Husillos de bolas: función/estructura/tipos/clases de precisión

Los husillos de bolas se fabrican según los criterios de selección y las especificaciones de DIN ISO 3408 o JIS B 1192, etc.

Los husillos de bolas son componentes de alta precisión que se utilizan en diversas aplicaciones para convertir el movimiento giratorio en movimiento lineal. Los campos de aplicación de los husillos de bolas son muy diversos e incluyen áreas como máquinas CNC, impresoras 3D, robótica, máquinas herramienta y muchas otras aplicaciones industriales.

Estilos de tornillos de potencia o de avance

Existen diferentes versiones de tornillos de potencia. Se diferencian, por ejemplo, en lo siguiente:

• Por principio de diseño (tornillo de potencia giratorio y estacionario), guía lineal de la tuerca
• Por retorno de bola (dentro o fuera)
• Inicio por la izquierda o por la derecha
• Único o múltiple
• Precisión: Accionamiento por tornillo de transporte o posicionamiento

Husillos de una sola bola

Los husillos de bolas individuales constan de un tornillo de potencia único con una tuerca de husillo de bolas. Se utilizan ampliamente en la industria y se utilizan principalmente en aplicaciones con cargas bajas y altas velocidades.

Husillos de múltiples bolas

A diferencia de los husillos de una sola bola, los husillos de múltiples bolas constan de una tuerca de rotación de bolas con varias filas de bolas. Las filas adicionales de bolas dan lugar a una mayor capacidad de carga y rigidez y se utilizan a menudo en aplicaciones pesadas.

Con guía lineal

Un husillo de bolas con guía lineal tiene uno o más carriles guía sobre los que se desliza la tuerca de bolas (que transporta el carro o la carga). La función del riel guía es guiar y soportar el movimiento lineal y lograr precisión y estabilidad. Las ventajas son alta precisión, repetibilidad y rigidez. Los husillos de bolas con guías lineales son especialmente adecuados para aplicaciones que requieren un posicionamiento preciso y estabilidad, como máquinas CNC y máquinas herramienta.

• 1 Tornillo de potencia
• 2 Tuerca de husillo de bolas con brida
• 3 Rodamiento
• 4 Carro
• 5 Motor con caja de cambios

Sin guía lineal

En husillos de bolas sin guía lineal, la tuerca del husillo de bolas se mueve directamente sobre el tornillo de potencia sin necesidad de un carril guía lineal independiente. La tuerca se desliza a lo largo del tornillo de potencia. La ventaja es que los tornillos sin guías lineales separadas se utilizan en aplicaciones que tienen limitaciones de espacio o requieren diseños simples. Pueden ofrecer una solución menos costosa en aplicaciones menos exigentes.

Clases de precisión

Las clases de precisión de los husillos de bolas son clasificaciones específicas que describen la precisión y las tolerancias. Están especificados en normas relevantes como la japonesa JIS B 1192 (ISO 3408). ISO 3408 especifica, por ejemplo, la diferencia entre la ruta objetivo y la ruta nominal sobre la ruta útil. Resultan las siguientes clases de tolerancia:

• C0 - C5: Definido por la desviación media de la trayectoria y la tolerancia de la fluctuación de la trayectoria
• C7-C10: Definido por la desviación media de la distancia en una longitud de 300 mm.

La norma ISO 286 proporciona una clasificación alternativa para los niveles de tolerancia utilizados en algunas normas y proporciona grados de precisión similares a los de las clases C: IT 1 y siguientes.

En cuanto al juego axial, los husillos de bolas pueden estar precargados (sin juego) o con juego. Los husillos de bolas de alta precisión suelen estar precargados. Se recomienda un husillo de bolas con precarga para posicionamiento de precisión, para aplicaciones de medición de posición, para construcción de dispositivos científicos y, en general, para aplicaciones que requieren la mayor rigidez posible del conjunto. Los husillos de bolas con una clase de precisión baja suelen estar sujetos a juego u holgura. Se recomiendan husillos de bolas con juego cuando la estabilidad del par (desplazamiento suave) es un requisito fundamental, si las desviaciones de tolerancia se compensan mediante un sistema de medición o si los errores de posición causados por el juego axial son irrelevantes.

Ventajas de los husillos de bolas

Los husillos de bolas ofrecen alta precisión y rigidez, ya que la fricción se reduce significativamente. Esta característica proporciona una mayor precisión y una transferencia eficiente del movimiento giratorio al movimiento lineal. La distribución uniforme de la carga por las bolas sobre la pista de rodadura garantiza la estabilidad y una distribución eficaz de la carga. Los husillos de bolas están disponibles como conjuntos listos para instalar y alcanzan altos niveles de eficiencia de hasta el 95 %.

Ventajas sobre los husillos trapezoidales

Un husillo de bolas ofrece varias ventajas sobre los husillos trapezoidales:

• Mayor precisión
• Menor fricción: Los husillos de bolas tienen menos fricción debido al uso de bolas o rodamientos de bolas como contactos de rodillos.
• Velocidades más altas debido a la reducción de la fricción y al contacto de rodadura eficiente
• Autobloqueo inferior
• Desgaste reducido
• Fuerza motriz reducida debido a una fricción reducida y una transferencia de energía más eficiente
• Diseño más compacto: Los husillos de bolas a menudo permiten un diseño más compacto porque permiten el uso de motores o unidades de accionamiento más pequeños debido a su mayor eficiencia y precisión.

