Sí, se puede utilizar una tuerca de bolas en una aplicación de alta velocidad, pero la pregunta correcta no es simplemente si la tuerca puede "moverse rápido".
Para un eje de husillo de bolas de alta velocidad, los ingenieros deben comprobarRPM requeridas del tornillo, valor DN o Dm-N, diseño de circulación de bolas, paso, lubricación, precarga, generación de calor y servicio operativo. Al mismo tiempo, el eje del tornillo giratorio debe permanecer por debajo de su velocidad crítica permitida.
Estos son límites diferentes. Una tuerca de bolas puede tener un sistema de circulación capaz de alcanzar alta velocidad mientras el eje del tornillo ya se acerca a la resonancia. Por el contrario, un tornillo corto y rígido puede tener un amplio margen de velocidad crítica mientras que la tuerca de bolas alcanza primero su DN o límite térmico.
¿Qué significa "alta velocidad" para una tuerca de bolas?
La alta velocidad lineal y la alta velocidad de rotación están relacionadas, pero no son lo mismo.
La relación es:
RPM del tornillo = Velocidad lineal ÷ Avance
Cuando la velocidad lineal se expresa en mm/min y el paso en mm/rev, el resultado son revoluciones por minuto del tornillo.
Por ejemplo, supongamos que un eje debe viajar a30 m/min, o 30.000 mm/min.
| Plomo del husillo de bolas | RPM requeridas a 30 m/min |
|---|---|
| 5mm | 6.000 rpm |
| 10 milímetros | 3.000 rpm |
| 20mm | 1.500 rpm |
| 25mm | 1.200 rpm |
Esto ilustra por qué los husillos de bolas con alto contenido de plomo se utilizan a menudo para desplazamientos lineales rápidos. Un avance mayor permite alcanzar la misma velocidad lineal con una velocidad de rotación más baja.
Sin embargo,Un alto liderazgo no significa automáticamente capacidad de alta velocidad.. El sistema de circulación de tuercas, el eje del tornillo, los cojinetes de soporte, la lubricación y la precarga deben ser adecuados para la velocidad de funcionamiento requerida.
La tuerca de bolas tiene su propio límite de velocidad
Dentro de una tuerca de bolas, las bolas de acero no ruedan simplemente a lo largo de un camino recto e interminable.
Viajan a través del canal cargado entre el tornillo y la tuerca, salen de la zona cargada, pasan por un camino de retorno y vuelven a entrar al canal.
A medida que aumenta la velocidad de rotación:
- las bolas circulan con mayor frecuencia por la tuerca;
- aumenta la aceleración de la bola dentro del sistema de retorno;
- el impacto en la transición hacia y desde el camino de regreso se vuelve más importante;
- la lubricación se vuelve más difícil de mantener;
- el calor por fricción aumenta;
- el ruido y las vibraciones pueden aumentar;
- Los efectos centrífugos e inerciales se vuelven más significativos.
Esta es la razón por la que el diseño de la circulación es muy importante en una tuerca de bolas de alta velocidad.
¿Qué es el valor DN o Dm-N?
El valor DN o Dm-N se usa comúnmente para describir la capacidad de velocidad de una tuerca de husillo de bolas y su sistema de circulación de bolas.
En forma simplificada:
DN = Diámetro de referencia × Velocidad de rotación
o, para catálogos que utilizan el diámetro del círculo primitivo de bola:
Dm-N = Dm × N
dónde:
- dm= referencia especificada o diámetro del círculo primitivo de la bola;
- norte= velocidad de rotación en rpm.
Un detalle importante es que los fabricantes no siempre utilizan exactamente el mismo diámetro de referencia al publicar los límites DN o Dm-N.
Por lo tanto, no calcule un valor utilizando el diámetro nominal del tornillo y compárelo directamente con el límite Dm-N del fabricante a menos que ambos valores utilicen la misma definición.
