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Juego mecánico en máquinas CNC: Por qué el husillo de bolas a menudo no es el verdadero problema.
¿Qué es realmente la precarga?
En el interior de un husillo de bolas, las bolas se desplazan entre la pista del husillo y la pista de la tuerca.
Si existe holgura entre estas superficies de contacto, una inversión de carga puede provocar un pequeño movimiento libre antes de que el eje responda. Esto es lo que muchos denominan juego mecánico.
La precarga crea una fuerza interna controlada que mantiene las bolas en contacto con las pistas de rodadura.
En la práctica, la precarga puede proporcionar:
Menor espacio libre interno
Mayor rigidez axial
Movimiento más consistente durante los cambios de dirección
Mayor resistencia a pequeños cambios de carga.
Eso suena como una mejora sencilla.
Pero no es gratis.
La precarga también aumenta la fuerza de contacto entre las bolas y las pistas de rodadura. Esto puede resultar en mayor fricción, mayor par de torsión y mayor calor. No se debe seleccionar una tuerca de bolas con la máxima precarga posible solo porque la máquina requiera poca holgura.
La pregunta más pertinente es: ¿cuánta precarga puede utilizar realmente esta aplicación?
La precisión en la generación de leads y las reacciones negativas no son lo mismo.
Este punto suele pasarse por alto al elegir un husillo de bolas.
La precisión del avance describe hasta qué punto el recorrido real del tornillo coincide con el recorrido programado en una distancia determinada.
El juego mecánico describe el movimiento no deseado que se produce cuando la dirección de la carga se invierte.
Ambos afectan al posicionamiento, pero son errores diferentes.
Un husillo de bolas C5 aún puede presentar problemas de holgura.
Un husillo de bolas C7 con una tuerca precargada correctamente puede tener muy poca holgura interna.
Entonces, cuando alguien dice: "Mi máquina tiene holgura, así que necesito un tornillo C5", la primera pregunta debería ser: ¿cómo se midió esa holgura y de dónde proviene?
Si el problema real es un soporte de cojinete suelto o un acoplamiento que se desliza sobre el eje, un grado de precisión superior no lo solucionará.
Dónde puede esconderse el movimiento perdido
Aquí es donde la resolución de problemas se vuelve más útil que leer un catálogo.
Imagina que la máquina invierte su dirección y la mesa se mueve 0,05 mm antes de que el indicador comience a moverse. Esos 0,05 mm podrían provenir de varios lugares.
Tuerca de bola
La tuerca puede tener demasiada holgura interna, una precarga incorrecta o desgaste. Muchos revisan primero este componente, pero no siempre es la causa del problema.
Soporte de apoyo
Si el tornillo puede moverse axialmente dentro del sistema de rodamientos, ese movimiento se manifestará en el eje. Incluso un buen husillo de bolas con un diseño de soporte deficiente seguirá generando problemas de posicionamiento.
Enganche
Antes de pedir un tornillo nuevo, compruebe el acoplamiento. Una abrazadera floja, un diámetro interior incorrecto, un elemento flexible dañado o un mal acoplamiento del eje pueden provocar una pérdida de juego considerable.
Carcasa de tuerca
La tuerca en sí puede estar bien mientras la carcasa se mueve con respecto a la máquina. Esto es fácil de pasar por alto en máquinas con estructuras atornilladas o fabricadas.
Guías lineales y estructura de la máquina
Si el pórtico o la mesa se deforman debido a las fuerzas de corte variables, el indicador mostrará movimiento incluso cuando el husillo de bolas tenga muy poca holgura interna.
La máquina no sabe de dónde provino el error. Solo sabe que el eje se movió.
Una forma sencilla de comprobar una queja por reacciones adversas
Si alguien me dice que un eje tiene una holgura de 0,05 mm, quiero saber cómo se obtuvo ese número.
Una prueba útil es sencilla.
Coloque un comparador de cuadrante contra el eje móvil. Mueva el eje en una dirección y establezca una referencia. Luego, invierta la dirección ligeramente.
