Contra el efecto stick-slip: perfiles de rosca con acumuladores de lubricante microscópicos

Para los accionamientos de elevación de husillo que alcanzan una presión superficial mayor a 20 N/mm2 bajo carga y funcionan a bajas velocidades perimetrales, se requiere una lubricación constante de los perfiles de rosca. Una parte de la solución son las roscas de precisión de Bornemann

Cuando las roscas chirrían de repente, los operadores de máquinas experimentados se alarman. La experiencia ha demostrado que, en tal caso, no pasa mucho tiempo antes de que una instalación falle. Los chirridos son un signo de desgaste y pueden producirse especialmente en rodamientos, guías y husillos roscados en el ámbito de la técnica de elevación de cargas pesadas. El motivo: una lubricación insuficiente. La consecuencia: el efecto stick-slip. Dos cuerpos sólidos – el husillo y la tuerca en el caso de una rosca – se mueven uno contra el otro dando sacudidas. En el peor de los casos, puede producirse una micro soldadura o una soldadura en frío. ¿Es culpa del fabricante del lubricante?

«No», explica Moritz von Soden, Director de Bornemann Gewindetechnik, «tan fácil no es. Las causas del efecto stick-slip son muy variadas. A menudo se dan la mano influencias muy diferentes. En mi opinión, la base para una vida útil óptima de la rosca se encuentra en el diseño. La calidad de las superficies de la rosca es un factor especial.»

Lubricación óptima de los flancos de rosca – bolsas de lubricación contra el efecto stick-slip

El efecto stick-slip – en español llamado también efecto de adhesión-deslizamiento – desaparece casi siempre cuando un material intermedio o un lubricante separa los cuerpos en fricción mutua. La compatibilidad del lubricante con los materiales elastoméricos, el comportamiento post-flujo, la liberación de aceite y la protección anti-corrosión son importantes.

El emparejamiento de material del sistema husillo-tuerca también juega un papel importante. En un emparejamiento de fundición dúctil y acero, por ejemplo, el contenido de hierro en ambos materiales puede favorecer la soldadura en frío.

Independientemente de la alimentación de lubricante, la compatibilidad del lubricante y el emparejamiento de materiales, Bornemann Gewindetechnik presta especial atención a la precisión ya a la hora de desarrollar la topografía de la superficie de los husillos roscados y las tuercas. Referente a la prrecisión en el rango microscópico: las bolsas de lubricación de tamaño microscópico – cavidades en la superficie de la rosca – ayudan a mantener los lubricantes allí donde se necesitan (fig. 1 a+b). Y eso incluso con la mayor carga superficial.

Figura 1a Para que el lubricante permanezca entre el husillo y las tuercas, se incorporan bolsas de lubricación microscópicas en las superficies de las piezas en fricción mutua.

Figura 1 b

Las roscas fabricadas por Bornemann forman fiablemente los importantes bolsillos o micro depresiones de lubricación. El proceso de laminado no constituye una alternativa, ya que con este no se pueden generar depresiones en la superficie de la rosca. Por ello, los husillos roscados de Bornemann se utilizan de forma consecuente especialmente en el sector de la tecnología de elevación de cargas pesadas. La herramienta para la fabricación de los husillos roscados consiste en un anillo impulsado con un conjunto de herramientas perfiladoras y trabaja en el llamado corte envolvente, ya que la pieza gira dentro de este anillo giratorio de herramientas durante el mecanizado.

Un juego de herramientas se compone de varias cuchillas individuales que trabajan una tras otra en un corte interrumpido. De este modo se forman interrupciones microscópicas en la superficie de la pieza entre los cortes individuales, que generan facetas cóncavas y poligonales en el rango de los μm. A primera vista, estas facetas parecen ser defectos de fabricación. Sin embargo, estas marcas de mecanizado mejoran el rendimiento de los husillos roscados. Las ranuras microscópicas en los contactos de fricción lubricados pueden actuar como bolsas lubricantes microscópicas. Estos se llenan de lubricante y contrarrestan así la rotura de una película lubricante. Como se puede ver en la fig. 2a), las bolsas lubricantes microscópicas causan un establecimiento de presión hidrodinámica en un contacto deslizante lubricado de dos cuerpos, que actúa normalmente hacia la superficie y evita la fricción de sólidos.

