Un husillo de bolas y un sistema-y-piñón pueden convertir la rotación del motor en movimiento lineal, pero no se comportan de la misma manera a medida que aumentan la longitud del recorrido, la velocidad y la fuerza de corte. Los husillos de bolas se seleccionan comúnmente para lograr un movimiento de avance preciso, baja fricción y juego controlado. Las transmisiones de cremallera-y-piñón a menudo se consideran para ejes largos de enrutador CNC donde se requiere una alta velocidad de desplazamiento y un tornillo giratorio sería difícil de controlar.
Ninguno de los sistemas de transmisión transporta por sí solo la mesa de la máquina. Las guías lineales soportan la carga en movimiento y controlan la dirección de desplazamiento, mientras que el husillo de bolas o el mecanismo de piñón-y-cremallera proporciona el empuje que mueve el eje. Por lo tanto, elegir entre los dos requiere evaluar el eje completo en lugar de comparar sólo el tornillo y la cremallera.
Para muchas máquinas CNC compactas y medianas, un husillo de bolas seleccionado correctamente sigue siendo una solución eficaz. Sin embargo, para un eje de pórtico largo que mide varios metros, la velocidad crítica, el latigazo del tornillo y la disposición del soporte pueden hacer que la cremallera y el piñón sean más prácticos. La elección correcta depende de la carrera, la velocidad de avance rápido-, la precisión de corte, la masa en movimiento, las condiciones de instalación y la capacidad de mantenimiento.
Cómo funcionan los dos sistemas de accionamiento CNC
En un eje de husillo de bolas convencional, el motor hace girar el eje del husillo a través de un acoplamiento o transmisión por correa. Las bolas de recirculación ruedan entre los caminos de rodadura del tornillo y de la tuerca, lo que hace que la tuerca y la mesa de la máquina adjunta se muevan linealmente. El contacto rodante proporciona una alta eficiencia mecánica y permite que el sistema transmita un empuje axial significativo con una fricción relativamente baja.
En un eje de cremallera-y-piñón, la cremallera se fija a lo largo del bastidor de la máquina mientras el motor hace girar un piñón que engrana con los dientes de la cremallera. El piñón y el motor normalmente viajan con el pórtico o carro en movimiento. Debido a que el bastidor se apoya continuamente a lo largo del marco, el sistema no tiene un eje giratorio largo que pueda girar a su frecuencia natural.
Esta diferencia estructural se vuelve cada vez más importante a medida que el eje se hace más largo. Un husillo de bolas se sostiene principalmente a través de sus cojinetes de extremo y puede hundirse o vibrar entre esos soportes. Una cremallera se monta a lo largo de su longitud, pero su precisión depende de la calidad de los dientes, el acoplamiento de los engranajes, la alineación de las juntas, la lubricación y el método de control del juego-.
