Tornillo de cabeza - Leadscrew

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

Unidad de DVD con tornillo de avance y motor paso a paso .

Unidad de disquete con tornillo de avance y motor paso a paso.

Un tornillo de avance (o tornillo de avance ), también conocido como tornillo de potencia o tornillo de traslación , es un tornillo que se utiliza como enlace en una máquina para traducir el movimiento de giro 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 utilizan para transportar alta potencia, sino más bien para uso intermitente en actuadores y mecanismos posicionadores de baja potencia. Los tornillos de cabeza se utilizan comúnmente en actuadores lineales , guías de máquinas (como en máquinas herramientas ) , prensas , prensas y gatos . Los tornillos de cabeza son un componente común en los actuadores lineales eléctricos.

Los tornillos de cabeza se fabrican de la misma manera que otras formas de rosca (se pueden enrollar, cortar o rectificar ).

A veces se usa un tornillo de avance con una tuerca partida también llamada media tuerca que permite que la tuerca se desacople 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 usar una tuerca partida para compensar el desgaste comprimiendo las partes de la tuerca.

Un tornillo de avance hidrostático supera muchas de las desventajas de un tornillo de avance normal, ya que tiene una alta precisión de posición, muy baja fricción y muy bajo desgaste, 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. .

Tipos

Los tornillos de potencia se clasifican por la geometría de su rosca . Las roscas en V son menos adecuadas para tornillos de avance que otras como Acme porque tienen más fricción entre las roscas. Sus roscas están diseñadas para inducir esta fricción para evitar que el sujetador se afloje. Los tornillos de cabeza, por otro lado, están diseñados para minimizar la fricción. 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. No obstante, las roscas en V a veces se utilizan con éxito como tornillos de avance, por ejemplo, en microlachas y micro fresas .

Hilo cuadrado

Los hilos cuadrados reciben el nombre de su geometría cuadrada. Son los más eficientes y tienen la menor fricción , por lo que a menudo se utilizan para tornillos que llevan una gran potencia. Pero también son los más difíciles de mecanizar y, por tanto, los más caros.

Hilo Acme / Hilo 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 las roscas cuadradas, debido a la mayor fricción inducida por el ángulo de la rosca. Las roscas Acme generalmente también son más fuertes que las roscas cuadradas debido a su perfil de rosca trapezoidal, que proporciona una mayor capacidad 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. Son tan eficientes como las roscas cuadradas en estas aplicaciones, pero son más fáciles de fabricar.

Ventajas desventajas

Los tornillos de cabeza se utilizan para subir y bajar la puerta delantera del avión Boeing 747-8F Freighter.

Las ventajas de un husillo son:

• Gran capacidad de carga
• Compacto
• Sencillo de diseñar
• Fácil de fabricar; no se requiere maquinaria especializada
• Gran ventaja mecánica
• Movimiento lineal preciso y exacto
• Suave, silencioso y de bajo mantenimiento.
• Número mínimo de piezas
• La mayoría son autobloqueantes (no se pueden conducir hacia atrás)

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

Alternativas

Las alternativas a la actuación por husillo incluyen:

• Tornillos de bolas y tornillos de rodillo (a veces categorizados como tipos de tornillos de avance en lugar de en contraposición)
• Potencia fluida (es decir, hidráulica y neumática )
• Trenes de engranajes (por ejemplo, transmisiones de tornillo sin fin , transmisiones de piñón y cremallera )
• Actuación electromagnética (p. Ej., Solenoides )
• Actuación piezoeléctrica

Mecánica

Diagrama de una rosca de tornillo "desenvuelta"

El par necesario para levantar o bajar una carga se puede calcular "desenvolviendo" una revolución de una rosca. 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 en ángulo recto donde la base es larga y la altura es el plomo (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 oa lo largo de la hipotenusa), y un imaginario La fuerza de "esfuerzo" actúa horizontalmente en la dirección opuesta a la dirección de la fuerza de fricción. Con este diagrama de cuerpo libre se puede calcular el par necesario para levantar o bajar una carga: ${\ Displaystyle \ pi d _ {\ text {m}}}$

${\ Displaystyle T _ {\ text {subir}} = {\ frac {Fd _ {\ text {m}}} {2}} \ left ({\ frac {l + \ pi \ mu d _ {\ text {m}}} {\ pi d _ {\ text {m}} - \ mu l}} \ right) = {\ frac {Fd _ {\ text {m}}} {2}} \ tan {\ left (\ phi + \ lambda \ derecho)}}$