Un ejemplo de DN sencillo
Sólo para una comparación preliminar, supongamos que se utiliza como referencia el diámetro nominal del tornillo.
Un husillo de bolas de 25 mm que gira a 4000 rpm da:
25 × 4.000 = 100.000
Si la velocidad de rotación aumenta a 6000 rpm:
25 × 6.000 = 150.000
Tenga en cuenta que aumentar el diámetro del tornillo no resuelve automáticamente un problema de límite de DN. A las mismas revoluciones, un diámetro de referencia mayor produce en realidad un valor DN más alto.
Si la velocidad de la tuerca se convierte en el factor limitante, las posibles soluciones incluyen:
- usar un cable más grande para reducir las rpm requeridas;
- seleccionar una estructura de circulación de nueces diseñada para un valor DN/Dm-N más alto;
- reducir la velocidad lineal objetivo;
- revisión de precarga y lubricación;
- considerando otra disposición de accionamiento para ejes extremadamente largos o rápidos.
La velocidad crítica y el límite de velocidad de la tuerca de bolas no son lo mismo
Esta distinción es uno de los puntos más importantes en la selección de husillos de bolas de alta velocidad.
| Límite | Componente principal | Principal preocupación por el fracaso | Principales factores que influyen |
|---|---|---|---|
| Límite DN / Dm-N | Tuerca de bolas y sistema de recirculación. | Calor, impacto, ruido y velocidad excesiva de circulación de la bola. | Diseño de tuerca, diámetro de referencia, RPM, estructura de retorno de bola y lubricación. |
| velocidad critica | Eje de tornillo giratorio | Resonancia, latigazos y vibración lateral. | Diámetro de la raíz, longitud sin soporte y condición del soporte terminal. |
Un husillo de bolas largo y delgado suele estar limitado por la velocidad crítica del eje antes de que la tuerca alcance su máxima capacidad de circulación.
Un tornillo corto y de gran diámetro puede comportarse de manera diferente: el eje puede tener una velocidad crítica alta, mientras que DN/Dm-N o la temperatura se convierten en el límite práctico.
Para el cálculo del lado del eje, consulteVelocidad crítica del husillo de bolas: cómo calcularla y por qué es importante.
¿Por qué es importante el diseño de la circulación de bolas a alta velocidad?
Cada vez que una bola sale de la pista cargada y entra en la trayectoria de recirculación, su dirección y velocidad cambian.
A velocidad baja o moderada, estas transiciones son relativamente fáciles de gestionar. A alta velocidad de rotación, la aceleración y el impacto repetidos pueden convertirse en una fuente importante de:
- ruido;
- vibración;
- calor;
- desgaste de la pelota;
- tensión del componente de retorno.
Por lo tanto, las estructuras de tuercas de alta velocidad se centran no sólo en una baja fricción sino también en hacer que el retorno de la bola sea lo más suave posible.
Las tapas finales y otras estructuras de circulación optimizadas pueden resultar útiles porque la trayectoria de la bola puede diseñarse para reducir los cambios abruptos en el movimiento de la bola.
SFS y SFE resuelven diferentes problemas de alta velocidad
DLY suministra varias estructuras de tuercas de bolas. Dos series frecuentemente asociadas con movimientos más rápidos son SFS y SFE, pero no deben tratarse como idénticas.
| Serie | Dirección principal de diseño | Por qué puede ayudar a mayor velocidad |
|---|---|---|
| SFS | Tuerca simple tipo silencioso con circulación en la tapa del extremo y estructura compacta | Retorno de bola suave y funcionamiento con menos ruido para ejes adecuados de velocidad media a alta |
| SFE | Tuerca con brida de alto contenido de plomo | Un mayor recorrido por revolución permite un alto avance lineal a menores RPM del tornillo |
Las tuercas DLY SFS utilizan una estructura de circulación de cubierta final y están disponibles en combinaciones de cables más grandes, como 10, 20, 32, 40 y 50 mm, según el modelo. Se seleccionan cuando son importantes una circulación suave, una instalación compacta y un menor ruido de funcionamiento.