Husillo de bolas frente a piñón y cremallera: principales diferencias
| Factor de selección | Husillo de bolas | Cremallera y piñón |
|---|---|---|
| Fuerza típica | Movimiento de alimentación preciso, alto empuje y juego controlado | Largo recorrido y alta velocidad lineal sin látigo de tornillo |
| Ataque | Comúnmente práctico para viajes cortos y medianos; Los viajes largos requieren una cuidadosa verificación de la velocidad. | Muy adecuado para ejes de máquinas largos porque se pueden unir secciones de cremallera |
| Limitación de velocidad | Afectado por la velocidad crítica del tornillo, el límite de velocidad de la tuerca y la disposición del soporte. | No limitado por la velocidad crítica de un tornillo giratorio largo |
| Reacción | Se puede reducir mediante precarga o una estructura de tuerca adecuada. | Depende de la calidad de los dientes, el engranaje del piñón y el mecanismo de precarga. |
| Precisión de posicionamiento | Disponible en grados de precisión-de clientes potenciales definidos | Depende de la precisión del paso de la cremallera, las uniones de la cremallera, la calidad del engranaje y el control de retroalimentación. |
| Contaminación | Las pistas de rodadura y la circulación de bolas deben protegerse de virutas y polvo. | Los dientes expuestos también requieren limpieza y lubricación, especialmente cerca del polvo abrasivo. |
| Mantenimiento | Lubricación, sellos, alineación, rodamientos de soporte y estado de tuercas. | Lubricación de dientes, engrane de engranajes, juntas de cremallera, ajuste de desgaste y holgura. |
| Aplicaciones típicas | Ejes de avance CNC, ejes Z, centros de mecanizado y automatización de precisión | Grandes enrutadores CNC, máquinas de plasma y sistemas de pórtico largos |
Por qué la longitud del recorrido es importante para un husillo de bolas
Un husillo de bolas no se puede seleccionar únicamente por el diámetro y el paso. A medida que aumenta la distancia sin soporte entre los rodamientos, la velocidad de rotación crítica cae rápidamente. Cerca de la velocidad crítica, el eje puede comenzar a latir, produciendo vibración, ruido, carga en el rodamiento, posicionamiento inestable y posible daño al sistema de circulación de la tuerca.
Una relación métrica preliminar comúnmente utilizada es:
ncr = K × dr × 107 ÷ L2
donde nortecres la velocidad crítica estimada en rpm, dres el diámetro de la raíz del tornillo en milímetros, L es la longitud sin soporte entre soportes de rodamiento en milímetros y K es un factor de soporte-extremo.
El factor exacto y el límite de seguridad deben tomarse del método de cálculo seleccionado por el fabricante. Los factores preliminares representativos son aproximadamente 3,9 para arreglos fijos-gratuitos, 12,1 para arreglos compatibles-compatibles, 18,7 para arreglos fijos-compatibles y 27,2 para arreglos fijos-fijos. Estos factores no deben tratarse como un sustituto de la verificación final del fabricante del husillo de bolas.
La relación importante es el término de longitud al cuadrado. Si la longitud sin soporte aumenta mientras el diámetro y la disposición de los soportes permanecen sin cambios, la velocidad crítica disminuye en proporción a 1/L². Aumentar el recorrido de 1 metro a 2 metros no sólo reduce a la mitad la velocidad permitida; la velocidad crítica estimada cae a aproximadamente un-cuarto.
Para obtener más detalles sobre esta limitación, consulteCómo evitar la velocidad crítica del husillo de bolas..
Ejemplo de cálculo de viajes largos-
Considere un eje CNC preliminar utilizando un husillo de bolas con los siguientes valores asumidos:
- Diámetro de la raíz: 25 mm
- Plomo: 10 mm/revolución
- Fin del soporte: arreglado-compatible
- Factor de soporte utilizado para el cálculo preliminar: 18,7
Ejemplo A: 2000 mm de longitud sin soporte
ncr = 18.7 × 25 × 107 ÷ 2,000²
ncr≈ 1.169 rpm
Velocidad lineal teórica=1,169 × 10 ≈ 11,69 m/min
Normalmente, la máquina no debería funcionar continuamente a la velocidad crítica calculada. Si se utiliza un límite de seguridad preliminar del 80%, la velocidad del tornillo llega a ser de aproximadamente 935 rpm y la velocidad lineal correspondiente es de aproximadamente 9,35 m/min.
Ejemplo B: 3000 mm de longitud sin soporte
ncr = 18.7 × 25 × 107 ÷ 3,000²
ncr≈ 519 rpm
Velocidad lineal teórica=519 × 10 ≈ 5,19 m/min
Con un 80% de este valor preliminar, la velocidad lineal correspondiente es sólo de aproximadamente 4,15 m/min. El ejemplo muestra por qué un tornillo que es adecuado para un eje de 2-metros puede no alcanzar la velocidad de desplazamiento rápido requerida después de que la longitud sin soporte aumenta a 3 metros.