Si el motor gira pero la máquina no responde de inmediato, existe holgura mecánica en algún punto de la transmisión.
Entonces tienes que encontrarlo.
Compruebe el acoplamiento.
Compruebe el soporte del rodamiento.
Compruebe el montaje de la tuerca.
Comprueba la tuerca de bola.
Consulta el sistema de guías.
No des por sentado que el primer sospechoso es automáticamente el problema.
Presta atención también a si la holgura varía a lo largo del recorrido. Si es diferente en distintas posiciones, es una pista útil. Si es bastante constante, la causa podría estar en otro punto de la transmisión.
La precarga siempre implica una compensación.
Una mayor precarga puede aumentar la rigidez y reducir la holgura interna.
Pero una mayor precarga también significa mayor fricción.
Eso puede conducir a:
Mayor par motor
Temperatura de funcionamiento más elevada
Más calor en la nuez
Desgaste más rápido
Operación a alta velocidad más difícil
Para un centro de mecanizado de precisión, la rigidez adicional puede merecer la pena.
Para una fresadora CNC ligera, puede que no lo sea.
Consideremos dos máquinas.
La primera es una pequeña fresadora CNC que corta madera y plástico. La masa móvil es baja, las fuerzas de corte son moderadas y no se requiere un posicionamiento a nivel micrométrico.
El segundo es un centro de mecanizado de precisión donde la exactitud en el giro y la rigidez estructural son fundamentales.
No tiene mucho sentido especificar la misma precarga solo porque ambas máquinas utilicen un husillo de bolas de 20 mm.
El diámetro del tornillo puede ser el mismo.
La aplicación no lo es.
No utilice la precarga para corregir problemas de alineación.
Este es un error común.
Supongamos que el tornillo y el riel guía no están correctamente alineados.
La tuerca de bola puede sentirse apretada en un extremo de su recorrido y mucho más suelta en el otro.
Aumentar la precarga no corregirá eso.
Puede empeorar las cosas.
La desalineación puede aumentar:
par motor en marcha
Fricción
Calor
Desgaste de tuerca
Carga del motor
Si el eje se siente diferente según su posición, compruebe la alineación antes de cambiar la precarga.
Haz girar el eje lentamente.
Palpe para detectar zonas estrechas.
Compruebe las superficies de montaje.
Compruebe la relación entre el tornillo y las guías lineales.
Un husillo de bolas debe estar correctamente soportado y alineado antes de que los ajustes finos de precarga sean relevantes.
La precarga también modifica la carga del motor.
Esto importa más de lo que mucha gente cree.
Una tuerca precargada no ofrece la misma resistencia que una tuerca con poca carga o sin precarga.
El par motor real en funcionamiento depende de varios factores:
Cable roscado
Diámetro del tornillo
Precarga
Carga externa
Lubricación
Velocidad
Diseño de tuercas
Si se sustituye una tuerca de baja precarga por una de alta precarga, la máquina puede seguir teniendo el mismo recorrido y velocidad teóricos, pero el motor ahora tiene un menor margen de par.
Eso puede ser un problema en una máquina CNC pequeña accionada por motor paso a paso.
También puede ser relevante en un eje Z vertical, donde el motor ya está trabajando contra la gravedad.
Al modificar la precarga, compruebe el margen de par del motor, no solo la holgura.
¿Tuerca simple o doble?
Un husillo de bolas de doble tuerca se utiliza a menudo cuando se requiere una alta rigidez y una holgura muy baja.
Las dos tuercas se pueden ajustar entre sí para crear la precarga necesaria.
Eso puede dar como resultado un ensamblaje muy rígido, pero también aumenta el costo, la longitud y los requisitos de ajuste.
Una tuerca doble no es automáticamente la solución adecuada para todas las máquinas CNC.
Para muchas aplicaciones de uso general, basta con una tuerca simple precargada y seleccionada adecuadamente.
