Cómo construir un mejor husillo de máquina

Oct 29, 2023

Por el personal de noticias de diseño | 13 de julio de 2022

Los husillos soportan elementos giratorios en una amplia gama de maquinaria. En las máquinas herramienta para corte de metales, por ejemplo, los cojinetes de husillo brindan estabilidad al sistema para garantizar la calidad de la superficie y la precisión de las piezas de trabajo que se mecanizan. Dichos cojinetes deben ser muy rígidos y duraderos para poder soportar cargas mecánicas, y también deben exhibir bajos niveles de fricción y una alta tolerancia térmica para permitir altas velocidades.

Schaeffler, proveedor mundial de automoción e industria, ayudó recientemente a un fabricante líder de máquinas-herramienta a duplicar la duración de la garantía de sus husillos de motor, incluida la oferta de horas de husillo ilimitadas durante el período de garantía, mediante el uso de rodamientos de husillo de alta velocidad fabricados con Vacrodur, un nuevo componente de alto rendimiento. acero para rodamientos desarrollado por Schaeffler. El fabricante mundial de máquinas herramienta pudo diseñar husillos de motor que demostraron una fiabilidad extrema y una vida útil considerablemente más larga en comparación con los husillos convencionales, especialmente en condiciones de funcionamiento difíciles.

Schaeffler proporcionó a Design News información sobre este caso de uso, y le preguntamos a ER Muntz, ingeniero senior de aplicaciones para automatización industrial en Schaeffler, algunas preguntas sobre Vacrodur y posibilidades futuras.

Muntz: Históricamente, la mayoría de las aplicaciones han utilizado acero para rodamientos 100Cr6. Los esfuerzos para mejorar la capacidad de velocidad y la robustez del cojinete del husillo implicaron el uso de cojinetes híbridos con elementos rodantes de cerámica.

Sin embargo, el uso de elementos rodantes cerámicos solo llegó hasta cierto punto con respecto a la mejora del rendimiento del cojinete del husillo. Cuando los fabricantes de máquinas herramienta realizaban revisiones y trabajos de reparación en sus husillos, se daban cuenta repetidamente de que las bolas de cerámica permanecían intactas. Mientras tanto, los anillos de los cojinetes ya mostraban signos de falla por fatiga, como picaduras y grietas.

El siguiente paso en la evolución del material de las pistas de rodamientos fue el desarrollo de aceros con alto contenido de nitrógeno, como el material Cronidur de Schaeffler. Durante muchos años, esta fue la oferta premium para los fabricantes de husillos que superaban los límites de las capacidades de carga y velocidad. Pero ahora, los nuevos avances en las herramientas, junto con un mayor rendimiento y requisitos de tiempo de actividad, han impulsado la necesidad de rodamientos para husillos aún más robustos.

Para ayudar a abordar esta discrepancia en la vida útil operativa entre las bolas de cerámica y los anillos de los rodamientos para esta porción emergente del mercado, Schaeffler desarrolló un nuevo acero para rodamientos conocido como Vacrodur.

Muntz: Vacrodur es un acero de alto rendimiento producido por pulvimetalurgia que se somete a un proceso especial de tratamiento térmico en varias etapas que da como resultado una estructura de grano fino de una homogeneidad sin igual. Este proceso de tratamiento térmico de varias etapas genera valores de dureza extremadamente altos de 65 HRC, lo que hace que el rodamiento sea menos sensible a las colisiones y las cargas de impacto que los rodamientos fabricados con 100Cr6. Si el lubricante se contamina, la gran dureza del material conduce a una reducción del daño inicial causado por el exceso de partículas extrañas.

Este proceso especial de tratamiento térmico también le da a Vacrodur su estabilidad térmica. A diferencia de los aceros para rodamientos convencionales, como 100Cr6, la dureza de Vacrodur no se reduce, incluso a temperaturas superiores a 150 °C. Las propiedades del material se mantienen estables a temperaturas de aplicación extremadamente altas de hasta 400 °C. La robustez resultante de los cojinetes para husillos producidos con Vacrodur es particularmente evidente cuando el suministro de lubricante es insuficiente. Tales estados de funcionamiento indeseables suelen estar asociados con temperaturas en contacto de rodadura que aumentan bruscamente y conducen a una pérdida considerable de dureza. Por el contrario, la estabilidad térmica proporcionada por Vacrodur garantiza una importante reserva de seguridad.

