Concepción de accionamientos
de alta velocidad basados en husillos a bolas
Juan José Zulaika, Jokin Lekunberri, José Gorrotxategi
Separata de INA
Mayo 1999
Concepción de accionamientos de alta velocidad
basados en husillos a bolas
Juan José Zulaika, Jokin Lekunberri, José Gorrotxategi
1. Introducción
Dentro de las tecnologías que rodean al
mecanizado a alta velocidad, uno de los
aspectos fundamentales es el desarrollo
de accionamientos de ejes de alta
dinámica basados en husillos a bolas.
Estos accionamientos alcanzan unos
rendimientos muy por encima de su
rango de trabajo habitual, situándose en
velocidades en torno a los 120 m/min.
y aceleraciones superiores a 1 g, frente al
rango habitual de 30 m/min. con
aceleraciones muy por debajo de 1 g.
Un accionamiento de altas prestaciones
debe conseguir una elevada productividad
de la máquina, maximizando la velocidad
de avance y la aceleración, y manteniendo
constante la fuerza de avance. Por otro
lado, la precisión del accionamiento
Fig. 1 y Fig. 2
viene marcada por dos aspectos
fundamentales:
• La rigidez dinámica y estática de los
elementos mecánicos de transmisión
• La estabilidad térmica.
El sistema de guiado debe ser
seleccionado de forma que permita
alcanzar las exigencias del accionamiento y,
al mismo tiempo, soportar las elevadas
fuerzas de inercia, manteniendo una
elevada precisión repetitiva.
En el presente documento, la firma
Fatronik System, S.A. de Elgoibar
(Gipuzkoa), analiza diversas soluciones
orientadas a la mejora del diseño
mecánico de los accionamientos de alta
velocidad. Algunas de estas soluciones
han quedado comprobadas experimentalmente mediante la utilización de un
banco de ensayos diseñado al efecto.
2. Banco de ensayos
El banco de ensayos nace de la necesidad
de evaluar y comprobar resultados
alcanzados analíticamente, que en
muchas ocasiones son obtenidos tras
asumir hipótesis de dudosa validez.
(Fig.1 y Fig. 2).
El banco se concibe con un claro
carácter de versatilidad, de modo que
sus características constructivas
permitan la utilización de una amplia
gama de accionamientos, de carreras de
hasta 4 m., de accionamientos clásicos
con husillo giratorio, o de husillos fijos
con tuerca giratoria, etc. Esta condición
exige la utilización de un bastidor de
dimensiones generosas.
Vistas generales del banco de ensayos
3
Fig. 3
Rodamiento INA ZKLF
Siguiendo con esta idea, se ha realizado
una primera aplicación, consistente en un
accionamiento de altas prestaciones que
responda a las siguientes especificaciones:
• Velocidad máxima:
120 m/min.
• Aceleración: ≥ 14 m/s2
• Masa a desplazar: 350 kg
• Distancia entre apoyos del husillo:
2.000 mm.
Fig. 4
Sistema con recirculación de rodillos RUE..D con dosificador
de cantidad mínima de lubricante SMDE..D
Para atender estas especificaciones se
realizaron los oportunos trabajos de
predimensionado, que consistieron en:
• Selección del mecanismo de avance:
husillo giratorio o tuerca giratoria
• Selección de los valores: diámetro y
paso del husillo
• Selección del sistema de guiado
• Selección de las características del
motor
• Selección de la relación entre poleas,
en caso de que fueran necesarias.
Excepto la solución obvia de utilizar una
tuerca giratoria, dada la alta velocidad de
rotación a la que necesariamente debería
estar sometido el husillo, las demás
decisiones exigían ser respaldadas
analíticamente, para lo que se desarrolló
una herramienta informática para el
predimensionado, que permitía optar por
la combinación más favorable de
parámetros.
