Cojinetes para herramientas manuales

Jul 17, 2023

Por Mike Santora | 21 de junio de 2017

Por John Wallace, Vicepresidente de Operaciones, AST BearingsEditado por Mike Santora

En el ámbito industrial, las herramientas eléctricas como esta lijadora de Top Cat Air Tools son productos de alta ingeniería que reducen la fatiga del trabajador y mejoran la productividad y la calidad. También se utilizan de forma rutinaria en otros tipos de operaciones, como la conducción (sujetadores), la perforación, el corte, la conformación, el esmerilado, el enrutamiento, el pulido y más.

Las herramientas eléctricas portátiles son comunes en muchas industrias, desde la automotriz hasta la aeroespacial. Los rodamientos de bolas juegan un papel fundamental en el rendimiento y la confiabilidad de estas herramientas y son responsables de manejar condiciones de carga combinadas (radiales y axiales), operación de alta velocidad, baja fricción, bajo nivel de ruido y vibración, y alta confiabilidad. Las herramientas eléctricas tienen un mercado global. de cerca de $ 26 mil millones (aproximadamente $ 11 mil millones en los EE. UU.). Las herramientas eléctricas inalámbricas son el segmento de más rápido crecimiento, con el mercado industrial y profesional superando la demanda de los consumidores. Los productos producidos para el mercado de consumo generalmente tienen puntos de precio más bajos, menor calidad e incorporan componentes que están "listos para usar" o entran en la categoría de "productos básicos".

En el ámbito industrial, las herramientas eléctricas son productos de alta ingeniería que reducen la fatiga del trabajador y mejoran la productividad y la calidad. Se utilizan de forma rutinaria en todo tipo de operaciones, como conducción (sujetadores), taladrado, corte, modelado, lijado, esmerilado, enrutamiento, pulido y más.

En el ámbito industrial, las herramientas eléctricas son productos de alta ingeniería que reducen la fatiga del trabajador y mejoran la productividad y la calidad. Se utilizan de forma rutinaria en todo tipo de operaciones, como conducción (sujetadores), taladrado, corte, modelado, lijado, esmerilado, enrutamiento, pulido y más.

Las herramientas rotativas industriales típicas incluyen taladros, destornilladores, aprietatuercas, llaves de impacto e impulsores, amoladoras, lijadoras y pulidoras. Los motores eléctricos y el aire comprimido son los tipos más comunes de fuentes de energía utilizadas en un entorno de fábrica. Las siguientes son solo algunas de las consideraciones que deben tenerse en cuenta al pensar en rodamientos en el diseño de una aplicación.

Cargas de rodamientos: los rodamientos de bolas pueden soportar cargas radiales y axiales simultáneamente, lo que los convierte en la opción ideal para las demandas de las herramientas eléctricas. Sin embargo, debido a que su construcción interna tiene caminos de rodadura relativamente poco profundos, el componente de carga predominante debe ser radial. En caso de que las cargas axiales sean excesivas, se pueden usar cojinetes de empuje en combinación con cojinetes de bolas radiales para soportar estas cargas de manera efectiva.

Ruido y vibración: una herramienta ruidosa y vibrante rápidamente causará incomodidad a su operador, particularmente en entornos de fábrica o producción donde el movimiento y las operaciones son repetitivos. En el caso de los rodamientos de bolas, el ruido y la vibración están directamente relacionados con la calidad de los materiales utilizados para los anillos y las bolas, las especificaciones internas de fabricación y los estrictos controles del proceso.

Los rodamientos utilizados en estas aplicaciones deben fabricarse con niveles de ruido de calidad de motor eléctrico (EMQ). Los estándares EMQ no son uniformes (excepto en China, donde existe un estándar nacional) y varían de un fabricante a otro, pero la clasificación EMQ indica que son adecuados para su uso en motores eléctricos.

Históricamente, los motores eléctricos deben funcionar silenciosamente con poca o ninguna vibración, y esta terminología surgió como resultado. Los fabricantes producen componentes de rodamientos con especificaciones estrictas y emplean varias técnicas para producir rodamientos EMQ.

Se tiene mucho cuidado para producir anillos con una geometría casi perfecta. Las tolerancias geométricas controlan características como la redondez, la concentricidad, el agotamiento y el paralelismo. Los rodamientos con aros que tienen una geometría deficiente tienden a producir vibraciones y ruidos de baja frecuencia.

Las pistas de rodadura (las pistas donde ruedan las bolas) están súper acabadas para producir superficies como espejos. También se utilizan bolas de alta calidad, lo que significa que tienen una buena geometría, como ser perfectamente esféricas. Las bolas o pistas de rodadura con acabados superficiales deficientes tienden a producir vibraciones y ruidos de mayor frecuencia. Ciertos lubricantes también pueden contribuir a los niveles de ruido. Los cojinetes más pequeños utilizados en estas herramientas manuales requieren grasa "limpia".

Los fabricantes que producen rodamientos EMQ suelen realizar pruebas de ruido al 100 % de los rodamientos utilizando equipos especialmente diseñados antes de la lubricación y el embalaje finales.

Los fabricantes de herramientas eléctricas deben especificar y aplicar correctamente la precarga a los cojinetes utilizados en una herramienta eléctrica para reducir el ruido y la vibración. Uno de los pasos finales en el proceso de fabricación de rodamientos es el ensamblaje de los componentes individuales del rodamiento: el aro exterior, el aro interior, las bolas y el retenedor (o separador de bolas). Cuando se ensamblan los rodamientos, es necesario tener una cantidad controlada de juego interno o holgura entre los anillos y las bolas. Esto se conoce como juego radial en la mayoría de los catálogos de rodamientos.

