precisión y repetibilidad, las restricciones dimensionales, la configuración de montaje, los requisitos de energía disponible y las condiciones ambientales.

Comience por determinar la precisión de la posición y la repetibilidad que se requiere de la aplicación. Los husillos de bolas de pulgadas se producen en dos grados principales: Transporte y precisión plus. Los husillos de bolas de grado de transporte se utilizan en aplicaciones que sólo requieren un movimiento grueso o en las que se utiliza la retroalimentación lineal para la ubicación de la posición. Los husillos de bolas de grado Precision-plus se utilizan cuando la precisión y la repetibilidad de posicionamiento son críticas. Los husillos de grado de transporte permiten una mayor variación acumulativa sobre la longitud útil del husillo. Los tornillos de grado de precisión plus contienen la acumulación de error de plomo para un posicionamiento preciso sobre toda la longitud útil del tornillo.

Determinar cómo se montará el conjunto de husillo de bolas en la máquina. La configuración de los soportes finales y la distancia de desplazamiento dictarán las limitaciones de carga y velocidad del husillo de bolas.

Un husillo de bolas en tensión puede manejar cargas hasta la capacidad nominal de la tuerca. Para una tuerca de bolas en compresión, utilice una tabla de compresión-carga disponible en el fabricante para seleccionar un diámetro de husillo de bolas que cumpla o supere la carga de diseño. Todos los tornillos con curvas que pasan a través o por encima y 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 superar la capacidad de carga estática máxima que se indica en la tabla de clasificación del conjunto de tuercas de bolas individuales. Así, 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 soportado, la selección mínima es un conjunto de husillo de bolas de 1.750 x 0.200 pulgadas de precisión más.

Calcule el plomo del husillo de bolas que producirá el requisito de velocidad usando la siguiente fórmula.

Plomo (pulg.) = TravelRate (pulg. min.-1)/rpm

Determinar la esperanza de vida de la aplicación

La vida útil del conjunto puede calcularse utilizando la capacidad de carga dinámica especificada para cada tuerca esférica. Todas las tuercas de bola con curvas que pasan o están por encima del punto trazado son adecuadas para el ejemplo. 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 tuercas de bola individual. En este ejemplo, la esperanza de vida de la aplicación (recorrido total) deseada es de 2 millones de pulg. (50,8 millones de mm). Entonces la carga máxima de funcionamiento normal es de 44.500 N (10.000 lb).

Determinar la velocidad crítica del tornillo

La velocidad crítica del tornillo es la condición en la que la velocidad de rotación del conjunto establece vibraciones armónicas. La velocidad crítica depende del diámetro de la raíz del tornillo, de la longitud no soportada y de la configuración del soporte final. En la mayoría de los gráficos de los 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 cojinetes para soportar un eje de rotación, y el gráfico muestra el efecto de estas condiciones en la velocidad crítica del eje para la longitud del tornillo sin soporte. Las velocidades aceptables mostradas por este gráfico se aplican al eje del tornillo seleccionado, y no son indicativas de las velocidades alcanzables de todos los conjuntos de tuercas de bola 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, entonces proceda al siguiente paso. Si no, los tornillos de mayor diámetro aumentarán la capacidad de carga y aumentarán la clasificación de velocidad. Los de menor diámetro disminuirán la velocidad lineal (suponiendo que la velocidad del motor de entrada sea constante), aumentarán la velocidad del motor (suponiendo que la velocidad lineal sea constante) y disminuirán el par de entrada necesario. Las derivaciones más altas aumentarán la velocidad lineal (suponiendo una velocidad del motor de entrada constante), disminuirán la velocidad del motor de entrada (suponiendo una velocidad lineal constante) y aumentarán el par de entrada necesario.

Determinar cómo la tuerca de bola se interconectará con la aplicación. Una brida de tuerca de bola es el método típico para fijar la tuerca de bola a la carga. Las tuercas de bolas roscadas y las tuercas de bolas cilíndricas son formas alternativas de proporcionar la interfaz.

Las tuercas de bola precargadas eliminarán el contragolpe del sistema y aumentarán la rigidez. Los kits de limpiaparabrisas protegen el conjunto de los contaminantes y contienen lubricación. Los soportes de los rodamientos y el mecanizado de los extremos también están disponibles para la mayoría de los husillos de bolas.

Los tornillos de bola deben ser manejados con cuidado antes de su instalación. Los golpes en los cojinetes de bolas pueden dañar los anillos de los cojinetes por medio de salpicaduras o grietas. Las altas cargas o la flexión del tornillo pueden llevar a la flexión. Es importante mantener el conjunto embalado y lubricado y almacenado en un área limpia y seca porque los desechos y la contaminación pueden atascar las pistas de recirculación, y la alta humedad o la lluvia pueden causar corrosión.

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

Lubricación de los husillos de bolas

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

El aceite puede aplicarse a una tasa de flujo controlada directamente al punto de necesidad, y limpiará los contaminantes mientras pasa por la tuerca de bola. 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 de proceso.

La grasa es menos costosa y requiere una aplicación menos frecuente que el aceite, y no contamina los fluidos de proceso. Por otra parte, la grasa es difícil de mantener dentro de la tuerca de bola y tiene tendencia a acumularse en los extremos del recorrido de la tuerca de bola, donde acumula virutas y partículas abrasivas. La incompatibilidad de la grasa vieja con la grasa de relubricación puede crear un problema, por lo que es importante comprobar la compatibilidad. Una grasa de carga puede ayudar a extender la vida de un ensamblaje, pero la clasificación general de carga no cambiará.