Entre las diversas soluciones que
satisfacían los requerimientos del ensayo,
se seleccionaron los siguientes valores:
Tipo de
accionamiento
Tuerca
giratoria
Paso del husillo
40 mm
Par motor
23 Nm
Par motor máximo
82 Nm
Masa a desplazar,
máximo
Reducción
350 kg
1,33
Para la combinación de los parámetros
seleccionados, se conseguían los
siguientes valores teóricos, posteriormente
contrastados:
• Aceleración: 17,4 m/s2
• KV:
4
Una vez decididos los parámetros del
accionamiento, resultaba necesario decidir
los siguientes e importantes aspectos:
• Sistema de lubricación
• Rodamiento del soporte de la tuerca
• Guías lineales
• Apoyo de los extremos del husillo
• Control numérico, regulador, motor y
regla de captación.
Fig. 5
4
Lubricación de la tuerca y del rodamiento
Calentamiento del rodamiento a 100 m/min
Ta (°C)
35
33
31
29
27
25
23
21
19
17
15
Fig. 6
0
10
20
30
40
Tiempo (min)
50
60
70
Calentamiento del rodamiento. Ensayo a 100 m/min.
2.1 Sistema de lubricación
El sistema de lubricación debe aportar
lubricante a tres puntos: rodamiento del
soporte de la tuerca, sistema de guiado
lineal y tuerca del husillo. La lubricación a
utilizar estaba condicionada por las
exigencias impuestas a la lubricación del
rodamiento y, especialmente, a la tuerca
del husillo, por lo que se seleccionó el
sistema de lubricación aire-aceite para
todo el banco de ensayos.
Especial dificultad revestía una
lubricación con garantías en la tuerca del
husillo, dado que se trataba de una
tuerca giratoria (Fig. 5). Por lo tanto, se
ideó un sistema en el que el aceite se
introduce en el interior de la tuerca a través de un conjunto de orificios que están
comunicados con una cámara ubicada
entre la tuerca y una camisa intermedia.
2.2 Rodamiento del soporte de la
tuerca
El rodamiento utilizado es un rodamiento
a bolas de contacto angular
INA ZKLF 100200.2Z, de dos hileras,
con ángulo de contacto de 60° (Fig. 3)
El anillo interior, en dos piezas, de este
rodamiento está adaptado a las dos
coronas de bolas y al anillo exterior de
forma que al apretar la tuerca estriada de
precisión con el momento de apriete
prescrito, el rodamiento queda óptimamente precargado, sin trabajos de ajuste
adicionales.
Fig. 7
Apoyo libre del husillo con tuercas estriadas de precisión INA
de la serie AM
El rodamiento ZKLF 100200.2Z tiene una
velocidad límite, para lubricación con
grasa, de 2150 min–1, que resulta
totalmente insuficiente para alcanzar los
120 m/min. deseados. Para solventar
esta limitación, INA ha desarrollado un
rodamiento híbrido, con bolas de material
cerámico que, junto con la lubricación
aire-aceite, ha demostrado su efectividad
trabajando durante largos períodos a
3 000 min–1 sin incrementos de
temperatura apreciables (Fig. 6).
2.3 Guías lineales
Las guías lineales seleccionadas para el
desplazamiento de la mesa fueron los
sistemas INA con recirculación de cuatro
hileras de rodillos RUE 45 D OE W2, con
carriles-guía de 2.940 mm. de longitud,
con dosificadores SMDE de cantidades
mínimas de lubricante en cada uno de
los carros (Fig. 4). Estos sistemas lineales
de rodillos, precargados de serie,
soportaron eficazmente las elevadas
exigencias del ensayo con una alta
rigidez y precisión de funcionamiento.
2.4 Apoyo de los extremos del
husillo
En un accionamiento de estas características, existen tres opciones para
soportar el husillo en sus extremos:
• Husillo fijo en un extremo y libre
axialmente en el otro extremo
• Husillo fijo en ambos extremos, con
orificio interior para su enfriamiento,
que garantice una cierta estabilidad
térmica
• Husillo fijo en ambos extremos, con
precarga axial.
