Engranaje helicoidal para máquinas herramienta CNC: Guía de selección de precisión

¿Cuánto cuesta realmente un mal engranaje helicoidal en el husillo?

Consideremos un centro de mecanizado vertical que realiza pasadas de contorno en un cuarto eje rotatorio. El diámetro del círculo primitivo de la rueda helicoidal es de 120 mm. El conjunto de engranajes presenta una holgura acumulada de 0,10 mm tras dos años de servicio de indexación. Cuando el eje invierte su dirección a mitad del contorno, la mesa permanece inmóvil durante una distancia igual a dicha holgura, para luego avanzar bruscamente y compensar. En términos angulares, 0,10 mm con un radio primitivo de 60 mm equivalen a 0,0017 radianes, o aproximadamente 5,7 minutos de arco de zona muerta. El resultado en la pieza de trabajo es una marca de retención visible en cada inversión de dirección. La compensación del servomotor no puede eliminarla, ya que el codificador no detecta el movimiento hasta que el engranaje se vuelve a acoplar.

No se trata de un problema de ajuste. Es un problema de especificaciones del engranaje, y se puede evitar por completo entendiendo tres números antes de realizar el pedido: Clase DIN, error de plomo, y reacción adversa en el círculo de lanzamiento. Corea Ever-Power fabrica engranajes helicoidales de precisión para aplicaciones CNC donde estos tres números están confirmados y documentados, no estimados.

Dónde aparecen los engranajes helicoidales en los equipos CNC

La disposición del eje a 90 grados y el autobloqueo inherente en relaciones superiores a aproximadamente 15:1 hacen que los engranajes helicoidales sean una opción práctica para cualquier función CNC que deba mantener la posición cuando el motor está apagado. Se utilizan ampliamente en el mundo de las máquinas herramienta para funciones que los conjuntos de engranajes helicoidales de ejes paralelos no pueden desempeñar sin un freno de retención independiente.

En mesas giratorias de cuarto y quinto ejeEl conjunto de tornillo sin fin constituye la etapa de reducción final entre un servomotor y el eje de salida del eje A o B. La resolución angular disponible para el controlador CNC depende directamente del número de dientes de la rueda helicoidal y de la resolución del codificador; sin embargo, la precisión angular que realmente llega a la pieza de trabajo depende del error de avance y la tolerancia del perfil del propio engranaje helicoidal. Un sistema de control CNC con una resolución de 0,001 grados que informa la precisión carece de sentido si el accionamiento mecánico presenta un error periódico de 0,1 grados debido a un tornillo sin fin desgastado o mal fabricado.

Cabezales de indexación y cabezales de división En las máquinas de tallado, rectificado y fresado de engranajes, se utilizan engranajes helicoidales en la etapa final de indexación precisamente porque su error de paso determina la precisión geométrica de cada pieza que produce la máquina. Un error en el espaciado de los dientes del engranaje, originado en la rueda helicoidal del cabezal divisor, se propaga directamente a cada engranaje mecanizado en esa máquina. En este contexto, el engranaje helicoidal no es un componente de transmisión, sino un elemento de referencia geométrica, y debe tratarse como tal desde el punto de vista de la adquisición.

Ejes rotatorios de máquinas de medición por coordenadas y las etapas de manipulación de obleas de semiconductores representan el extremo superior del requisito de precisión. En estas aplicaciones, se espera que el engranaje helicoidal posicione una punta de sonda o etapa de oblea dentro de micras de la posición ordenada, con zona muerta cero en inversión de dirección. Solo Engranaje helicoidal dúplex Los conjuntos —en los que el juego libre se puede ajustar a casi cero y mantener durante toda la vida útil del accionamiento— son adecuados para estas aplicaciones.

Rango de especificaciones: engranaje helicoidal de precisión CNC

Qué significa realmente la clase DIN en el eje de su máquina CNC

La clase de precisión DIN para engranajes helicoidales controla tres tolerancias geométricas independientes: error de un solo tono (la variación en el espaciado angular entre dientes adyacentes), error de tono total (la desviación de cualquier diente de su posición teóricamente perfecta alrededor de toda la circunferencia), y desviación del perfil dental (cuánto se desvía la forma real del flanco del diente de la evolvente teórica). Cada una afecta la calidad de la pieza mecanizada de manera diferente, y deben entenderse por separado, no agruparse como si “DIN7 fuera suficiente”.

El error de paso único produce una irregularidad en la velocidad angular del eje de salida una vez por cada engranaje de diente, con una frecuencia igual al número de dientes de la rueda helicoidal multiplicado por la velocidad de rotación de la rueda. En un paso de contorno del cuarto eje, esto se manifiesta como un patrón de textura superficial fino y repetitivo, a veces visible solo bajo luz rasante en el ángulo que capta la periodicidad de la superficie. Para una rueda de 60 dientes que gira a 0,5 RPM, esta textura se repite 30 veces por minuto en la superficie de la pieza. La norma DIN7 en M3 limita el error de paso único a aproximadamente 18 micrómetros; la norma DIN6 lo limita a 11 micrómetros. La diferencia es medible en la pieza mediante perfilometría de superficie.