La elección depende de la rigidez requerida, la carga externa, el rendimiento de posicionamiento y las condiciones de funcionamiento.
No confunda la reacción adversa con la repetibilidad.
Aquí tienes un ejemplo sencillo.
Supongamos que se ordena al eje que se mueva a 100,000 mm varias veces, y que este se detiene repetidamente alrededor de los 100,020 mm.
El eje no es muy preciso, pero puede ser bastante repetible.
Ahora acércate a la misma posición desde direcciones opuestas y obtén:
100,020 mm
99,980 mm
Esa diferencia te dice algo sobre el comportamiento de reversión.
Pero incluso en este caso, no denomine automáticamente a toda la diferencia "juego del husillo de bolas".
La puesta a punto del servomotor, la fricción, los efectos térmicos, la precarga de la guía y el movimiento estructural pueden afectar al resultado.
Para un diagnóstico útil, es necesario saber si el error es:
Dependiente de la posición
Dependiente de la dirección
Dependiente de la temperatura
Dependiente de la carga
Esa información es más valiosa que una sola cifra de reacciones adversas.
¿Qué hay de C5 frente a C7?
Aquí es donde la precarga y el grado de precisión suelen confundirse.
C5 y C7 describen el grado de precisión del husillo de bolas. La precarga describe la condición de carga interna de la tuerca.
Son especificaciones diferentes.
Por ejemplo, se puede tener un husillo de bolas C5 con una tuerca precargada.
También puede optar por un husillo de bolas C7 con tuerca precargada.
Si la máquina tiene holgura, pasar de C7 a C5 no soluciona automáticamente el problema.
Si el problema radica en la precisión del adelanto, entonces la decisión C5/C7 es importante.
Si el problema es la holgura interna, la precarga y la configuración de la tuerca son más importantes.
Si el problema es un soporte de cojinete suelto, ni C5 ni C7 lo solucionarán.
Esta distinción puede ahorrar mucho dinero a la hora de especificar un tornillo de repuesto.
El desgaste modifica el diagnóstico.
Un husillo de bolas recién instalado con un juego excesivo no debe juzgarse de la misma manera que un husillo de bolas que desarrolla juego después de años de funcionamiento.
Si la máquina era inicialmente estable y gradualmente desarrolló un mayor movimiento de inversión, el desgaste se convierte en una posibilidad mucho mayor.
Las pistas de rodadura de la tuerca de bolas y del husillo trabajan bajo carga cada vez que el eje se mueve. La lubricación, la contaminación, la carga, la velocidad, la alineación y el ciclo de trabajo influyen en la vida útil.
Entre las señales que conviene revisar se incluyen:
Error de inversión creciente
Aumento del ruido de funcionamiento
Mayor carga del motor
Movimiento desigual
Rigidez reducida
Reacción adversa que cambia con el tiempo
Si la máquina ha estado funcionando durante años, no dé por sentado que un ajuste devolverá el conjunto a su estado original.
A veces, la tuerca simplemente ha llegado al final de su vida útil.
La dilatación térmica puede parecer un problema mecánico.
Existe otro tema que a menudo se mezcla con la misma discusión.
Una máquina puede ser precisa cuando está fría y desviarse gradualmente después de varias horas.
Esa no es una reacción negativa convencional.
El husillo de bolas, los cojinetes, la estructura de la máquina y los componentes circundantes experimentan cambios de temperatura durante el funcionamiento.
Un husillo de bolas de acero largo puede expandirse lo suficiente como para generar un error de posicionamiento medible.
Si el error cambia significativamente entre una máquina fría y una máquina completamente caliente, investigue el comportamiento térmico antes de modificar la precarga.
Esto es especialmente importante en:
Ejes CNC de largo recorrido
Máquinas de alta velocidad
Equipos de mecanizado de precisión
Automatización de alto ciclo de trabajo
En ocasiones, la máquina necesita compensación térmica o una estrategia de retroalimentación diferente en lugar de una tuerca de bolas más apretada.
¿Cuánta precarga necesitas?
