husillo

Tres tipos de roscas utilizadas en tornillos de avance:
3 y 4: rosca de contrafuerte
5: rosca redonda
6: rosca cuadrada

Un tornillo de avance (o tornillo de avance ), también conocido como tornillo de potencia ^[1] o tornillo de traslación , ^[2] es un tornillo que se utiliza como varillaje en una máquina, para traducir el movimiento giratorio en movimiento lineal . Debido a la gran área de contacto deslizante entre sus miembros macho y hembra , las roscas de los tornillos tienen mayores pérdidas de energía por fricción en comparación con otros enlaces. Por lo general, no se usan para transportar alta potencia, sino más bien para uso intermitente en mecanismos posicionadores y actuadores de baja potencia . Los husillos se utilizan comúnmente en actuadores lineales , correderas de máquinas (como en máquinas herramienta ), prensas , prensas y gatos . ^[3] Los husillos son un componente común en los actuadores lineales eléctricos.

Los husillos se fabrican de la misma manera que otras formas de rosca: pueden enrollarse, cortarse o rectificarse .

A veces se utiliza un tornillo de avance con una tuerca dividida (también llamada media tuerca) que permite que la tuerca se desenganche de las roscas y se mueva axialmente, independientemente de la rotación del tornillo, cuando sea necesario (como en el roscado de un solo punto en un torno manual). ). También se puede utilizar una tuerca partida para compensar el desgaste comprimiendo las partes de la tuerca.

Un husillo hidrostático supera muchas de las desventajas de un husillo normal, ya que tiene una alta precisión posicional, una fricción muy baja y un desgaste muy bajo, pero requiere un suministro continuo de fluido a alta presión y una fabricación de alta precisión, lo que genera un costo significativamente mayor que la mayoría de los otros. enlaces de movimiento lineal. ^[4]

Tipos

Los tornillos de potencia se clasifican por la geometría de su rosca .

rosca en V

Las roscas en V son menos adecuadas para tornillos de avance que otras como Acme porque tienen más fricción entre las roscas. Sus hilos están diseñados para inducir esta fricción y evitar que el sujetador se afloje. Los husillos, por otro lado, están diseñados para minimizar la fricción. ^[5] Por lo tanto, en la mayoría de los usos comerciales e industriales, se evitan las roscas en V para el uso de tornillos de avance. Sin embargo, las roscas en V a veces se utilizan con éxito como husillos, por ejemplo en microtornos y microfresadoras. ^[6]

hilo cuadrado

Los hilos cuadrados reciben el nombre de su geometría cuadrada. Son los más eficientes , al tener la menor fricción , por lo que se suelen utilizar para tornillos que llevan mucha potencia; sin embargo, también son los más difíciles de mecanizar y, por tanto, los más caros.

Rosca Acme / Rosca trapezoidal

Un tornillo Acme

Las roscas Acme tienen un ángulo de rosca de 29° , que es más fácil de mecanizar que las roscas cuadradas. No son tan eficientes como los hilos cuadrados debido al aumento de la fricción inducida por el ángulo del hilo. ^[3] Las roscas Acme también son generalmente más fuertes que las roscas cuadradas debido a su perfil de rosca trapezoidal, que proporciona mayores capacidades de carga.

Hilo de contrafuerte

Los hilos de contrafuerte tienen forma triangular. Se utilizan cuando la fuerza de carga sobre el tornillo solo se aplica en una dirección. ^[7] Son tan eficientes como las roscas cuadradas en estas aplicaciones, pero son más fáciles de fabricar.

Ventajas y desventajas

Las ventajas de un husillo son: ^[2]

Gran capacidad de carga
Compacidad
Simplicidad de diseño
Facilidad de fabricación
Gran ventaja mecánica
Movimiento lineal preciso y exacto.
Funcionamiento suave y silencioso
Bajo mantenimiento
Número mínimo de piezas.
La mayoría son autoblocantes (no se pueden retroceder)

Las desventajas son que la mayoría no son muy eficientes. Debido a esta baja eficiencia, no se pueden utilizar en aplicaciones de transmisión de energía continua. También tienen un alto grado de fricción en los hilos, lo que puede desgastarlos rápidamente. Para roscas cuadradas, se debe reemplazar la tuerca; Para roscas trapezoidales se puede utilizar una tuerca partida para compensar el desgaste. ^[5]

Alternativas

Las alternativas al accionamiento mediante husillo incluyen:

