El diámetro correcto del husillo de bolas se selecciona comprobando varias condiciones juntas: carga axial, longitud del husillo, disposición del soporte, velocidad de rotación, resistencia al pandeo, rigidez del eje y espacio de instalación disponible. La capacidad de carga por sí sola no es suficiente.
Un diámetro mayor generalmente proporciona mayor rigidez del eje y mayor resistencia al pandeo, pero también aumenta el tamaño de la tuerca, el tamaño del cojinete de soporte, la inercia rotacional y el costo. Por lo tanto, el objetivo es seleccionar el diámetro más pequeño que cumpla con seguridad todos los requisitos operativos.
¿A qué se refiere el diámetro del husillo de bolas?
El diámetro del husillo de bolas normalmente se refiere al diámetro exterior nominal utilizado en la designación del modelo. Por ejemplo:
- SFU1605:diámetro nominal 16 mm, plomo 5 mm;
- SFU2005:diámetro nominal 20 mm, plomo 5 mm;
- SFU2510:diámetro nominal 25 mm, plomo 10 mm;
- SFU3210:diámetro nominal 32 mm, plomo 10 mm.
El diámetro nominal identifica la serie del producto, pero los cálculos de ingeniería suelen utilizar el diámetro de la raíz del eje del tornillo o el diámetro menor de la rosca. El diámetro de la raíz es menor que el diámetro exterior nominal y representa con mayor precisión la sección del eje que resiste el pandeo, la tensión y la flexión.
Comience con la carga axial
El primer paso es determinar la carga axial máxima aplicada al husillo de bolas. Esto debería incluir más que el peso estático de la parte móvil.
Dependiendo del eje, la carga de diseño puede incluir:
- La masa de la mesa, el accesorio y la pieza de trabajo;
- Fuerza de aceleración y desaceleración;
- Fuerza de mecanizado, prensado o sujeción;
- Fricción en guías y sellos;
- Gravedad sobre un eje vertical o inclinado;
- Golpes o vibraciones durante el funcionamiento;
- Carga de parada de emergencia.
Un husillo de bolas de mayor diámetro a menudo tiene una tuerca más grande y capacidades de carga dinámica y estática más altas, pero se deben verificar las capacidades de carga del catálogo para el modelo exacto de tuerca. El diámetro por sí solo no define la capacidad de carga porque el tamaño de la bola, la cantidad de circuitos, la estructura de la tuerca y el diseño de la pista de rodadura también afectan la clasificación.
Verificar pandeo en ejes de compresión
Cuando el eje del tornillo está expuesto a compresión axial, un eje largo y delgado puede doblarse hacia los lados antes de alcanzar su resistencia material. Esto se conoce como pandeo.
El pandeo es especialmente importante en:
- Ejes de elevación verticales donde el tornillo empuja la carga hacia arriba;
- Mecanismos de prensado y sujeción;
- Actuadores de carrera larga;
- Arreglos de soporte gratuito fijo;
- Aplicaciones con cargas máximas de compresión o impacto.
La resistencia al pandeo aumenta fuertemente a medida que aumenta el diámetro de la raíz del tornillo, pero disminuye rápidamente a medida que la longitud sin soporte se hace más larga. El acuerdo de apoyo también tiene un efecto importante.
| Acuerdo de soporte | Resistencia general al pandeo | Uso típico |
|---|---|---|
| Fijo-gratuito | Más bajo | Estructuras cortas y con carga ligera donde un extremo permanece sin soporte. |
| Soportado-soportado | Más alto que fijo-libre | Disposiciones de soporte simples con cojinetes en ambos extremos. |
| Fijo-soportado | Acuerdo industrial común | CNC, automatización y ejes de movimiento lineal en general. |
| Fijo-fijo | El más alto entre estos acuerdos comunes | Ejes largos, de alta velocidad o de mayor rigidez |
Para un eje de compresión largo, mejorar la disposición del soporte puede permitir un diámetro más pequeño que un diseño libre fijo. Sin embargo, el valor final aún debe calcularse a partir de la distancia real entre las superficies de apoyo y la carga máxima de compresión.
