¿Afecta la amortiguación de la tuerca de bolas al rendimiento? Explicación de la vibración, la precarga y la rigidez.

La amortiguación de las tuercas de bolas puede afectar el comportamiento dinámico de un husillo de bolas, pero es fácil malinterpretar lo que esto significa. En la mayoría de las aplicaciones de ingeniería, una tuerca de bolas no tiene un "índice de amortiguación" simple e independiente que determine si la máquina vibrará.

En cambio, el comportamiento de vibración proviene del sistema completo de accionamiento de avance. El contacto entre las bolas y las pistas de rodadura, la precarga de la tuerca, la lubricación, los cojinetes de soporte, la rigidez del eje del tornillo, el acoplamiento, la mesa móvil, la estructura de la máquina y el servocontrol pueden afectar la forma en que se genera, transmite y disipa la vibración.

Por esta razón, cuando un eje CNC vibra o resuena, normalmente no es suficiente elegir una tuerca de bolas descrita simplemente como de "mayor amortiguación". Los ingenieros deben primero determinar si el problema real esrigidez insuficiente, precarga excesiva, fricción, resonancia, mala alineación o vibración estructural.

¿Qué significa la amortiguación en un husillo de bolas?

Un eje de avance mecánico se puede representar de forma simplificada como un sistema masa-resorte-amortiguador:

En este modelo simplificado,metrorepresenta la masa en movimiento,krepresenta la rigidez del sistema, ydorepresenta una amortiguación efectiva. El término amortiguación describe mecanismos que disipan parte de la energía de vibración en lugar de permitir que esa energía continúe oscilando entre la inercia y la deformación elástica.

Lo importante es que el coeficientedonormalmente no proviene únicamente de la tuerca de bolas. Un eje de avance CNC real contiene muchas interfaces. El contacto rodante dentro de la tuerca, el lubricante, los sellos, los cojinetes, las juntas estructurales y los componentes de la máquina pueden contribuir a la respuesta dinámica medida.

El servocontrol también puede proporcionar una supresión activa de las vibraciones. Por lo tanto, la amortiguación medida desde un eje completo de la máquina no es lo mismo que una propiedad del material del cuerpo de la tuerca de bolas.

Amortiguación y rigidez no son lo mismo

Esta distinción es particularmente importante porque la amortiguación y la rigidez a menudo se mezclan en las discusiones sobre el rendimiento de los husillos de bolas.

La rigidez describe cuánto se deforma elásticamente un sistema cuando se aplica una carga. Si una tuerca de bolas tiene una alta rigidez axial, una fuerza axial dada produce menos desplazamiento. Esto es directamente importante para la estabilidad del posicionamiento, la respuesta de corte y la resistencia a la inversión de la carga.

La amortiguación describe la rapidez con la que se disipa la energía oscilante después de excitar el sistema. Por lo tanto, un sistema puede ser muy rígido pero tener una amortiguación relativamente baja, o tener más amortiguación sin ser necesariamente muy rígido.

Estos parámetros interactúan, pero no deben considerarse intercambiables.

¿Cómo afecta la precarga de la tuerca de bolas a la vibración?

La precarga es mucho más útil que la "amortiguación" como especificación práctica de tuercas de bolas. Una tuerca de bolas precargada mantiene un contacto controlado entre las bolas y las superficies opuestas de las pistas de rodadura, lo que reduce el juego axial y aumenta la rigidez axial.

Cuando un eje invierte la dirección o experimenta fuerzas de corte cambiantes, una rigidez insuficiente puede permitir un movimiento elástico mayor. Esto puede contribuir a una peor respuesta de posicionamiento y puede cambiar las frecuencias naturales de todo el sistema de accionamiento de alimentación.

Aumentar la precarga puede mejorar la rigidez y reducir la pérdida de movimiento, pero esto no significa que la precarga máxima proporcione el mejor rendimiento de vibración. La precarga adicional aumenta la fuerza de contacto interna entre las bolas y las pistas de rodadura. Como resultado, normalmente también aumentan el par dinámico, la fricción y el calor.

