Un husillo de bolas es un actuador lineal mecánico que traduce el movimiento de rotación en movimiento lineal con poca fricción . Un eje roscado proporciona una pista de rodadura helicoidal para los rodamientos de bolas que actúan como un tornillo de precisión. Además de poder aplicar o soportar grandes cargas de empuje, pueden hacerlo con una mínima fricción interna. Están fabricados con tolerancias estrechas y, por lo tanto, son adecuados para su uso en situaciones en las que se necesita una alta precisión. El conjunto de bolas actúa como la tuerca mientras que el eje roscado es el tornillo. A diferencia de los husillos de avance convencionales , los husillos de bolas tienden a ser bastante voluminosos, debido a la necesidad de tener un mecanismo para recircular las bolas.
Otra forma de actuador lineal basado en una varilla giratoria es el tornillo de bolas sin rosca , también conocido como "accionamiento de anillo rodante". En este diseño, tres (o más) cojinetes de anillo rodante están dispuestos simétricamente en una carcasa que rodea una varilla o eje del actuador liso (sin rosca). Los cojinetes se colocan en un ángulo con la varilla, y este ángulo determina la dirección y la velocidad del movimiento lineal por revolución de la varilla. Una ventaja de este diseño sobre el husillo de bolas convencional o el husillo de avance es la práctica eliminación del juego y la carga causados por las tuercas de precarga.
Aplicaciones
Los husillos de bolas se utilizan en aviones y misiles para mover superficies de control, especialmente para vuelo eléctrico por cable , y en la dirección asistida de automóviles para traducir el movimiento giratorio de un motor eléctrico al movimiento axial de la cremallera de dirección. También se utilizan en máquinas herramienta , robots y equipos de montaje de precisión. Los husillos de bolas de alta precisión se utilizan en motores paso a paso para la fabricación de semiconductores .
Historia
El husillo de bolas fue inventado de forma independiente por HM Stevenson y D. Glenn, que se emitieron en 1898 patentes 601,451 y 610,044 respectivamente.
Early screwshafts precisas fueron producidos por comenzando con una screwshaft baja precisión, y luego lamiendo el eje con varias vueltas de tuerca de resorte [ cita requerida ] . Al reorganizar e invertir las vueltas de las tuercas, se promediaron los errores longitudinales de las tuercas y el eje. Luego, el paso del eje muy repetible se mide contra un estándar de distancia. En la actualidad, a veces se utiliza un proceso similar para producir ejes de tornillo estándar de referencia o ejes de tornillo de fabricación maestra. [ cita requerida ]
Se utiliza un tornillo de bola para expandir la estructura del conjunto de torre desplegable (DTA) en el telescopio espacial James Webb .
Descripción y funcionamiento
Para mantener su precisión inherente y garantizar una larga vida útil, es necesario tener mucho cuidado para evitar la contaminación con suciedad y partículas abrasivas. Esto se puede lograr mediante el uso de fuelles de caucho o cuero para encerrar total o parcialmente las superficies de trabajo. Otra solución es utilizar una presión positiva de aire filtrado cuando se utilizan en un recinto abierto o semi-sellado.
Al tiempo que reducen la fricción, los husillos de bolas pueden funcionar con algo de precarga, lo que elimina efectivamente el juego (inclinación) entre la entrada (rotación) y la salida ( movimiento lineal ). Esta característica es esencial cuando se utilizan en sistemas de control de movimiento controlados por computadora, por ejemplo, máquinas herramienta CNC y aplicaciones de movimiento de alta precisión (por ejemplo, unión de cables ).
Desventajas
Dependiendo de su ángulo de avance, los husillos de bolas se pueden accionar hacia atrás debido a su baja fricción interna (es decir, el eje del husillo se puede accionar linealmente para girar la tuerca de bolas). Por lo general, no son deseables para máquinas herramienta alimentadas a mano , ya que se requiere la rigidez de un servomotor para evitar que el cortador agarre el trabajo y se alimente automáticamente, es decir, donde el cortador y la pieza de trabajo exceden la velocidad de avance óptima y se atascan o chocan de manera efectiva. juntos, arruinando el cortador y la pieza de trabajo. El costo también es un factor importante, ya que los tornillos Acme son más baratos de fabricar.
Ventajas
La baja fricción en los husillos de bolas proporciona una alta eficiencia mecánica en comparación con las alternativas. Un husillo de bolas típico puede tener una eficiencia del 90 por ciento, en comparación con la eficiencia del 20 al 25 por ciento de un husillo Acme de igual tamaño. La falta de fricción deslizante entre la tuerca y el tornillo aumenta la vida útil del conjunto del tornillo (especialmente en sistemas sin juego), lo que reduce el tiempo de inactividad para el mantenimiento y el reemplazo de piezas, al tiempo que disminuye la demanda de lubricación. Esto, combinado con los beneficios generales de rendimiento y la reducción de los requisitos de energía, puede compensar los costos iniciales de usar tornillos de bolas.
Los tornillos de bolas también pueden reducir o eliminar el juego común en las combinaciones de tornillos de avance y tuercas. Las bolas pueden estar precargadas para que no haya "meneo" entre el husillo de bolas y la tuerca de bolas. Esto es particularmente deseable en aplicaciones donde la carga sobre el tornillo varía rápidamente, como máquinas herramienta.
Fabricar
Los ejes de husillo de bolas se pueden fabricar mediante laminación, lo que produce un producto menos preciso, pero económico y mecánicamente eficiente. Los husillos de bolas enrollados tienen una precisión de posición de varias milésimas de pulgada por pie.