Las tuercas SFE se caracterizan principalmente por su diseño de paso grande. Modelos como SFE1616, SFE2020 y otras configuraciones de alto avance pueden lograr un mayor recorrido por revolución del tornillo.
Por lo tanto:
SFE:concéntrese más en lograr un alto avance lineal a través de un cable más grande.
Aún se debe confirmar la velocidad máxima real de cualquiera de las series para el diámetro, el paso y las condiciones de funcionamiento seleccionados.
Un alto nivel de ventaja no significa velocidad ilimitada
Una tuerca de bolas con alto contenido de plomo puede reducir sustancialmente las rpm del tornillo, pero existen compensaciones.
| Efecto principal más grande | Resultado |
|---|---|
| Más recorrido lineal por revolución | Mayor velocidad lineal a las mismas RPM |
| RPM más bajas para la misma velocidad de alimentación | Puede ayudar con los límites de velocidad crítica y DN |
| Mayor recorrido por revolución del motor | Resolución lineal teórica más gruesa para la misma resolución del codificador |
| Diferente geometría de hélice | Se deben comprobar el par del motor y los requisitos de accionamiento. |
Esto significa que se debe seleccionar el cable correcto entre todos los requisitos de la máquina, no simplemente eligiendo el cable más grande disponible.
La lubricación se vuelve más crítica a medida que aumenta la velocidad
El funcionamiento a alta velocidad aumenta el número de contactos rodantes y ciclos de circulación de bolas por unidad de tiempo.
Si la lubricación es insuficiente, el sistema puede experimentar:
- mayor fricción;
- rápido aumento de temperatura;
- desgaste de la pista de rodadura;
- desgaste de la pelota;
- aumento de ruido;
- vida útil más corta.
Pero más lubricante no significa automáticamente mejor.
El exceso de grasa puede aumentar la resistencia al batido dentro de la tuerca, particularmente a velocidades más altas. Esto puede aumentar el par y la temperatura en lugar de mejorar el funcionamiento.
Por lo tanto, la lubricación de alta velocidad necesita lo correcto:
- tipo de lubricante;
- viscosidad;
- cantidad;
- intervalo de relubricación;
- método de suministro.
La solución adecuada depende de la velocidad, la carga, el ciclo de trabajo, la estructura de la tuerca, la temperatura de funcionamiento y el entorno.
¿Por qué una tuerca de bolas de alta velocidad genera calor?
Un husillo de bolas es eficaz, pero no está exento de fricción.
A alta velocidad, el calor puede provenir de:
- rodamiento y deslizamiento de bola a pista;
- interacción pelota a pelota;
- transiciones de retorno de pelota;
- sellos y limpiaparabrisas;
- batido de lubricante;
- precarga;
- rodamientos de soporte.
La temperatura importa porque el eje del tornillo se expande a medida que se calienta.
La expansión térmica puede influir entonces en la precisión del posicionamiento, especialmente en ejes de precisión largos.
Por lo tanto, para una máquina de precisión de alta velocidad, simplemente demostrar que la tuerca "puede girar a las revoluciones requeridas" no es suficiente. El comportamiento térmico de todo el eje también debería comprobarse en condiciones realistas del ciclo de trabajo.
¿Más precarga ayuda a alta velocidad?
La precarga puede reducir el juego axial y aumentar la rigidez, lo que resulta útil para un posicionamiento de precisión.
Sin embargo, la precarga también aumenta la fuerza de contacto interna.
A alta velocidad, una precarga excesiva puede contribuir a:
- mayor par de funcionamiento;
- generación de calor adicional;
- mayor demanda de lubricación;
- mayor tensión en rodamientos y pistas de rodadura;
- vida más corta si las condiciones de funcionamiento no son adecuadas.