Esto crea una importante compensación de ingeniería. Una máquina necesita suficiente precarga para lograr la rigidez y el control de holgura necesarios, pero una precarga excesiva puede aumentar la temperatura, la carga del motor y el desgaste sin proporcionar una mejora útil en el rendimiento de la máquina.

DLYguía de precarga de tuerca de bolasexplica esta relación con más detalle.

Más fricción no significa automáticamente una mejor amortiguación

Puede resultar tentador pensar que si la fricción disipa energía, entonces una tuerca de bolas con mayor fricción debe suprimir mejor la vibración. Para los sistemas de movimiento de precisión, esa conclusión es demasiado simple.

Un husillo de bolas es valioso precisamente porque el contacto rodante proporciona una alta eficiencia de transmisión y baja fricción en comparación con un husillo deslizante. Aumentar artificialmente la resistencia interna no es un método deseable de control de vibraciones.

La fricción excesiva puede producir un aumento de temperatura, aumentar la demanda de par del servo y hacer que el movimiento a baja velocidad sea menos uniforme. La expansión térmica del tornillo puede generar errores de posicionamiento adicionales, especialmente en ejes de precisión largos.

El desarrollo moderno de husillos de bolas a menudo avanza en la dirección opuesta: los fabricantes intentan mantener una alta rigidez de la tuerca y al mismo tiempo reducir el par de fricción dinámico innecesario. Esto permite que el sistema de alimentación permanezca rígido sin pagar la penalización total en generación de calor y pérdida de energía.

¿Cómo influye la lubricación en el comportamiento dinámico?

La lubricación cambia la condición de contacto entre las bolas y las pistas de rodadura y, por tanto, influye en el par de funcionamiento, la temperatura, el ruido y la vibración. Una tuerca correctamente lubricada permite que las bolas circulen suavemente mientras separan las superficies de contacto lo suficiente para reducir el desgaste.

Cuando la lubricación se vuelve insuficiente, la resistencia a la rodadura se vuelve menos estable. El ruido puede aumentar y la interacción local entre metales puede acelerar el daño a las pistas de rodadura. Una pista de rodadura dañada o contaminada puede generar vibraciones periódicas cada vez que el área afectada pasa por la zona cargada.

Demasiada grasa puede crear un problema diferente. A velocidades de rotación más altas, el exceso de lubricante puede aumentar la resistencia al batido dentro de la tuerca y el sistema de retorno de bolas, aumentando el par dinámico y la temperatura.

Es por eso que la lubricación debe seleccionarse según la velocidad, la carga, el diseño de la tuerca, la temperatura de funcionamiento y el ciclo de trabajo. No debe usarse como una forma de agregar "amortiguación" deliberadamente.

¿El material de las tuercas de bolas controla la amortiguación?

Para los husillos de bolas industriales estándar, el cuerpo de la tuerca de bolas se selecciona principalmente y se trata térmicamente para proporcionar la resistencia, dureza de la pista de rodadura, resistencia al desgaste y vida a la fatiga requeridas. La selección del material normalmente no se basa en intentar convertir el cuerpo de la tuerca en un amortiguador de vibraciones.

Las series de tuercas de bolas estándar DLY, como SFU, DFU, SFE y SFS, utilizan estructuras de tuercas de aleación de acero endurecido de acuerdo con las especificaciones del producto correspondientes. Por ejemplo, DLY usa comúnmenteAcero de aleación 20CrMopara tuercas de bolas.

El contacto rodante se produce entre bolas de acero endurecido y pistas de rodadura de precisión. Como resultado, la respuesta dinámica general depende mucho más del sistema de contacto, la precarga, la estructura de soporte y el ensamblaje de la máquina que de describir el propio cuerpo de la tuerca de acero como un "material de alta amortiguación".

Esta es también la razón por la que reemplazar una tuerca de bolas de acero por otra de dimensiones similares no resolverá automáticamente un problema de vibración de la máquina a menos que se haya identificado la verdadera fuente de vibración.

