Guía de ingeniería de aplicaciones de Korea Ever-Power
Tornillo sin fin y rueda helicoidal para accionamientos de máquinas rectificadoras y pulidoras.
Una pulidora de lentes ópticas produce una planitud superficial de 0,05 µm, aproximadamente una milésima parte del grosor de un cabello humano. A esta escala, cada fuente de vibración en la máquina deja su huella en la superficie acabada. El par de engranajes helicoidales que accionan el husillo de pulido debe generar menos de 0,002 mm/s de vibración de engranaje, un orden de magnitud más silencioso que un accionamiento de ascensor de alta gama y dos órdenes de magnitud inferior a un reductor industrial estándar.
Las máquinas de rectificado y pulido producen los acabados superficiales más finos en la fabricación (Ra de 0,05 a 0,8 µm), y cualquier vibración del sistema de accionamiento se imprime directamente en la superficie acabada como ondulación periódica o degradación de la rugosidad. El análisis de la relación vibración-calidad superficial cuantifica cómo la amplitud de vibración del engranaje helicoidal a la frecuencia de engranaje se traduce en una contribución a la rugosidad superficial: cada 0,01 mm/s de vibración del engranaje añade aproximadamente de 0,02 a 0,05 µm al valor Ra de la superficie. Para una rectificadora de superficies con un objetivo de Ra 0,2 µm, el margen de vibración del par de engranajes helicoidales es inferior a 0,02 mm/s, lo que solo se puede lograr con tornillos sin fin lapeados o superacabados a Ra 0,1 a 0,2 µm y clase de precisión DIN 3 a 4. Para el pulido óptico a Ra 0,05 µm, el margen se reduce a menos de 0,005 mm/s, lo que requiere pares de engranajes helicoidales de clase 2 que se lapean individualmente y se someten a pruebas de vibración. La estabilidad de la velocidad dentro de más o menos 0,5 por ciento es obligatoria porque la tasa de remoción de material de la muela abrasiva es proporcional a la velocidad de la mesa: una variación de velocidad del 1 por ciento produce una variación de profundidad de corte del 1 por ciento que excede la tolerancia de forma total en componentes rectificados de precisión.
¿Por qué las máquinas de rectificado y pulido necesitan accionamientos de vibración ultrabaja?
El rectificado y el pulido difieren del fresado y el torneado de forma fundamental: la profundidad de corte se mide en micrómetros (de 1 a 20 µm por pasada) en lugar de milímetros. A esta escala, la distinción entre la eliminación intencional de material y el daño superficial inducido por vibraciones se difumina: un desplazamiento de vibración de 5 µm en el punto de contacto elimina 5 µm de material en el pico de vibración y cero en el valle, produciendo una ondulación superficial igual a la amplitud de la vibración. La superficie mecanizada se convierte en un registro de cada fuente de vibración en la máquina.
El par de engranajes helicoidales es una de las 5 a 8 fuentes de vibración en una rectificadora típica (otras incluyen los cojinetes del husillo de la muela, el desequilibrio de la muela, la bomba hidráulica, la bomba de refrigerante y la base de la máquina). Cada fuente debe mantenerse dentro de su presupuesto de vibración asignado para que el total combinado se mantenga por debajo del umbral de calidad superficial. La contribución del par de engranajes helicoidales proviene de dos mecanismos: la excitación de la frecuencia de engranaje (el acoplamiento periódico de los dientes a medida que el tornillo sin fin gira) y el error de transmisión (microvariaciones en la velocidad de salida por revolución de entrada debido a imperfecciones en la geometría de los dientes).
El deslizamiento de cada rosca del tornillo sin fin con el diente de la muela produce una fuerza periódica a la frecuencia de engranaje (RPM del tornillo sin fin en el caso de arranque simple). Esta fuerza excita la estructura de la máquina. Las superficies dentadas más lisas (menor rugosidad Ra) reducen la amplitud de la excitación, razón principal por la que se especifican tornillos sin fin rectificados para rectificadoras.
Las imperfecciones en la geometría de los dientes provocan ligeras fluctuaciones en la velocidad de salida dentro de cada revolución, una microvariación denominada error de transmisión. Esta variación se traduce directamente en una variación de la velocidad de la mesa, lo que genera ondulaciones en la superficie de la pieza durante el periodo de rotación del tornillo sin fin. La clase DIN 3 a 4 minimiza el error de transmisión.