Por lo tanto, la precarga máxima no es automáticamente la mejor opción para un eje de alta velocidad.
La precarga adecuada debe equilibrar:
Rigidez + Contragolpe + Velocidad + Calor + Vida
La carga sigue siendo importante a alta velocidad
Una tuerca de bolas puede satisfacer su requisito de velocidad y aun así resultar inadecuada debido a la carga.
La automatización de alta velocidad frecuentemente combina:
- aceleración rápida;
- desaceleración rápida;
- marcha atrás frecuente;
- tiempos de ciclo cortos;
- funcionamiento continuo.
La aceleración crea una fuerza de inercia adicional:
F = metro × un
Esta fuerza debe incluirse junto con la carga de trabajo normal al evaluar la carga dinámica equivalente y la vida útil del husillo de bolas.
Un eje de recogida y colocación de alta velocidad con una carga útil relativamente ligera aún puede experimentar una carga dinámica significativa si la aceleración es agresiva.
La alta velocidad y la alta precisión son requisitos diferentes
Otro error común es suponer que la tuerca de bolas más rápida debe ser también la más precisa.
La capacidad de velocidad y la precisión de posicionamiento son especificaciones independientes.
La precisión depende de factores como:
- grado de precisión del husillo de bolas;
- error de plomo;
- precarga o juego axial;
- rigidez del soporte;
- alineación de la instalación;
- expansión térmica;
- resolución del motor y codificador;
- Rigidez estructural de la máquina.
Por ejemplo, seleccionar una estructura SFE de alto avance puede ayudar a que un eje alcance una velocidad de avance alta a rpm más bajas, pero el grado de precisión C3, C5 o C7 requerido aún debe seleccionarse por separado según los requisitos de posicionamiento.
No ignore los cojinetes de soporte
La tuerca de bolas no es el único componente del sistema giratorio con un límite de velocidad.
Los cojinetes de apoyo de extremo fijo también deben tolerar:
- RPM requeridas;
- precarga axial;
- carga operativa axial;
- temperatura;
- lubricación;
- servicio continuo.
Una tuerca de bolas capaz de circular a alta velocidad no proporciona ningún beneficio si el rodamiento de soporte o el acoplamiento se convierte en el límite de velocidad real.
Por ello, el motor, el acoplamiento, el soporte del lado fijo, el cojinete del lado soportado y el eje roscado deben comprobarse como un solo sistema de accionamiento.
Los husillos de bolas largos tienen un problema diferente de alta velocidad
Para un eje largo, la velocidad crítica del eje del tornillo a menudo se vuelve más restrictiva.
La velocidad crítica disminuye rápidamente a medida que aumenta la longitud del tornillo sin soporte. Un eje largo puede comenzar a latir incluso si la tuerca todavía está cómodamente por debajo de su límite DN.
Las posibles soluciones incluyen:
- aumentar el diámetro de la raíz del tornillo;
- reducir la longitud sin soporte;
- utilizar una disposición de soporte terminal más rígida;
- aumentar el plomo para reducir las RPM requeridas;
- utilizar soporte intermedio cuando el diseño de la máquina lo permita;
- considerando una disposición de tuerca giratoria para ejes muy largos de alta velocidad.
Para una discusión completa a nivel de sistema, consulteCómo seleccionar un husillo de bolas para funcionamiento a alta velocidad.
¿Cuándo tiene sentido una tuerca de bolas giratoria?
En un eje de husillo de bolas convencional, el eje del husillo gira mientras la tuerca se mueve linealmente.
Para un eje muy largo y de alta velocidad, esto puede crear un problema fundamental: el eje del tornillo más largo debe girar a altas revoluciones, lo que dificulta cada vez más el control de la velocidad crítica.
Un sistema de tuerca de bolas giratoria invierte esta disposición. El eje del tornillo permanece estacionario mientras el conjunto de tuerca gira y se desplaza a lo largo del tornillo.