En aplicaciones de herramientas manuales eléctricas, este juego interno debe eliminarse para que un par de cojinetes funcionen correctamente. La aplicación de una carga axial a través del par de rodamientos, con el fin de eliminar los juegos libres internos, se denomina precarga.

La aplicación de precarga axial obliga a las bolas a entrar en contacto con las pistas de rodadura, estableciendo un ángulo de contacto que hace que el juego de bolas gire en un plano circunferencial uniforme. La precarga es crítica en aplicaciones de herramientas eléctricas de alta precisión y alta velocidad donde las velocidades pueden alcanzar hasta 60,000 RPM.

Temperatura de funcionamiento: las herramientas manuales eléctricas deben diseñarse y fabricarse de modo que un operador pueda sostenerlas durante largos períodos de tiempo. Los cojinetes deben montarse correctamente, tener la precarga adecuada y el tipo y la cantidad de lubricación adecuados para minimizar la temperatura de funcionamiento.

Materiales de los cojinetes: todos los cojinetes deben fabricarse con componentes producidos con materiales de alta pureza.

Los sellos son la mejor opción para mantener los desechos extraños fuera del interior del cojinete y mantener el lubricante dentro. El material de sello del cojinete más común es el caucho de nitrilo. Este tipo de sello es típicamente Buna-N adherido a un inserto de acero, que se fija en una ranura en el anillo exterior. La temperatura máxima de funcionamiento es de 240 °F.

Los anillos y las bolas de los cojinetes se fabrican más comúnmente con acero cromado SAE 52100. Esta aleación de endurecimiento continuo tiene una excelente resistencia a la fatiga y al desgaste, y es la opción más rentable en un entorno no corrosivo. En las herramientas manuales, los rodamientos suelen estar bien protegidos dentro de una carcasa o recinto. Sin embargo, si existe riesgo de exposición a la humedad o ataque corrosivo, se recomienda el acero inoxidable martensítico, similar al AISI 440C. Este acero inoxidable de la serie 400 ofrece la mejor combinación de resistencia a la corrosión y vida útil. Proporciona buena resistencia a la corrosión y tiene carburos finos y uniformemente dispersos que dan como resultado niveles de ruido y vibración más bajos que el 440C. Este material puede ser especificado de manera diferente por los fabricantes.

En algunos casos, las bolas fabricadas con materiales cerámicos, como el nitruro de silicio, son muy beneficiosas. Las bolas de cerámica son muy livianas, altamente pulidas, no magnéticas, exhiben una gran dureza y son resistentes al ataque de la mayoría de los líquidos y productos químicos. Las bolas de cerámica mejoran en gran medida la capacidad de alta velocidad del rodamiento. Los rodamientos hechos de anillos de acero y bolas de cerámica se denominan comúnmente rodamientos híbridos. Si bien las bolas de cerámica tienen una lista impresionante de características beneficiosas, normalmente no se usan en herramientas eléctricas de mano.

Lubricación: La selección del lubricante podría ser la especificación que más pasan por alto los diseñadores e ingenieros. La vida útil del rodamiento depende de la lubricación adecuada en términos de tipo y cantidad.

En la mayoría de los casos, los cojinetes más pequeños que se utilizan en las herramientas manuales eléctricas se lubrican una vez durante la vida útil del dispositivo. Hay miles de grasas y aceites disponibles que están diseñados para funcionar en una variedad de condiciones y entornos.

La temperatura de funcionamiento es la consideración principal al seleccionar un lubricante. La temperatura afecta directamente la viscosidad del aceite base, lo que a su vez afecta la capacidad de soportar cargas. Debido a la amplia gama de productos junto con el precio y la disponibilidad, se debe consultar tanto a un especialista en lubricación como al fabricante del rodamiento antes de realizar una selección final del lubricante.

Entornos hostiles: En muchos entornos industriales, las herramientas eléctricas (y posiblemente los rodamientos) están continuamente expuestas a líquidos y varios tipos de desechos particulados. En estas situaciones, se deben usar rodamientos sellados o protegidos. Los sellos son la mejor opción para mantener los desechos extraños fuera del interior del cojinete y mantener el lubricante dentro.

El material de sello de cojinete más común es el caucho de nitrilo. Este tipo de sello es típicamente Buna-N adherido a un inserto de acero, que se fija en una ranura en el anillo exterior. La temperatura máxima de funcionamiento es de 240 °F. Este tipo de sello hace contacto con el anillo interior y brinda una mejor protección en ambientes contaminados que un escudo de metal. Sin embargo, esto da como resultado un aumento en el par y reduce la capacidad de velocidad máxima del rodamiento, pero en casi todos los casos es una compensación de diseño que se hace para mejorar la vida útil.

Ciertos lubricantes y productos químicos reaccionan con el caucho. Además del material de caucho de nitrilo y Buna-n, hay otros materiales disponibles para temperaturas más altas y resistencia química. Estos incluyen tela F Teflon y Viton que tiene buena resistencia química y una temperatura máxima de operación de 400° F.

Como se evidencia, hay una amplia gama de opciones de cojinetes a tener en cuenta para un rendimiento óptimo de la herramienta manual. Se alienta a los ingenieros y diseñadores a consultar a un especialista en aplicaciones de rodamientos para obtener ayuda con el cálculo de la capacidad de carga, la vida útil de los rodamientos, los ajustes y las tolerancias de los componentes, así como para evaluar los factores ambientales a fin de especificar correctamente los atributos de los rodamientos.

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