Lo que nadie te cuenta sobre la capacidad de carga del SFU1605

El número de catálogo no es un límite de carga útil.

Un SFU1605 suele tener una capacidad de carga dinámica de entre 7 y 8 kN, dependiendo de la configuración de la tuerca y del fabricante. Esto equivale aproximadamente a entre 700 y 800 kg de fuerza.

Cada pocas semanas, alguien lee ese número y me pregunta si pueden poner 500 kg en una SFU1605.

No. Ese número no es una capacidad de carga. Es un parámetro de vida útil por fatiga. Indica cómo se comportará el tornillo bajo cargas repetidas durante millones de revoluciones. Presupone lubricación ideal, alineación perfecta, carga puramente axial y ausencia de pandeo o vibración. Estas condiciones no existen en una máquina real.

La clasificación dinámica es un dato que se utiliza para calcular la vida útil. No responde a la pregunta "¿cuánto peso puedo aplicar a este tornillo?".

Si no recuerdas nada más de este artículo, recuerda esto.

¿Qué limita realmente un SFU1605?

En la práctica, cuatro factores limitan un SFU1605 mucho antes de que lo haga la clasificación del catálogo.

Pandeo. Cuando el tornillo empuja la mesa, está sometido a compresión. Un tornillo largo bajo compresión se comporta como una columna y puede pandearse lateralmente. Cuanto mayor sea la longitud sin soporte, menor será la carga de pandeo. Un tornillo SFU1605 de 300 mm puede soportar mucha compresión. Un tornillo SFU1605 de 1200 mm no.

Velocidad crítica. Cuando el tornillo gira, vibra por encima de ciertas RPM. Los tornillos más largos vibran a velocidades más bajas. En un eje largo SFU1605, este suele ser el factor limitante, no la carga.

Par motor. El cable de 5 mm proporciona una buena ventaja mecánica, pero el motor aún debe generar suficiente par. Los motores paso a paso pierden par a alta velocidad. Si necesita funcionar a 2000 RPM para alcanzar la velocidad deseada, es posible que el motor no proporcione el par que se indica en la hoja de datos.

Rigidez de la tuerca y el soporte. Una tuerca estándar SFU1605 con una precarga ligera es suficiente para el posicionamiento general. Para un eje de mecanizado con fuerzas de corte variables, puede ser necesario mayor precarga y un soporte fijo más rígido. Esto modifica la fricción y los requisitos del motor.

El primero de esos cuatro límites se convierte en el límite real. Casi nunca es la capacidad de carga dinámica.

Eje horizontal: lo que realmente ve el tornillo

Consideremos un caso común. Un pórtico de 40 kg sobre un eje X horizontal. Las guías lineales soportan el peso. El tornillo proporciona la fuerza para mover y acelerar la masa, además de la fuerza de corte adicional que genera el proceso.

Para la aceleración, la relación básica es:

F = ma

A 1 m/s², eso son 40 N. A 5 m/s², son 200 N. Si se añade la fricción, la fuerza de corte y cierto margen, se podría llegar a una fuerza axial sobre el tornillo de entre 400 y 600 N.

Eso no se acerca ni de lejos a la capacidad dinámica de 7 kN. El tornillo está bien desde el punto de vista de la carga.

El problema suele ser otro. Se trata de si el motor puede generar suficiente par a la velocidad requerida. O si el tornillo es lo suficientemente largo como para que el efecto de oscilación se convierta en el límite. O si el eje puede acelerar lo suficientemente rápido como para que el tiempo de ciclo sea útil.

He visto pórticos de 40 kg funcionando durante años con SFU1605. También he visto máquinas mucho más ligeras tener problemas porque el husillo era demasiado largo y el motor no podía hacerlo girar lo suficientemente rápido.

La carga rara vez es el problema. El resto del sistema suele serlo.

Eje vertical: misma masa, diferente cálculo

Si colocas los mismos 40 kg en un eje Z vertical, todo cambia.

Ahora la gravedad actúa constantemente a lo largo del eje del tornillo. La carga estática es:

40 × 9,81 = 392 N

Si además aceleras hacia arriba a 1 m/s²:

40 × (9,81 + 1) = 432 N

Y eso sin tener en cuenta la fricción, la fuerza de corte ni ningún margen de seguridad.

