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

Le choix de la vis à billes adaptée à une application donnée garantit la précision, la répétabilité et la durée de vie de la machine, tout en minimisant le coût total de possession.

Un entraînement par vis à billes convertit un mouvement de rotation en mouvement linéaire et inversement, et peut appliquer ou supporter des charges axiales élevées – jusqu'à 340 tonnes (750 000 lb) de capacité statique avec un ensemble vis à billes de 152 mm (6 pouces) de diamètre – avec un rendement généralement supérieur à 90 %. Les vis à billes permettent de guider, supporter, positionner et déplacer avec précision des composants et des produits dans diverses applications d'automatisation.

Un système à vis à billes se compose d'une vis à billes et d'un écrou à billes avec des roulements à billes à recirculation. L'interface entre la vis et l'écrou est assurée par des roulements à billes qui s'emboîtent parfaitement dans la vis et l'écrou. La charge sur la vis 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, le système à vis à billes présente un coefficient de frottement très faible, ce qui se traduit par 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 optimiser le rendement. Bien que plus onéreuses, les vis à billes sont justifiées par leur capacité à supporter des charges élevées, à atteindre des vitesses importantes et à offrir une durée de vie prévisible, ce qui représente un investissement rentable pour de nombreuses applications.

Les entraînements par vis à billes offrent généralement un rendement mécanique supérieur à 90 %, ce qui compense souvent leur coût par une consommation d'énergie réduite. La capacité de charge accrue, la durée de vie plus longue et la fiabilité éprouvée des vis à billes constituent des avantages par rapport aux vis sans fin.

Répétabilité et précision

La précision mesure la capacité d'un système de mouvement à se rapprocher d'une position de consigne et se définit comme l'erreur maximale entre la position attendue et la position réelle. La répétabilité désigne la capacité d'un système de positionnement à revenir à une position donnée pendant son fonctionnement. Les entraînements par vis à billes offrent une excellente répétabilité (le jeu dépend du diamètre des billes, mais se situe généralement entre 0,127 et 0,38 mm) et une excellente précision (±0,10 mm/m pour les vis à billes de précision et ±0,0127 mm/m pour les vis à billes de précision supérieure).

La précision du pas est la mesure la plus courante de la précision des vis à billes. Le pas correspond à la distance parcourue par un écrou à billes immobile lors d'un tour complet de 360° de la vis. La précision du pas est exprimée en variation admissible de course (position réelle par rapport à la position théorique) par pied ou par 300 mm. Les vis à billes sont disponibles en versions « précision plus » et « transport », la version « précision plus » contrôlant rigoureusement l'accumulation des 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 méthode pour mesurer le jeu axial consiste à immobiliser la vis et à exercer une pression axiale sur 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 sur l'écrou à billes et en le déplaçant de 2,54 cm (1 pouce) vers l'avant puis vers l'arrière jusqu'à sa position initiale. L'écart par rapport à zéro correspond au jeu. La répétabilité est simplement la valeur quantitative du jeu d'une vis à billes.

Un écrou à billes non précontraint présente un jeu interne entre ses composants, ce qui engendre un jeu axial. Un écrou à billes précontraint, quant à lui, ne présente aucun jeu axial, éliminant ainsi le jeu axial et augmentant la rigidité. La précontrainte accroît également le couple nécessaire au vissage et se mesure en pourcentage de la capacité dynamique (un écrou à billes d'une capacité dynamique de 1 500 lb et d'une précontrainte de 10 % possède une précontrainte interne de 150 lb). Les vis à billes à filetage de précision sont généralement utilisées sans précontrainte. La précontrainte d'une vis à billes améliore la répétabilité en éliminant le jeu axial, mais n'affecte pas la précision.

