¿Por qué vibra el husillo de bolas a alta velocidad (y por qué normalmente no es culpa del husillo)?

El tornillo es solo la mitad del conjunto.

Cuando compras un husillo de bolas, no estás comprando un sistema de accionamiento completo. Estás comprando un componente. Todavía necesita:

• Mecanizado final para el ajuste de los cojinetes de soporte.

• Un soporte de extremo fijo que puede soportar la carga axial.

• Un soporte de extremo flotante que puede manejar la velocidad

• Una superficie de montaje que mantiene todo alineado.

• Un acoplamiento que no introduce desviación

Si alguno de esos elementos falla, el tornillo te lo hará saber. Normalmente a alta velocidad, y de una forma que indica que el problema reside en el tornillo.

Pero un husillo de bolas es un elemento mecánico bastante simple. Si está recto y sus extremos están mecanizados correctamente, funcionará sin problemas, siempre y cuando los soportes y el montaje sean adecuados.

Los problemas suelen surgir en los soportes y el montaje.

Extremo fijo vs. extremo flotante: dos trabajos diferentes

Creo que la nomenclatura confunde a la gente. "Fijo" y "flotante" suenan como dos versiones de lo mismo. Pero no lo son. Cumplen funciones completamente diferentes.

El extremo fijo soporta la carga axial. Cuando la tuerca empuja la mesa, la fuerza se transmite a través del tornillo hasta los cojinetes del extremo fijo. Estos cojinetes deben soportar todo el empuje del eje, en ambas direcciones, además de la precarga incorporada en su diseño.

El extremo flotante prácticamente no influye en la carga. Simplemente mantiene el extremo libre del tornillo en posición para que no se doble ni vibre. Permite que el tornillo se deslice axialmente al calentarse, evitando así que la dilatación térmica lo curve.

Así que cuando alguien me dice que su tornillo vibra a alta velocidad, no miro primero el extremo fijo. Miro el extremo flotante. Ese es el que controla la vibración, y es el que la gente suele subestimar en las especificaciones.

Un cojinete flotante barato con demasiada holgura interna permitirá que el tornillo se mueva. A baja velocidad no lo notarás. A alta velocidad, se convierte en una fuente de vibraciones.

La velocidad crítica no es una sugerencia.

Cada husillo de bolas tiene una velocidad máxima por encima de la cual se vuelve dinámicamente inestable. Por debajo de esa velocidad, funciona con suavidad. Por encima de ella, vibra.

Esa velocidad depende de:

• El diámetro del tornillo

• La longitud sin soporte entre soportes

• El acuerdo de apoyo

• Si el tornillo está pretensado

• Qué tan rígidos son los soportes de los extremos

Un tornillo de 16 mm con 500 mm entre soportes podría funcionar bien a 3000 RPM. El mismo tornillo con 1200 mm entre soportes podría empezar a vibrar a 1500 RPM.

Por eso siempre pido la longitud sin soporte, no la longitud total. La longitud total incluye el mecanizado de los extremos y todo lo que sobresale de los soportes. La longitud sin soporte es lo que realmente importa para la velocidad crítica.

Si las RPM requeridas superan aproximadamente el 80 % de la velocidad crítica calculada, se encuentra en una situación de riesgo. En ese caso, tiene varias opciones:

• Utilice un tornillo de mayor diámetro.

• Usa un cable más grande para que necesites menos RPM para la misma velocidad lineal.

• Acorte la longitud sin soporte acercando los soportes.

• Utilice una disposición fija-fija con pretensión.

• Reduce tu velocidad objetivo

Ignorar este cálculo es la razón por la que la gente acaba con un tornillo que funciona bien en el banco de trabajo pero se rompe en la máquina.

Mecanizado final: La pieza que tiene que coincidir

He aquí algo que suele sorprender a la gente. El extremo de un husillo de bolas no tiene una forma genérica. Está mecanizado para adaptarse a un cojinete de soporte específico. Este mecanizado incluye:

• El diámetro del muñón donde se asienta el cojinete

• El hombro contra el que se asientan los cojinetes

• La sección roscada para la contratuerca

• A veces una ranura para llave o plana

• La longitud total de la sección mecanizada

Si pides un tornillo con mecanizado en el extremo para un bloque BK12 e intentas montarlo en un bloque BK15, no encajará. El muñón tendrá el tamaño incorrecto. El hombro no se asentará correctamente. La contratuerca no se enroscará.

He tenido clientes que han pedido tornillos y bloques de soporte a diferentes proveedores, dando por sentado que las dimensiones estándar coincidirían. A veces coinciden, a veces no. Cuando no coinciden, el cliente se queda con un tornillo que no se puede instalar sin modificarlo.

La solución es sencilla: compruebe siempre el plano de mecanizado final con el plano del bloque de soporte antes de que el tornillo entre en producción. Si va a sustituir un tornillo existente, mida el antiguo y envíe esas dimensiones. No dé por sentado que el número de modelo lo dice todo.

Los problemas de alineación parecen problemas con los tornillos.

Ya he escrito sobre esto antes, pero vale la pena repetirlo porque surge con mucha frecuencia.

Si el husillo de bolas no es paralelo a las guías lineales, la tuerca se desplaza lateralmente durante su recorrido. Esto genera una resistencia irregular, aumenta la corriente del motor y acelera el desgaste del husillo y la tuerca. A alta velocidad, también puede provocar vibraciones.

Mucha gente le echa la culpa al tornillo cuando esto sucede. Piden uno nuevo, lo instalan y el problema vuelve. Pero el problema no era el tornillo, sino la alineación.

