Fabricación de alta precisión de roscas internas en tuercas y ejes de transmisiones de rosca planetaria
Las transmisiones de rosca planetaria – también conocidas como transmisiones planetarias de rodillos roscados (Planetary Roller Screws) – convierten movimientos rotatorios en movimientos lineales y se encuentran entre los elementos de accionamiento más eficientes de la tecnología moderna de fabricación. Sus tuercas requieren roscas internas con tolerancias en el rango de un solo dígito de micrómetros, con relaciones longitud‑diámetro de 7:1 a 8:1.
Esta combinación de precisión extrema y geometría desfavorable de la pieza representa un desafío significativo para los procesos de fabricación convencionales.
Para la producción en serie de estos componentes, EMAG ofrece soluciones de fabricación completas y coherentes: desde el torneado en suave, pasando por el torneado duro y el rectificado de las superficies externas, hasta el mecanizado final de la rosca interna.
Una transmisión de rosca planetaria está compuesta por tres componentes clave: el husillo (husillo roscado), los rodillos (rodillos roscados) y la tuerca (tuerca roscada). Los rodillos roscados están dispuestos entre el husillo y la tuerca y transmiten la fuerza motriz a través de varias líneas de contacto simultáneamente. En comparación con las transmisiones de rosca de bolas, las transmisiones roscadas planetarias ofrecen una capacidad de carga significativamente mayor con unas dimensiones más compactas, ya que la geometría de los rodillos genera una superficie de contacto mayor que los contactos de bolas.
Las transmisiones de rosca planetaria son especialmente relevantes en aplicaciones que requieren altas fuerzas en una construcción compacta. En robótica – especialmente en robots humanoides – sirven, por ejemplo, como elementos de accionamiento centrales en las articulaciones. En la industria automotriz se utilizan en sistemas de dirección asistida eléctrica (EPS) y, cada vez más, en sistemas de frenos electromecánicos (EMB). Otros campos de aplicación son las máquinas herramienta CNC, los actuadores aeroespaciales y los dispositivos médicos.
¿Por qué la tuerca es el componente más exigente en una transmisión de rosca planetaria?
La tuerca de una transmisión planetaria de rodillos roscados es el componente más crítico porque contiene la rosca interna de alta precisión en la que se desplazan los rodillos. Esta rosca interior debe fabricarse con la máxima precisión para garantizar un funcionamiento uniforme, una alta capacidad de carga y una larga vida útil de todo el sistema. En una transmisión planetaria de rosca inverso (invertido), estos requisitos son aún mayores: la relación longitud-diámetro de la tuerca suele ser de 5:1 a 8:1, combinada con una dureza del material de hasta 60 HRC después del tratamiento térmico. Esto complica enormemente el maquinado interno, la estabilidad del proceso y el control de tolerancias.
Una pieza típica – por ejemplo, una tuerca para aplicaciones de robótica – tiene una longitud total de aprox. 150 mm con un diámetro interior de aprox. 20 mm. La rugosidad superficial debe alcanzar Ra 0,4. Antes del tratamiento térmico, la dureza del material es de 26–32 HRC; después del endurecimiento aumenta a 60 HRC, en algunos casos hasta 65 HRC. Esta combinación de profundidad del taladro, alta dureza de la pieza y tolerancias muy estrechas (redondez ≤ 0,025 mm, excentricidad ≤ 0,025 mm) define todo el proceso de fabricación.
¿Cómo se ve la cadena completa del proceso de fabricación para tuercas de transmisiones de rosca planetaria?
| Operación | Denominación | Máquina | Descripción |
|---|---|---|---|
| OP 05 | Piezas en bruto/Entrada de material | - | Pieza en bruto forjada o semielaborado aserrado como material de partida |
| OP 10 | Torneado suave, lado 1 | VL 2 | Torneado de precisión del primer lado de la pieza: caras planas, diámetro externo, pre maquinado del orificio interno |
| OP 20 | Torneado suave, lado 2 | VL 2 | Cambio de sujeción y mecanizado del lado opuesto con la misma tecnología de máquina |
| OP 30 | Tratamiento térmico | - | Endurecimiento a 60 HRC para alcanzar la resistencia al desgaste requerida |
| OP 40 | Torneado duro + rectificado del diámetro externo | VTC 100 GT | Combinación de torneado duro y rectificado con CBN de todos los contornos externos en una sola sujeción |
| OP 50 | Mandrinado fino del orificio interno + pre torneado de la rosca interna | VTC 200 CD | Taladrado de precisión del orificio interno y torneado semiacabado de la rosca interna con herramienta guiada por ambos lados |
| OP 60 | Rectificado de la rosca interna | SU (EMAG SU) | Rectificado de acabado de la rosca interior a las dimensiones finales y con la calidad de la superficie requerid |
¿Cómo funciona el torneado suave de la tuerca del engrane planetario?
En los dos primeros pasos de mecanizado (OP 10 y OP 20), las piezas en bruto se mecanizan en dos tornos verticales EMAG VL 2. Las piezas se sujetan por el diámetro exterior y se toman automáticamente del almacén de piezas integrado mediante el sistema pick‑up, se mecanizan y se vuelven a depositar.
La estructura vertical ofrece una ventaja decisiva en taladros profundos: las virutas caen por gravedad hacia abajo, saliendo del taladro. En el mecanizado interior con una relación longitud-diámetro de 7:1, esto garantiza una evacuación confiable de las virutas y una alta seguridad del proceso; los tornos horizontales suelen tener problemas con este tipo de geometrías. El suministro de fluido de corte a través del husillo principal refuerza aún más el efecto positivo del diseño vertical.