Les écrous à billes préchargés sont disponibles sur les vis de précision et certains produits de vis de précision. Leur coût est supérieur à celui des écrous non préchargés en raison de leur complexité, des opérations d'usinage, d'assemblage et de vérification/mesure supplémentaires. Les ensembles vis-billes peuvent être préchargés avec des configurations à un ou deux écrous. Il existe trois principaux types de précharge : écrou simple à billes surdimensionnées (4 points de contact), écrou simple à billes à pas décalé (2 points de contact) et double écrou (2 points de contact). La précharge à un écrou permet de minimiser l'encombrement tout en conservant la capacité de charge maximale. Les écrous à billes à pas décalé ont une capacité deux fois moindre que les écrous simples de même dimension, car seulement la moitié des billes sont chargées dans chaque direction. Les ensembles à double précharge ont la même capacité de charge qu'un écrou simple, car une seule bille est chargée dans chaque direction.

Il existe de nombreuses méthodes de fabrication des vis à billes, généralement classées en deux catégories : précision et haute précision. La bague d'une vis à billes à filetage de précision est formée par laminage à froid. L'écrou est usiné pour s'adapter aux performances de la vis. Cette méthode offre une précision modérée, de l'ordre de ±0,1 mm/m (précision de pas) pour les vis de la série « pouces ». La vis et l'écrou des vis à billes à filetage haute précision sont produits par rectification de précision. Ces vis offrent une précision bien supérieure, de l'ordre de ±0,013 mm/m (précision de pas) pour les vis de la série « pouces ». Leur coût est plus élevé que celui des vis de précision en raison d'un temps de fabrication plus long.

systèmes de retour de balle

On utilise couramment trois types de systèmes de retour à billes. Les tubes de retour externes, généralement utilisés sur les vis à pas de 1 pouce, sont économiques et faciles à installer, entretenir et réparer. Les systèmes de retour par bouton interne sont généralement utilisés sur les vis à pas court. Compacts et dépourvus de saillies radiales externes, ils simplifient le montage et offrent un niveau de bruit et de vibrations inférieur aux retours externes. Ces systèmes sont souvent utilisés dans les assemblages à quatre points de contact, à écrou unique et à précharge. Les retours par capuchon interne sont généralement utilisés sur les vis à pas long. Compacts et dépourvus de saillies radiales externes, ils simplifient également le montage et offrent un niveau de bruit et de vibrations inférieur à celui des retours externes.

sélection de vis à billes

Le choix optimal d'un ensemble 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 nominale, l'orientation du système, la course, la durée de vie et la vitesse requises permettent de déterminer le diamètre et le pas de l'ensemble. Les composants individuels de la vis sont ensuite sélectionnés 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 et la répétabilité de positionnement requises pour l'application. Les vis à billes en pouces sont produites en deux qualités principales : standard et de précision. Les vis standard sont utilisées dans les applications nécessitant un déplacement grossier ou un positionnement linéaire. Les vis de précision sont utilisées lorsque la précision et la répétabilité du positionnement sont essentielles. Les vis standard tolèrent une variation cumulative plus importante sur leur longueur utile. Les vis de précision, quant à elles, compensent l'accumulation de l'erreur d'avance pour un positionnement précis sur toute leur longueur utile.

Déterminez comment l'ensemble vis à billes sera monté dans 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 jusqu'à la capacité nominale de l'écrou. Pour un écrou à billes en compression, utilisez le tableau de charges de compression fourni par le fabricant afin de choisir un diamètre de vis à billes dont la charge nominale est égale ou supérieure. Par exemple, toutes les vis dont la courbe passe par ou au-dessus et à droite du point représenté conviennent à l'application décrite ci-dessous. Les charges de compression admissibles indiquées sur ce graphique ne doivent pas dépasser la capacité de charge statique maximale spécifiée dans le tableau des caractéristiques de l'écrou à billes. Ainsi, pour une longueur de 2159 mm (85 po), une charge système de 133 500 N (30 000 lb) et une fixation d'une extrémité et supportée, le choix minimal est une vis à billes de précision de 44,5 x 5,1 mm (1,750 x 0,200 po).

Calculez le pas de la vis à billes qui permettra d'atteindre la vitesse requise en utilisant la formule suivante.