Esto puede resultar útil cuando:
- el viaje es muy largo;
- la velocidad de alimentación objetivo es alta;
- la velocidad crítica del eje giratorio es la principal limitación;
- la estructura de la máquina puede alojar una unidad de accionamiento de tuerca giratoria.
Sin embargo, esta es una arquitectura mecánica diferente y requiere una disposición de transmisión, alojamiento y cojinete de tuerca dedicados. No se crea simplemente tomando una tuerca de bolas común y corriente y girándola.
¿Qué pasa con los conjuntos de husillos de bolas de alta velocidad DLY?
DLY también suministraconjuntos de husillos de bolas de alta velocidadpara aplicaciones donde se requiere mayor velocidad de rotación, bajo nivel de ruido y aceleración estable.
La actual serie DLY de alta velocidad está diseñada en torno a una estructura optimizada de retorno de bola y publica una alta capacidad de Dm-N superior a 220.000 para la serie aplicable.
Esto no significa que cada tuerca de bolas DLY o cada diámetro de tornillo pueda funcionar automáticamente a las mismas RPM. Aún se debe confirmar la velocidad real permitida para el seleccionado:
- serie;
- diámetro;
- dirigir;
- estructura de nuez;
- longitud del tornillo;
- acuerdo de apoyo;
- carga;
- precarga;
- condición de lubricación.
Ejemplo: Selección de avance para un eje de 24 m/min
Supongamos que un eje de automatización necesita una velocidad lineal máxima de:
24 m/min = 24.000 mm/min
Compare tres posibles pistas:
| Dirigir | RPM del tornillo requeridas | Evaluación inicial de alta velocidad |
|---|---|---|
| 5mm | 4.800 rpm | Alta velocidad de rotación; La velocidad crítica y el DN requieren una verificación cuidadosa. |
| 10 milímetros | 2.400 rpm | RPM más manejables, dependiendo del diámetro y la longitud del tornillo |
| 20mm | 1.200 rpm | RPM mucho más bajas, potencialmente útiles para ejes largos o rápidos |
Esto no prueba que la mina de 20 mm sea automáticamente la mejor opción.
El diseñador aún debe verificar:
- par motor;
- aceleración;
- resolución de posicionamiento;
- carga axial;
- tamaño de tuerca de bola;
- velocidad crítica;
- límite DN/Dm-N;
- precisión requerida.
Pero demuestra por qué el plomo es uno de los primeros parámetros a revisar cuando la velocidad de alimentación requerida es alta.
Señales de que una tuerca de bolas tiene problemas a alta velocidad
Durante las pruebas de la máquina, esté atento a los cambios que aparecen sólo a medida que aumenta la velocidad.
| Síntoma | Posible causa |
|---|---|
| La temperatura de la nuez aumenta rápidamente | Exceso de precarga, problema de lubricación, velocidad excesiva o desalineación |
| El ruido aumenta bruscamente con las RPM | Problema de circulación de bolas, lubricación, rodamiento de soporte o resonancia |
| La vibración aparece a unas RPM específicas | Posible resonancia de velocidad crítica del tornillo o resonancia del sistema |
| La corriente del motor aumenta a medida que aumenta la velocidad. | Aumento de la fricción, agitación del lubricante, precarga o problema de alineación |
| La posición cambia a medida que la máquina se calienta | Expansión térmica del tornillo y la estructura de la máquina. |
| Desgaste del sello o componente de retorno | La velocidad, la contaminación o las condiciones de lubricación pueden ser inadecuadas. |
No diagnostique cada vibración de alta velocidad como un problema de tuerca de bolas. También se deben inspeccionar la velocidad crítica del tornillo, los cojinetes de soporte, la alineación del acoplamiento y la estructura de la máquina.
Cómo seleccionar una tuerca de bolas para funcionamiento a alta velocidad
Un proceso de selección práctico es:
- Defina la velocidad lineal requerida.Utilice el requisito de avance máximo real en lugar de simplemente decir "alta velocidad".