Por qué el diseño de circulación de bolas es más importante para el ruido y la suavidad

Aunque no es correcto llamar simplemente a un diseño de circulación "alta amortiguación", la ruta de retorno interna afecta la suavidad y el ruido a alta velocidad.

Durante la operación, las bolas abandonan la pista cargada, pasan por el sistema de retorno y vuelven a ingresar a la zona de carga. La transición cambia la dirección y la velocidad de las bolas. A mayor velocidad, una geometría de transición deficiente puede aumentar el impacto y el ruido.

Es por eso que algunas series de tuercas están diseñadas para una circulación de bolas más suave o un funcionamiento con menos ruido. Por ejemplo, las tuercas DLY SFS utilizan una estructura de circulación de cubierta final y están diseñadas para aplicaciones donde el tamaño compacto, el movimiento suave y el menor ruido de funcionamiento son importantes.

Eso debería describirse comoCirculación de bolas y rendimiento acústico., no como prueba de que la tuerca tenga un coeficiente de amortiguación específico alto.

¿Una tuerca de doble bola proporciona más amortiguación?

Una tuerca doble DFU tiene dos secciones de tuerca y se puede precargar para reducir el juego axial y aumentar la rigidez axial. Esto la hace útil para máquinas que requieren un mejor control del juego y mayor rigidez que una tuerca de holgura estándar.

Sin embargo, la principal razón de ingeniería para seleccionar DFU esprecarga y rigidez, no una propiedad de amortiguación especial.

Un sistema de alimentación más rígido puede cambiar sus frecuencias de resonancia y reducir el desplazamiento elástico cuando se expone a fuerzas alternas. Esto puede mejorar el comportamiento dinámico de la máquina, pero no debe describirse como que la tuerca DFU "absorbe vibraciones".

Si una máquina sufre vibraciones o vibraciones del servo, es posible que pasar de SFU a DFU sin verificar el sistema completo no resuelva el problema. Los cojinetes de soporte, la estructura de montaje, la longitud de los tornillos, el acoplamiento, las guías y el ajuste del servo aún pueden dominar la respuesta dinámica.

¿La amortiguación aumenta la capacidad de carga de la tuerca de bolas?

No directamente.

La capacidad de carga de una tuerca de bolas está representada principalmente por parámetros como su capacidad de carga dinámica básica y su capacidad de carga estática básica. Estos valores dependen de la geometría interna, el tamaño de la bola, el número de circuitos cargados, el material y el diseño de la pista de rodadura.

Por lo tanto, la amortiguación no debe utilizarse para justificar una carga permitida más alta.

La vibración dinámica ciertamente puede crear fuerzas adicionales o fluctuantes en una máquina. Reducir las vibraciones severas puede reducir estas cargas dinámicas no deseadas, pero eso es diferente a decir que una mayor amortiguación cambia la clasificación de carga de catálogo de la tuerca de bolas.

Para trabajos de selección, compareCa, C0a, carga de trabajo, carga dinámica equivalente, precarga y vida requeridaen lugar de intentar estimar la capacidad de carga a partir del comportamiento de amortiguación.

¿Qué causa realmente la vibración en el eje de un husillo de bolas?

Cuando un eje vibra, la tuerca de bolas es sólo un posible contribuyente. En sistemas de husillos de bolas largos, la velocidad de rotación que se acerca a la velocidad crítica del husillo puede provocar latigazos del eje y fuertes vibraciones laterales. En otras máquinas, las carcasas de soporte desalineadas o un acoplamiento excéntrico crean una excitación periódica una vez por revolución del tornillo.

La precarga y la lubricación pueden cambiar la respuesta a la vibración, pero la rigidez del soporte y la rigidez del bastidor de la máquina pueden ser igualmente importantes. Un soporte de tuerca flexible puede deformarse incluso cuando la propia tuerca tiene una alta rigidez axial, y una junta de máquina floja puede crear un movimiento estructural mucho mayor que la deformación elástica dentro de la tuerca de bolas.