Esto no establece una línea divisoria universal de 2-metros o 3-metros. Un mayor diámetro de raíz, un mayor avance, un soporte fijo-fijo, un diseño de tuerca giratoria o una estrategia de soporte intermedio pueden cambiar el resultado. La selección final también debe verificar el valor DN, la velocidad de la tuerca, la carga axial, el pandeo, el par de aceleración, la expansión térmica y la capacidad de carga.
Donde los husillos de bolas tienen una ventaja
Un husillo de bolas suele ser la mejor opción cuando un eje CNC requiere avance controlado, alto empuje y precisión de inversión estable en un recorrido corto o medio. El paso del tornillo se fabrica según una clase de precisión, lo que permite a los diseñadores de máquinas relacionar la rotación ordenada con el movimiento lineal esperado.
Las estructuras de tuercas de bolas precargadas pueden reducir el juego axial y mejorar la rigidez cuando se invierte la dirección del movimiento. Esto es particularmente útil en el mecanizado de ejes donde el juego puede afectar la posición del orificio, la precisión del contorno y el acabado de la superficie. El diseño del contacto rodante-también proporciona una alta eficiencia de transmisión, por lo que el motor puede convertir el par en fuerza axial con una fricción relativamente baja.
Los husillos de bolas se utilizan con frecuencia en los ejes Z CNC porque la carrera normalmente es más corta que el recorrido del pórtico principal y el eje requiere un control de profundidad preciso. Un eje de husillo de bolas vertical aún debe incluir un freno de motor, un contrapeso u otra medida de seguridad adecuados porque no se debe asumir que un husillo de bolas es autoblocante.
Los husillos de bolas también pueden ser preferidos para ejes X e Y compactos, sistemas de alimentación de corte de metal-, perforadoras, mesas de posicionamiento de precisión y equipos de automatización donde el empuje y la estabilidad de posicionamiento son más importantes que los recorridos extremadamente largos.
Donde el piñón y cremallera tiene una ventaja
Los sistemas-y-piñón se vuelven atractivos cuando la máquina tiene un eje largo y debe mantener una velocidad de desplazamiento rápida-alta. El bastidor está fijado continuamente al bastidor de la máquina, por lo que aumentar su longitud no crea el mismo problema de velocidad -crítica del eje- de rotación que se encuentra en un husillo de bolas convencional.
Las secciones del bastidor también se pueden unir para crear un recorrido largo sin tener que fabricar ni transportar un tornillo giratorio extremadamente largo. Esto es útil para fresadoras de carpintería de gran tamaño, máquinas de procesamiento de paneles-, mesas de plasma y otros equipos de pórtico con un recorrido medido en varios metros.
Sin embargo, el piñón y cremallera no debe describirse automáticamente como inexacto. Un sistema de bastidor de precisión correctamente fabricado e instalado puede proporcionar un buen rendimiento de posicionamiento. Su resultado depende de la precisión del paso de cremallera, la calidad del piñón, el acoplamiento de los dientes, la precarga o la disposición del piñón-partido, el juego del reductor, la alineación de la junta-de cremallera y el control de retroalimentación.
Por el contrario, un bastidor de baja-calidad o mal instalado puede desarrollar un juego desigual y variación de posicionamiento a lo largo del eje. El diseñador de la máquina debe evaluar el accionamiento completo, no simplemente dar por sentado que cada sistema de cremallera es adecuado para un movimiento largo y preciso.
Precisión, repetibilidad y reacción no son lo mismo
La precisión describe qué tan cerca coincide la posición real del eje con la posición ordenada. La repetibilidad describe la consistencia con la que el eje regresa a la misma posición en las mismas condiciones. El contragolpe es el movimiento perdido que puede aparecer cuando la unidad invierte la dirección.