- Seleccione una pista preliminar.Convierta la velocidad lineal en RPM de tornillo requeridas.
- Verifique la velocidad crítica del tornillo.Considere el diámetro de la raíz del tornillo, la longitud sin soporte y la configuración del soporte final.
- Marque DN o Dm-N.Utilice la definición y el límite suministrados para la serie de tuercas de bolas seleccionada.
- Seleccione la estructura de circulación.Considere SFS u otra estructura de alta velocidad y bajo ruido cuando el retorno de la pelota se vuelve importante.
- Evaluar una estructura de alto liderazgo.SFE u otra serie adecuada con alto contenido de plomo puede reducir las RPM requeridas del tornillo.
- Comprobar carga y aceleración.Incluya las fuerzas de inercia provenientes del movimiento rápido de inicio y parada.
- Seleccione la precarga con cuidado.Utilice sólo tanta precarga como sea necesario para los requisitos de rigidez y juego.
- Confirmar la lubricación.Seleccione el tipo, la cantidad y el intervalo de lubricante para la velocidad y el ciclo de trabajo reales.
- Verifique los cojinetes de soporte y el acoplamiento.También deben satisfacer las RPM requeridas.
- Comprobar comportamiento térmico.Para ejes de precisión, considere la expansión del tornillo y la temperatura de funcionamiento.
- Ejecute un ciclo de prueba realista.Mida el ruido, la temperatura, el par y el comportamiento de posicionamiento en condiciones de funcionamiento reales.
¿Qué información debe enviar a DLY?
Si necesita un husillo de bolas o una tuerca de bolas para un eje de alta velocidad, proporcione:
- velocidad lineal máxima requerida;
- longitud del viaje;
- longitud total del tornillo;
- diámetro de tornillo preferido, si ya está seleccionado;
- dirigir;
- masa en movimiento;
- carga axial máxima;
- aceleración y desaceleración;
- ciclo de trabajo;
- precisión de posicionamiento requerida;
- precarga o reacción requerida;
- disposición de soporte final;
- velocidad del motor;
- entorno operativo;
- plano de instalación.
Con estos parámetros se puede comprobar la selección como un sistema completo en lugar de elegir una tuerca sólo porque en su descripción del producto dice "alta velocidad".
Conclusión
Las tuercas de bolas pueden funcionar a alta velocidad, pero no existe una RPM universal que se aplique a todas las tuercas de bolas.
El límite de alta velocidad correcto depende de la estructura de circulación de la tuerca, la capacidad DN o Dm-N, el diámetro, la lubricación, la precarga, la carga y las condiciones térmicas.
Al mismo tiempo, el eje del tornillo tiene un límite de velocidad crítica independiente que depende principalmente del diámetro de la raíz, la longitud sin soporte y la disposición del soporte.
Por tanto, una selección fiable de alta velocidad debería evaluar:
Para un movimiento lineal rápido, un avance más grande puede reducir las RPM requeridas del tornillo. La serie SFE se puede considerar cuando el requisito principal es un alto contenido de plomo, mientras que el SFS y las estructuras dedicadas de alta velocidad son útiles cuando la circulación suave de la bola y el funcionamiento con menor ruido se vuelven más importantes.
La mejor solución no es simplemente la "tuerca de bolas más rápida". Es el conjunto de husillo de bolas el que alcanza la velocidad lineal requerida manteniéndose dentro de sus límites mecánicos, térmicos y de vida.
Contacto DLY
¿Seleccionar un husillo de bolas para un eje de alta velocidad? Envíe a DLY la velocidad lineal, la carrera, la longitud del tornillo, la carga, la aceleración, los requisitos de precisión y el plano de instalación necesarios. Podemos ayudarle a comparar las opciones requeridas de avance, estructura de tuerca de bolas, disposición de soporte y husillo de bolas de alta velocidad.
Correo electrónico: export@dlybearing.com