Si la frecuencia de engranaje coincide con una resonancia estructural de la máquina (rango de 10 a 200 Hz), incluso pequeñas amplitudes de excitación producen una gran vibración en el punto de contacto de rectificado. Modificar la velocidad de entrada del tornillo sin fin entre un 5 y un 10 por ciento puede alejar la frecuencia de engranaje de la resonancia; un ajuste que no requiere cambios de hardware.
Análisis de la relación vibración-calidad superficial: desde mm/s en la malla hasta µm Ra en la pieza de trabajo.
La relación entre la vibración de engranaje del par de engranajes helicoidales y la rugosidad de la superficie rectificada depende de la amplitud de la vibración, la trayectoria de transmisión estructural desde la carcasa del engranaje hasta el contacto de rectificado y los parámetros del proceso de rectificado (velocidad de la muela, profundidad de corte, refrigerante). La función de transferencia varía según el diseño de la máquina, pero los datos empíricos obtenidos en una gama de rectificadoras de superficies y cilíndricas muestran una regla general consistente: cada 0,01 mm/s RMS de vibración de engranaje en la carcasa del engranaje helicoidal contribuye aproximadamente entre 0,02 y 0,05 µm al valor Ra de la superficie de la pieza.
La tabla revela la jerarquía de precisión: un tornillo sin fin desbastado con una rugosidad superficial de Ra 1,6 µm contribuye con 0,16 a 0,75 µm de rugosidad superficial solo por vibración, lo que lo hace inútil para cualquier aplicación de rectificado (superaría todo el presupuesto de rugosidad superficial antes incluso de que la muela abrasiva entre en contacto con la pieza de trabajo). Los tornillos sin fin rectificados con una rugosidad superficial de Ra 0,4 µm son adecuados para el rectificado industrial sin centros y el rectificado de superficies bastos. Los tornillos sin fin lapeados con una rugosidad superficial de Ra 0,2 µm sirven para el rectificado de precisión de superficies y cilíndricos. Los tornillos sin fin superacabados con una rugosidad superficial de Ra 0,1 µm están reservados para el pulido óptico y los procesos de semiconductores donde la rugosidad superficial objetivo es inferior a 0,1 µm.
Un fabricante coreano de rectificadoras de precisión recibió quejas de un cliente fabricante de rodamientos: las pistas de rodamiento rectificadas presentaban ondulaciones periódicas con una frecuencia que no correspondía a las RPM de la muela abrasiva, las RPM del cabezal de trabajo ni la frecuencia de la bomba hidráulica. La longitud de onda de la ondulación era de 0,42 mm, lo que coincidía con el avance de la mesa por revolución del tornillo sin fin a la velocidad de avance especificada (relación del par de engranajes helicoidales 30:1, paso del husillo de 5 mm, una revolución del tornillo sin fin = 0,167 mm de recorrido de la mesa × 2,5 pasadas de rectificado por revolución del tornillo sin fin a la combinación de velocidad específica = patrón de superficie de 0,42 mm). El par de engranajes helicoidales se había sustituido durante una revisión reciente por un tornillo sin fin rectificado con Ra 0,35 µm, que cumplía la especificación de compra de "Ra inferior a 0,4 µm". Sin embargo, la medición de vibraciones mostró 0,04 mm/s a la frecuencia de engranaje, en el límite superior del rango aceptable para un acabado superficial objetivo de Ra 0,2 µm en las pistas de rodamiento. El tornillo sin fin original instalado de fábrica tenía un acabado superficial Ra de 0,18 µm con una vibración de 0,012 mm/s. Solución: el tornillo sin fin de reemplazo se ajustó a Ra de 0,15 µm (costo adicional de 35 USD), la vibración se redujo a 0,008 mm/s y la ondulación periódica desapareció. Lección: las especificaciones del tornillo sin fin de la rectificadora deben indicar el límite de vibración a la frecuencia de engranaje (mm/s RMS) además del acabado superficial Ra, ya que dos tornillos sin fin con el mismo Ra pueden producir diferentes niveles de vibración debido a diferencias en la precisión del perfil del diente que Ra no refleja.
