Ejes lineales: Selección del material adecuado, endurecimiento y tratamiento de la superficie

Los ejes lineales realizan tareas exigentes en aplicaciones industriales: Permiten movimientos lineales precisos y repetibles bajo cargas mecánicas elevadas. Para cumplir con estos requisitos, es fundamental seleccionar el material, endurecerlo y tratar la superficie correctamente. Todos estos factores afectan directamente la vida útil, la precisión y el rendimiento de un eje lineal. Este artículo presenta estos tres aspectos y destaca sus dependencias para que pueda seleccionar el mejor eje lineal para su aplicación.

Ejes lineales en detalle

Los ejes lineales en combinación con los cojinetes lineales (por ejemplo, cojinetes lisos y cojinetes de bolas lineales) actúan como guía lineal para los movimientos axiales. Suelen estar hechos de acero de precisión, pero otros materiales también son concebibles. Hay varias formas de integrar ejes lineales en un sistema. Los soportes de eje son solo una de las muchas opciones, dependiendo de la forma del eje. Para obtener más información, consulte nuestro artículo sobre ejes lineales: Extremos del eje y opciones de montaje del eje lineal.

Los ejes huecos (forma de tubo) representan una forma especial para los ejes lineales. Los ejes huecos tienen un interior hueco en toda su longitud. Esto utiliza menos material, reduciendo así el peso del eje lineal. Los ejes lineales actúan como ejes guía para cojinetes lineales. Cuando se utilizan correctamente, permiten una guía de movimiento lineal altamente precisa para aplicaciones con altas demandas de suavidad y precisión. Para cumplir este requisito y garantizar una guía fiable del cojinete lineal durante toda su vida útil, es crucial la interacción entre la selección de materiales, el endurecimiento y cualquier tratamiento de superficie adicional requerido.

Selección de materiales por aplicación prevista

La selección del material del eje lineal se basa en los requisitos específicos de la aplicación prevista. En muchos casos, el acero sin endurecer, por ejemplo, EN 1.1191 Equiv., puede utilizarse para aplicaciones simples, por ejemplo, cualquier que utilice cojinetes lisos sin mantenimiento. El recubrimiento cromado duro adicional mejora el acabado de la superficie y la resistencia de la superficie. Los recubrimientos LTBC pueden mejorar la resistencia a la corrosión. Por lo general, el eje debe ser significativamente más duro que el cojinete liso.

Para cojinetes de bolas lineales o requisitos de mayor precisión, se debe utilizar acero endurecido por inducción o más duro. El eje lineal y los cojinetes de bolas lineales deben tener la misma dureza. En este caso también se puede utilizar el acero de precisión CF53 o EN 1.1213. Este acero no está aleado y es adecuado para inducción y templado con soplete. Gracias a su contenido medio de carbono, se puede mecanizar con precisión, lo que es ventajoso, incluso cuando es necesario cumplir con los requisitos de alta precisión

El material seleccionado debe combinar las siguientes propiedades principales según la ponderación requerida por la aplicación:

• Alta resistencia del material que permite un peso más ligero
• Endurecimiento o dureza
• Conductilidad alta: sensibilidad de muesca baja

Se deben tener en cuenta ciertas consideraciones para combinar un rendimiento, una vida útil y una eficiencia óptimos:

• ¿Cuáles son las condiciones ambientales? ¿Se necesita acero inoxidable?
• ¿Qué tipos de cargas se producen (importantes para la dureza del material)?
• ¿Qué dureza de superficie se necesita? ¿Es el artículo relevante, por ejemplo, un cojinete de bolas lineal o un casquillo de cojinete liso, incluida la carga transportada?
• ¿Está disponible la precisión necesaria?
• ¿Cuál es el coste?
• ¿Qué forma de montaje se utiliza? Esto puede ser relevante para la sensibilidad de muesca.

Si la dureza y la resistencia al desgaste son el foco principal, se deben utilizar calidades de acero endurecido como acero con número de material 1.3505 o acero con superficies nitruradas. Estas calidades de acero también soportan un uso intenso y desgaste mecánico.

Aunque la forma de los extremos del eje no es un criterio de selección para el material del eje lineal, afecta a la dureza superficial de las áreas endurecidas. Las consideraciones para las opciones de montaje existentes y los extremos de eje resultantes tienen sentido, especialmente cuando se requieren funciones especializadas, por ejemplo, ejes lineales con pernos roscados.