Figura 2:a) Mecanismo de acción b) Medición de la fricción de muestras microestructuradas [IFW Hannover]

Los ensayos con discos tribométricos equipados con en superficies de husillos con microscópicas bolsillos retenedores de lubricantes muestran el potencial de estas para reducir el coeficiente de fricción y, por lo tanto, las pérdidas por fricción a bajas velocidades relativas < 1,5 m/s mediante la mejora del suministro de lubricante en el contacto de fricción (fig. 2b).

Hoy en día, estas bolsas lubricantes microscópicas ya son objeto de varios proyectos de investigación en otras áreas, como el contacto de fricción entre camisas de cilindros y pistones. En los motores de combustión, estas cavidades se utilizan para evitar que el lubricante fluya fuera del lado del punto de contacto, reduciendo así las pérdidas por fricción y el desgaste causado por la abrasión mecánica. Las cavidades en el flanco portante de la rosca de los husillos roscados de Bornemann también ofrecen las ventajas correspondientes. En particular, su disposición – perpendicular al movimiento de fricción – favorece la retención del lubricante en el contacto de fricción y, por lo tanto, el suficiente efecto lubricante.

«Por supuesto, otros procesos de fabricación también tienen ventajas específicas», subraya Moritz von Soden, «sin embargo, en aplicaciones de cargas pesadas, nuestras roscas han demostrado su eficacia, especialmente en husillos de roscas trapezoidales muy cargados. Los lubricantes se expulsan en menor medida. Las bolsas de lubricación que incorporamos actúan como un acumulador de lubricante.»

El Director de Bornemann no ve ninguna confirmación práctica del frecuente argumento de que los husillos roscados laminados tienen una vida útil más larga. «La superficie más dura de los husillos laminados no aumenta la vida útil. En la técnología de elevación, las tuercas de bronce se utilizan normalmente como piezas sometidas al desgaste. La dureza de los husillos, por lo tanto, no juega un papel importante en términos de desgaste. Además, las pruebas de estrés de larga duración en el pasado han demostrado que nuestros husillos roscados muestran sólo signos mínimos de desgaste incluso después de muchos años de funcionamiento.»

Además de la calidad de la rosca, el sistema completo es decisivo

Sólo una interacción óptima de la rosca, el lubricante y el mantenimiento de la instalación contrarresta el efecto stick-slip. La limpieza de la superficie antes de la aplicación del lubricante es uno de los trabajos preliminares más importantes. Se siguen recomendando grasas de baja viscosidad de la clase de consistencia NLGI 00. La cantidad de grasa debe llenar al menos el 30% del volumen entre el husillo y el fuelle. Otro requisito adicional para el lubricante se deriva de la estanqueidad del sistema: dado que el fuelle no suele ser hermético, no se puede descartar la condensación dentro del fuelle. Por esta razón, el lubricante debe tener una alta resistencia al agua y proporcionar una protección anti-corrosión muy buena.

Acerca de Bornemann

Bornemann Gewindetechnik (www.bornemann-gewindetechnik.de) fabrica roscas en todas las formas especiales. Son soluciones especiales para aplicaciones en la técnica de elevación e ingeniería hidráulica con acero, así como en la técnica de plataformas y válvulas de compuerta en presas, por nombrar sólo algunas. Además de los exigentes trabajos de precisión en roscas diente de sierra, tornillos sinfín y roscas de entrada múltiple, el foco está puesto en la producción de husillos de rosca trapezoidal y conjuntos de tuercas grandes y listos para el montaje. Los materiales de partida son todos materiales mecanizables. Los tamaños estándar de los husillos roscados van de 10 a 180 mm de diámetro y hasta 10 m de longitud. El proceso de fabricación optimizado por Bornemann se utiliza para conseguir superficies de rosca en calidad de rectificado.

Stick-slip y sus consecuencias: ruidos molestos y mayor desgaste.

El efecto stick-slip también es conocido en la vida cotidiana. Cuando las puertas crujen, las ruedas chirrían sobre los raíles o los limpiaparabrisas traquetean en el parabrisas, la fricción estática es mayor que la fricción dinámica. Sin embargo, el efecto stick-slip se convierte rápidamente en un problema, especialmente en aplicaciones técnicas en un entorno industrial: es una indicación de un mayor desgaste y de una lubricación insuficiente de los perfiles de rosca (figura 3). En casos extremos, esto también puede llevar a la soldadura en frío del sistema completo de husillo-tuerca.

Figura 2 Cuando la rosca se gripa, toda ayuda llega demasiado tarde.