Effect of temperature on the preload variation of double nut ball screws

Résumé

Los husillos a bolas de doble tuerca son accionamientos lineales utilizados principalmente en las Máquinas Herramienta, donde estos accionamientos se caracterizan por reunir buena robustez, velocidad y precisión. Los requerimientos de estas máquinas exigen cada vez mayores velocidades, manteniendo o incluso mejorando la precisión. En estas condiciones la precarga de los husillos es necesaria para garantizar una rigidez mínima y evitar el juego axial. La precarga es una fuerza inducida entre las dos tuercas con la que las bolas de ambas tuercas se encuentran siempre cargadas, influyendo a su vez en el comportamiento dinámico, fuerza axial máxima y vida de servicio. El aumento de las velocidades de avance exige mayores niveles de precarga y provoca mayor generación de calor, y como consecuencia, mayores deformaciones térmicas. Hasta la fecha, gran parte de los trabajos de investicación relacionados con las distorsiones térmicas se centran en estudiar la elongación axial del eje, sin embargo, recientes investigaciones han mostrado que el calentamiento en los husillos puede provocar variaciones considerables en la precarga. La presente tesis doctoral estudia el problema de la variación de la precarga debido al calentamiento en los husillos a bolas de doble tuerca precargados. Por un lado se estudia el problema desde un punto de vista experimental utilizando dos bancos de ensayo con diferentes configuraciones. Se ha medido experimentalmente la magnitud de la variación de la precarga ante diferentes condiciones de trabajo variando la precarga inicial y la velocidad lineal llegando a obtener variaciones de hasta 56.4\% sobre la precarga inicial una vez estabilizada la temperatura. Se analiza la evolución de la precarga inducida térmicamente para diferentes posiciones axiales y gradientes térmicos con lo que se demuestra que la variación de precarga es muy sensible al gradiente térmico entre tuercas y eje del husillo. Adicionalente, se ha realizado varios ensayos analizando parámetros como la distancia entre tuercas, tipo de lubricación, configuración de los apoyos o el material de la bolas. Con el objetivo de ahondar en los mecanísmos de la precarga inducida térmicamente, y como herramienta de diseño, se ha desarrollado y validado experimentalmente un modelo numérico para predecir el comportamiento termo-mecánico de estos husillos. El modelo está basado en el método de elementos finitos (MEF) y se compone de un modelo mecánico y otro térmico empleando geometría 3D, el cual es capaz de modelar la distribución de contactos helicoidales. Se utilizan diferentes estrategias de acoplamiento termomecánico y se plantea un sub-modelo termo-mecánico de las bolas mediante el método de capacidades concentradas. Se analiza la distribución de temperaturas así como la distribución de tensiones y deformaciones para posteriormente interpretar la distribución de fuerzas de contacto, donde se aprecia una variación el su distribución. Finalmente, se emplea el modelo para analizar la sensibilidad de varios parámetros geométricos típicamente utilizados en el dimensionamiento de los husillos, donde se obtiene que el ángulo de contacto y el ratio de conformidad son los parámetros más influyentes en la variación térmica de los husillos a bolas.