Ejes lineales endurecidos frente a no endurecidos

Los ejes de acero endurecido deben utilizarse para requisitos de cojinetes de alta precisión o más altos. Estos ejes lineales, también llamados ejes de precisión, suelen ser ejes de acero endurecido tratados térmicamente (por inducción) con un núcleo dúctil. Alternativamente, se puede aplicar un recubrimiento especial para algunas aplicaciones (por ejemplo, cromo duro), lo que aumenta la calidad superficial y la dureza.

Los ejes lineales endurecidos son menos susceptibles a la abrasión y a la deformación de la superficie. Esto les beneficia especialmente cuando están sujetos a cargas altas. Las marcas testigo de los cojinetes de bolas lineales son más pequeñas porque la superficie dura del eje soporta mejor las tensiones causadas por las bolas en el cojinete de bolas lineal. Sin embargo, es importante tener en cuenta que la dureza no debe ser demasiado alta, ya que el eje también puede volverse quebradizo y fallar.

Los vástagos no endurecidos son, por el contrario, más suaves y menos sensibles a las muescas, pero más susceptibles al desgaste y la deformación. Los ejes lineales no endurecidos suelen ser menos costosos que los ejes endurecidos.

Efecto de la dureza del eje en la vida útil nominal

La vida útil nominal de todo un sistema lineal también se ve influida por la dureza del eje f_H, entre otras variables de influencia. Un eje debe ser lo suficientemente duro como para soportar los cojinetes de bolas. De lo contrario, la carga nominal se reduce. Otras variables de influencia incluyen el coeficiente de temperatura f_T, el coeficiente de contacto f_C y el coeficiente de carga f_W.

Las temperaturas superiores a 100 °C reducen la dureza y, por tanto, la carga nominal. El coeficiente de contacto tiene en cuenta el hecho de que la carga nominal cambia según el número de cojinetes lineales por eje (eje lineal). Por lo general, se instalan dos ejes lineales paralelos en las guías de los ejes lineales.

Los siguientes coeficientes de contacto f_{C se aplican} respectivamente dependiendo del número de cojinetes:

• Un cojinete por eje: 1,0
• Dos cojinetes por eje: 0,81
• Tres cojinetes por eje: 0,72
• Cuatro cojinetes por eje: 0,66
• Cinco cojinetes por eje: 0,61

El coeficiente de carga f_W requiere información sobre el peso del material, el par de carga y otros parámetros que normalmente son difíciles de calcular. Los siguientes valores se utilizan como regla general para aplicaciones sin cargas significativas de vibración y choque:

• Baja velocidad (máximo 15 m/min): 1,0 ... 1,5
• Velocidad media (máximo 60 m/min): 1,5 ... 2,0
• Alta velocidad (por encima de 60 m/min): 2,0 ... 3,5

Junto con la capacidad de carga dinámica C y la carga útil P, la vida útil nominal L de un cojinete de bolas lineal puede calcularse de la siguiente manera:

Dureza de varios aceros

Según la composición y el tratamiento térmico, los grados de acero pueden variar desde cualidades suaves y maleables hasta variantes extremadamente duras y resistentes al desgaste. El número de material indica la dureza del acero:

• EN 1.3505 (100Cr6): Acero clásico para rodamientos de rodillos de gran dureza, apto para grandes desgastes
• EN 1.4125 (X105CrMo17): Un acero martensítico cromado con muy alta resistencia al desgaste, incluido su uso como acero para cuchillas
• EN 1.1191 (C45): es un acero de calidad no aleado o acero al carbono.  Solo puede endurecerse moderadamente, pero es fácilmente mecanizable. Se utiliza para ejes con requisitos mecánicos de medios a altos.
• EN 1.4301 (X5CrNi18-10, AISI 304): Acero al níquel-cromo. Se utiliza con frecuencia y es fácil de mecanizar. Presenta una alta resistencia a la corrosión. La dureza es inferior a 215 HB y no es posible el endurecimiento por tratamiento térmico.
• EN 1.4037 (X65Cr13): Un acero inoxidable martensítico. Después del endurecimiento, tiene una alta dureza, pero es relativamente quebradizo. Es adecuado para su uso en entornos corrosivos.
• EN 1.1213 (Cf53): Un acero sin alear de alta calidad de carbono. Muy buenas propiedades de endurecimiento, alta resistencia y tenacidad, pero menor resistencia a la corrosión.

