Systèmes de retour de billes, sélection de vis à billes et lubrification de vis à billes.

La spécification de la bonne vis à billes pour une application donnée garantira la précision, la répétabilité et la durée de vie de la machine tout en minimisant le coût total de possession.

Une vis à billes transforme un mouvement rotatif en mouvement linéaire ou inversement et peut appliquer ou supporter des charges de poussée élevées (capacité statique supérieure à 340 000 kg avec une vis à billes de Ø 15 200 mm) avec un rendement généralement supérieur à 90 %. Les vis à billes permettent de guider, de soutenir, de localiser et de déplacer avec précision des composants et des produits dans diverses applications d'automatisation.

Une vis à billes est composée d'une vis à billes et d'un écrou à billes avec roulements à recirculation de billes. L'interface entre la vis et l'écrou est assurée par des roulements à billes qui s'adaptent aux formes de la vis et de l'écrou. La charge sur la vis à billes est répartie sur un grand nombre de roulements, de sorte que chaque bille est soumise à une charge relativement faible. Grâce à ses éléments roulants, la vis à billes présente un très faible coefficient de frottement, gage d'un rendement mécanique élevé.

La principale différence entre les vis à billes et les vis mères réside dans l'utilisation de roulements à billes à recirculation pour minimiser les frottements et maximiser l'efficacité. Les vis à billes sont plus chères que les vis mères, mais leur capacité à supporter des charges élevées, à atteindre des vitesses élevées et à offrir une durée de vie prévisible justifie largement leur surcoût pour de nombreuses applications.

Les vis à billes offrent généralement un rendement mécanique supérieur à 90 %, leur coût étant souvent compensé par une consommation énergétique réduite. Leur capacité de charge accrue, leur durée de vie prolongée et leur fiabilité prévisible constituent des avantages par rapport aux vis mères.

Répétabilité et précision

La précision mesure la proximité d'un système de mouvement avec une position de consigne et se définit comme l'erreur maximale entre la position attendue et la position réelle. La répétabilité se définit comme la capacité d'un système de positionnement à revenir à une position donnée en cours de fonctionnement. Les vis à billes offrent une excellente répétabilité (le jeu dépend du diamètre du roulement à billes, mais se situe généralement entre 0,005 et 0,015 po) et une précision (± 0,004 po/pi pour les vis à billes de précision et ± 0,0005 po/pi pour les vis à billes de précision plus).

La précision du pas est la mesure la plus courante de la précision des vis à billes. Le pas désigne la distance parcourue par un écrou à billes fixe lors d'un tour de vis de 360°. La précision du pas est mesurée par la variation de course admissible (position réelle par rapport à la position théorique) par pied ou par 300 mm. Les vis à billes sont proposées en nuances Précision Plus et Transport, la nuance Précision Plus permettant de contrôler étroitement l'accumulation d'erreurs de pas sur toute la course.

Le jeu est le mouvement libre entre l'écrou et la vis, et peut être mesuré axialement et radialement. La meilleure façon de mesurer le jeu axial est de bloquer la vis et de pousser et tirer axialement l'écrou à billes tout en mesurant son déplacement à l'aide d'un comparateur. On peut également mesurer le jeu en plaçant un comparateur à cadran sur l'écrou à billes du système et en le déplaçant de 2,5 cm vers l'avant et vers l'arrière jusqu'à sa position initiale. L'écart par rapport à zéro est le jeu. La répétabilité est simplement la valeur quantitative du jeu d'une vis à billes.

Un écrou à billes non préchargé présente des jeux internes entre ses composants, ce qui entraîne un jeu. Un écrou à billes préchargé n'a pas de jeu axial, ce qui élimine le jeu et augmente la rigidité. La précharge augmente également le couple requis pour tourner la vis et se mesure par le pourcentage de précharge par rapport à la capacité dynamique (un écrou à billes d'une capacité dynamique de 1 500 lb et d'une précharge nominale de 10 % présente une précharge interne de 150 lb). Les vis à billes à filetage de précision sont généralement utilisées sans précharge. La précharge d'une vis à billes améliore la répétabilité en supprimant le jeu, mais n'affecte pas la précision.

