Tornillos de bola: precisión mediante precarga

Los tornillos de bola convierten el movimiento giratorio en un movimiento lineal preciso o viceversa. A menudo se utilizan como elemento impulsor. La precisión del posicionamiento es fundamental cuando se utilizan tornillos de bola. Una forma de aumentar la precisión de posicionamiento de un tornillo de bola es reducir el juego entre el husillo y la tuerca con una precarga. Sin embargo, dado que esta precarga también cambia la facilidad de movimiento del sistema, hay tornillos de bola con precarga ajustable. El sistema puede precargarse hasta tal punto que se logre el juego axial permitido entre la tuerca de bolas y el husillo roscado sin limitar excesivamente el movimiento libre. La precarga puede lograr una precisión posicional de unos pocos micrómetros. En este artículo aprenderá cómo funciona y qué clases de precisión existen.

¿Qué es un tornillo de bolas?

Un tornillo de bolas, también llamado husillo de bolas, convierte el movimiento giratorio en movimiento lineal. En su forma más sencilla, un tornillo de bola consta de un tornillo guía y una tuerca. Las bolas ruedan entre ellas en una pista de recirculación para reducir la fricción. Los sistemas más complejos, por ejemplo, consisten en un sistema de doble tuerca o tienen dispositivos de protección. Los tornillos de bola son muy precisos y capaces de transferir fuerzas elevadas con bajas pérdidas por fricción, lo que los hace ideales para el control de movimiento en aplicaciones industriales y máquinas como de CNC o robots. Con su ayuda, por ejemplo, pueden posicionarse con gran precisión las fijaciones de las piezas de trabajo. La lubricación correcta es esencial para el funcionamiento de los tornillos de bola (más información en Lubricación de accionamientos de husillo a bolas: Lubricantes, áreas de aplicación e información general).

Para obtener información más detallada sobre la función, el diseño y las clases de precisión de los tornillo de bola, consulte nuestro artículo Husillos de bolas: función/estructura/tipos/clases de precisión.

¿Qué es la precarga?

La precarga se entiende como la introducción intencionada de una fuerza en un sistema o componente antes de que se exponga a una carga externa. Garantiza estabilidad y fiabilidad funcional. Se puede aplicar una precarga, p. ej., en juntas roscadas, muelles, cojinetes de tornillos guía, pero también en tornillos de bola.

Los tornillos de bola tienden a ser resistentes y tienen holgura axial en el tren de transmisión. El juego axial es el rango de movimiento u holgura no utilizado de un tornillo guía, que se crea por el espacio entre las bolas del cojinete y la rosca del tornillo guía y las guías en la tuerca roscada.

Debido al juego axial, el tornillo de bolas cambia entre las posiciones (+) y (-). Para precargas en una dirección, esto aún no conduce a la imprecisión del posicionamiento porque las bolas se presionan contra un lado del flanco de rosca. Sin embargo, tan pronto como se produce un cambio de dirección o una inversión de la carga axial, ya no se da la precisión de posicionamiento absoluto.

• F_r = Efecto de la fuerza radial
• M = momento de flexión, p. ej., debido a una instalación desalineada

Se introduce una precarga para minimizar este efecto no deseado. La consideración de las tolerancias dimensionales es esencial al ajustar la precarga. Las tolerancias de cojinete o rosca se ajustan de manera que no haya más holgura, lo que optimiza la precisión de posicionamiento y la rigidez del sistema. Normalmente se introduce entre el tornillo de cabeza y la tuerca doble, por ejemplo, utilizando dos tuercas que estén sujetas entre sí. La tensión del muelle entre las tuercas normalmente se puede ajustar con un anillo roscado.

El término de precarga también se define en las normas. Por ejemplo, JIS 1192 define la precarga como la fuerza ejercida internamente en los tornillos de bola mediante el uso de un grupo de bolas de acero desplazadas axialmente o un par de tuercas para reducir el juego y aumentar la rigidez del tornillo de bola. Sin embargo, una precarga excesiva también puede afectar, por ejemplo, a la vida útil del tornillo de bola. Por lo tanto, la cantidad de precarga debe considerarse minuciosamente.

Tipos de precarga

En general, hay dos tipos de precarga: radial y axial. La precarga radial es una fuerza aplicada perpendicular al eje de rotación, por ejemplo, en anillos de cojinetes en un cojinete rodante. Esta garantiza un contacto uniforme entre el cojinete rodante y la pista. La precarga axial se aplica a lo largo del eje del cojinete o del husillo y evita el juego en la dirección longitudinal. La precarga axial se utiliza para tornillos de bola.

Importancia de la fuerza de precarga

El uso de una precarga tiene las siguientes ventajas:

• La rigidez mejora, lo que a su vez optimiza la capacidad de carga y la repetibilidad.
• La vida útil aumenta. Sin embargo, debe tenerse cuidado para asegurarse de que la precarga no sea demasiado alta, ya que de lo contrario podría tener un efecto negativo.
• Las vibraciones y los ruidos se reducen al mínimo, lo que es importante, por ejemplo, para aplicaciones que requieren un movimiento silencioso.
• El juego se minimiza, lo que resulta en un control de movimiento y posicionamiento más precisos. Esto es importante, entre otras cosas, para las máquinas CNC o en robótica.

