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Cuando los ingenieros especifican husillos de bolas para máquinas de moldeo por inyección totalmente eléctricas, la mayor atención suele centrarse en el diámetro del husillo, el paso y el tipo de tuerca. Sin embargo, la configuración de los rodamientos de soporte en los extremos del husillo es igualmente crítica: determina la rigidez axial, la velocidad crítica, el comportamiento ante la dilatación térmica y, en última instancia, el rendimiento de posicionamiento de la máquina.
Una configuración inadecuada de rodamientos provoca vibraciones a altas velocidades, tensiones térmicas excesivas y fallos prematuros. Esta guía analiza las cuatro configuraciones estándar de soporte y explica cuál debe utilizarse en cada eje de una máquina de moldeo por inyección.
Por qué los rodamientos de soporte son fundamentales
Los husillos de bolas son ejes largos y esbeltos sometidos a cargas axiales. Sin un soporte adecuado en sus extremos, presentan dos problemas fundamentales:
1. Deformación axial bajo carga
Cuando el tornillo empuja o arrastra una carga, el propio eje se comprime o se estira elásticamente. Esto reduce directamente la precisión de posicionamiento. Los rodamientos de soporte deben resistir este movimiento axial con rigidez máxima.
2. Vibración lateral (giración) a alta velocidad
A medida que aumenta la velocidad de rotación del tornillo (RPM), las fuerzas centrífugas provocan que el eje se curve hacia afuera: un fenómeno denominado «giración del tornillo» o «giración del tornillo de bolas». En la velocidad crítica, la vibración se vuelve tan intensa que puede dañar la tuerca, los rodamientos y el propio eje del tornillo. El tipo y la distancia entre rodamientos de soporte determinan directamente la velocidad crítica.
En la inyección de plástico, ambos problemas son relevantes:
- Ejes de sujeción : Alta carga axial → la rigidez es crítica
- Ejes de inyección : Alta velocidad + carga moderada → importan tanto la rigidez como la velocidad crítica
- Ejes de expulsión : Velocidad media, baja carga → soluciones estándar rentables funcionan bien
Las cuatro configuraciones estándar de soporte
1. Fijo-Libre (en voladizo)
Descripción: Un extremo está soportado por un conjunto de rodamientos fijos (de contacto angular o axiales); el otro extremo no tiene ningún soporte.
Rigidez: Mínima: el husillo actúa como una viga en voladizo
Velocidad crítica: Mínima: solo aproximadamente el 15 % de la configuración fija-soportada
Dilatación térmica: El extremo libre permite la expansión sin restricciones
El coste: Mínima
Dónde se usa:
- Aplicaciones con recorrido muy corto
- Ejes verticales donde el husillo cuelga hacia abajo
- Aplicaciones de carga ligera y baja velocidad
Aplicación de moldeo por inyección:
Rara vez se utiliza en ejes principales. A veces se encuentra en pequeños ejes auxiliares, como el contacto de la boquilla en moldeadoras micro. No se recomienda para ningún eje principal.
2. Soportado–Soportado (simplemente soportado)
Descripción: Ambos extremos cuentan con rodamientos de soporte radial (rodamientos rígidos de bolas) que ubican el husillo radialmente, pero permiten flotación axial.
Rigidez: Bajo: sin restricción axial
Velocidad crítica: Moderado: ambos extremos soportados radialmente
Dilatación térmica: Ambos extremos pueden flotar axialmente, por lo que la expansión térmica es totalmente libre
El coste: Bajos
Dónde se usa:
- Ejes de transporte y transportadores
- Posicionamiento de baja precisión
- Aplicaciones en las que el crecimiento térmico es la preocupación principal
Aplicación de moldeo por inyección:
No adecuado para ejes de precisión. La ausencia total de rigidez axial impide una posición precisa.
3. Fijo-Apoyado (el más común)
Descripción: Un extremo tiene un conjunto de rodamientos fijos (rodamientos de contacto angular, montados en dúplex o tríplex) que resiste tanto cargas radiales como axiales. El extremo opuesto tiene un rodamiento de soporte radial simple que permite flotación axial.
Rigidez: Alta — el extremo fijo proporciona ubicación axial
Velocidad crítica: Alta — ambos extremos están soportados radialmente
Dilatación térmica: El extremo libre acomoda la expansión hacia el lado apoyado
El coste: Moderado
Dónde se usa:
- La mayoría de las aplicaciones generales de posicionamiento
- Ejes de velocidad media a alta
- Aplicaciones con variación significativa de temperatura
Aplicación de moldeo por inyección:
Esta es la configuración estándar para la mayoría de los ejes de inyección. El extremo fijo se monta en el lado del accionamiento/motor; el extremo soportado flota para acomodar la dilatación térmica. Esto equilibra la rigidez, la capacidad de velocidad y la gestión térmica.
4. Fijo-Fijo (ambos extremos rígidos)
Descripción: Ambos extremos cuentan con conjuntos de rodamientos fijos (rodamientos de contacto angular precargados entre sí), restringiendo completamente el tornillo axialmente en ambos extremos.
