Husillo de avance

Un husillo (o tornillo de avance ), también conocido como tornillo de potencia ^[1] o tornillo de traslación , ^[2] es un tornillo utilizado como enlace 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 tornillo tienen mayores pérdidas de energía por fricción en comparación con otros enlaces. No se utilizan típicamente para transportar alta potencia, sino más bien para uso intermitente en mecanismos de actuadores y posicionadores 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 roscados se fabrican de la misma manera que otras formas de rosca: pueden laminarse, cortarse o rectificarse .

A veces se utiliza un husillo con una tuerca partida (también llamada media tuerca) que permite desenganchar la tuerca de las roscas y moverla 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, 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 vínculos de movimiento lineal. ^[4]

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

Las roscas en V son menos adecuadas para husillos que otras como las Acme porque tienen más fricción entre las roscas. Sus roscas están diseñadas para inducir esta fricción para 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 husillos. Sin embargo, las roscas en V a veces se utilizan con éxito como husillos, por ejemplo, en microtornos y microfresadoras. ^[6]

Las roscas cuadradas reciben su nombre por su geometría cuadrada. Son las más eficientes , ya que tienen la menor fricción , por lo que se suelen utilizar para tornillos que transportan mucha potencia; sin embargo, también son las más difíciles de mecanizar y, por lo tanto, las más caras.

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. ^[3] 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.

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

Las ventajas de un husillo son: ^[2]

• Gran capacidad de carga
• Compacidad
• Sencillez 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 accionar hacia atrás)

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

Las alternativas al accionamiento por husillo incluyen:

• Tornillos de bolas y tornillos de rodillos (a veces clasificados como tipos de husillo de avance en lugar de como contraposición)
• Energía fluida (es decir, hidráulica y neumática )
• Trenes de engranajes (por ejemplo, transmisiones por tornillo sin fin , transmisiones por piñón y cremallera )
• Actuación electromagnética (por ejemplo, solenoides )
• Actuación piezoeléctrica

El par necesario para levantar o bajar una carga se puede calcular "desenrollando" una revolución de una rosca. Esto se describe más fácilmente para una rosca cuadrada o de refuerzo, ya que el ángulo de la rosca es 0 y no tiene relación con los cálculos. La rosca desenrollada forma un triángulo rectángulo donde la base es larga y la altura es el avance (en la imagen 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 fuerza de "esfuerzo" imaginaria actúa horizontalmente en la 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]}${\displaystyle \pi d_{\text{m}}}$

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

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

dónde

• ${\displaystyle T}$= 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

Según la ecuación, se puede determinar que el tornillo es autoblocante 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 bajará bajo el peso de la carga. ^[8]${\displaystyle T_{\text{lower}}}$${\displaystyle \phi >\lambda }$

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

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

En el caso de 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 ecuaciones siguientes tienen esto en cuenta: ^{[12] [14]}

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

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

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

Si el husillo tiene un collar sobre el que se apoya la carga, entonces las fuerzas de fricción entre la interfaz también deben tenerse en cuenta en los cálculos de torque. Para la siguiente ecuación, se supone que la carga se concentra en el diámetro medio del collar ( ): ^[12]${\displaystyle d_{\text{c}}}$

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

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

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

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

Coeficiente de fricción para collarines de empuje ^[15]

Combinación de materiales	A partir de${\displaystyle \mu _{\text{c}}}$	Correr${\displaystyle \mu _{\text{c}}}$
Acero dulce / 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

La velocidad de funcionamiento de un husillo (o de un husillo de bolas) suele estar limitada, como máximo, al 80 % de la velocidad crítica calculada . La velocidad crítica es la velocidad que excita la frecuencia natural del husillo. En el caso de un husillo de acero o de un husillo de bolas de acero, la velocidad crítica es aproximadamente ^[18]

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

dónde

• ${\displaystyle N}$= 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 simples
• ${\displaystyle C}$= 1,47 para un extremo fijo, un extremo simple
• ${\displaystyle C}$= 2,23 para ambos extremos fijos

Alternativamente, utilizando unidades métricas: ^[19]

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

donde las variables son idénticas a las anteriores, pero los valores están en milímetros y son los siguientes:${\displaystyle C}$

• ${\displaystyle C}$= 3,9 para apoyos fijos-libres ^[20]
• ${\displaystyle C}$= 12,1 para ambos extremos admitidos
• ${\displaystyle C}$ = 18,7 para estructura con soporte fijo
• ${\displaystyle C}$= 27,2 para ambos extremos fijos

• Tornillo de bola
• Tornillo de ajuste fino
• Tornillo de elevación

• Bhandari, VB (2007), Diseño de elementos de máquinas, Tata McGraw-Hill, ISBN 978-0-07-061141-2.
• Martin, Joe (2004), Mecanizado de sobremesa: un enfoque básico para fabricar piezas pequeñas en máquinas herramienta en miniatura , Vista, California, EE. UU.: Sherline, Inc., ISBN 978-0-9665433-0-8Publicado originalmente en 1998; el contenido se actualiza 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 (7.ª ed.), McGraw Hill, ISBN 978-0-07-252036-1.