No existe una única respuesta.
En una fresadora CNC de uso general, una precarga excesiva puede aumentar la fricción y el calor sin aportar ninguna ventaja útil en cuanto al rendimiento.
En un sistema de mecanizado de precisión, una mayor rigidez y un bajo error de inversión pueden justificar una configuración con mayor precarga.
Una forma útil de pensarlo es:
Precarga baja
Ideal cuando la baja fricción, la alta velocidad y la baja carga del motor son importantes.
Precarga moderada
Una opción práctica para muchas aplicaciones de CNC y automatización donde la rigidez y la eficiencia de funcionamiento son importantes.
Mayor precarga
Resulta más apropiado cuando la rigidez y el rendimiento en caso de inversión de giro son lo suficientemente importantes como para justificar la fricción y el calor adicionales.
El valor real de la precarga debe provenir de las especificaciones del fabricante del husillo de bolas, no de una regla genérica.
Si su máquina CNC tiene holgura, revise esto antes de reemplazar el tornillo.
Si estuviera de pie junto a la máquina, este es aproximadamente el orden que seguiría:
Mídelo primero.
No diagnostique el retroceso mediante el tacto.Compruebe el acoplamiento.
Asegúrese de que el motor y el tornillo estén bien encajados.Compruebe el soporte del rodamiento.
Busque movimiento axial.Compruebe el montaje de la tuerca.
La carcasa de la tuerca no debe moverse con respecto a la máquina.Comprueba la alineación.
Busque puntos de fricción o cambios en la resistencia a lo largo del recorrido.Verifique la especificación de precarga.
Asegúrese de que la tuerca instalada tenga la configuración que requiere la máquina.A continuación, compruebe si hay desgaste en el husillo de bolas.
Especialmente si la máquina ha acumulado una cantidad significativa de horas de funcionamiento.
Este método suele ser más útil que pedir inmediatamente un husillo de bolas de repuesto.
¿Qué información debe proporcionar a un proveedor de husillos de bolas?
Si va a pedir un tornillo nuevo, no envíe solo:
“SFU2005, 800 mm, por favor, cotice.”
Eso le da al proveedor las dimensiones, pero no mucha información sobre la aplicación.
Una solicitud más útil incluiría:
Diámetro del tornillo: 20 mm
Plomo: 5 mm
Recorrido: 800 mm
Carga móvil: 40 kg
Velocidad máxima: 10 m/min
Instalación: Horizontal
Precisión de posicionamiento requerida: ±0,02 mm
Motor: servomotor de 750 W
Ciclo de trabajo: 8 horas/día
Juego o rendimiento de inversión requeridos
Si se trata de un reemplazo, agregue la información de la máquina existente:
reacción negativa actual
Horario de funcionamiento
precarga existente
Temperatura de funcionamiento
Ruido o vibración
Si el error cambia a lo largo del trayecto
Ahora el proveedor puede ayudar a diagnosticar el problema en lugar de simplemente ofrecer otro tornillo.
El objetivo no es hacer que el husillo de bolas esté lo más apretado posible.
La precarga es útil porque reduce la holgura interna y aumenta la rigidez.
Una precarga insuficiente puede provocar movimientos indeseados en la máquina.
Una precarga excesiva puede generar fricción, calor, carga en el motor y desgaste innecesario.
Y si el juego libre proviene realmente de un acoplamiento, un soporte de cojinete o la estructura de la máquina, cambiar la tuerca de bolas no lo solucionará.
Por lo tanto, cuando un eje CNC desarrolla juego, no empiece con:
“¿Qué husillo de bolas debo comprar?”
Comience con:
“¿De dónde surge realmente este movimiento?”
Una vez que se sabe eso, la solución suele ser mucho más clara.
A veces se trata de una tuerca de bola.
A veces es un rodamiento.
A veces, un acoplamiento solo requiere cinco minutos con una llave hexagonal.
Y a veces, el husillo de bolas ni siquiera era el problema.
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