Rigidez: Máxima: la restricción axial en ambos extremos duplica la rigidez efectiva
Velocidad crítica: Máxima: hasta 4× mayor que en la configuración fijo-libre
Dilatación térmica: Totalmente restringido → la expansión térmica se convierte en tensión compresiva
El coste: Máxima: más rodamientos, ensamblaje más complejo, requiere ajuste de precarga
Dónde se usa:
- Herramientas de maquinado de ultraalta precisión
- Ejes de alta velocidad y alta aceleración
- Aplicaciones que exigen máxima rigidez
Aplicación de moldeo por inyección:
Usado en ejes de sujeción de alta precisión de grandes máquinas totalmente eléctricas donde la rigidez máxima es esencial. El compromiso es que la dilatación térmica queda restringida, generando fuerzas internas de compresión. Esto exige tornillos refrigerados, un control de temperatura muy estricto o un cálculo cuidadoso de la precarga de los rodamientos para evitar sobrecargas.
Selección de configuración según el eje de moldeo por inyección
Eje de cierre
Recomendado: fijo-apoyado (estándar) o fijo-fijo (alta precisión)
El eje de sujeción soporta la carga axial más elevada y requiere máxima rigidez para evitar rebabas en el molde y desajustes en la línea de separación.
-
Máquinas estándar → fijo-apoyado: Rigidez suficiente para la mayoría de las aplicaciones de sujeción. La dilatación térmica debida a altas tasas de ciclo se absorbe en el extremo apoyado. Esta es la configuración más común en máquinas de hasta ~350 toneladas.
-
Máquinas grandes / de alta precisión → fijo-fijo: Para máquinas de más de 500 toneladas o aquellas que producen piezas de ultra precisión, la configuración fija-fija ofrece la máxima rigidez axial. El tornillo está completamente restringido en ambos extremos, eliminando cualquier juego axial. Esta configuración casi siempre requiere un diseño de tornillo refrigerado para gestionar la dilatación térmica, ya que la expansión no puede aliviarse mediante un extremo flotante.
Eje de inyección
Recomendado: fijo-soportado
El eje de inyección necesita tanto alta velocidad (para una inyección rápida) como buena precisión de posicionamiento (para garantizar la consistencia del peso de la dosis).
- Extremo fijo en el lado del motor / accionamiento
- Extremo soportado en el lado del émbolo de inyección
- La dilatación térmica se extiende hacia la parte frontal del cilindro, lo cual es aceptable porque la posición final de inyección la controla el codificador servo en el extremo fijo
La configuración fijo-soportado ofrece una excelente velocidad crítica para carreras rápidas de inyección, al tiempo que permite absorber la expansión térmica en el extremo no accionado. Esta es la norma universal para los ejes de inyección en máquinas de todos los tamaños.
Eje eyector
Recomendado: fijo-soportado
Los ejes de expulsión funcionan a velocidades y cargas moderadas. La configuración fija-soportada ofrece rigidez y capacidad de velocidad más que suficientes.
- Extremo fijo en el lado del accionamiento
- Extremo soportado en el lado de la placa de expulsión
- La dilatación térmica es mínima debido al ciclo de trabajo reducido
Algunas máquinas más pequeñas utilizan la configuración soportada-soportada por razones de costo en los ejes de expulsión, pero no se recomienda para aplicaciones de expulsión de alta precisión.
Desplazamiento de la unidad de inyección
Recomendado: soportada-soportada o fija-soportada
El contacto de la boquilla / desplazamiento de la unidad de inyección tiene los requisitos de precisión más bajos de todos los ejes. La configuración soportada-soportada es adecuada y rentable. Las máquinas de gama alta emplean la configuración fija-soportada para lograr una repetibilidad ligeramente mejor del contacto con la boquilla.
Tipos de rodamientos utilizados en cada configuración
Rodamientos del extremo fijo
El extremo fijo debe resistir tanto las cargas radiales como las axiales en ambas direcciones. La solución estándar es rodamientos de bolas de contacto angular dúplex montados cara a cara (DF) o espalda con espalda (DB).
- Montaje DF (cara a cara) : Bueno para tolerar desalineaciones, menor rigidez a momentos
- Montaje DB (espalda con espalda) : Mayor rigidez a momentos, mejor para operación a alta velocidad
- Conjuntos tríplex (dos más uno) : Se utilizan para cargas axiales muy altas, comunes en ejes de sujeción grandes
Los rodamientos de contacto angular normalmente se precargan en fábrica para eliminar el juego interno y maximizar la rigidez. Las clases comunes de precarga son ligera, media y fuerte, adaptadas a los requisitos de carga de la aplicación.
Cojinetes de extremo soportados
El extremo soportado solo requiere ubicación radial; se necesita flotación axial. Rodamientos de bolas de carril profundo son la opción estándar. Soportan bien las cargas radiales y permiten que el eje del tornillo se deslice axialmente a través del anillo interior del cojinete conforme se expande térmicamente.
Algunos cojinetes de extremo soportado utilizan un diseño de rodamiento de rodillos cilíndricos para una mayor capacidad de carga radial, pero los rodamientos de bolas de ranura profunda son, con mucho, los más comunes en las máquinas de moldeo por inyección.