Les écrous à billes préchargés sont disponibles sur les vis Precision Plus et certains produits de vis de précision. Leur coût est plus élevé que celui des écrous non préchargés en raison de leur complexité, de l'usinage, de l'assemblage et des vérifications/mesures supplémentaires. Les assemblages de vis à billes peuvent être préchargés avec des configurations d'écrou simple ou double. Il existe trois principaux types de précharge : l'écrou simple à billes surdimensionnées (4 points de contact), l'écrou simple à pas de vis (2 points de contact) et l'écrou double (2 points de contact). La précharge d'un écrou simple permet de conserver un encombrement minimal tout en conservant la pleine capacité de charge. Les écrous à billes à pas de vis ont une capacité deux fois inférieure à celle des écrous simples de taille similaire, car seule la moitié des billes est chargée dans chaque direction. Les assemblages à double écrou préchargé ont la même capacité de charge qu'un écrou simple, car un seul écrou à billes est chargé dans chaque direction.

Il existe de nombreuses méthodes de fabrication de vis à billes, généralement classées en deux catégories : précision et précision plus. La bague d'une vis à billes à filetage de précision est formée par laminage à froid. L'écrou est usiné pour correspondre aux performances de la vis. Cette méthode offre une précision modérée, de l'ordre de ±0,004 po/pi de pas sur les vis de la série transport en pouces. La vis et l'écrou des vis à billes à filetage précision plus sont fabriqués par rectification de précision. Les vis à billes à filetage précision plus offrent une précision bien supérieure, de ±0,0005 po/pi de pas sur les vis de la série précision plus en pouces. Le coût des vis à billes à filetage précision plus est plus élevé que celui des vis de précision en raison de leur temps de fabrication plus long.

Systèmes de retour de balle

Trois types de systèmes de retour à billes sont couramment utilisés. Les tubes de retour externes, généralement utilisés pour les vis à pas de 1/4 pouce, sont économiques et faciles à installer, à entretenir et à réparer. Les systèmes de retour à bouton interne sont généralement utilisés sur les vis à faible pas. Compacts, ils ne présentent aucune protubérance radiale externe susceptible de compliquer le montage et offrent moins de bruit et de vibrations que les retours externes. Les systèmes de retour à bouton interne sont souvent utilisés dans les assemblages à 4 points de contact, à écrou simple et à précharge. Les retours à embout interne sont généralement utilisés sur les vis à pas élevé. Compacts, ils ne présentent aucune protubérance radiale externe susceptible de compliquer le montage. Leur bruit et leurs vibrations sont également plus faibles que ceux des retours externes.

Sélection de vis à billes

La sélection de la vis à billes offrant la capacité de charge et la durée de vie requises pour une application spécifique repose sur un processus itératif. La charge de conception, l'orientation du système, la course, la durée de vie et la vitesse requises permettent de déterminer le diamètre et le pas de la vis à billes. Chaque composant de la vis à billes est ensuite sélectionné en fonction des exigences de précision et de répétabilité, des contraintes dimensionnelles, de la configuration de montage, de la puissance disponible et des conditions environnementales.

Commencez par déterminer la précision de positionnement et la répétabilité requises par l'application. Les vis à billes en pouces sont produites en deux classes principales : Transport et Précision Plus. Les vis à billes de classe Transport sont utilisées dans les applications nécessitant un mouvement approximatif ou utilisant un retour linéaire pour le positionnement. Les vis à billes de classe Précision Plus sont utilisées lorsqu'un positionnement précis et répétable est essentiel. Les vis de classe Transport permettent une plus grande variation cumulative sur toute la longueur utile de la vis. Les vis de classe Précision Plus accumulent l'erreur de pas pour un positionnement précis sur toute la longueur utile de la vis.

Déterminez le mode de montage de la vis à billes sur la machine. La configuration des supports d'extrémité et la course détermineront les limites de charge et de vitesse de la vis à billes.

Une vis à billes en traction peut supporter des charges allant jusqu'à la capacité nominale de l'écrou. Pour un écrou à billes en compression, utilisez un tableau de compression-charge disponible auprès du fabricant afin de sélectionner un diamètre de vis à billes égal ou supérieur à la charge de conception. Par exemple, toutes les vis dont les courbes passent par ou au-dessus et à droite du point tracé conviennent à l'application suivante. Les charges de compression appropriées indiquées dans ce graphique ne doivent pas dépasser la capacité de charge statique maximale indiquée dans le tableau de charge nominale de l'assemblage d'écrou à billes individuel. Ainsi, pour une longueur de 85 po (2 159 mm), une charge système de 30 000 lb (133 500 N) et une fixation d'extrémité (une extrémité fixe et l'autre supportée), la sélection minimale est une vis à billes de précision de 1,750 x 0,200 pouce.

Calculez le pas de la vis à billes qui produira la vitesse requise à l'aide de la formule suivante.