El tercer método es el más difícil de
ejecutar debido a la elevada precarga
que es necesario aplicar. El segundo
método es perfectamente viable y la
experiencia en máquinas que han utilizado
este sistema ha sido francamente positiva.
Sin embargo, se decidió emplear el
primer método que, sin ser el óptimo,
podría aportar un conjunto de experiencias más próximas a las soluciones
habitualmente utilizadas en accionamientos convencionales.
De este modo, se dispuso el husillo con
un extremo fijo y el extremo opuesto
parcialmente libre, por medio de un
sistema de precarga variable, de modo
que permitiera absorber el alargamiento
producido por el calentamiento del mismo.
Lógicamente, esta disposición limita la
rigidez axial del husillo, alcanzándose la
rigidez axial mínima en el extremo libre,
de valor:
Kmin = π · E · d2/4 · L
La solución adoptada fue la de incorporar
axialmente y en ambas direcciones un
conjunto de muelles que precarguen
axialmente el husillo y compensen la
pérdida de rigidez ocasionada (Fig. 7).
5
Evolución de la temperatura de la tuerca
Calentamiento en diversos puntos
60
65
50
55
40
Tuerca
Husillo
Guías
Ta-To
Ta (°C)
Rodamiento
45
35
20
25
15
Fig. 8
10
0
0
10
20
30
40
50
Tiempo (min)
60
0
70
Fig. 9
Ensayo realizado a 100 m/min
3. Ensayos
Los ensayos están aún en proceso de
ejecución. Sin embargo, se dio prioridad
a los ensayos que evidenciaran el
comportamiento térmico del accionamiento.
Se han realizado los siguientes ensayos
específicos:
• Evaluación de los focos de calor del
banco de ensayos
• Ensayos para la determinación del
caudal óptimo de lubricante.
Para la obtención de los mismos se
dispuso de un conjunto de termoresistencias, sensores de temperatura por
infrarrojos, detectores de proximidad y
un convertidor analógico-digital.
3.1 Evaluación de los focos de
calor del banco de ensayos
En la evaluación del comportamiento
térmico del banco se determinaron un
conjunto de puntos a analizar:
• Tuerca del husillo
• Rodamiento
• Husillo
• Guías lineales.
Elongación husillo
(mm)
0,1
0,05
0
24
26
28
Ta husillo (°C)
6
Alargamiento del husillo
30
32
30
40 50 60
Tiempo (min)
70
80
90
100
Calentamiento de la tuerca
Dado que la primera limitación del
accionamiento ensayado viene derivada
por un calentamiento rápido de la tuerca,
resulta necesario optimizar la lubricación
de la misma.
0,15
22
20
3.2 Optimización de la lubricación
0,2
20
10
En la Fig. 8 se describe la evolución de la
temperatura de cada componente en un
periodo de tiempo de 60 minutos, siendo
la velocidad de avance de 100 m/min.
Como era de esperar, el punto más
conflictivo resultó ser la tuerca del husillo.
Los demás puntos no ofrecían ninguna
problemática especial desde el punto de
vista térmico, por lo que los esfuerzos se
dirigieron a mejorar el comportamiento
térmico de la tuerca.
En la Fig. 9 se observa la curva de
calentamiento de la tuerca, que presenta
un calentamiento inicial rápido y una fase
posterior de estabilización cuya
continuidad está estrechamente ligada al
volumen de aceite lubricante introducido.
Paralelamente, fue analizada la dilatación
del husillo, presentando los resultados
que se muestran en la Fig. 10
Deformación térmica del husillo
Fig. 10
30
El sistema de lubricación empleado es
aire-aceite. Este método, habitualmente
empleado en la lubricación de los
rodamientos de husillos de trabajo o
cabezales, presenta ventajas en cuanto
permite alcanzar altas velocidades,
generando pocas pérdidas por rozamiento, al tiempo que tiene un bajo consumo
de aceite, aunque resulta difícil ajustar el
caudal óptimo del mismo. Siguiendo las
recomendaciones del proveedor del
sistema de lubricación, se eligió un aceite
de viscosidad ISO-VG 68.