Verifique la velocidad crítica
Un eje de tornillo giratorio tiene una frecuencia natural. Cuando la velocidad de funcionamiento se acerca a esta frecuencia, el eje puede vibrar o latir. La velocidad a la que esta resonancia se vuelve crítica se llama velocidad crítica del eje del tornillo.
La velocidad crítica se ve afectada principalmente por:
- Diámetro de la raíz del tornillo;
- Distancia entre soportes de rodamientos;
- Acuerdo de apoyo;
- Rectitud y alineación de instalación;
- Velocidad de rotación real.
Un diámetro de eje mayor generalmente aumenta la velocidad crítica. Una longitud más larga sin soporte lo reduce sustancialmente. Esta es la razón por la que un tornillo de diámetro pequeño puede funcionar bien en un eje corto pero resultar inadecuado para un sistema largo y de movimiento rápido.
La velocidad de funcionamiento también debe permanecer por debajo de la velocidad permitida de la estructura de circulación de bolas de la tuerca. La velocidad final permitida debe basarse en el resultado inferior de la verificación de velocidad crítica del eje y el límite de tuerca o DN.
La disposición soporte-cojinete y la distancia entre soportes afectan directamente la velocidad permitida del tornillo.
Los husillos de bolas largos requieren controles más detallados del diámetro del eje, la longitud sin soporte, el método de soporte y la velocidad de rotación.
No seleccione el diámetro sin seleccionar el cable
El diámetro del husillo de bolas y el avance se deben seleccionar juntos. El plomo determina qué tan lejos viaja la tuerca durante una revolución.
La velocidad de rotación del tornillo requerida se puede estimar a partir de:
En esta relación, la velocidad lineal se expresa en metros por segundo, el avance en milímetros por revolución y la velocidad de rotación en revoluciones por minuto.
Por ejemplo, para alcanzar la misma velocidad lineal, un husillo de 10 mm requiere la mitad de la velocidad de rotación de un husillo de 5 mm. Por lo tanto, un avance mayor puede ayudar a mantener el tornillo por debajo de su velocidad crítica, pero también cambia el par del motor, la resolución de posicionamiento y la estructura de la tuerca.
Esta es la razón por la que aumentar el diámetro del eje no es la única respuesta al problema de velocidad. Las posibles soluciones incluyen:
- Seleccionar un cliente potencial más grande;
- Aumentar el diámetro del eje;
- Reducir la longitud sin soporte;
- Cambio de soporte fijo-soportado a soporte fijo-fijo;
- Utilizando una estructura de tuerca giratoria para un eje de carrera larga;
- Reducir la velocidad máxima requerida.
¿Un diámetro mayor mejora la precisión?
Un diámetro mayor aumenta la rigidez del eje y puede reducir la deformación elástica bajo carga. Esto puede ayudar a que todo el eje mantenga un posicionamiento más estable, especialmente en tornillos largos o muy cargados.
Sin embargo, el diámetro del tornillo no define directamente la precisión del avance. La precisión del avance depende de:
- El grado de precisión del husillo de bolas;
- Proceso de fabricación laminado o rectificado;
- Inspección y compensación de errores de plomo;
- Rigidez del soporte;
- Precarga de tuerca y juego axial;
- Expansión térmica;
- Alineación de instalación;
- Sistema de control y retroalimentación de la máquina.
Un husillo de bolas de precisión de 16 mm fabricado correctamente puede proporcionar una mayor precisión de posicionamiento que un husillo más grande y de baja precisión. Por lo tanto, el diámetro debe seleccionarse en función de la resistencia, la rigidez y la velocidad, mientras que el grado de precisión debe seleccionarse según los requisitos de posicionamiento.