El error de paso total determina la precisión con la que el eje puede regresar a la posición angular deseada tras una rotación completa. En un cabezal de indexación que gira para mecanizar 36 dientes de engranaje equidistantes, el error de paso total en la rueda helicoidal de indexación provoca directamente un espaciado desigual entre los dientes de cada engranaje producido en esa máquina. Por ello, las rectificadoras y talladoras de engranajes especifican como mínimo juegos de tornillos sin fin DIN6: el engranaje que se mecaniza hereda el error de paso total del accionamiento de indexación de la máquina, multiplicado por la ventaja mecánica del engranaje.

La desviación del perfil afecta la suavidad de la transmisión. Un diente de tornillo sin fin con una desviación excesiva del perfil produce una relación de velocidad variable durante cada engranaje: la rueda acelera y desacelera ligeramente a medida que el punto de contacto recorre el flanco del diente. Esta ondulación de velocidad genera vibraciones a la frecuencia de engranaje, razón por la cual algunos accionamientos de mesas giratorias producen un tono audible a ciertas revoluciones por minuto, incluso con engranajes nuevos.

Fabricación en nuestras instalaciones

El rectificado de roscas se realiza después de la carburización en todos los ejes sin fin DIN6 y DIN7. La carburización distorsiona la geometría de la rosca: los sinfines medidos antes y después del ciclo de tratamiento térmico muestran errores de avance de 3 a 5 veces mayores que el valor previo al tratamiento. El rectificado corrige esta distorsión. Los sinfines que se someten a tratamiento térmico pero no se rectifican posteriormente conservan toda la distorsión del tratamiento térmico durante su uso, razón por la cual muchas especificaciones DIN7 de catálogo de proveedores de bajo costo no resisten la verificación con CMM en la inspección de entrada.

Engranajes helicoidales dúplex: el problema del juego resuelto de forma permanente.

Un juego de engranajes helicoidales estándar tiene un espesor de diente fijo en ambos flancos de la rosca. La holgura se ajusta durante el montaje mediante la distancia entre los centros de los ejes del tornillo sin fin y la rueda. A medida que los dientes de bronce de la rueda se desgastan, la holgura aumenta y la holgura se incrementa; la única forma de corregirla es reemplazar el juego de engranajes. Para una mesa giratoria en un centro de mecanizado de producción, el reemplazo del juego de engranajes implica detener la máquina, desmontar la mesa giratoria, conseguir un juego de repuesto con una precisión de orificio H7, volver a montarla y revalidar la precisión del eje. Este proceso suele durar de 2 a 4 días y genera mayores pérdidas de producción que el propio juego de engranajes.

A gusano dúplex El tornillo sin fin (también llamado tornillo sin fin de doble paso) se fabrica con un paso ligeramente diferente en los flancos izquierdo y derecho de la rosca. Esto crea una condición en la que el grosor del diente aumenta continuamente de un extremo al otro del tornillo sin fin: la rosca es más gruesa en un extremo y más delgada en el otro. En la rueda helicoidal correspondiente, los diferentes perfiles de los flancos producen diferentes geometrías de espacio entre dientes en las caras frontal y posterior de cada diente de la rueda, pero la dimensión crítica (el grosor del diente de la rueda alrededor de la circunferencia) permanece constante. Esto significa que el tornillo sin fin se puede desplazar axialmente para que una sección más gruesa o más delgada engrane con la rueda, cerrando o abriendo el espacio de holgura sin cambiar la geometría del patrón de contacto ni la capacidad de carga.

En la práctica, el ajuste se realiza mediante un tornillo de ajuste axial o un conjunto de calces en la carcasa del cojinete del eje sin fin, un procedimiento de 15 minutos con herramientas manuales estándar, sin necesidad de desmontar la mesa giratoria de la máquina. Una ranura en V mecanizada en el diente de referencia del sinfín identifica la posición axial de juego cero. Partiendo de esta posición, el rango de ajuste suele extenderse ±0,8 mm de desplazamiento axial, lo que corresponde a un rango de ajuste de juego de aproximadamente 0 a 0,15 mm en el círculo primitivo, según la diferencia de avance especificada. Un conjunto dúplex bien mantenido en una mesa giratoria de producción puede reajustarse de 4 a 6 veces durante su vida útil antes de que los dientes de la rueda se desgasten más allá de su límite de diseño, multiplicando efectivamente la vida útil de precisión del conjunto de engranajes por ese factor.

Referencia de reemplazo para marcas comunes de componentes CNC

Las marcas comerciales que aparecen a continuación se utilizan únicamente para la identificación dimensional. Korea Ever-Power no mantiene ninguna relación comercial con estos fabricantes ni es distribuidor autorizado de ninguno de ellos. Todas las marcas registradas son propiedad de sus respectivos dueños.

Referencias de proyectos de clientes

Mecanizado industrial estándar frente a mecanizado de precisión CNC: ocho factores que los diferencian.

Para aplicaciones CNC que requieren una unidad de accionamiento completamente cerrada en lugar de componentes sueltos, se encuentran disponibles pares de precisión emparejados en carcasas selladas. Compacto reductores de engranajes helicoidales Para aplicaciones de ejes rotativos y accionamientos indexados, se encuentran disponibles conjuntos de engranajes de calidad CNC en los que una caja de engranajes lista para montar es la opción más práctica que un conjunto de engranajes sin carcasa integrado en una carcasa de máquina personalizada.

Preguntas frecuentes