Consulte la siguiente tabla, Dureza y tratamiento de la superficie disponible por material del eje, para conocer las tolerancias ISO asociadas:

Tratamiento de ejes lineales y sus efectos

Los ejes lineales primero se endurecen térmicamente por inducción. Este paso de endurecimiento se completa en la materia prima de la capa del filo antes de todos los procesos de mecanizado posteriores. La profundidad de endurecimiento resultante depende del material y del diámetro del eje lineal. A continuación, el eje se mecaniza amolando, taladrando, etc. En estas áreas también se elimina la capa de borde endurecido. El material circundante a menudo se calienta mucho como resultado del mecanizado, lo que provoca un cambio en la dureza en estas áreas.

La siguiente tabla proporciona una descripción general de la profundidad de endurecimiento de los ejes lineales para varias calidades de acero:

Restricciones de dureza en el tratamiento de la superficie

Antes del mecanizado, el acero se calienta a menudo para que sea más mecanizable. Incluso mediante mecanizado, el acero en la región del borde puede calentarse hasta tal punto que la dureza de la capa del borde originalmente endurecida uniformemente en esta región se reduce. Esta zona también se denomina zona de disipación de calor y tiene una dureza menor que el resto del material. El proceso de calentamiento debe controlarse para minimizar el riesgo de incidencia en esta zona. La capa endurecida del borde del eje original se retira en las caras planas de las llaves, resaltes, etc. Por lo tanto, las superficies procesadas o expuestas presentan una dureza diferente.

Por ejemplo, el recocido puede reducir la dureza en las siguientes opciones de configuración y diseños de eje:

• Ejes roscados
• Ejes escalonados
• Ranuras para arandelas, orificios cónicos y hexagonales, planos para llaves, orificios guía con rosca interior, ranuras para tornillos de fijación
• Chavetas, ranuras en V
• Superficies planas
• Diseños de extremo de eje configurables (forma G, H)
• Ejes huecos (orificio lateral en un lado)

Otras formas de tratamientos superficiales

Además de endurecer el eje lineal en sí, también se pueden aplicar recubrimientos para mejorar la dureza. También se utilizan para la protección contra la corrosión. Hay varios tipos de revestimientos:

• Revestimiento de cromo duro: El revestimiento de cromo duro proporciona una alta dureza superficial y resistencia al desgaste. Sin embargo, el cromo puede desconcharse.
• Revestimiento de LTBC: Este recubrimiento es una capa de fluoropolímero de 5 μm de grosor depositada como una capa negra. Es de baja reflexión y resistente a la presión de ruptura al doblar el eje lineal. Los recubrimientos LTBC muestran un buen equilibrio entre dureza y elasticidad.
• Revestimiento de níquel sin electrodos: Capa uniforme sin poros con alta protección contra la corrosión. Este recubrimiento crea una superficie lisa con baja fricción, pero solo aumenta moderadamente la dureza de la superficie, por lo que se utiliza principalmente para la protección contra la corrosión y las propiedades deslizantes.
• Nitruración: La nitruración aumenta significativamente la dureza de la superficie. Este proceso difunde nitrógeno en la superficie de acero. Al igual que el revestimiento LTBC, la capa nitrurada ya no puede astillarse.

Selecciones de eje lineal MISUMI

MISUMI ofrece una variedad de opciones de configuración de eje lineal:

• Material del eje: Acero, acero inoxidable
• Recubrimiento/revestimiento: no recubierto, cromado duro, recubierto de LTBC, niquelado sin electro
• Tratamiento térmico: sin tratar, endurecido inductivamente
• Tolerancias ISO: h5, k5, g6, h6, h7, f8
• Clases de precisión: perpendicularidad 0,03, concentricidad (con rosca e incrementos) Ø0,02, perpendicularidad 0,20, concentricidad (rosca y paso a paso) Ø0,10
• Rectitud/redondez: dependiendo del diámetro. Consulte las normas de precisión del eje para obtener más información.

Lea también nuestro artículo Ejes lineales: Normas de precisión para ejes lineales MISUMI.

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Con el configurador MISUMI puede configurar libremente cojinetes, ejes y otros componentes.

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