Husillo de bolas
Un husillo de bola es un actuador lineal mecánico que convierte el movimiento de rotación en movimiento lineal con pocas perdidas por fricción.
Descripción
Un eje roscado proporciona un camino de rodadura helicoidal a unos rodamientos de bolas que actúan como un tornillo de precisión. Como el movimiento se realiza por rotación, no por deslizamiento, el rozamientos es menor, la fricción del conjunto es baja. Y como el esfuerzo se reparte entre varias bolas, es capaz de aplicar o resistir altas cargas de empuje. Se pueden fabrican con unas tolerancias estrechas y por tanto son adecuados para su empleo donde se necesita una alta precisión. El conjunto de bolas actúa como la tuerca mientras el eje roscado es el tornillo. En contraste con los husillos convencionales, los husillos a bolas tienden a ser bastante voluminoso, debido a la necesidad de disponer un espacio en el mecanismo para recircular las bolas.
Aplicaciones
Los husillos a bolas se utilizan en aviones y misiles para mover las superficies de control, especialmente en sistemas eléctrico fly by wire. En los automóviles se emplea en la dirección asistida para convertir el movimiento rotativo de un motor eléctrico en el movimiento axial de la cremallera de dirección. También se utilizan en máquinas herramientas, robots y equipos de montaje de precisión. Se utilizan husillos de bolas de gran precisión en motores paso a paso para la fabricación de semiconductores.
Fabricación
Los ejes de husillos de bola se puede fabricar mediante laminado, obteniéndose un producto menos preciso, pero de bajo costo y mecánicamente eficaces. Los husillos de bolas laminados tienen una precisión de posición de varias milésimas de pulgada por pie.
Precisión
Alta precisión ejes de los tornillos tiene habitualmente una precisión de 830 nanómetros por centímetro ( 1/1000 de una pulgada por pie) o mejor. Históricamente se han mecanizado a la forma bruta, posteriormente sometido a un proceso de cementación y luego rectificado. El proceso de tres pasos es necesario porque el mecanizado a alta temperatura distorsiona la pieza trabajada.[1] Una técnica de mecanizado de precisión reciente hard whirling (2008) que minimiza el calentamiento de la pieza, y puede producir tornillos de precisión en una barra cementada.[2]
Los ejes de los husillos de instrumento de calidad suelen tener una precisión de 250 nanómetros por centímetro. Se fabrican en máquinas de fresado de precisión con equipo de medición óptica de distancia y herramientas especiales. Se utilizan máquinas similares para producir lentes ópticas y espejos. Los ejes del husillo de instrumento se hacen generalmente en Invar, para evitar demasiados cambios de tolerancias con la temperatura.
Primeros husillos
Históricamente, los primero husillos a bolas precisos se fabricaron a partir de una husillos a bolas de baja precisión, y después lapeando el eje con varias vueltas tuerca de lapeado. Reordenando e invirtiendo las tuercas, los errores longitudinales de las tuercas y el eje se promediaron. A continuación, se mide el paso del eje repetidamente con un estándar de distancia. Un proceso similar se utiliza a veces hoy en día para producir ejes de referencia estándar de tornillo, o los ejes principales de fabricación de tornillo.
Funcionamiento
Para mantener su precisión inherente y garantizar una larga vida útil, se necesita tener gran cuidado para evitar la contaminación con polvo y partículas abrasivas. Esto se puede lograr mediante el uso fuelles de caucho o cuero para encerrar completamente o parcialmente las superficies de trabajo. Otra solución es insuflar aire filtrado a una presión positiva cuando se utilizan en un recinto cerrado o semi-abierto.
Aunque afecta a la reducción de la fricción, los husillos de bola puede operar con cierta precarga, eliminando efectivamente la holgura (SLOP) entre la entrada (rotación) y la salida (movimiento lineal). Esta característica es esencial cuando se utilizan en sistemas con movimientos controlados por ordenador, por ejemplo, máquinas herramientas CNC y aplicaciones de alta precisión de movimiento (por ejemplo, uniones del tipo wire bonding).