DLY comúnmente suministra husillos de bolas C7 laminados para automatización general y puede proporcionar opciones C5 rectificadas o de mayor precisión para aplicaciones adecuadas. La precisión seleccionada y la longitud disponible deben confirmarse para el modelo real.
Considere la rigidez del eje y la deformación axial
Incluso cuando el tornillo está a salvo de pandeo, aún puede estirarse o comprimirse bajo carga axial. Esta deformación elástica contribuye al error de posicionamiento y afecta la rigidez del eje.
Un diámetro de raíz mayor proporciona un área de sección transversal del eje mayor y generalmente reduce la deformación axial bajo la misma carga y longitud.
Esto es especialmente relevante para:
- Ejes de mecanizado de precisión;
- Tornillos largos sometidos a cargas axiales elevadas;
- Sistemas de husillos de bolas precargados;
- Ejes con frecuentes inversiones de dirección;
- Aplicaciones que requieren alta rigidez del servo.
La rigidez completa del sistema también incluye la tuerca de bolas, los cojinetes de soporte, el acoplamiento, el soporte de la tuerca y la estructura de la máquina. Aumentar únicamente el diámetro del tornillo no corregirá un asiento de tuerca flexible o un cojinete de soporte de tamaño insuficiente.
Verifique las dimensiones de la tuerca y la unidad de soporte
Un diámetro de tornillo mayor requiere una tuerca de bolas más grande y, por lo general, cojinetes de soporte más grandes. Antes de aumentar el diámetro, comprobar si la máquina tiene espacio suficiente para:
- Diámetro exterior de la tuerca y dimensiones de la brida;
- Patrón de pernos de montaje de tuercas;
- Unidad de rodamiento de lado fijo;
- Unidad de rodamiento del lado soportado;
- Orificio de acoplamiento y conexión del motor;
- Dimensiones de mecanizado del extremo del eje;
- Funda protectora o fuelle;
- Holgura en toda la carrera.
Para trabajos de reemplazo, un diámetro mayor puede requerir rediseñar el soporte de la tuerca, los asientos de los cojinetes y la placa de montaje del motor. No debe tratarse como una actualización directa sin verificar la interfaz de instalación completa.
Dirección típica de selección de diámetro
| Diámetro nominal | Dirección General de Diseño | Comprobaciones importantes |
|---|---|---|
| 12-16 mm | Equipos compactos, carrera corta y cargas más ligeras. | Longitud sin soporte, tamaño de tuerca y velocidad crítica |
| 20-25 milímetros | CNC general, módulos de automatización y ejes de carga media | Clasificación de carga, avance, velocidad y disposición de soporte. |
| 32-40 milímetros | Carreras más largas, cargas más pesadas o mayores requisitos de rigidez | Inercia rotacional, tamaño del rodamiento, par del motor y espacio de instalación. |
| 50 mm y más | Maquinaria grande y sistemas de transmisión de alta carga. | Estructura de tuerca personalizada, manipulación, diseño de soporte y viabilidad de fabricación. |
Esta tabla es sólo una referencia inicial. No es una tabla de capacidad de carga y no debe reemplazar los cálculos basados en el diámetro real de la raíz, la longitud sin soporte, la velocidad y la clasificación de la tuerca.
Una secuencia de selección práctica
- Definir las condiciones de movimiento.Confirme la carrera, la velocidad lineal, la aceleración, el ciclo de trabajo y la dirección de montaje.
- Calcule la carga axial máxima.Incluye gravedad, inercia, fuerza de mecanizado, fricción y choque.
- Seleccione un cliente potencial inicial.Equilibre la velocidad requerida, la velocidad del motor y la resolución de posicionamiento.
- Seleccione un diámetro inicial.Utilice los modelos de catálogo disponibles y los límites de espacio de instalación.
- Verificar pandeo.Utilice el diámetro de la raíz, la carga de compresión, la longitud efectiva y la disposición del soporte.