${\ Displaystyle T _ {\ text {inferior}} = {\ frac {Fd _ {\ text {m}}} {2}} \ left ({\ frac {\ pi \ mu d _ {\ text {m}} - l } {\ pi d _ {\ text {m}} + \ mu l}} \ right) = {\ frac {Fd _ {\ text {m}}} {2}} \ tan {\ left (\ phi - \ lambda \derecho)}}$

donde

• ${\ Displaystyle T}$ = par
• ${\ Displaystyle F}$ = carga en el tornillo
• ${\ Displaystyle d _ {\ text {m}}}$ = diámetro medio
• ${\ Displaystyle \ mu \,}$ = coeficiente de fricción (los valores comunes se encuentran en la tabla adyacente)
• ${\ Displaystyle l}$ = plomo
• ${\ Displaystyle \ phi \,}$= ángulo de fricción
• ${\ Displaystyle \ lambda \,}$ = 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 ( ). Cuando esto no es cierto, el tornillo retrocederá o bajará bajo el peso de la carga. ${\ Displaystyle T _ {\ text {inferior}}}$${\ Displaystyle \ phi> \ lambda}$

Eficiencia

La eficiencia, calculada utilizando las ecuaciones de par anteriores, es:

${\ displaystyle {\ mbox {eficiencia}} = {\ frac {T_ {0}} {T _ {\ text {subir}}}} = {\ frac {Fl} {2 \ pi T _ {\ text {subir}} }} = {\ frac {\ tan {\ lambda}} {\ tan {\ left (\ phi + \ lambda \ right)}}}}$

Ángulo de rosca distinto de cero

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

${\ Displaystyle T _ {\ text {subir}} = {\ frac {Fd _ {\ text {m}}} {2}} \ left ({\ frac {l + \ pi \ mu d _ {\ text {m}} \ sec {\ alpha}} {\ pi d _ {\ text {m}} - \ mu l \ sec {\ alpha}}} \ right) = {\ frac {Fd _ {\ text {m}}} {2}} \ left ({\ frac {\ mu \ sec {\ alpha} + \ tan {\ lambda}} {1- \ mu \ sec {\ alpha} \ tan {\ lambda}}} \ right)}$

${\ Displaystyle T _ {\ text {inferior}} = {\ frac {Fd _ {\ text {m}}} {2}} \ left ({\ frac {\ pi \ mu d _ {\ text {m}} \ seg {\ alpha} -l} {\ pi d _ {\ text {m}} + \ mu l \ sec {\ alpha}}} \ right) = {\ frac {Fd _ {\ text {m}}} {2} } \ left ({\ frac {\ mu \ sec {\ alpha} - \ tan {\ lambda}} {1+ \ mu \ sec {\ alpha} \ tan {\ lambda}}} \ right)}$

donde es la mitad del ángulo de la rosca. ${\ Displaystyle \ alpha \,}$

Si el tornillo de avance tiene un collar en el que se desplaza la carga, las fuerzas de fricción entre la interfaz también deben tenerse en cuenta en los cálculos de par. Para la siguiente ecuación, se supone que la carga se concentra en el diámetro medio del collar ( ): ${\ Displaystyle d _ {\ text {c}}}$

Gráfico de la eficiencia del husillo de avance cuadrado contra el ángulo de avance para diferentes coeficientes de fricción

${\ Displaystyle T _ {\ text {c}} = {\ frac {F \ mu _ {\ text {c}} d _ {\ text {c}}} {2}}}$

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

La eficiencia para ángulos de rosca distintos de cero se puede escribir de la siguiente manera:

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

Coeficiente de fricción para collares de empuje

Combinación de materiales	A partir de ${\ Displaystyle \ mu _ {\ text {c}}}$	Corriendo ${\ Displaystyle \ mu _ {\ text {c}}}$
Acero blando / hierro fundido	0,17	0,12
Acero endurecido / hierro fundido	0,15	0,09
Acero blando / bronce	0,10	0,08
Acero endurecido / bronce	0,08	0,06

Velocidad de carrera

La velocidad de funcionamiento de un husillo de avance (o husillo de bolas) se limita típicamente 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

${\ Displaystyle N = {(4.76 \ times 10 ^ {6}) d _ {\ text {r}} C \ sobre L ^ {2}}}$

donde

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

Alternativamente usando unidades métricas:

${\ Displaystyle N = {\ frac {Cd _ {\ text {r}} \ times 10 ^ {7}} {L ^ {2}}}}$

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

• ${\ Displaystyle C}$ = 3.9 para soportes libres fijos
• ${\ Displaystyle C}$ = 12,1 para ambos extremos soportados
• ${\ Displaystyle C}$ = 18,7 para estructura de soporte fijo
• ${\ Displaystyle C}$ = 27,2 para ambos extremos fijo

Ver también

• Husillo de bolas
• Tornillo de ajuste fino
• Tornillo nivelador

Referencias

Bibliografía

• Bhandari, VB (2007), Diseño de elementos de máquina , Tata McGraw-Hill, ISBN 978-0-07-061141-2.
• Martin, Joe (2004), Mecanizado de mesa: un enfoque básico para la fabricación de 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, Joseph E .; Mischke, Charles R .; Budynas, Richard Gordon (2003), Diseño de ingeniería mecánica (7a ed.), McGraw Hill, ISBN 978-0-07-252036-1.

enlaces externos