Un husillo de bolas puede tener una buena precisión de avance pero aun así mostrar un error de inversión si la tuerca tiene holgura, los cojinetes de soporte tienen juego axial o el acoplamiento está flojo. Un sistema-y piñón-puede repetir una posición consistentemente pero aun así contener un error de paso sistemático a lo largo de todo el recorrido.
La precisión final del CNC también se ve afectada por:
- Alineación de guía lineal y precisión de superficie de montaje-
- Rigidez del marco-de la máquina
- Resolución del motor y del codificador
- Juego de caja de cambios o acoplamiento
- Expansión térmica
- Cuadratura del pórtico
- Compensación y ajuste del controlador
- Fuerza de corte-deformación
Por esta razón, cambiar de piñón y cremallera a un husillo de bolas no puede corregir automáticamente un marco débil o una guía mal alineada. El sistema de transmisión es sólo una parte de la cadena completa de precisión.
Carga y rigidez: lo que realmente lleva cada unidad
Las guías lineales deben soportar el peso del pórtico, husillo, carro o mesa. Una tuerca de husillo de bolas está diseñada principalmente para soportar un empuje axial a lo largo del eje del husillo, no una carga radial continua o de vuelco. La desalineación entre el tornillo, la carcasa de la tuerca y las guías lineales puede introducir cargas laterales y acortar la vida útil.
Una transmisión de piñón-y-cremallera también requiere un sistema de guía independiente. El piñón suministra fuerza a través de los dientes de cremallera, mientras que los rieles guía controlan la posición y orientación del pórtico móvil. La altura incorrecta de la cremallera o el acoplamiento del piñón pueden crear una carga desigual en los dientes, pero la cremallera no debe usarse como sustituto del sistema de guía lineal.
Al evaluar la capacidad de transmisión, confirme el empuje requerido a partir de la aceleración, la resistencia al corte, la fricción, la gravedad y las fuerzas externas. Para un husillo de bolas, la carga de compresión también debe compararse con el pandeo de la columna. Por lo tanto, el diámetro del tornillo debe seleccionarse teniendo en cuenta la carga, la longitud y la velocidad en lugar de elegir un diámetro mayor únicamente porque la máquina es pesada. Consulte la guía DLY enCómo elegir el diámetro correcto del husillo de bolas.
Mantenimiento y ambiente de trabajo
Las fresadoras CNC pueden generar polvo de madera, partículas compuestas, virutas de aluminio o residuos abrasivos. Las pistas de rodadura de los husillos de bolas requieren una protección eficaz porque la contaminación puede entrar en la tuerca, interrumpir la circulación de las bolas y acelerar el desgaste de las pistas de rodadura. Es posible que se requieran fuelles, cubiertas, sellos, limpiadores y lubricación regular según el entorno de la máquina.
Los dientes de cremallera están más expuestos y pueden ser más fáciles de inspeccionar, pero no requieren mantenimiento-. El polvo mezclado con grasa puede formar una pasta abrasiva. Las superficies de los dientes, el engranaje del piñón, las juntas de cremallera y los mecanismos de ajuste del juego-deben revisarse periódicamente.
Por lo tanto, la mejor elección depende de cómo se protegerá y mantendrá la máquina. Una unidad teóricamente precisa puede no mantener su rendimiento si se ignora el entorno de trabajo real.
¿Puede un enrutador CNC utilizar ambos sistemas?
Sí. No es necesario que una máquina utilice el mismo tipo de accionamiento en todos los ejes. Un enrutador CNC grande puede usar piñón y cremallera en sus ejes X e Y largos mientras usa un husillo de bolas en el eje Z más corto. Esta disposición combina un recorrido largo de alta-velocidad con un control preciso de la profundidad vertical.
Algunas máquinas también utilizan diferentes especificaciones en los lados paralelos del pórtico. Cuando dos motores accionan un pórtico, el controlador debe mantener los dos lados sincronizados para evitar sacudidas. La alineación mecánica, los sensores de referencia y los procedimientos de escuadrado-del pórtico siguen siendo esenciales independientemente de la unidad seleccionada.