El ajuste del servo crea otra capa. Un eje de husillo de bolas mecánicamente estable aún puede oscilar si la ganancia del servo interactúa mal con las resonancias mecánicas del eje. Por el contrario, un control adecuado puede proporcionar una amortiguación activa de las vibraciones sin cambiar la propia tuerca de bolas.

Por eso el artículo de DLY sobrevibración de husillo de bolas de alta velocidadtrata la vibración como un problema a nivel de sistema que involucra velocidad, rigidez, instalación, precarga, lubricación y estructura de la máquina.

¿Cómo se puede saber si la tuerca de bolas contribuye a la vibración?

La pista más útil es cómo cambia la vibración con la posición del tornillo y la velocidad de rotación.

Si se produce vibración una vez por cada revolución del tornillo, independientemente de la posición de la tuerca, se debe investigar el descentramiento del eje, la flexión del tornillo, la alineación del acoplamiento o la excentricidad del rodamiento. Si la vibración se vuelve mucho más fuerte sólo con una velocidad de rotación específica, puede estar involucrada una resonancia estructural o de tornillo.

Un problema relacionado más directamente con la tuerca puede mostrar un patrón diferente. El ruido o el torque anormal pueden moverse con la tuerca a lo largo del tornillo, empeorar alrededor de una ubicación de pista dañada o aparecer junto con una temperatura excesiva de la tuerca. El par dinámico irregular también puede indicar contaminación, problemas de lubricación, precarga incorrecta o daños en la pista de rodadura.

¿Se puede medir directamente la amortiguación de las tuercas de bolas?

Para trabajos de investigación y desarrollo de máquinas, la amortiguación se puede identificar a partir de pruebas dinámicas, como mediciones de respuesta de frecuencia, pruebas de impacto o caída de vibraciones. Los ingenieros pueden modelar el accionamiento de alimentación del husillo de bolas y estimar la rigidez efectiva y los parámetros de amortiguación a partir de la respuesta medida.

Esto es útil cuando se desarrolla un eje de avance CNC de alto rendimiento, pero es diferente de la adquisición de husillos de bolas normales.

Para la selección de tuercas de bolas ordinarias, es mucho más probable que los compradores reciban especificaciones utilizables sobre rigidez axial, par de precarga, capacidad de carga, precisión, velocidad permitida y geometría dimensional que un coeficiente de amortiguación independiente.

Si la amortiguación o el rendimiento de frecuencia natural son críticos para el proyecto de una máquina, lo ideal sería probar el eje completo en su estado ensamblado. Es posible que un valor de amortiguación medido a partir de un componente aislado no prediga con precisión la respuesta una vez que la tuerca está montada en el carro y conectada al tornillo, los cojinetes de soporte y la estructura de la máquina.

¿Qué se debe optimizar para un sistema de husillo de bolas de baja vibración?

En lugar de buscar la tuerca de bolas con la "mayor amortiguación", comience por asegurarse de que el accionamiento de alimentación tenga una rigidez suficiente y predecible. Seleccione el diámetro del tornillo y la disposición del soporte de modo que el eje no funcione cerca de su región de velocidad crítica y utilice suficiente precarga para controlar el juego y el desplazamiento elástico sin crear torsión y calor excesivos.

El soporte de tuerca y los soportes de cojinetes también necesitan suficiente rigidez. Una tuerca de bolas de alta rigidez montada sobre un soporte flexible no puede proporcionar la rigidez esperada del sistema. Los extremos fijos y soportados deben estar correctamente alineados para que el tornillo no esté sometido continuamente a fuerzas radiales no deseadas.

Luego se debe elegir la lubricación según la velocidad, la carga y el ciclo de trabajo reales. Finalmente, una vez que la estructura mecánica se estabiliza, los parámetros del servo se pueden ajustar en función de la respuesta mecánica real de la máquina.

¿Cómo debería elegir entre SFU, DFU, SFE y SFS?

DLY suministra variosserie de tuercas de bolas, pero deben seleccionarse de acuerdo con su estructura real y los requisitos de la máquina en lugar de un nivel de amortiguación supuesto.