Sistemas de retorno de bolas y circuitos
Las bolas de rodamiento ruedan sobre el eje desplazándose hacia los extremos. Pasan entre la rosca de tornillo y la tuerca. Las bolas están confinadas en la tuerca. Para que el movimiento pueda continuar las bolas deben realizando un circuito cerrado. Debe existir un conducto que permita la recirculación de las bolas de vuelva al inicio de la tuerca y volver a comenzar el circuito.
Básicamente existe dos diferentes formas de recirculación: Las bolas pueden recorrer todas las vueltas desde el principio al fin de la tuerca, es decir salen por un extremo de la tuerca y vuelven por el otro a través de un conducto que puede estar mecanizado dentro de la tuerca o ser un tubo exterior. Otra posibilidad es las formación de varios circuitos independientes donde las bolas no recorren la totalidad de la tuerca sino solo una parte de los surcos de la tuerca. Y dentro de este sistema las bolas pueden a cada vuelta de la espiral retroceden saltando por encima de la cresta de husillo, o dar varias vueltas antes de regresar al comienzo. El sistema de múltiples caminos se suele emplear cuando se aplican altas cargas.
Geometría del husillo
El perfil de la pista de rodadura generalmente no es circular sino que tiene forma de arco gótico, es decir dos arcos circulares con el mismo radio pero con distinto centro. Generalmente se produce una holgura o juego ya que solo de produce el contacto en un flanco, en lados opuestos en el eje y en la tuerca. En el eje se produce en el flanco posterior respecto al movimiento y en la tuerca en el delantero. Para que no exista juego los rodamientos existen dos estrategias, una es sobredimensionar ligeramente el rodamiento respecto al surco, y lo cual genera una pequeña deformación elástica, y se produce contacto en los dos flancos, es decir existe cuatro puntos de contacto, dos en el tuerca y dos en el eje. El otro método para eliminar la holgura se aplica a tuercas dobles y hace que los puntos de contacto de una tuerca sean opuestos a los de la otra debido a la presión que ejerce una arandela sobre ambas tuercas. Se produce un solo punto de contacto por flanco pero opuestos en el eje y en la tuerca. También se puede conseguir en una tuerca simple realizando en los pasos de rosca uno con un desplazamiento de forma que la distancia en ese paso sea mayor que los restantes. Este método de precarga produce una menor deformación elástica.[3]
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Un rasgo característico del husillo de bola es la pendiente. Se mide en milímetros, es la distancia lineal recorrida en mm. de la tuerca de husillo por revolución del husillo. Este paso no coincide con la pendiente de la ranura, que se obtiene por mecanizado de la ranura a un plano inclinado. Esto es debido a que la transmisión del movimiento se realiza a través de rodamientos. Para que se produzca solo rodadura la velocidad instantánea en los puntos de contacto de la bola debe coincidir tanto en el eje rodamiento como en el rodamiento tuerca. Por lo que ambas deben diferir en la velocidad debida al giro del rodamiento. Aquellos velocidad de rampa es el cociente de las dos ramas de la pendiente triángulo (distancia de desplazamiento por unidad de volumen), un número adimensional y se expresa por costumbre como un porcentaje. Por convención, se expresan en milímetros, y de este modo normalizado a revoluciones o la velocidad en lugar de la medida simplifica la mayor parte de los cálculos de dimensionado del eje de máquina, a continuación, generalmente velocidades y pares a transmitir en el motor de accionamiento. La pendiente es tal que la velocidad de alimentación sea cómoda. Sin embargo, la geometría de la rampa de retorno del husillo juega un papel importante en la optimización estructural de los husillos de bolas.
Los husillos de bolas posibilitan altas velocidades de desplazamiento con una alta precisión con cargas muy diferentes. La velocidad está condicionada tanto por la velocidad de rodamiento de las bolas como por la velocidad critica del eje. El límite técnico para rodamientos de bolas era en 1996 de aproximadamente 3000 m / min (180 km / h). Y la velocidad crítica del eje depende de su longitud y de sus apoyos.