Husillos de bolas y husillos de rodillos (a veces clasificados como tipos de husillos en lugar de por contradicción)
Energía fluida (es decir, hidráulica y neumática )
Trenes de engranajes (p. ej., transmisiones sin fin , transmisiones de piñón y cremallera )
Actuación electromagnética (p. ej., solenoides )
Actuación piezoeléctrica

Mecánica

El par necesario para levantar o bajar una carga se puede calcular "desenrollando" una revolución de un hilo. Esto se describe más fácilmente para una rosca cuadrada o de contrafuerte, ya que el ángulo de la rosca es 0 y no influye en los cálculos. El hilo desenvuelto forma un triángulo rectángulo donde la base es larga y la altura es la punta (en la foto de la derecha). La fuerza de la carga se dirige hacia abajo, la fuerza normal es perpendicular a la hipotenusa del triángulo, la fuerza de fricción se dirige en la dirección opuesta a la dirección del movimiento (perpendicular a la fuerza normal o a lo largo de la hipotenusa) y una imaginaria La fuerza de "esfuerzo" actúa horizontalmente en dirección opuesta a la dirección de la fuerza de fricción. Utilizando este diagrama de cuerpo libre se puede calcular el par necesario para levantar o bajar una carga: ^[8]^[9] $\pi d_{\text{m}}$

T_{\text{raise}}={\frac {Fd_{\text{m}}}{2}}\left({\frac {l+\pi \mu d_{\text{m}}}{\pi d_{\text{m}}-\mu l}}\right)={\frac {Fd_{\text{m}}}{2}}\tan {\left(\phi +\lambda \right)}

T_{\text{lower}}={\frac {Fd_{\text{m}}}{2}}\left({\frac {\pi \mu d_{\text{m}}-l}{\pi d_{\text{m}}+\mu l}}\right)={\frac {Fd_{\text{m}}}{2}}\tan {\left(\phi -\lambda \right)}

dónde

$T$ = par
$F$ = carga sobre el tornillo
$d_{\text{m}}$ = diámetro medio
$\mu \,$ = coeficiente de fricción (los valores comunes se encuentran en la tabla adyacente)
$l$ = liderar
$\phi \,$ = ángulo de fricción
$\lambda \,$ = ángulo de avance

Con base en la ecuación, se puede encontrar que el tornillo se autobloquea cuando el coeficiente de fricción es mayor que la tangente del ángulo de avance. Una comparación equivalente es cuando el ángulo de fricción es mayor que el ángulo de avance ( ). ^[11] Cuando esto no es cierto, el tornillo retrocederá o descenderá bajo el peso de la carga. ^[8] $T_{\text{lower}}$ $\phi >\lambda$

Eficiencia

La eficiencia, calculada usando las ecuaciones de torque anteriores, es: ^[12]^[13]

{\mbox{efficiency}}={\frac {T_{0}}{T_{\text{raise}}}}={\frac {Fl}{2\pi T_{\text{raise}}}}={\frac {\tan {\lambda }}{\tan {\left(\phi +\lambda \right)}}}

Ángulo de rosca distinto de cero

Para tornillos que tienen un ángulo de rosca distinto de cero, como una rosca trapezoidal, esto debe compensarse ya que aumenta las fuerzas de fricción. Las siguientes ecuaciones tienen esto en cuenta: ^[12]^[14]

T_{\text{raise}}={\frac {Fd_{\text{m}}}{2}}\left({\frac {l+\pi \mu d_{\text{m}}\sec {\alpha }}{\pi d_{\text{m}}-\mu l\sec {\alpha }}}\right)={\frac {Fd_{\text{m}}}{2}}\left({\frac {\mu \sec {\alpha }+\tan {\lambda }}{1-\mu \sec {\alpha }\tan {\lambda }}}\right)

T_{\text{lower}}={\frac {Fd_{\text{m}}}{2}}\left({\frac {\pi \mu d_{\text{m}}\sec {\alpha }-l}{\pi d_{\text{m}}+\mu l\sec {\alpha }}}\right)={\frac {Fd_{\text{m}}}{2}}\left({\frac {\mu \sec {\alpha }-\tan {\lambda }}{1+\mu \sec {\alpha }\tan {\lambda }}}\right)

donde es la mitad del ángulo del hilo. $\alpha \,$

Si el tornillo de avance tiene un collar sobre el cual se desplaza la carga, entonces las fuerzas de fricción entre la interfaz también deben tenerse en cuenta en los cálculos de torsión. Para la siguiente ecuación, se supone que la carga está concentrada en el diámetro medio del collar ( ): ^[12] $d_{\text{c}}$