Estabilidad de velocidad: eliminación de material uniforme a lo largo de la pasada de rectificado.
Más allá de la vibración, el par de engranajes debe proporcionar una velocidad de salida constante, ya que la tasa de remoción de material en el rectificado es directamente proporcional a la velocidad de avance de la mesa. Si el avance varía un 2 % durante una pasada de avance transversal, la profundidad de corte varía un 2 %, lo que produce un error de forma que puede exceder la tolerancia total en componentes rectificados de precisión. La estabilidad de la velocidad dentro de ±0,5 % requiere una geometría de dientes de clase DIN 4 o superior con un error de transmisión inferior a 5 segundos de arco pico a pico, el mismo grado de precisión que la especificación de mesa rotativa CNC (Artículo A22), pero por una razón funcional diferente: precisión de posición frente a consistencia de avance.
Tres cajas de engranajes helicoidales para máquinas rectificadoras y pulidoras
Caso 1 — Rectificadora de superficies de precisión coreana: objetivo Ra 0,2 µm, aplicación en pista de rodamiento
Un fabricante coreano de rectificadoras de superficies especificó pares de engranajes helicoidales para el accionamiento de avance longitudinal de la mesa de una rectificadora de precisión utilizada para el acabado de pistas de rodamientos. Rugosidad superficial objetivo: Ra 0,2 µm. Tamaño de la mesa: 600 × 300 mm. Velocidad de avance: 1 a 15 m/min (reciprocante hidráulico con indexación de avance transversal accionada por engranaje helicoidal). Par de engranajes helicoidales para indexación de avance transversal: arranque simple, módulo 1,5, distancia entre centros 30 mm, relación 30:1, Ra rectificado 0,15 µm, clase de precisión DIN 4. Vibración a la frecuencia de engranaje: 0,008 mm/s RMS (verificado por acelerómetro durante la prueba de aceptación en fábrica). Contribución de Ra por vibración del engranaje: aproximadamente 0,02 µm — consume el 10 por ciento del presupuesto de 0,2 µm. Material: tornillo sin fin de acero carburizado 18CrNiMo7-6, HRC 60, muela de bronce fosforoso fundida por centrifugación. Lubricación: aceite para husillo ISO VG 32 (compartido con las guías de la mesa). Costo por par: 185 USD. La rectificadora produjo pistas de rodamiento con una rugosidad superficial Ra de 0,15 µm de forma consistente, dentro del rango objetivo de 0,2 µm.
Caso 2 — Pulidora de lentes ópticas japonesa: Ra 0,05 µm, tornillo sin fin con acabado superior, sometida a pruebas de vibración.
Un fabricante japonés de equipos ópticos especificó un par de engranajes helicoidales para el accionamiento del husillo de una máquina automatizada de pulido de lentes que produce ópticas para cámaras y microscopios. Planitud superficial objetivo: 0,05 µm (un cuarto de longitud de onda de luz visible). El par de engranajes helicoidales accionaba el husillo de pulido a 15-60 RPM con una relación de 40:1. Presupuesto de vibración para el accionamiento: inferior a 0,003 mm/s RMS a la frecuencia de engranaje. Par de engranajes helicoidales: de un solo arranque, módulo 1, distancia entre centros 25 mm, relación 40:1, superacabado Ra 0,08 µm, clase de precisión DIN 2. Cada par se probó individualmente en vibración en un banco de pruebas específico en el rango de velocidad objetivo; los pares que superaban los 0,003 mm/s se rechazaron (tasa de rechazo aproximada del 15 %, lo que refleja la tolerancia extrema). Material: tornillo sin fin 31CrMoV9 nitrurado, superficie HRC 62, bronce de estaño fundido centrífugamente con adición de antimonio (características de rodaje superiores para una vibración inicial mínima). Precio por par: 680 USD (incluye certificado de prueba de vibración individual). Ver Transmisión de engranajes helicoidales de baja vibración Opciones para aplicaciones de rectificado de precisión y pulido óptico.
