Cómo los ejes de las ruedas afectan el rendimiento de la amoladora

Jan 27, 2024

Las operaciones de rectificado de precisión cubren todas las aplicaciones que requieren dimensiones con tolerancias estrictas y requisitos de acabado superficial de Ra bajo, incluido el rectificado externo cilíndrico (OD), rectificado interno (ID), rectificado superficial y rectificado de avance lento. Las muelas para estas operaciones suelen ser muelas abrasivas convencionales de óxido de aluminio o cerámica de diferentes formas y tamaños, pero también se pueden utilizar muelas abrasivas de diamante y cBN, dependiendo de la aplicación.

En estas aplicaciones, también se puede necesitar una caña de esmeril o un eje de rueda, como una extensión del husillo. Los ejes de las ruedas permiten una mayor flexibilidad en la configuración de la máquina, lo que a menudo aumenta la capacidad de las ruedas para alcanzar diferentes características en la pieza de trabajo. Son altamente personalizables y cuentan con tolerancias estrictas, por lo que los ejes de rueda bien diseñados deben ser rígidos y estar bien equilibrados. Los ejes son uno de los componentes más básicos en la configuración de las rectificadoras de precisión y, cuando se diseñan correctamente, pueden resultar una solución rentable para mejorar el rendimiento del rectificado de precisión.

Si bien la mayoría de los ingenieros entienden su importancia, pocos son conscientes del impacto que puede tener un eje de rueda en la optimización del proceso de rectificado. Cuando intentan corregir un proceso de rectificado erróneo o simplemente buscan mejorar los resultados, la mayoría de los ingenieros volverán a evaluar las velocidades, el rendimiento, las ruedas y los materiales. En muchas aplicaciones más nuevas, el eje de la rueda es una fuente de vibración que a menudo se pasa por alto y que podría contribuir a la mala calidad de la pieza de trabajo. Este artículo ilustra cómo los ejes de las ruedas pueden afectar el rendimiento de una amoladora de precisión y qué pasos se pueden tomar para realizar mejoras.

En aplicaciones de rectificado de precisión, la rigidez de la máquina es esencial para un rendimiento y resultados óptimos. Una rigidez insuficiente puede dar como resultado marcas de vibración en la superficie de los materiales que se están moliendo. Una máquina más rígida permite velocidades de alimentación más altas, lo que reduce los tiempos de ciclo y mejora la estabilidad en la zona de molienda. Esto puede conducir a una mayor vida útil, precisión y productividad de la rueda.

Hay dos tipos de rigidez para un componente de máquina. La rigidez estática se calcula en N/mm y describe la rigidez del componente bajo cargas casi estáticas. La rigidez dinámica, también calculada en N/mm, relaciona la rigidez con los efectos de la amortiguación y la masa, y normalmente es mínima en la frecuencia natural o en el modo de vibración más débil. Este resultado es típicamente ¼-½ de la rigidez estática.

Los componentes principales que impulsan la rigidez del sistema de rectificado son la máquina, la pieza, el accesorio y la rueda. Pero el sistema es tan rígido como su componente más débil, y debido a que en algunos procesos de rectificado el eje de la rueda debe ser más largo para alcanzar las características de la pieza de trabajo, tiende a ser el eslabón más débil. Hay tres factores principales de rendimiento del eje de la rueda: material, diámetro y longitud.

Los ejes de las ruedas tienden a fabricarse con uno de estos tres materiales, según la aplicación:

A menudo, los árboles de rueda largos se asocian con el rectificado de diámetro interno, pero algunos procesos de rectificado de diámetro exterior y avance lento han comenzado a utilizar árboles extendidos para abordar los problemas de holgura. El esmerilado de ID generalmente requiere la mayor relación de longitud a diámetro. Dependiendo de las holguras de las piezas, el uso de ruedas superabrasivas de menor diámetro permite el uso de ejes de mayor diámetro. Y debido a que las tasas de desgaste y la vida útil de las ruedas superabrasivas tienden a superar las de los abrasivos convencionales, la vida útil general de la rueda por pieza puede permanecer similar. Si la aplicación de refrigerante restringe la longitud optimizada del eje y/o el diámetro exterior, el suministro de refrigerante a través del husillo o del accesorio de la pieza puede ayudar.

Los operadores experimentados y los ingenieros de fabricación saben que cuanto más corto es el eje, mejor es el rectificado, pero se sorprenderán al saber cuánto mejor. Mientras que uno podría pensar que un eje de 50 mm de largo es el doble de rígido que uno de 100 mm, de hecho, la rigidez del eje de la rueda cambia exponencialmente con la longitud o el diámetro exterior. Aumentar el diámetro exterior del eje en un 10 por ciento aumentará la rigidez estática en un 46 por ciento y reducir la longitud en un 10 por ciento aumentará la rigidez estática en un 37 por ciento. Un eje de acero con un eje de 25 mm de diámetro y 100 mm de largo tiene una rigidez estática de 12 000 N/mm, un eje de 50 mm de largo = 96 000 N/mm, lo que significa que el eje más corto es ocho veces más rígido.

Hay tres opciones para reducir los problemas de rigidez del eje de la rueda y la vibración relacionada. La opción más fácil y rentable es intentar acortar los ejes de las ruedas. Puede ser posible una solución alternativa y, ocasionalmente, hay casos en los que se usa un eje existente por conveniencia cuando los más cortos serían más óptimos. El cálculo de la rigidez y las longitudes requeridas del eje puede ayudar a garantizar que se utilicen ejes del tamaño correcto.

La relación máxima recomendada entre la longitud y el diámetro de un eje es de 5:1; una relación mayor que eso correrá el riesgo de alcanzar la frecuencia natural del eje antes de alcanzar las velocidades de operación de la rueda. La mayor rigidez de un árbol más corto reduce la posibilidad de que la frecuencia natural de la máquina se acerque a la velocidad del husillo, lo que hace que sea menos probable que se produzca una vibración de frecuencia natural, que se manifiesta como vibraciones en la pieza de trabajo.

Reducir el peso del eje también cambiará la frecuencia de la rigidez dinámica, pero esto puede ser más problemático. Si el objetivo es cambiar la frecuencia natural sin alterar el tamaño exterior, perforar un agujero en el centro del eje que es el 50 por ciento del OD puede aumentar la rigidez dinámica. Esto se logra reduciendo el peso en un 25 por ciento, lo que solo reducirá la rigidez estática en un 10 por ciento.

Como último recurso, cambiar el material del eje puede mejorar la rigidez, pero esto puede ser costoso y es posible que no logre los resultados requeridos. Por ejemplo, cambiar los ejes de las ruedas de acero a carburo aumenta la rigidez estática hasta tres veces; sin embargo, el aumento de peso y la reducción de las características de amortiguación del carburo pueden disminuir la rigidez dinámica hasta el punto de una pequeña ganancia neta sobre el eje de acero. Un material nuevo y más liviano, como fibra de carbono/acero, podría ser una mejor opción, ya que aumentará la rigidez tanto estática como dinámica, pero esta solución tiene un costo más alto. A medida que la longitud del árbol aumenta hasta la relación máxima recomendada de 5:1, la mayor rigidez del material exótico disminuye.

Optimizar la relación entre la longitud y el diámetro del eje de molienda es uno de los pocos cambios que un usuario final puede realizar en una rectificadora que aumenta la rigidez estática y dinámica y mejora el rendimiento de molienda a un costo relativamente bajo.

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