Especificación de husillos de bolas compatibles

Si se requiere un nuevo husillo de bolas, es importante conocer ciertos parámetros y propiedades. Los husillos de bolas están disponibles con rosca métrica y en pulgadas. La designación disponible comercialmente proporciona información sobre qué rosca se requiere. Los husillos de bolas con dimensiones en pulgadas se especifican como tipo 1004 (corresponde a un diámetro de tornillo de potencia de una pulgada y un paso de 1/4 de pulgada) y los husillos de bolas con dimensiones métricas, por ejemplo, como tipo 12x3 (corresponde a un diámetro de tornillo de potencia de 12 mm y un paso de 3 mm).

Los husillos de bolas están etiquetados con el diámetro del círculo central de la bola y su paso. El diámetro exterior del tornillo de potencia se puede medir para determinar el diámetro del círculo central de la bola. Para determinar el paso, primero es necesario determinar si se necesita un husillo de bolas de entrada simple o múltiple. En los husillos de bolas de entrada simple, los segmentos de ranura están situados uno al lado del otro; y existen espacios correspondientes entre las salidas en los husillos de bolas de entrada múltiple. Se puede determinar el tipo más fácilmente enrollando una cuerda:

el paso resulta de la distancia entre un segmento de cordón y el siguiente segmento de cordón, por ejemplo 3 mm.

El efecto stick-slip y cómo minimizarlo

El efecto stick-slip (o sistema de vibración autoexcitada) se produce cuando dos superficies se mueven y unen alternativamente en lugar de deslizarse suavemente. La fuerza de agarre de un objeto contrarresta la fuerza del peso con la que se va a mover el objeto. Hasta que se ejerce la fuerza necesaria para superar la fuerza de agarre, el objeto permanece atascado y luego se suelta a mayor velocidad y comienza a deslizarse. Una vez que se alcanza el estado de fricción por deslizamiento y el objeto continúa moviéndose con presión constante, ya no agarra.

Sin embargo, un efecto stick-slip que se produce provoca oscilaciones y vibraciones en el sistema, que generalmente no son deseables. A diferencia de las roscas trapezoidales o de tornillo, que presentan fricción estática, en las roscas de bolas el efecto stick-slip apenas influye, ya que éstas presentan esencialmente fricción por rodadura. Sin embargo, si se produce un efecto stick-slip en los husillos de bolas, se pueden tomar varias medidas, entre ellas:

• Uso de lubricantes
• Producción precisa y selección de materiales
• Evitación del estrés excesivo
• Uso de conjuntos sin juego axial o con juego axial regulable
• Apretar el conjunto para aumentar la rigidez

Calcular la vida útil de las roscas de bolas

La vida útil de los husillos de bolas se puede calcular mediante la capacidad de carga dinámica. Se define por el número total de revoluciones, tiempo o distancia después de las cuales las superficies de rodamiento o bolas comienzan a deslaminarse. La siguiente fórmula se aplica a las horas de funcionamiento L_h:

• L_h = vida útil en horas (h.)
• C = Clasificación de carga dinámica (N): Una carga axial que actúa sobre un grupo de bolas iguales y en la que el 90 % de las muestras de ensayo son capaces de alcanzar 1 millón de rotaciones sin que las superficies de rodadura se delaminen
• P_m = Carga axial media (N)
• N_m = Velocidad media (mín.^-1)
• f_w = Factor de carga, ejemplos: Funcionamiento sin carga de choque f_w = 1,0 a 1,2 | Funcionamiento normal f_w = 1,2 a 1,5 | Funcionamiento con carga de choque f_w = 1,5 a 2,0

Para la vida útil es habitual la siguiente información: 10 000 horas para maquinaria industrial, 20 000 horas para máquinas herramienta, 15 000 horas para equipos de automatización e instrumentos de medida.

Selección de husillos de bolas

La selección del husillo de bolas adecuado depende de varios factores, incluidos los requisitos de carga, las velocidades, los requisitos de precisión y el entorno en el que se utiliza. En las máquinas CNC, los husillos de bolas garantizan un grabado y fresado precisos, mientras que las impresoras 3D logran una calidad de impresión precisa capa por capa. La robótica se beneficia del control preciso del movimiento de las articulaciones, de las máquinas herramienta y de los procesos de mecanizado de alta precisión.

Primero se deben especificar las condiciones de funcionamiento del husillo de bolas, como la precisión de posicionamiento, la carrera, las velocidades de desplazamiento, la vida útil, etc. En el siguiente paso se realiza una preselección del husillo de bolas en función de la precisión de la guía, el juego axial y las cargas esperadas. Por último, se deben comprobar la carga axial permitida, la velocidad de rotación permitida y la vida útil prevista. Use nuestro proceso de selección para dimensionar su husillo de bolas MISUMI. MISUMI suministra husillos de bolas, acoplamientos de compensación y rodamientos de bolas adecuados para muchas aplicaciones.