Caso 3 — Rectificadora sin centros vietnamita: Ra 0,8 µm, tornillo sin fin rectificado, volumen de producción
Un fabricante vietnamita de máquinas herramienta especificó pares de engranajes helicoidales para el accionamiento de la rueda reguladora de una rectificadora sin centros que produce pasadores y ejes de acero. Rugosidad superficial objetivo: Ra 0,8 µm (grado industrial). Velocidad de la rueda reguladora: de 10 a 40 RPM. Motor: 0,75 kW controlado por VFD. Relación: 25:1. Par de salida: 45 N·m. El objetivo relajado de Ra 0,8 µm permitió un tornillo sin fin rectificado a Ra 0,4 µm; la contribución de vibración de aproximadamente 0,1 µm consumió solo el 12 por ciento del presupuesto de 0,8 µm. El acabado lapeado era innecesario y habría añadido un 40 por ciento al coste del par sin un beneficio de calidad medible a este nivel de tolerancia. Par de engranajes helicoidales: de un solo arranque, módulo 2, distancia entre centros 40 mm, clase de precisión DIN 6. Material: tornillo sin fin de acero al carbono cementado, rueda de bronce fosforoso. Protección del refrigerante: junta de EPDM IP55 con protector contra salpicaduras (el refrigerante para rectificado sin centros se dirige a la zona de rectificado, no al accionamiento). Coste por par: 52 USD. Producción anual: 200 rectificadoras sin centros (200 pares al año). La especificación demuestra que la calidad del par de engranajes helicoidales de la rectificadora debe coincidir con el objetivo del proceso: el superacabado de un tornillo sin fin para una rectificadora sin centros Ra 0,8 µm supone un desperdicio del 70 % del coste adicional de acabado.
Preguntas frecuentes
P: ¿Cómo puedo medir la contribución a la vibración del par de engranajes helicoidales en una rectificadora existente?
Instale un acelerómetro en la carcasa del engranaje helicoidal y mida el espectro de vibración durante el avance de la mesa (con la muela abrasiva sin cortar, aislando la vibración del accionamiento de la vibración del proceso). Identifique el pico en la frecuencia de engranaje del helicoidal (arranque único: pico en las RPM del helicoidal en Hz). Compare esta amplitud máxima (en mm/s RMS) con la tabla de vibración para la calidad de la superficie y así estimar la contribución de Ra. Si el pico excede el margen para el acabado superficial deseado, reemplace el helicoidal por uno de acabado más fino o ajuste la velocidad de entrada del helicoidal entre un 5 y un 10 por ciento para alejar la frecuencia de engranaje de cualquier resonancia estructural.
P: ¿El material del par de engranajes helicoidales afecta a la vibración?
Sí, el material de la muela tiene un efecto significativo. Las muelas de bronce amortiguan la vibración de la malla mediante amortiguación interna del material (el bronce tiene mayor capacidad de amortiguación que el acero). Las muelas de POM y nailon MC proporcionan una amortiguación aún mayor (de 3 a 5 veces más que el bronce), pero están limitadas a cargas muy ligeras (inferiores a 20 N·m). Para rectificadoras de precisión con un par moderado (de 20 a 80 N·m), el bronce es el estándar. Para el pulido óptico de ultraprecisión con un par muy ligero (inferior a 10 N·m), las muelas de POM pueden proporcionar una reducción de ruido adicional de 2 a 4 dB(A) y una vibración notablemente menor, pero a costa de una menor vida útil de la muela y una menor precisión de posicionamiento debido a la inestabilidad dimensional plástica.
P: ¿Puede el refrigerante utilizado para el rectificado dañar el par de engranajes helicoidales?
El refrigerante para rectificado (generalmente fluido de corte soluble en agua con una concentración del 3 al 8 %) es moderadamente corrosivo y contiene virutas abrasivas (partículas de metal molido). Si el refrigerante entra en la carcasa del engranaje helicoidal a través de sellos deteriorados, se producen dos problemas: el contenido de agua emulsiona el aceite del husillo (reduciendo la lubricación) y las partículas de viruta actúan como compuesto de pulido en las superficies de los dientes del engranaje (acelerando el desgaste y aumentando la holgura). El resultado es perceptible en cuestión de meses: aumenta la vibración y se degrada la calidad de la superficie. Los sellos de EPDM (resistentes al refrigerante soluble en agua) y la purga de aire a presión en la entrada del eje son la protección estándar. El análisis de aceite cada 6 meses (contenido de agua inferior al 0,05 %, recuento de partículas inferior a ISO 18/16/13) permite controlar la eficacia de los sellos.