Aquí tienes una forma sencilla de comprobarlo. Monta el tornillo y los rieles, y luego desliza un comparador de cuadrante a lo largo del tornillo mientras mueves el carro de un extremo al otro. Si la aguja se mueve más de unas centésimas de milímetro, el tornillo no está paralelo a las guías.

Esto cobra aún más importancia al reemplazar un tornillo en una máquina ya instalada. El tornillo antiguo estaba alineado con los rieles originales. Un tornillo nuevo, aunque tenga las mismas dimensiones, podría no quedar en la misma posición. Siempre verifique la alineación después de la instalación.

El extremo flotante tiene que flotar de verdad.

Este es un detalle que se pasa por alto constantemente.

El extremo flotante está diseñado para permitir que el tornillo se deslice axialmente a medida que se calienta. De esta manera, se evita que el tornillo se doble al expandirse.

Pero si el rodamiento se presiona demasiado en su alojamiento, o si hay suciedad en el ajuste, no se deslizará. Entonces el tornillo se comporta como si estuviera fijo en ambos extremos. Al calentarse, se dobla. La precarga cambia. La fricción aumenta. Comienza la vibración.

Al instalar un soporte de extremo flotante, compruebe que el rodamiento pueda deslizarse correctamente. Debe moverse con suavidad, pero sin holgura excesiva. Un poco de grasa en la superficie deslizante ayuda. Si nota que está duro, no lo fuerce. Averigüe por qué está duro antes de atornillarlo todo.

He visto que esto ocurre en máquinas que se ensamblaron en una sala limpia y luego se trasladaron a la planta de producción. La diferencia de temperatura fue suficiente para que el tornillo se dilatara y, como el extremo flotante estaba atascado, se dobló. El cliente pasó dos días intentando solucionar el problema del servomotor antes de darse cuenta de la falla mecánica.

La dilatación térmica no es una teoría.

Mucha gente cree que la dilatación térmica solo importa en laboratorios de alta precisión. Pero no es así. Importa en cualquier máquina que funcione durante horas seguidas.

El acero se dilata entre 11 y 13 micrómetros por metro por grado Celsius. En un tornillo de 1000 mm, un aumento de temperatura de 5 °C añade aproximadamente 0,06 mm de longitud. Esto es suficiente para modificar la precarga, cambiar la posición de la mesa y provocar que el tornillo se curve si está sujeto en ambos extremos.

En una máquina CNC de precisión, eso supone un problema. En una fresadora de uso general, tal vez sea tolerable. Pero en cualquier máquina donde la posición sea importante a lo largo del tiempo, la dilatación térmica debe formar parte del diseño.

Por eso existe el extremo flotante. Permite que el tornillo se expanda sin oponer resistencia. Y por eso no conviene simplemente atornillar el extremo flotante y olvidarse de él.

Qué comprobar antes de realizar un pedido

Si va a pedir un husillo de bolas con mecanizado de extremos y bloques de soporte, esto es lo que le enviaría al proveedor:

• Diámetro del tornillo y avance

• Longitud total

• Longitud sin soporte entre soportes

• Disposición de extremo fijo y extremo flotante

• Modelo de bloque de soporte o dibujo

• Dibujo del mecanizado final

• Detalles del acoplamiento

• Orientación de montaje

• Velocidad máxima de funcionamiento

• Aceleración

• Carga y fuerza de corte

• Ciclo de trabajo

Eso le da al proveedor información suficiente para comprobar la velocidad crítica, confirmar el mecanizado final y asegurarse de que los bloques de soporte se ajustan a la aplicación.

Si el proveedor simplemente toma tu pedido y te envía un precio sin preguntar sobre estos detalles, estás comprando una pieza, no una solución. Y cuando algo no encaje o no funcione correctamente, serás tú quien tenga que averiguarlo.

Lista de verificación rápida previa a la instalación

Antes de atornillarlo todo, repase lo siguiente:

• Confirme que el mecanizado final coincide con el bloque de soporte.

• Compruebe que los cojinetes de extremo fijo estén correctamente precargados.

• Compruebe que el cojinete de extremo flotante pueda deslizarse axialmente.

• Verifique que el tornillo esté paralelo a los rieles guía.

• Compruebe el acoplamiento para detectar excentricidad y alineación.

• Confirme que la contratuerca esté apretada y que el rodamiento esté bien colocado.

• Gire el tornillo con la mano y compruebe si hay puntos de resistencia.

• Primero, corre a baja velocidad y escucha si hay algún ruido inusual.

Si algo no funciona correctamente a baja velocidad, no mejorará a alta velocidad. Deténgase y analice el problema antes de poner en marcha la máquina.

Reflexión final

Un husillo de bolas que vibra a alta velocidad casi nunca se debe a un tornillo defectuoso. Generalmente se trata de un problema de soporte, de alineación o de velocidad crítica.

El tornillo en sí es una pieza bastante sencilla. Es recto, tiene un extremo roscado y está mecanizado para encajar en rodamientos específicos. Si los rodamientos son los correctos, si la alineación es buena y si la velocidad se encuentra dentro del rango de velocidad crítico del tornillo, este funcionará sin problemas.

Pero si alguno de esos elementos falla, la culpa recae en el tornillo. Y comprar un tornillo nuevo no lo solucionará.

Antes de reemplazar el tornillo, revise los soportes. Verifique la alineación. Verifique la velocidad crítica. Compruebe que el extremo flotante realmente flote.

Esos son los factores que determinan si el tornillo gira sin problemas o si se rompe.

Y si no estás seguro, envía los detalles de la aplicación a tu proveedor. Dedicar unos minutos a comprobarlo antes de realizar el pedido es mucho más económico que descubrir el problema una vez que la máquina esté ensamblada.