Velocidad crítica: por qué la configuración es importante
La velocidad crítica es la velocidad de rotación (RPM) a la cual el tornillo comienza a resonar lateralmente (girar). Operar a la velocidad crítica o cerca de ella provoca vibraciones severas, ruido y desgaste acelerado.
La fórmula para la velocidad crítica depende en gran medida de la configuración de soporte:
tabla
| Configuración | Factor de velocidad crítica | En relación con fijo-libre |
|---|---|---|
| Fijo-Libre | 1.0× | Línea base |
| Soportado-soportado | 3.7× | 3,7× mayor |
| Fijo-Suportado | 4.5× | 4,5× mayor |
| Fijo-Fijo | 6.0× | 6,0× mayor |
Para un tornillo de 40 mm de diámetro y 1.500 mm de longitud:
- Empotrado-libre → ~800 rpm (demasiado lento para la inyección)
- Empotrado-apoyado → ~3.600 rpm (adecuado para la mayoría de los ejes de inyección)
- Empotrado-empotrado → ~4.800 rpm (máquinas de empaque de alta velocidad)
Por eso, la configuración empotrado-apoyado es la configuración mínima aceptable para los ejes de inyección: cualquier otra configuración inferior simplemente no puede alcanzar las velocidades requeridas sin vibraciones peligrosas.
Dilatación térmica y diseño de rodamientos
La expansión térmica es una consideración fundamental en la selección de la configuración de rodamientos.
Comportamiento térmico con soporte fijo:
El husillo se dilata hacia el extremo soportado, que cuenta con un rodamiento flotante. No se genera esfuerzo adicional. Este comportamiento es térmicamente estable y tolerante.
Comportamiento térmico con ambos extremos fijos:
Ambos extremos están restringidos, por lo que la dilatación térmica genera una fuerza axial de compresión en el husillo. Esta fuerza se suma a la precarga de los rodamientos y puede:
- Sobrecargar los rodamientos, reduciendo su vida útil
- Provocar una ligera flexión del husillo, disminuyendo la precisión
- Incrementar la fricción y la generación de calor
Soluciones para los problemas térmicos en configuraciones con ambos extremos fijos:
- Husillos refrigerados — eje hueco con refrigerante circulante que mantiene una temperatura constante
- Cálculo preciso de la precarga — establecer una precarga inicial de los rodamientos lo suficientemente baja para que la dilatación térmica no supere los límites seguros
- Un extremo semifijo — un compromiso en el que un extremo presenta flotación axial limitada mediante rodamientos con muelles
Consejos prácticos para la instalación
-
La alineación es crítica La desalineación entre el eje del husillo y los asientos de los rodamientos provoca atascamiento, fricción excesiva y fallo prematuro de los rodamientos. Utilice herramientas de alineación de precisión durante la instalación.
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La precarga de los rodamientos debe ser correcta Los rodamientos con precarga insuficiente presentan juego interno → holgura y rigidez reducida. Los rodamientos con precarga excesiva se calientan demasiado y se desgastan rápidamente. Siempre siga las especificaciones del fabricante respecto al par de apriete.
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Las tuercas de fijación deben asegurarse correctamente La tuerca de fijación del eje que establece la precarga de los rodamientos debe bloquearse con un tornillo de fijación o una chapa de bloqueo. Las vibraciones generadas durante el funcionamiento de la máquina pueden aflojar las tuercas de fijación mal aseguradas, provocando una pérdida catastrófica de la precarga.
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Sellado adecuado contra la contaminación Las fábricas de moldeo por inyección generan polvo plástico, niebla de aceite y agua de refrigeración. Las juntas de los rodamientos deben estar clasificadas para ese entorno. Considere agregar sellos laberínticos externos o cubiertas para una protección adicional.
-
Lubricación correcta Los rodamientos de soporte requieren grasa adecuada: ni demasiada (la agitación genera calor) ni demasiado poca (el contacto metálico causa desgaste). Siga la cantidad de grasa recomendada por el fabricante y el intervalo de reengrase.
Conclusión
La configuración de los rodamientos de soporte del tornillo de bolas es una decisión de ingeniería fundamental que afecta la rigidez, la capacidad de velocidad, el comportamiento térmico y la vida útil de cada eje en una máquina de moldeo por inyección totalmente eléctrica.
Referencia rápida para el moldeo por inyección:
- Eje de cierre : Fijo-soportado (estándar) o fijo-fijo (alta precisión / alta tonelada)
- Eje de inyección : Fijo-soportado (estándar universal)
- Eje eyector : Fijo-apoyado
- Contacto de la boquilla : Apoyado-apoyado (economía) o fijo-apoyado (precisión)
Comprender los compromisos entre rigidez, velocidad crítica, gestión térmica y costo permite a los fabricantes de máquinas y a los equipos de mantenimiento tomar la decisión adecuada para cada aplicación. Y para los moldeadores que solucionan problemas de vibración o de precisión, comprobar el estado y la configuración de los rodamientos de soporte debe ser uno de los primeros pasos diagnósticos.