- Verifique la velocidad crítica.Confirme que la velocidad de funcionamiento se mantenga por debajo de la velocidad permitida del eje.
- Verifique el límite de velocidad de la tuerca.Revise la circulación de bolas o la restricción DN para la tuerca seleccionada.
- Verifique las capacidades de carga dinámica y estática.Confirma la vida y la resistencia a la deformación permanente de la pista de rodadura.
- Comprobar rigidez y deformación.Incluye el tornillo, la tuerca, los rodamientos y la estructura de montaje.
- Confirmar el espacio y finalizar el mecanizado.Verifique la brida de la tuerca, las unidades de soporte, el acoplamiento y el plano del extremo del eje.
Si alguna verificación falla, no pase automáticamente al siguiente diámetro mayor. Primero determine si cambiar el cable, la disposición de soporte o la estructura giratoria proporciona una mejor solución.
Errores comunes en la selección del diámetro
- Seleccionando sólo por peso transportado:La aceleración, la fuerza de mecanizado y la dirección de instalación también crean una carga axial.
- Suponiendo que un tornillo más pequeño siempre funciona más rápido:Los tornillos largos de pequeño diámetro pueden tener un límite de velocidad crítica bajo.
- Suponer un diámetro mayor significa una mayor precisión del avance:El grado de precisión y el proceso de fabricación deben seleccionarse por separado.
- Ignorando el diámetro de la raíz:Los cálculos de ingeniería no deben utilizar ciegamente el diámetro exterior nominal.
- Ignorando el método de soporte:Las estructuras fijas libres y fijas-fijas tienen velocidades y comportamientos de pandeo muy diferentes.
- Selección del diámetro antes del avance:El plomo determina la velocidad de rotación requerida para una velocidad lineal determinada.
- Comprobando sólo el eje:Las clasificaciones de tuercas, los cojinetes de soporte y la rigidez del montaje pueden convertirse en el límite real.
- Sobredimensionamiento sin comprobar la inercia:Un eje más grande puede requerir un mayor par de aceleración del motor.
¿Qué información se debe enviar para la confirmación del diámetro?
Para confirmar un diámetro de husillo de bolas adecuado, proporcione:
- Instalación horizontal, vertical o inclinada;
- Masa en movimiento;
- Mecanizado externo, fuerza de prensado o sujeción;
- Máxima aceleración y desaceleración;
- Trazo efectivo requerido;
- Distancia estimada entre soportes de rodamientos;
- Velocidad lineal requerida;
- Velocidad máxima preferida del cable o del motor;
- Requisitos de precisión y repetibilidad;
- Ciclo de trabajo esperado y vida útil;
- Espacio de instalación disponible;
- Disposición de la unidad de soporte y plano de mecanizado final.
Para combinaciones comunes de diámetros y cables, revise el DLYGama de husillos de bolas de movimiento lineal.
Cuando un eje largo debe funcionar a alta velocidad lineal, puede ser necesaria una guía más grande o una estructura alternativa. Ver el DLYopciones de husillos de bolas de alta velocidadyestructura de husillo de bolas con tuerca giratoria.
Principio de selección final
El diámetro del husillo de bolas debe seleccionarse a partir de todas las condiciones de funcionamiento y no a partir de una regla simple. El diámetro debe proporcionar suficiente capacidad de carga, resistencia al pandeo, velocidad crítica y rigidez, al mismo tiempo que se adapta a la máquina y sigue siendo práctico para el motor y los cojinetes de soporte.
Un diámetro mayor no es automáticamente más preciso y un diámetro más pequeño no es automáticamente más rápido. El resultado depende de la longitud del tornillo, el avance, la disposición del soporte, la estructura de la tuerca y la velocidad de funcionamiento.
Para confirmar el modelo DLY, envíe la carga, carrera, velocidad, dirección de instalación, disposición de soporte, requisitos de precisión y plano de mecanizado final. Estos detalles permiten verificar juntos el diámetro y el paso antes de cotizar.