Precisión
Los ejes de los tornillos de alta precisión suelen tener una precisión de una milésima de pulgada por pie (830 nanómetros por centímetro) o mejor. Históricamente, se han mecanizado a una forma bruta, se han endurecido y luego se han rectificado. El proceso de tres pasos es necesario porque el mecanizado a alta temperatura distorsiona la pieza de trabajo. [1] El giro fuerte es una técnica de mecanizado de precisión reciente (2008) que minimiza el calentamiento del trabajo y puede producir tornillos de precisión a partir de barras cementadas. [2]
Los ejes de los tornillos de calidad del instrumento suelen tener una precisión de 250 nanómetros por centímetro. Se producen en fresadoras de precisión con equipo óptico de medición de distancia y herramientas especiales. Se utilizan máquinas similares para producir lentes ópticas y espejos. Los ejes de los tornillos de los instrumentos generalmente están hechos de Invar , para evitar que la temperatura cambie demasiado las tolerancias.
Los husillos de bolas se clasifican utilizando "grados de precisión" desde C0 (más preciso) hasta C10. [3]
Sistemas de retorno de bolas
Las bolas circulantes viajan dentro de la forma de rosca del tornillo y la tuerca, y las bolas se recirculan a través de varios tipos de mecanismos de retorno. Si la tuerca de bola no tuviera un mecanismo de retorno, las bolas caerían por el extremo de la tuerca de bola cuando llegaran al final de la tuerca. Por esta razón, se han desarrollado varios métodos de recirculación diferentes.
Una tuerca de bola externa emplea un tubo estampado que recoge las bolas de la pista de rodadura mediante el uso de un pequeño dedo de recogida. Las bolas viajan dentro del tubo y luego se vuelven a colocar en la pista de rodadura del hilo.
Una tuerca de bola de botón interno emplea un retorno de estilo de botón fundido o mecanizado que permite que las bolas salgan de la pista de la pista de rodadura y se muevan una rosca y luego vuelvan a entrar en la pista de rodadura.
Una tuerca de bola de retorno de tapa de extremo emplea una tapa en el extremo de la tuerca de bola. La tapa está mecanizada para recoger bolas del extremo de la tuerca y dirigirlas hacia los orificios que están perforados transversalmente hacia abajo de la tuerca. La tapa del complemento en el otro lado de la tuerca dirige las bolas de regreso a la pista de rodadura.
Las bolas de retorno no están sometidas a una carga mecánica significativa y la ruta de retorno puede incorporar piezas de plástico de baja fricción moldeadas por inyección .
Perfil de hilo
Para obtener una acción de rodadura adecuada de las bolas, como en un rodamiento de bolas estándar, es necesario que, cuando se carga en una dirección, la bola haga contacto en un punto con la tuerca y en un punto con el tornillo. En la práctica, la mayoría de los husillos de bolas están diseñados para ser precargados ligeramente, de modo que haya al menos una ligera carga sobre la bola en cuatro puntos, dos en contacto con la tuerca y dos en contacto con el tornillo. Esto se logra utilizando un perfil de rosca que tiene un radio ligeramente mayor que la bola, la diferencia de radios se mantiene pequeña (por ejemplo, una simple rosca en V con caras planas no es adecuada) de modo que la deformación elástica alrededor del punto de contacto permite una pequeña, pero se obtendrá un área de contacto distinta de cero, como cualquier otro rodamiento de elementos rodantes. Para ello, las roscas se suelen mecanizar a modo de perfil de "arco gótico". Si se utilizara un perfil de rosca semicircular simple, el contacto sería solo en dos puntos, en los bordes exterior e interior, que no resistirían la carga axial.
Precarga
Para eliminar el juego y obtener las características óptimas de rigidez y desgaste para una aplicación determinada, generalmente se aplica una cantidad controlada de precarga. En algunos casos, esto se logra mecanizando los componentes de manera que las bolas se ajusten bien cuando se ensamblan; sin embargo, esto da un control deficiente de la precarga y no se puede ajustar para permitir el desgaste. Es más común diseñar la tuerca de bola como efectivamente dos tuercas separadas que están estrechamente acopladas mecánicamente, con ajuste girando una tuerca con respecto a la otra, creando así un desplazamiento axial relativo, o reteniendo ambas tuercas apretadas juntas axialmente y girando uno con respecto al otro, de modo que su juego de bolas se desplaza axialmente para crear la precarga.
Ecuaciones
con la entrada giratoria conduciendo de forma convencional, o
si la fuerza lineal hace retroceder el sistema
Dónde es el par aplicado al tornillo o tuerca, es la fuerza lineal aplicada, es el paso del husillo de bolas, y es la eficiencia del husillo de bolas.
La selección del estándar que se utilizará es un acuerdo entre el proveedor y el usuario y tiene cierta importancia en el diseño del tornillo. En los Estados Unidos, ASME ha desarrollado la norma B5.48-1977 titulada "Husillos de bolas".
Ver también
- Estrías de bolas : tipo de rodamiento de movimiento lineal que puede transmitir el par
- Tornillo nivelador : dispositivo de elevación mecánico que se opera girando un tornillo de avance.
- Husillo
- Tornillo de rodillo
- Cojinete de movimiento lineal
- Bola de recirculación : mecanismo de dirección del vehículo
- Actuador lineal : actuador que crea movimiento en línea recta
Referencias
- ^ Sitio web de Schrillo Company.
- ^ Literatura de ventas de la empresa Leistritz.
- ^ "Precisión del husillo de bolas" (PDF) . gracias