SFU es la opción estándar de tuerca única con brida que se utiliza en muchos sistemas de automatización y CNC generales. DFU utiliza una estructura de doble tuerca y se selecciona cuando es importante aumentar la rigidez y reducir el juego axial. SFE se centra en aplicaciones de paso grande donde se requiere un mayor recorrido lineal por revolución del tornillo, mientras que SFS utiliza una estructura compacta de tipo silencioso destinada a un movimiento más suave y con menor ruido en aplicaciones adecuadas.

Estas diferencias pueden afectar el comportamiento dinámico de una máquina, pero lo hacen a través deprecarga, rigidez, circulación de bolas, avance, tamaño y par de funcionamiento. No deben comercializarse como cuatro "grados de amortiguación" diferentes.

Ejemplo: un eje CNC vibra durante la inversión de dirección

Considere un eje de alimentación CNC que es estable a velocidad constante pero que vibra brevemente cada vez que invierte la dirección.

Puede resultar tentador concluir que la tuerca de bolas necesita más amortiguación. Un mejor enfoque de diagnóstico es medir primero el juego axial y verificar la condición de precarga. Si la tuerca tiene un espacio excesivo, la inversión puede generar una pérdida de movimiento antes de que las bolas transfieran la carga a la dirección de contacto de la pista de rodadura opuesta.

Si la holgura ya está controlada, es posible que aumentar más la precarga no resuelva el problema. Las siguientes comprobaciones deben incluir la rigidez del soporte, la rigidez de la tuerca y el soporte y la respuesta del servo. Un soporte flexible puede permitir que la mesa oscile después de invertirla incluso cuando la tuerca de bolas esté correctamente precargada.

Si el sistema se calienta después de aumentar la precarga, la modificación puede en realidad empeorar la precisión del posicionamiento porque la fricción adicional calienta el tornillo y cambia su longitud efectiva.

Este ejemplo ilustra por qué "aumentar la amortiguación" no es una solución de ingeniería suficientemente precisa.

¿Qué información debe proporcionar cuando la vibración es una preocupación?

Para una máquina nueva, la información más útil incluye el diámetro y avance del tornillo, la longitud total del tornillo, el recorrido, la disposición del soporte, la masa en movimiento, la carga axial, la velocidad máxima, la aceleración, la precisión de posicionamiento requerida y el ciclo de trabajo esperado.

Para un problema de vibración existente, describa también la frecuencia o velocidad a la que aparece la vibración, si cambia con la posición de la tuerca, si ocurre durante velocidad constante o en inversión, y si la tuerca o los cojinetes de soporte se calientan. Un vídeo corto junto con mediciones de corriente, temperatura o vibración del motor a menudo pueden proporcionar mucha más información que simplemente decir que la tuerca de bolas tiene "mala amortiguación".

En estas condiciones de funcionamiento, la tuerca de bolas se puede evaluar junto con el eje del tornillo, los rodamientos, el acoplamiento y la estructura de la máquina, en lugar de como un componente aislado.

Conclusión

La amortiguación influye en la respuesta a la vibración de un accionamiento de alimentación de husillo de bolas, pero la "amortiguación de tuerca de bolas" no debe tratarse como una simple especificación de rendimiento independiente.

La tuerca de bolas contribuye al sistema dinámico a través de su rigidez de contacto, precarga, fricción, lubricación y comportamiento de circulación. Sin embargo, la respuesta de amortiguación completa también depende del eje del husillo, de los cojinetes de apoyo, del soporte de la tuerca, de la estructura de la máquina y del sistema de control.

Para una selección práctica de tuercas de bolas, parámetros comorigidez axial, precarga, par dinámico, capacidad de carga, velocidad permitida y precisiónsuelen ser más útiles que un valor de amortiguación indefinido.

Cuando la vibración es el verdadero problema, primero identifique la fuente de la vibración. Aumentar la fricción o la precarga simplemente para crear una amortiguación más aparente puede aumentar el calor y el desgaste sin resolver la resonancia subyacente.

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