De acuerdo con un procedimiento de prueba certificado por la respetada sociedad de clasificación internacional Germanischer Lloyd, se logró un aumento de la vida útil de más de 13 veces el valor del acero para rodamientos estándar con Vacrodur en buenas condiciones de lubricación. En pruebas que involucran fricción mixta, esta diferencia en la vida útil se incrementa aún más por un factor de 25. Bajo condiciones de contaminación controlada, es decir, contaminación definida del lubricante con partículas minerales, un aumento de la vida útil de 24 veces el punto de referencia anterior de acero para rodamientos. , el propio Cronidur de Schaeffler, era comprobable.

Muntz: La serie de rodamientos para husillos de alta velocidad X-life de Schaeffler está disponible en las variantes de rendimiento M, HCM y VCM, esta última con elementos rodantes cerámicos y aros de rodamiento Vacrodur. Las variantes se basan en las series de dimensiones 70 y 719 y ángulos de contacto nominales de 17 y 25 grados. Un objetivo de desarrollo clave del nuevo diseño fue mantener el cambio en la precarga del cojinete al mínimo en una amplia gama de parámetros operativos. Esto se debe a que la disposición de rodamientos debe compensar los diversos grados de dilatación térmica que se producen entre el eje y el alojamiento, e incluso la dilatación de los aros interiores del rodamiento debido a las fuerzas centrífugas, en dirección axial y radial. La coordinación específica del tamaño de la bola, el perfil del camino de rodadura (osculación) y el ángulo de contacto en combinación con el juego radial interno dio como resultado una solución optimizada.

Las condiciones de lubricación, la entrada de contaminantes, los defectos geométricos y, por supuesto, el espectro de carga pueden influir significativamente en la vida útil de un rodamiento de husillo. Es esta combinación de diferentes factores de influencia lo que somete al rodamiento a estrés. Vacrodur puede operar bajo estas condiciones de operación con más resiliencia que otros aceros para rodamientos.

Utilizando rodamientos Vacrodur, el cliente mencionado anteriormente pudo duplicar la protección de la garantía en los ejes de sus principales máquinas herramienta sin limitar el número de horas de funcionamiento durante el período de garantía. Esto fue posible porque la mayoría de las fallas del husillo generalmente se pueden atribuir al desgaste, la lubricación insuficiente y la contaminación de los rodamientos, precisamente las condiciones para las cuales los rodamientos para husillos Vacrodur de Schaeffler representan un avance tecnológico significativo.

Muntz: El estado del arte en máquinas herramienta está en constante cambio. Las herramientas y los procesos requieren velocidades de husillo más altas que nunca. Las demandas de mayor rendimiento exigen mayores cargas y velocidades de avance que se reflejan en el husillo. Históricamente, el rendimiento nominal de una máquina está dictado por las limitaciones del husillo, lo que significa que un husillo más robusto puede producir una máquina herramienta más capaz.

Un husillo correctamente diseñado y utilizado debería proporcionar muchos años de servicio sin problemas. Desafortunadamente, el entorno operativo de la máquina herramienta suele ser duro, con refrigerante, virutas, contaminantes y choques ocasionales. Los cojinetes Vacrodur pueden mantener las máquinas en funcionamiento durante más tiempo, incluso después del inicio del daño por las condiciones de funcionamiento anteriores. Esto permite que los equipos de mantenimiento programen el tiempo de inactividad cuando sea más conveniente.

Muntz: Los husillos no existen únicamente en el mundo de las máquinas herramienta. Los husillos de alta velocidad, en particular, se utilizan en carpintería, fabricación de compuestos, aeroespacial, dispositivos médicos, bombas, ventiladores, compresores, turbocompresores, giroscopios, estabilizadores y docenas de sistemas giratorios similares. Algunas de estas aplicaciones llevan los rodamientos convencionales al límite. Muchas de estas aplicaciones son críticas para la producción y no pueden tolerar un apagado no planificado debido a una falla repentina y catastrófica. Los cojinetes Vacrodur no solo deberían extender la vida útil nominal de la máquina, sino también proporcionar un margen de seguridad al final de esa vida útil.

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