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

Détermination de la durée de vie de l'application

La durée de vie de l'assemblage peut être calculée à partir de la charge dynamique admissible spécifiée pour chaque écrou à billes. Tous les écrous à billes dont la courbe passe par ou se situe au-dessus du point représenté conviennent à cet exemple. Les durées de vie admissibles indiquées sur ce graphique ne doivent pas dépasser la capacité de charge statique maximale spécifiée dans le tableau des caractéristiques de chaque écrou à billes. Dans cet exemple, la durée de vie souhaitée (course totale) est de 2 millions de pouces (50,8 millions de mm). La charge de fonctionnement normale maximale est alors de 10 000 livres (44 500 N).

Détermination de la vitesse critique de la vis

La vitesse critique de la vis correspond à la vitesse de rotation à partir de laquelle l'ensemble génère des vibrations harmoniques. Cette vitesse critique dépend du diamètre à l'embase de la vis, de sa longueur libre et de la configuration des supports d'extrémité. Dans la plupart des tableaux des fabricants, toutes les vis dont la courbe passe par le point représenté ou se situe au-dessus et à droite de celui-ci conviennent à l'exemple suivant. Les quatre schémas de fixation d'extrémité illustrent les configurations des paliers permettant de supporter un arbre rotatif, et le graphique montre l'influence de ces configurations sur la vitesse critique de l'arbre pour la longueur de vis libre considérée. Les vitesses admissibles indiquées sur ce graphique s'appliquent à l'arbre de vis sélectionné et ne sont pas représentatives des vitesses atteignables par tous les ensembles écrou à billes associés.

Si les calculs de charge, de durée de vie et de vitesse confirment que l'ensemble vis à billes sélectionné 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 courts diminueront la vitesse linéaire (à vitesse moteur d'entrée constante), augmenteront la vitesse du moteur (à vitesse linéaire constante) et diminueront le couple d'entrée requis. Des pas plus longs augmenteront la vitesse linéaire (à vitesse moteur d'entrée constante), diminueront la vitesse du moteur d'entrée (à vitesse linéaire constante) et augmenteront le couple d'entrée requis.

Déterminez comment l'écrou à billes sera intégré à l'application. Une bride est la méthode habituelle de fixation. Les écrous à billes filetés et cylindriques constituent d'autres solutions.

Les écrous à billes préchargés éliminent le jeu du système et augmentent sa rigidité. Les kits de racleurs protègent l'ensemble des contaminants et assurent 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 leur installation. Les chocs sur les roulements à billes peuvent endommager les bagues par effet Brinell ou fissuration. Des charges élevées ou une flexion de la vis peuvent entraîner sa déformation. Il est important de conserver l'ensemble emballé et lubrifié, et de le stocker dans un endroit propre et sec, car les débris et les contaminants peuvent obstruer les circuits 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 soumis à une charge axiale uniquement, car toute charge radiale réduit considérablement les performances de l'ensemble. Ce dernier doit également être correctement aligné avec le système d'entraînement, les supports de roulement et la charge afin d'optimiser ses performances et sa durée de vie.

lubrification des vis à billes

Le système à vis à billes ne doit jamais fonctionner sans une lubrification adéquate. Les lubrifiants préservent le faible frottement des systèmes à 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 débit contrôlé directement au point d'application, et elle nettoiera les contaminants en traversant l'écrou à billes. Elle peut également assurer le refroidissement. En revanche, une pompe et un système de dosage sont nécessaires pour une application correcte de l'huile, car celle-ci peut contaminer les fluides de process.

La graisse est moins coûteuse et nécessite une application moins fréquente que l'huile, et elle ne contamine pas les fluides de process. En revanche, elle est difficile à maintenir à l'intérieur de l'écrou à billes et a tendance à s'accumuler aux extrémités de sa course, où elle retient des copeaux et des particules abrasives. L'incompatibilité entre la graisse usagée et la graisse de relubrification peut engendrer des problèmes ; il est donc important de vérifier la compatibilité. Une graisse résistante peut contribuer à prolonger la durée de vie d'un assemblage, mais la capacité de charge globale restera inchangée.