P: ¿Por qué especificar la vibración (mm/s) además del acabado superficial (Ra) para el tornillo sin fin?
El acabado superficial Ra mide la rugosidad media de la superficie de la rosca del tornillo sin fin, indicando su suavidad a nivel microgeométrico. La vibración (mm/s a la frecuencia de engranaje) mide la excitación dinámica que produce el par de engranajes helicoidales durante la rotación, indicando la intensidad de las vibraciones que genera en la máquina. Dos tornillos sin fin con valores Ra idénticos pueden producir distintos niveles de vibración, ya que esta también depende de la precisión del perfil del diente, la precisión del paso y la concentricidad, parámetros que Ra no contempla. En aplicaciones de rectificado, la especificación de vibración es más relevante para la calidad de la superficie acabada que el valor Ra del tornillo sin fin por sí solo. Se deben especificar ambos: Ra para el control de fabricación y vibración para la verificación funcional.
P: ¿Cuál es la vida útil típica de un par de engranajes helicoidales de una rectificadora?
Las rectificadoras funcionan entre 2000 y 4000 horas al año con avance intermitente (el par de engranajes helicoidales opera durante las carreras de indexación de avance transversal, no de forma continua). Con este nivel de funcionamiento y los bajos pares típicos del rectificado (de 10 a 80 N·m), la muela de bronce dura entre 8 y 15 años. El factor limitante de la vida útil es la degradación por vibración, más que el juego mecánico: a medida que la muela se desgasta, el patrón de contacto cambia y la excitación de engranaje aumenta. Cuando la vibración a la frecuencia de engranaje duplica su valor original, la calidad de la superficie comienza a degradarse. Se recomienda reemplazar la muela cuando la vibración se duplique, generalmente entre el 60 y el 70 por ciento de la vida útil mecánica limitada por el juego mecánico.
Las máquinas de rectificado y pulido operan en el extremo más fino del espectro de precisión de fabricación, y el par de engranajes helicoidales que acciona el avance de la mesa o el husillo es uno de los pocos componentes cuya firma de vibración se puede medir directamente en la superficie de la pieza terminada. El análisis de vibración a calidad superficial (cada vibración de engranaje de 0,01 mm/s añade de 0,02 a 0,05 µm a la rugosidad superficial Ra) cuantifica por qué los engranajes helicoidales tallados no se pueden utilizar para el rectificado, los rectificados se utilizan para el rectificado industrial, los lapeados para el rectificado de precisión y los superacabados para el pulido óptico. El límite de vibración a la frecuencia de engranaje (mm/s RMS) debe especificarse junto con el acabado superficial del engranaje helicoidal (Ra µm), ya que Ra por sí solo no predice el rendimiento de vibración. Para los fabricantes de máquinas de rectificado, la especificación del par de engranajes helicoidales determina el acabado superficial más fino que la máquina puede lograr; es un componente que define la capacidad, no solo un elemento de accionamiento.
Para los fabricantes de máquinas rectificadoras y pulidoras, nuestro departamento de ingeniería proporciona pares de engranajes helicoidales con certificados individuales de prueba de vibración para aplicaciones de precisión. Catálogo estándar Juegos de engranajes helicoidales de precisión Incluye configuraciones rectificadas, lapeadas y superacabadas con precisión de clase DIN 2 a 6. Enviar un Especificaciones del accionamiento de rectificado con la rugosidad superficial objetivo, el rango de velocidad de la mesa y el presupuesto de vibración.
¿Cómo especificar pares de engranajes helicoidales para máquinas rectificadoras o pulidoras?
Indique la rugosidad superficial objetivo (Ra), la velocidad de la mesa o del husillo, el margen de vibración (si se conoce) y el tipo de rectificado (superficial, cilíndrico, sin centros, óptico). Le recomendaremos el grado de acabado del tornillo sin fin, la clase DIN y le proporcionaremos certificados de prueba de vibración individuales para aplicaciones de precisión.
Solicitar especificaciones del accionamiento de rectificado →
Editor: Cxm