Avance (po) = Vitesse de déplacement (po min-1)/tr/min

Déterminer la durée de vie de l'application

La durée de vie de l'assemblage peut être calculée à partir de la charge dynamique nominale spécifiée pour chaque écrou à billes. Tous les écrous à billes dont la courbe passe par ou est supérieure au point tracé conviennent à cet exemple. Les durées de vie indiquées dans ce graphique ne doivent pas dépasser la capacité de charge statique maximale indiquée dans le tableau des valeurs nominales de chaque assemblage d'écrou à billes. Dans cet exemple, la durée de vie souhaitée (course totale) est de 50,8 millions de mm (2 millions de pouces). La charge maximale en fonctionnement normal est donc de 44 500 N (10 000 lb).

Détermination de la vitesse critique de la vis

La vitesse critique de la vis est la condition dans laquelle la vitesse de rotation de l'assemblage génère des vibrations harmoniques. Elle dépend du diamètre du pied de vis, de sa longueur sans support et de la configuration du support d'extrémité. Dans la plupart des tableaux des fabricants, toutes les vis dont les courbes passent par ou au-dessus et à droite du point tracé conviennent à l'exemple suivant. Les quatre schémas de fixation des extrémités illustrent les configurations de roulements supportant un arbre en rotation, et le tableau illustre l'effet de ces conditions sur la vitesse critique de l'arbre pour la longueur de vis sans support. Les vitesses acceptables indiquées par ce graphique s'appliquent à l'arbre de vis sélectionné et ne sont pas indicatives des vitesses atteignables avec tous les assemblages d'écrous à billes associés.

Si les calculs de charge, de durée de vie et de vitesse confirment que la vis à billes sélectionnée satisfait ou dépasse les exigences de conception, passez à l'étape suivante. Dans le cas contraire, des vis de plus grand diamètre augmenteront la capacité de charge et la vitesse nominale. Des pas plus petits diminueront la vitesse linéaire (à vitesse d'entrée constante du moteur), augmenteront la vitesse du moteur (à vitesse linéaire constante) et diminueront le couple d'entrée requis. Des pas plus grands augmenteront la vitesse linéaire (à vitesse d'entrée constante du moteur), diminueront la vitesse du moteur (à vitesse linéaire constante) et augmenteront le couple d'entrée requis.

Déterminer l'interface entre l'écrou à billes et l'application. Une bride d'écrou à billes est la méthode courante pour fixer l'écrou à billes à la charge. Les écrous à billes filetés et cylindriques constituent d'autres solutions pour assurer cette interface.

Les écrous à billes préchargés éliminent le jeu du système et augmentent la rigidité. Les kits de racleurs protègent l'assemblage des contaminants et contiennent de la lubrification. Des supports de roulement et un usinage d'extrémité sont également disponibles pour la plupart des vis à billes.

Les vis à billes doivent être manipulées avec précaution avant une installation correcte. Les chocs subis par les roulements à billes peuvent endommager les chemins de roulement par effet Brinell ou fissuration. Des charges élevées ou une flexion de la vis peuvent entraîner une flexion. Il est important de conserver l'assemblage emballé et lubrifié, puis de le stocker dans un endroit propre et sec, car les débris et la contamination peuvent obstruer les rails de recirculation, et une forte humidité ou la pluie peuvent provoquer de la corrosion.

Le montage du système est un autre point important à prendre en compte. L'écrou à billes doit être sollicité axialement uniquement, car toute charge radiale réduit considérablement les performances de l'assemblage. L'assemblage doit également être correctement aligné avec le système d'entraînement, les supports de roulement et la charge pour optimiser les performances et la durée de vie.

Lubrification des vis à billes

La vis à billes ne doit jamais fonctionner sans une lubrification adéquate. Les lubrifiants préservent l'avantage du faible frottement des vis à billes en minimisant la résistance au roulement entre les billes et les rainures, ainsi que le frottement de glissement entre les billes adjacentes.

L'huile peut être appliquée à un débit contrôlé directement au point de besoin, et elle nettoie les contaminants lors de son passage dans l'écrou à billes. Elle peut également assurer le refroidissement. Par ailleurs, une pompe et un système de dosage sont nécessaires pour appliquer correctement l'huile, car l'huile peut également contaminer les fluides de traitement.

La graisse est moins coûteuse et nécessite des applications moins fréquentes que l'huile, et elle ne contamine pas les fluides de traitement. En revanche, la graisse est difficile à retenir à l'intérieur de l'écrou à billes et a tendance à s'accumuler aux extrémités de sa course, où elle accumule des copeaux et des particules abrasives. L'incompatibilité de l'ancienne graisse avec la graisse de relubrification peut poser problème ; il est donc important de vérifier la compatibilité. Une graisse de charge peut contribuer à prolonger la durée de vie d'un assemblage, mais la capacité de charge globale ne changera pas.