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.: “Ingeniería de Control Moderna”, Prentice Hall, 1993 [5] Lorosh H.: “Reliable Lubrication of Machine Tool 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 Teléfono 934 803 410 Fax 933 729 250 http://www.ina.com/es Sach-Nr. 005-161-258/AHK E-E 04991 ● · Impreso en Alemania INA Rodamientos, s. a.