Selección práctica por aplicación CNC
| Solicitud | Punto de partida probable | Razón |
|---|---|---|
| CNC de escritorio compacto | husillo de bolas | Carrera corta, instalación compacta y avance controlado. |
| Eje de fresado CNC medio | husillo de bolas | El alto empuje, la rigidez y la precisión de la inversión son importantes |
| Fresadora grande para carpintería | Evaluar piñón y cremallera para ejes X/Y largos | Los recorridos largos y rápidos pueden exceder un rango práctico de velocidad de tornillo- |
| mesa de corte por plasma | A menudo se considera piñón y cremallera | Los viajes largos y la alta velocidad pueden ser más importantes que el alto empuje de avance |
| Eje Z CNC corto | Husillo de bolas con freno o dispositivo de seguridad. | Movimiento de profundidad preciso y accionamiento compacto de alto-empuje |
| Pórtico de tres-metros que requiere alta velocidad | Cremallera y piñón, o una disposición de tornillos especialmente diseñada | Un husillo de bolas giratorio convencional requiere una verificación cuidadosa de la velocidad crítica- |
Estos son puntos de partida más que reglas fijas. Se debe tomar una decisión final a partir de los requisitos del eje calculados y los datos de los componentes verificados.
Información requerida antes de seleccionar la unidad
Antes de elegir un husillo de bolas o un sistema de-cremallera y-piñón, prepare la siguiente información:
- Recorrido total del eje y distancia entre apoyos
- Velocidad rápida requerida y velocidad de avance de corte-normal
- Máxima aceleración y desaceleración
- Masa en movimiento, fuerza de corte y dirección de instalación.
- Precisión de posicionamiento y repetibilidad requeridas
- Juego aceptable o error de inversión
- Velocidad nominal del motor, par máximo y especificación del codificador
- Ciclo de trabajo esperado
- Polvo, virutas, refrigerante y temperatura de funcionamiento.
- Espacio de instalación disponible y acceso de mantenimiento.
Si se está considerando un husillo de bolas, confirme también el diámetro del husillo, el diámetro de la raíz, el paso, el grado de precisión, la disposición del soporte, el mecanizado de los extremos, el tipo de tuerca y la longitud requerida del riel. DLY puede evaluar estándar y personalizadoconjuntos de husillos de bolassegún estas condiciones.
Selección final
Un husillo de bolas es generalmente una buena opción para un eje CNC corto o mediano que requiere un alto empuje, un juego controlado y un movimiento de avance preciso. El piñón y cremallera resulta atractivo cuando el eje es muy largo y debe alcanzar una alta velocidad de desplazamiento sin la limitación de velocidad-crítica de un tornillo giratorio largo.
La decisión no debe basarse en la creencia de que un sistema es universalmente más preciso o más duradero. Un eje de cremallera-y-y-piñón bien diseñado puede superar a un husillo de bolas largo de tamaño insuficiente, mientras que un husillo de bolas precargado y soportado adecuadamente puede proporcionar un mejor control de avance que un sistema de cremallera mal instalado.
Para el diseño de enrutador CNC, evalúe cada eje por separado. Los ejes X e Y largos pueden justificar piñón y cremallera, mientras que un eje Z más corto aún puede beneficiarse de un husillo de bolas. Si se selecciona un husillo de bolas, verifique la velocidad crítica, la carga de pandeo, el avance, el par del motor, los cojinetes de soporte, la alineación y la protección ambiental antes de finalizar el diseño.
¿Necesita ayuda para comprobar un husillo de bolas CNC?
Envíe DLY el recorrido del eje CNC, la carga móvil, la velocidad requerida, la precisión, la dirección de instalación y las especificaciones del motor. Podemos ayudar a verificar el diámetro del husillo de bolas, el avance, el grado de precisión, la disposición del soporte y los requisitos de mecanizado final-.
Correo electrónico: export@dlybearing.com