Una carga continua de 400 N en un SFU1605 aún está dentro de la capacidad del husillo. Sin embargo, ahora el motor debe soportar esa carga cuando el eje está detenido y debe levantarla contra la gravedad durante los movimientos ascendentes. Si el motor es demasiado pequeño, el eje se desviará, perderá pasos o fallará.

También existe un problema de seguridad. Un eje vertical debería tener un freno o un contrapeso, no depender únicamente del husillo de bolas para soportar la carga. Un husillo de bolas no es un dispositivo de seguridad. He visto cómo se caía un husillo porque alguien asumió que el husillo lo sostendría. Y así fue, hasta que el acoplamiento se deslizó.

Así que cuando alguien me pregunta si una SFU1605 puede soportar una carga vertical, mi primera pregunta no es sobre el husillo, sino sobre el motor, el freno y el contrapeso.

El cable de 5 mm es una desventaja, no una característica.

El cable de 5 mm proporciona al motor una gran ventaja mecánica. Por eso, el SFU1605 funciona bien en máquinas pequeñas con motores modestos. El empuje por unidad de par es elevado.

F ≈ 2πTη / L

Con un cable de 5 mm y una eficiencia razonable, se obtiene aproximadamente 1130 N de empuje por cada 1 N·m de par motor. Eso es excelente para un tornillo pequeño.

Pero la desventaja radica en la velocidad. Para moverse a 10 m/min, el tornillo debe girar a 2000 RPM. Para moverse a 15 m/min, necesita 3000 RPM. En un motor paso a paso, el par a 2000 RPM suele ser la mitad o menos del par de retención. En un tornillo más largo, la velocidad crítica podría ser inferior a 3000 RPM.

Por lo tanto, el avance de 5 mm es excelente para el empuje, pero deficiente para la velocidad. Si esta compensación es la adecuada depende de la máquina. Una fresadora pequeña que corta madera a 5 m/min con una aceleración moderada funcionará perfectamente. Una máquina que necesita alcanzar una velocidad rápida de 20 m/min en un eje de 1200 mm no lo hará.

Por eso no recomiendo el cable hasta que conozca la velocidad requerida y la longitud del tornillo.

La longitud del tornillo es donde el diseño suele fallar.

No puedo enfatizar esto lo suficiente. Un SFU1605 corto y un SFU1605 largo son prácticamente productos diferentes.

En un eje de 400 mm con soportes fijos-flotantes, el husillo SFU1605 es muy capaz. Funciona sin problemas a 2000 o 3000 RPM, soporta cómodamente varios cientos de newtons y tiene una larga vida útil.

En un eje de 1200 mm, el mismo husillo tiene una velocidad crítica de entre 2000 y 2500 RPM. Esto podría ser suficiente si solo se necesitan de 8 a 10 m/min. Si se requieren 15 m/min, se necesitan 3000 RPM y el husillo vibrará excesivamente.

También se comba más. Se deforma más bajo carga. Es más sensible a la alineación. La carga crítica de pandeo disminuye. Todo el panorama mecánico cambia.

Antes de responder a la pregunta "¿puede el SFU1605 soportar esta carga?", necesito saber la longitud sin soporte entre apoyos. No la longitud total, sino la longitud sin soporte. Eso es lo que determina la velocidad crítica y el pandeo.

Muchos clientes me envían la longitud total porque es la que aparece en el catálogo. La longitud no compatible es la que realmente importa.

La precarga puede reducir el margen de su motor.

La tuerca estándar SFU1605 viene con una precarga ligera o sin precarga. Si necesita mayor rigidez, puede solicitar una tuerca precargada.

Pero la precarga aumenta la fricción. Esto significa que se requiere más torque del motor, se genera más calor en la tuerca y, potencialmente, los intervalos de lubricación son más cortos.

En un husillo pequeño con un motor modesto, añadir precarga puede sobrecargar el motor. He visto a constructores añadir precarga para solucionar problemas de rigidez y acabar con un eje que se sobrecalienta y pierde posición tras una hora de funcionamiento. La precarga solucionó un problema, pero creó otros dos.