El banco fue sometido a una amplia
gama de ensayos encaminados a
obtener el volumen óptimo de aceite,
con los siguientes resultados:
En la Fig. 11 se puede observar la
relación entre el tiempo empleado por la
tuerca en alcanzar 70 °C y el volumen de
aceite introducido, para una velocidad de
avance de 100 m/min. Se aprecia que
este tiempo es máximo para un caudal
de aceite próximo a los 2 mm3/min. Las
pruebas realizadas a otras velocidades
de avance mostraron un comportamiento
muy similar.
Calentamiento de la tuerca
Optimización de la lubricación
55
Ta Tuerca del husillo (°C)
Tiempo 70 °C (min)
120
100
80
60
40
20
0
45
40
35
30
0
Fig. 11
50
5
15
10
Q (mm3/min)
Tiempo transcurrido en llegar a 70 °C, para distintos caudales
En la Fig. 12 se puede observar cómo
varía la temperatura de la tuerca para
distintos caudales de aceite, tomando su
temperatura transcurrido un período de
tiempo constante para todas las pruebas.
En el caso de la Fig. 12, se ha tomado un
intervalo de tiempo de 20 minutos antes
de realizar las mediciones, siendo la
velocidad de avance, en todos los casos
ensayados, de 100 m/min.
Podemos observar que el caudal óptimo
coincide con el reflejado en la Fig.11,
que es del orden de los 2 mm3/min.
Asimismo, se han detectado otros
mínimos locales para otros caudales,
pero dichos puntos reflejan valores de
temperatura superiores al punto óptimo.
4. Conclusiones
0
20
50
100
Q (mm3/min)
Fig. 12
Calentamiento de la tuerca para distintos caudales
Bibliografía
[1] Weck M.:
“Handbook of Machine Tools”,
John Wiley & Sons, Vol. 2 y 3
[2] Schulz H.:
“Hochgeschwindigkeitsbearbeitung.
High Speed Machining”,
Carl Hanser Verlag
[3] Schulz H.:
“High Speed Milling of Metal and
Nonmetal Materials”,
Carl Hanser Verlag
[4] Ogata K.:
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Prentice Hall, 1993
[5] Lorosh H.:
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Bearings”, FAG WL 02 113 E
[6] Koren Y., Lo C.C.:
“Advanced Controllers for Feed
Drives”, annals of the CIRP,
Vol. 41/2/1992
[7] Uriarte L.G.:
“Ensayo de accionamientos”
Jornadas sobre Control y
Accionamientos.
Fundación Tekniker, Nov. 1996
[8] T. Frank y E. Lunz:
“Eje de accionamiento de alta
velocidad con husillo a bolas“,
Artículo de la revista “Antriebstechnik”, nº 1, Enero 1998,
publicado por INA
Este trabajo presenta un conjunto de
propuestas, básicamente mecánicas
que, junto con mejoras en la rigidez
estática y dinámica de los elementos
mecánicos, ponen de manifiesto la
viabilidad de los accionamientos de alta
velocidad.
Esta nueva generación de accionamientos
basados en husillos a bolas abre un
espectacular campo de aplicación que va
desde máquinas ligeras a máquinas
pesadas e incluye la posibilidad de ser
incorporados a máquinas ya existentes.
Datos respecto a los autores
Los ingenieros en construcción de
máquinas Juan José Zulaika, Jokin
Lekunberri y José Gorrotxategi son
colaboradores de Fatronik System,
S.A. de Elgoibar (Gipuzkoa), en
España.
Persona de contacto:
Ing. José Miguel Azkoitia
Este proyecto ha sido coordinado
por el Dipl.-Ing. (FH) Martin Schreiber
responsable de aplicaciones en máquinas
de producción y sistemas,
de INA Wälzlager Schaeffler oHG,
Herzogenaurach (Alemania).
7
Polígono Pont Reixat
08960 Sant Just Desvern
Barcelona
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Fax
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