Cargas pesadas bajo control: husillos trapezoidales de alta resistencia para sistemas de elevación
El diseño de husillos trapezoidales para cargas elevadas es la base para el funcionamiento seguro y sin problemas de los sistemas de elevación, y plantea grandes exigencias a los diseñadores.
La empresa Bornemann Gewindetechnik, conocida en los círculos especializados, fabrica desde hace más de 25 años husillos y tuercas roscados para muchos sectores industriales. Una de las actividades principales de la empresa es la fabricación de husillos trapezoidales listos para montar, compuestos por husillos y juegos de tuercas, para sistemas de elevación de cargas pesadas. Por citar algunos ejemplos: sistemas de elevación para vehículos ferroviarios, instalaciones en teatros o en la construcción de escenarios y en la construcción de máquinas especiales. El diseño y la construcción de estos husillos son requisitos imprescindibles para el funcionamiento seguro y sin problemas de las instalaciones y plantean grandes exigencias a los constructores.
Pero, ¿qué hay que tener en cuenta en los husillos roscados para cargas pesadas? Para los accionamientos de husillo que alcanzan una presión superficial > 20 N/mm2 bajo carga y que, además, funcionan a velocidades periféricas muy bajas, es imprescindible una lubricación constante de los flancos de apoyo de los perfiles roscados. Una lubricación deficiente puede provocar un mayor desgaste, un aumento excesivo de la generación de calor y también el famoso efecto stick-slip.
El lubricante es lo que cuenta
El efecto stick-slip, también conocido como efecto de deslizamiento adhesivo, describe el deslizamiento brusco de sólidos que se mueven entre sí. El efecto puede producirse siempre que la fricción estática sea mayor que la fricción dinámica. Dependiendo del sistema tribológico, esto provoca la excitación de vibraciones que se transmiten en forma de ruido desde una superficie resonante (husillos chirriantes y chirriantes).
El efecto suele desaparecer tan pronto como los elementos en fricción se separan mediante un lubricante o un material intermedio. El efecto stick-slip suele ser indeseable en aplicaciones técnicas. Las influencias negativas del efecto stick-slip pueden observarse, entre otros, en cojinetes, guías en la tecnología lineal o en husillos roscados en la tecnología de elevación. Ruidos como el crujir de una puerta, el chirrido de los trenes en las curvas o el traqueteo de los limpiaparabrisas en los coches son consecuencias generalmente conocidas de este efecto.
Si se produce este efecto, puede deberse a la selección del lubricante (grasa). Ralph Wuertele, director de Ingeniería de Aplicaciones de Klüber Lubrication, explica: «Especialmente en las instalaciones de elevación de cargas pesadas, los lubricantes inadecuados pueden provocar fácilmente estados de lubricación insuficiente, lo que causa un mayor desgaste y, por lo tanto, un fallo prematuro de la instalación».
A menudo, este fenómeno también se debe al diseño de los husillos. La falta de cavidades de lubricación en el flanco de apoyo del perfil roscado impide que el lubricante aplicado permanezca en su sitio cuando los perfiles de las tuercas se deslizan sobre el husillo con una elevada carga superficial. El lubricante es expulsado del flanco o empujado por delante de la tuerca. En cualquier caso, se produce una ruptura de la película lubricante, lo que inicialmente provoca un aumento de la temperatura y un efecto stick-slip con ruidos en parte ensordecedores y, posteriormente, conduce a la destrucción del husillo roscado.
A velocidades periféricas de pocos cm/s, la presencia de lubricante o de bolsas de lubricante en los husillos roscados es absolutamente necesaria para evitar este efecto stick-slip. Los bolsillos de lubricación evitan que el lubricante sea simplemente expulsado por una presión lateral excesiva y una presión superficial específica generalmente alta. Lo ideal es que el lubricante sea una grasa con consistencia 0 o 00 y debe ser prácticamente absorbido por la ranura de lubricación.
¿Cómo se puede abordar este problema? Las exigencias de los diseñadores en cuanto a la ejecución de la fabricación de roscas sientan las bases para evitar los problemas de lubricación y, con ello, los problemas derivados. Los husillos roscados se pueden fabricar mediante diferentes procesos de fabricación: el torneado y el fresado de roscas son procesos que, por motivos económicos, apenas se utilizan para los husillos roscados mencionados anteriormente. En el laminado (o rodado) de roscas, los husillos roscados se fabrican mediante deformación en frío sin arranque de viruta. Este proceso de fabricación es muy económico, pero debido a los elevados costes de herramientas y equipamiento, solo se suele aplicar en series grandes.
Corte suave con superficie lisa
Además, los husillos roscados laminados favorecen la ruptura de la película lubricante debido a la superficie absolutamente lisa de los flancos de la rosca. La rosca trapezoidal laminada tiene, debido al proceso de deformación en el pulido por estampado/pulido por presión, una calidad superficial de los flancos demasiado alta, en la que faltan las bolsas de lubricación. En consecuencia, puede producirse el temido efecto stick-slip o la ruptura de la película lubricante entre el husillo y la tuerca. El lubricante es expulsado de las roscas debido a una presión de borde demasiado alta y a una presión superficial específica generalmente elevada.
Esta expulsión es posible cuando los materiales del par de cojinetes deslizantes no tienen cavidades en las que se pueda almacenar el lubricante. El resultado son graves daños en las instalaciones afectadas, que van desde husillos chirriantes y tuercas atascadas hasta la soldadura térmica completa de sistemas de elevación enteros.
El argumento frecuentemente esgrimido de que los husillos roscados laminados tienen una vida útil más larga no se puede confirmar sin excepción. La empresa Wirths-Werres lo ha demostrado en una prueba de resistencia continua. «Los husillos roscados laminados solo mostraban signos mínimos de desgaste incluso después de muchas horas de funcionamiento», destaca el diseñador Christian Zahn. Según Zahn, las tensiones en el material provocadas por el proceso de laminado a menudo dan lugar a costosos trabajos de repaso. En una comparación directa, Wirths-Werres se ha decantado por husillos laminados de alta calidad, ya que la diferencia de precio entre los husillos laminados y los laminados es ahora insignificante en muchos diámetros.
Bornemann Gewindetechnik fabrica husillos roscados mediante el proceso de torbellino. La herramienta de torbellino para la fabricación de roscas de husillo consta de un anillo de torbellino accionado con un juego de herramientas perfiladas y funciona en el denominado corte envolvente, ya que la pieza de trabajo gira dentro de este anillo de herramienta durante el mecanizado. Dado que el corte envolvente comienza en el diámetro exterior con un espesor de viruta (y una profundidad de viruta) de 0 y aumenta continuamente hasta el espesor de viruta calculado (y la profundidad de viruta o profundidad de rosca), para luego salir de la pieza de trabajo de nuevo con 0, se produce un corte muy suave con una superficie muy lisa.
Dado que un juego de herramientas consta de varias cuchillas individuales que trabajan sucesivamente en corte interrumpido, entre los cortes individuales se producen interrupciones microscópicas en la superficie de la pieza de trabajo, que generan facetas cóncavas poligonales en el rango μ (bolsillos de lubricación). Estas bolsas de lubricación son el secreto de las buenas propiedades de la película lubricante de los husillos roscados torneados.
Las comparaciones entre los distintos procesos de fabricación de roscas permiten llegar a la siguiente conclusión: el laminado y el rectificado de perfiles roscados son procesos de fabricación modernos y recomendables para muchos casos de aplicación, pero para el uso de husillos trapezoidales en sistemas de husillos elevadores se debe dar preferencia al proceso de torbellino que se practica en Bornemann Gewindetechnik.