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

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

En estas aplicaciones también puede ser necesario un eje de rectificado o un eje de rueda, como extensión del husillo. Los ejes de 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 de la pieza de trabajo. Son altamente personalizables y presentan tolerancias estrictas, por lo que los ejes de las ruedas bien diseñados deben ser rígidos y estar bien equilibrados. Los ejes son uno de los componentes más básicos en la configuración de máquinas 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 comprenden su importancia, pocos son conscientes del impacto que puede tener un eje de rueda en la optimización del proceso de rectificado. Al intentar corregir un proceso de rectificado erróneo o simplemente buscar mejorar los resultados, la mayoría de los ingenieros reevaluarán 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 una 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 provocar marcas de vibración en la superficie de los materiales que se están moliendo. Una máquina más rígida permite velocidades de avance más altas, lo que lleva a tiempos de ciclo reducidos y una mayor estabilidad en la zona de rectificado. Esto puede aumentar la vida útil, la precisión y la productividad de las ruedas.

Hay dos tipos de rigidez para un componente de una 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 suele ser 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 muela. 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 rueda: material, diámetro y longitud.

Los ejes de las ruedas tienden a estar hechos de uno de tres materiales, según la aplicación:

A menudo, los ejes de rueda largos se asocian con el rectificado de diámetro interior, pero algunos procesos de rectificado de diámetro exterior y avance lento han comenzado a utilizar ejes extendidos para abordar los problemas de espacio libre. El rectificado de diámetro interior generalmente requiere la relación longitud-diámetro más larga. 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 exceder las de los abrasivos convencionales, la vida útil general de la rueda por pieza puede seguir siendo similar. Si la aplicación de refrigerante restringe la longitud optimizada del eje y/o el diámetro exterior, la entrega de refrigerante a través del husillo o del accesorio de pieza puede ayudar.

Los operadores experimentados y los ingenieros de fabricación saben que cuanto más corto sea el eje, mejor será el rectificado, pero les sorprenderá saber cuánto mejor. Si bien se podría pensar que un eje de 50 mm de largo es dos veces más 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 el ruido relacionado. La opción más sencilla y económica es intentar acortar los ejes de las ruedas. Es posible encontrar una solución alternativa y, en ocasiones, hay casos en los que se utiliza un cenador existente por conveniencia, cuando unos 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 longitud-diámetro máxima recomendada para un cenador es 5:1; una relación mayor que esa correrá el riesgo de alcanzar la frecuencia natural del eje antes de alcanzar las velocidades operativas de las ruedas. La mayor rigidez de un eje 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 vibración 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 sea el 50 por ciento del diámetro exterior puede aumentar la rigidez dinámica. Esto se logra reduciendo el peso en un 25 por ciento, lo que sólo reducirá la rigidez estática en un 10 por ciento.

Como último recurso, cambiar el material del eje puede mejorar la rigidez, pero esto puede resultar costoso y no lograr 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 las características de amortiguación reducidas del carburo pueden disminuir la rigidez dinámica hasta el punto de obtener poca ganancia neta sobre el eje de acero. Un material nuevo y más ligero, como la fibra de carbono/acero, podría ser una mejor opción, ya que aumentará la rigidez tanto estática como dinámica, aunque esta solución tiene un coste mayor. A medida que la longitud del eje aumenta hasta la proporción máxima recomendada de 5:1, el aumento de rigidez del material exótico disminuye.

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

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