¿Por qué se mecaniza el diámetro exterior en una máquina combinada de torneado y rectificado?
Después del tratamiento térmico (OP 30) a 60 HRC, la tuerca debe someterse a un mecanizado con precisión en el diámetro exterior para corregir la deformación provocada por el tratamiento térmico. Al mismo tiempo, estas superficies forman la base para los mecanizados posteriores. En la operación 40 se utiliza la EMAG VTC 100 GT, un torno vertical con husillo rectificador integrado que combina el torneado duro y el rectificado con CBN en una sola configuración.
La máquina cuenta, en el lado izquierdo, con una torreta de 8 posiciones (BMT 55) que, además de herramientas de torneado, también integra una pinza para la carga y descarga automática, así como un dispositivo de medición. En el lado derecho se encuentra un husillo rectificador CBN con una fuerza motriz de hasta 30 kW. Este concepto reemplaza en la práctica de tres a cuatro máquinas convencionales: la torreta se encarga del torneado duro de las caras planas, el roscado y el fresado de las características hexagonales, mientras que las superficies cilíndricas exteriores se rectifican en una sola pasada.
La pieza de trabajo se sujeta mediante un mandril expansivo en el diámetro interior y se apoya adicionalmente con una punta de contrapunto. De este modo se puede lograr una redondez óptima incluso en piezas largas.
¿Cómo se tornean las roscas internas en las tuercas de transmisiones de rosca planetaria?
El mecanizado de la rosca interna es el paso tecnológicamente más exigente en toda la cadena de proceso. En OP 50, la tuerca endurecida se mecaniza en la EMAG VTC 200 CD, un torno vertical con accionamiento central que se basa en la probada plataforma VT 4.
¿En qué consiste la transmisión central y por qué es decisiva para las roscas internas largas?
En tornos convencionales, la pieza se sujeta por un solo lado y la herramienta de barrenado o roscado se introduce libremente en el taladro. Con una relación longitud-diámetro de 7:1 o más, el largo saliente de la herramienta provoca condiciones de mecanizado inestables, lo que, entre otras cosas, puede provocar el desplazamiento de la herramienta. Esto provoca vibraciones, marcas de vibración y desviaciones geométricas. La velocidad de mecanizado debe reducirse drásticamente para lograr un resultado aceptable, con la consiguiente pérdida de vida útil de la herramienta y la productividad.
La VTC 200 CD resuelve este problema mediante una unidad central: en lugar de un husillo de trabajo y un contrapunto, un husillo hueco situado en el centro con dispositivo de sujeción integrado sujeta la pieza de trabajo por el centro. La barra de barrenado se introduce en el orificio de la pieza de trabajo mediante la torreta izquierda y, a continuación, se apoya en el extremo opuesto mediante la torreta derecha. De este modo, la herramienta queda sujeta por ambos lados. Comparable con el principio de una máquina de desbaste, donde la herramienta de desbaste está guiada por arriba y por abajo. Gracias a esta sujeción bilateral de la herramienta, se evita la desviación lateral.
Las vibraciones se reducen de manera efectiva, lo que permite trabajar con herramientas de roscado por perfil. El resultado es una rosca semiacabada precisa, con una tolerancia de mecanizado uniforme para el rectificado de acabado.
¿Qué papel desempeña la evacuación de virutas en el mecanizado interior de las transmisiones de rosca planetaria?
La evacuación de virutas es uno de los mayores retos en el mecanizado de taladros largos y profundos. Las virutas largas generadas durante el proceso de torneado de roscas internas pueden enrollarse alrededor de la herramienta, bloquear el espacio de mecanizado y, en el peor de los casos, dañar la pieza o la herramienta. En la fabricación de piezas individuales, este problema se puede resolver manualmente; en la producción en serie a gran escala, esto no es una opción.
El diseño vertical de las máquinas EMAG aprovechan la gravedad para facilitar la evacuación de virutas. Adicionalmente, el refrigerante se conduce a alta presión dentro del taladro. Este chorro de refrigerante transporta las virutas de manera confiable hacia abajo y fuera del taladro. En la operación en serie se demuestra: que la torreta permanece libre de acumulaciones de viruta y el proceso funciona sin interrupciones en operación continua.
¿Cómo se rectifica la rosca interna a dimensiones finales?
En la última etapa de mecanizado (OP 60), la rosca interna previamente torneada se termina de mecanizar en una rectificadora EMAG. El rectificado elimina el material restante y crea la geometría final de la rosca con la rugosidad superficial y la precisión de forma requeridas.
El rectificado de roscas internas garantiza la estabilidad del proceso en la producción en serie. Mientras que el pretorneado ya proporciona una buena aproximación al contorno final, el rectificado compensa las irregularidades restantes y garantiza que todos los pasos de rosca se encuentren dentro de las tolerancias requeridas. En la práctica, se alcanzan errores de paso inferiores a 2 µm entre los diferentes empalmes de rosca.
Solución integral de un único proveedor
EMAG ofrece toda la cadena de procesos para el mecanizado de transmisiones planetarias de roscas de un solo proveedor: desde el torneado suave, pasando por el torneado duro y el rectificado del diámetro exterior, hasta el acabado de la rosca interno.
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