Al calcular la fuerza de precarga necesaria, también deben tenerse en cuenta las clases de tolerancia requeridas de los componentes que se van a fabricar (consulte las clases en Clases de tolerancia de conformidad con ISO 22081 y DIN ISO 2768: Uso optimizado de tolerancias generales).

Cálculo de la fuerza de precarga

La fuerza de precarga de la tuerca siempre representa una carga constante en el accionamiento del tornillo de bola. Por lo tanto, es importante encontrar una fuerza de precarga que al mismo tiempo no ejerza una tensión excesiva sobre el tornillo de bola mientras sigue cumpliendo su propósito. Para este fin, se puede considerar la carga operativa esperada en particular. La fuerza de precarga se puede calcular, por ejemplo, a partir de la capacidad de carga dinámica. Esto indica qué cargas puede soportar el tornillo de bola para lograr una vida útil de 1 millón de revoluciones.   Esto está especificado por el fabricante. Las clasificaciones de carga están, por ejemplo, estandarizadas en ISO 281. Para tuercas de tornillo de bolas con contacto de 4 puntos, lo lógico sería el 5-8 % de la capacidad de carga dinámica para la precarga y el 8-10 % para el contacto de 2 puntos. Se aplican otros valores para las determinaciones de conformidad con las norma ANSI.

Varios métodos de precarga

Existen varios métodos para ajustar la precarga, como tuercas de tornillo de bola con precarga ajustable. En esta variante, se monta un resorte entre dos tuercas, que presiona las tuercas contra el lado izquierdo y derecho del anillo guía del husillo. La precarga puede ajustarse aún más con un anillo roscado. La precarga también se puede lograr automáticamente utilizando sistemas hidráulicos. Se presentan varios métodos en detalle a continuación:

Tuerca doble precargada con resorte

La selección de la tensión correcta del resorte es crucial para optimizar la precarga (consulte Selección de resortes de tensión y resortes de compresión: descripción general / usos / ejemplos de aplicación). La tuerca doble accionada por resorte es una buena opción para los tornillos de bola pequeños. Las dos tuercas están ubicadas en una carcasa de manera fija rotacionalmente, donde se separan mediante un resorte sujeto entre ellas. El muelle garantiza que la precarga siempre siga siendo la misma, incluso en caso de desgaste o debido a tolerancias de fabricación. La propia precarga también es comparativamente pequeña. Las desventajas de la tuerca doble accionada por resorte son que, por lo general, es más compleja y más grande, y la alineación es más difícil. Las fuerzas tampoco se pueden transferir en todas las direcciones: el resorte puede ceder si las fuerzas están por encima de la fuerza de precarga.

Instalación de bolas con un tamaño sobredimensionado definido

Las bolas se pueden montar con un tamaño sobredimensionado definido si se utilizan tuercas estándar individuales en el tornillo de bola.   Esto da como resultado lo que se conoce como contacto de cuatro puntos entre cuatro puntos de la bola y la tuerca. lo cual conduce a un aumento significativo de la fricción.

• (1) Tornillo guía (sección transversal)
• (2) Tuerca (sección transversal)

Debido a la alta fricción, este método debe utilizarse con una pequeña precarga o juego. La eficiencia se deteriora algo y la respuesta a las tolerancias de producción también es mayor con este tipo de precarga. Por lo tanto, para los tornillos de cabeza particularmente largos, no tiene sentido instalar tuercas individuales precargadas. Las ventajas son: eficiencia y diseño compacto.

Instalación de una sola tuerca con desbalance de paso

De todos modos, se puede seleccionar un desbalance de paso para tuercas individuales. Esto implica instalar una tuerca con un paso de rosca que se desvía ligeramente del husillo. Este desbalance definido hace que la posición de los elementos rodantes se desplace en la rosca del husillo, lo que resulta en un contacto de dos puntos. Este método es adecuado para precargas medias.

• (1) Tornillo guía (sección transversal)
• (2) Tuerca (sección transversal)

Instalación de un elemento separador para tuercas dobles

Una variante de precarga más compleja es instalar un sistema de doble tuerca con un elemento separador.

• (1) Tornillo guía (sección transversal)
• (2) Tuerca (sección transversal)
• (3) Elemento separador

Dos tuercas roscadas se fijan entre sí por medio de un elemento separador, lo que da como resultado un contacto de dos puntos. Como resultado, la fricción aumenta muy poco. El juego axial se elimina casi por completo, lo que contribuye a la rigidez y precisión del accionamiento del tornillo de bola. Este método es viable para precargas medias y altas. Los elementos separadores permiten ajustes simples de la precarga, por lo que son adecuados para cargas variables.