La precarga debe seleccionarse en función de las necesidades específicas del eje. Si se trata de una fresadora para madera, una precarga estándar suele ser suficiente. Si es un eje de mecanizado con fuerzas de corte variables, una precarga mayor podría estar justificada, pero el motor y el sistema de gestión térmica deben dimensionarse adecuadamente.

No añadas precarga solo porque haya reacciones adversas. Las reacciones adversas pueden tener varias causas, y la precarga es solo una solución.

Las guías lineales soportan la carga, no el tornillo.

Este es uno de los malentendidos más comunes que veo.

Un husillo de bolas es un elemento de accionamiento. Empuja y tira de la mesa. No soporta el peso de la mesa; las guías lineales se encargan de ello.

Si la máquina soporta una carga sobresaliente considerable, las guías y la placa de montaje absorben el momento de fuerza. El husillo de bolas solo soporta la fuerza axial. Si las guías son demasiado pequeñas o están desalineadas, el husillo lo notará (como carga lateral, mayor fricción y vibración), pero la solución no es usar un husillo más grande, sino mejorar las guías o la alineación.

Algunos clientes me han preguntado si deberían actualizar de la SFU1605 a la SFU2005 porque la mesa les parecía pesada. El verdadero problema era que los bloques guía eran demasiado pequeños y la placa de montaje se doblaba. Un tornillo más grande no lo habría solucionado.

Por lo tanto, al dimensionar un SFU1605, verifique también el sistema de guía. El tornillo es solo una parte del eje.

Lo que realmente comprobaría antes de decir que sí

Si me envías una consulta sobre SFU1605, esto es lo que quiero saber antes de decir que funcionará:

• Longitud del tornillo y longitud sin soporte

• Horizontal o vertical

• Masa en movimiento

• Velocidad máxima

• Aceleración requerida

• Fuerza de corte o carga externa

• Tipo de motor y curva de par

• Requisito de precarga de la tuerca

• Acuerdo de apoyo

• Ciclo de trabajo

• Vida útil requerida

Con esa información, puedo verificar la fuerza axial, la carga crítica de pandeo, la velocidad crítica y el par motor. Así podré indicarle si el SFU1605 es adecuado o si necesita actualizar al SFU2005 o a un cable de mayor capacidad.

Sin ello, solo estoy citando un número de pieza.

Cuando SFU2005 empiece a tener sentido

Si el SFU1605 está cerca de sus límites, el SFU2005 es el siguiente paso lógico. Tiene el mismo cable de 5 mm, pero con un diámetro de 20 mm. Esto te da:

• Mayor resistencia al pandeo

• Mayor velocidad crítica

• Mayor rigidez

• Mayor capacidad de carga

Pero también conlleva desventajas. Tuerca más grande, bloques de soporte más grandes, mayor espacio de instalación, mayor inercia rotacional y mayor costo. Es posible que sea necesario dimensionar el motor de forma diferente debido a los cambios en la inercia reflejada.

Por lo tanto, no recomiendo SFU2005 simplemente porque la carga sea "un poco pesada". Lo recomiendo cuando se supera alguno de los límites de SFU1605, generalmente la velocidad crítica en un eje largo, el pandeo en un eje sometido a compresión o la rigidez en un eje de mecanizado con fuerzas de corte significativas.

Para un eje corto, horizontal y de uso ligero, SFU1605 suele ser la opción correcta, mientras que SFU2005 es excesivo.

La respuesta corta

No hay ninguna.

La SFU1605 puede manejar un pórtico horizontal de 40 kg con guías adecuadas y un motor compatible. Puede manejar una mesa de 100 kg si las guías soportan el peso y la aceleración es moderada. También puede fallar en una máquina más ligera si el husillo es demasiado largo, el motor es insuficiente o la alineación es incorrecta.

El valor que necesitas no es la carga útil, sino la fuerza axial que el tornillo experimenta durante la parte más crítica del ciclo. Calcula ese valor, compáralo con el pandeo, la velocidad crítica, el par motor y la vida útil de la tuerca. Luego, decide.

Esa es la diferencia entre elegir un tornillo y diseñar un eje.

Si desea una respuesta precisa para su máquina, envíe los detalles de la aplicación. Unos minutos de cálculo resultan mucho más económicos que averiguarlo una vez que la máquina esté construida.