T_{\text{c}}={\frac {F\mu _{\text{c}}d_{\text{c}}}{2}}

donde es el coeficiente de fricción entre el collar sobre la carga y es el diámetro medio del collar. Para collares que utilizan cojinetes de empuje, la pérdida por fricción es insignificante y la ecuación anterior puede ignorarse. ^[15] $\mu _{\text{c}}$ $d_{\text{c}}$

La eficiencia para ángulos de rosca distintos de cero se puede escribir de la siguiente manera: ^[16]

$\eta ={\frac {\cos \alpha \ -\ \mu \tan \lambda }{\cos \alpha \ +\ \mu \cot \lambda }}$

velocidad de carrera

La velocidad de funcionamiento de un husillo (o husillo de bolas) normalmente se limita a, como máximo, el 80% de la velocidad crítica calculada . La velocidad crítica es la velocidad que excita la frecuencia natural del tornillo. Para un husillo de acero o un husillo de bolas de acero, la velocidad crítica es aproximadamente ^[18]

N={(4.76\times 10^{6})d_{\text{r}}C \over L^{2}}

dónde

$N$ = velocidad crítica en RPM
$d_{\text{r}}$ = diámetro más pequeño (raíz) del husillo en pulgadas
$L$ = longitud entre soportes de rodamientos en pulgadas
$C$ = .36 para un extremo fijo, un extremo libre
$C$ = 1,00 para ambos extremos simples
$C$ = 1,47 para un extremo fijo, un extremo simple
$C$ = 2,23 para ambos extremos fijos

Alternativamente usando unidades métricas: ^[19]

$N={\frac {Cd_{\text{r}}\times 10^{7}}{L^{2}}}$

donde las variables son idénticas a las anteriores, pero los valores están en milímetros y es el siguiente: $C$

$C$ = 3,9 para soportes libres fijos ^[20]
$C$ = 12,1 para ambos extremos apoyados
$C$ = 18,7 para estructura con soporte fijo
$C$ = 27,2 para ambos extremos fijos

Ver también

Referencias

^ Husillos de bolas y husillos de avance , consultado el 16 de diciembre de 2008.
^ ab Bhandari, pág. 202.
^ ab Shigley, pág. 400.
^ US 5499942, Pflager, William W., "Conjunto de tuerca hidrostática y tornillo de avance, y método para formar dicha tuerca", publicado el 19 de marzo de 1996, asignado a Western Atlas Inc.
^ ab Bhandari, pág. 203.
^ Martín 2004, pag. 266.
^ Bhandari, pág. 204.
^ ab Shigley, pág. 402.
^ Bhandari, págs. 207-208.
^ Shigley, pág. 408.
^ Bhandari, pág. 208.
^ abc Shigley, pág. 403.
^ Bhandari, pág. 209.
^ Bhandari, págs. 211-212.
^ ab Bhandari, pág. 213.
^ Childs, Peter RN (24 de noviembre de 2018). Manual de ingeniería de diseño mecánico (Segunda ed.). Oxford, Reino Unido. pag. 803.ISBN 978-0-08-102368-6. OCLC 1076269063.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
^ Shigley, pág. 407.
^ Nook Industries, Inc. "Glosario y datos técnicos del conjunto de tornillos de avance y Acme" Archivado el 5 de julio de 2008 en Wayback Machine.
^ Moritz, Federico GF (2014). Sistemas de movimiento electromecánicos: diseño y simulación . Chichester, Inglaterra: Wiley. pag. 121.ISBN 978-1-118-35967-9. OCLC 873995457.
^ "Velocidad crítica - August Steinmeyer GmbH & Co. KG". www.steinmeyer.com . Consultado el 26 de agosto de 2020 .

Bibliografía

Bhandari, VB (2007), Diseño de elementos de máquinas, Tata McGraw-Hill, ISBN 978-0-07-061141-2.
Martin, Joe (2004), Mecanizado de mesa: un enfoque básico para fabricar piezas pequeñas en máquinas herramienta en miniatura , Vista, California, EE. UU.: Sherline, Inc., ISBN 978-0-9665433-0-8. Publicado originalmente en 1998; contenido actualizado con cada tirada, similar a una "edición revisada". Actualmente en la cuarta tirada.
Shigley, José E.; Mischke, Charles R.; Budynas, Richard Gordon (2003), Diseño de ingeniería mecánica (7ª ed.), McGraw Hill, ISBN 978-0-07-252036-1.