La dificulta de aumentar la velocidad de los husillos de bolas se debe a que no se puede construir la tuerca de husillo con la jaula de bolas perfectamente integrada. Por lo tanto, se produce choques, "clac", de las bolas unas contra otras y contra las ranuras de la tuerca y el husillo. Principalmente debido a este efecto, un husillo de bola laminado normalmente trabaja a menos de 200 m / min. Un factor importante que limita la velocidad de desplazamiento es la velocidad máxima de rodadura de las bolas en la ranura de rodadura. Con el fin de usar parte del potencial, los husillos de alta velocidad están diseñados con pendientes pronunciadas y diámetros pequeños. Los desarrollos más recientes incluyen husillos de bolas con cadena de bolas que corren relativamente lentas con lo que se puede reducir en gran medida el efecto de "clac" descrito anteriormente.
El cociente de la pendiente y la extensión del vástago indica por la cifra adecuada la forma de la hélice, salió de rampa. Esta relación también se denomina la relación de llamada del husillo. Una relación de transmisión de 1:1 significa que de acuerdo con esta definición gradiente de 100% de la rampa. La pendiente de husillos de alta velocidad modernos es un múltiplo del diámetro del respectivo husillo. Proporciones de 3:1 sólo se pudieron lograr a partir de 1996. La limitación se debe a la necesidad de encontrar un compromiso con el requisito de la estabilidad mecánica: el husillo transmite las fuerzas a su ranura. Los husillos demasiado delgados comienzan a oscilar bajo la influencia de los componentes radiales de estas fuerzas. La caracterización de la distribución de las fuerzas de ángulo de avance y ángulo de carga se especifican en la DIN 69051a. Para compensar las vibraciones no deseadas en husillos finos de alta velocidad se puede adaptar especialmente insertados pares de tuercas en el husillo diseñadas para funcionar como amortiguador.
Dimensiones
Los husillos de bolas solo disponen de estándares dimensionales para la conexión al motor de accionamiento. Por lo tanto, las dimensiones varían en los husillos en función del fabricante, en algunos casos de manera significativa. Por lo general, se disponen diferentes inclinaciones para cada diámetro de husillo.
La gama estándar en el mercado va desde los llamados husillos de bolas en miniatura, con tornillo desde 1 hasta 16 mm y husillos de diámetro de 6 a 20 mm, con tornillos con pasos de 50 mm y diámetros de hasta 125 mm. Las longitudes del husillo se ofrecen en función del tipo desde unos pocos centímetros hasta varios metros.
Ventajas
La baja fricción de los husillos de bolas se traduce en una alta eficiencia mecánica en comparación con otras alternativas. Un husillo de bolas usuales puede alcanzar una eficiencia del 90%, en comparación con el 50% de un husillo Acme de igual tamaño. La falta de fricción de deslizamiento entre la tuerca y el tornillo permite una larga vida útil del conjunto del husillo (especialmente en los sistemas sin holgura), la reducción de los tiempos entre mantenimiento y sustitución de piezas y a la disminución de las necesidades de lubricación. Esto, combinado con la mejora del rendimiento global y la reducción del consumo energético pueden permitir compensar los mayores costes de adquisición de los husillos a bolas.
Inconvenientes
Dependiendo de su ángulo de avance, los husillos de bolas puede retroceder debido a su bajo rozamiento interno (es decir, el eje del husillo puede ser accionado linealmente y hacer girar la tuerca de bola). Por lo general son indeseables para las máquinas herramientas operadas a mano, como se requiere rigidez en el servomotor para mantener el cortador de agarrar el trabajo y la alimentación propia, es decir, donde el cortador y la pieza de trabajo a la velocidad superior de avance óptimo y eficaz atasco o accidente juntos, arruinando el cortador y la pieza de trabajo.
El coste también es un factor importante los husillos Acme son más baratos de fabricar.