Sistemi di ritorno delle sfere, selezione delle viti a sfere e lubrificazione delle viti a sfere.

Specificando la vite a sfere giusta per una determinata applicazione si garantirà la precisione, la ripetibilità e la durata della macchina, riducendo al minimo il costo totale di proprietà.

Una trasmissione a vite a sfere converte il moto rotatorio in moto lineare o viceversa e può applicare o sopportare carichi di spinta elevati (oltre 750.000 libbre di capacità statica utilizzando un gruppo vite a sfere da Ø6.000 pollici) con un'efficienza solitamente superiore al 90%. Le viti a sfere aiutano a guidare, supportare, localizzare e spostare con precisione componenti e prodotti in una vasta gamma di applicazioni di automazione.

Una vite a sfere è costituita da una vite a sfere e da una chiocciola con cuscinetti a ricircolo di sfere. L'interfaccia tra la vite e la chiocciola è costituita da cuscinetti a sfere che rotolano nelle sedi corrispondenti della vite a sfere e della chiocciola. Il carico sulla vite a sfere è distribuito su un gran numero di cuscinetti a sfere, in modo che ogni sfera sia soggetta a un carico relativamente basso. Grazie ai suoi elementi volventi, la vite a sfere ha un coefficiente di attrito molto basso, che si traduce in un'elevata efficienza meccanica.

La differenza fondamentale tra viti a sfere e viti madri è l'utilizzo di cuscinetti a ricircolo di sfere nella vite a sfere per ridurre al minimo l'attrito e massimizzare l'efficienza. Le viti a sfere sono più costose delle viti madri, ma la loro capacità di sopportare carichi elevati, raggiungere velocità elevate e garantire una durata prevedibile giustifica ampiamente il costo aggiuntivo in molte applicazioni.

Le viti a ricircolo di sfere offrono in genere un'efficienza meccanica superiore al 90%, quindi il loro costo è spesso compensato da una riduzione del fabbisogno energetico. La maggiore capacità di carico, la maggiore durata e l'affidabilità prevedibile delle viti a ricircolo di sfere rappresentano vantaggi rispetto alle viti a madrevite.

Ripetibilità e precisione

La precisione è una misura di quanto un sistema di movimento si avvicini a una posizione di comando ed è definita come l'errore massimo tra la posizione prevista e quella effettiva. La ripetibilità è definita come la capacità di un sistema di posizionamento di tornare in una posizione durante il funzionamento. Le viti a sfere offrono un'eccellente ripetibilità (il gioco dipende dal diametro del cuscinetto a sfere, ma in genere varia da 0,005 a 0,015 pollici) e precisione (±0,004 pollici/piede per le viti a sfere di precisione e ±0,0005 pollici/piede per le viti a sfere etichettate precision-plus).

La precisione del passo è la misura più comune della precisione delle viti a sfere. Il passo si riferisce alla distanza percorsa da una chiocciola a sfere non rotante con un singolo giro di 360° della vite. La precisione del passo è misurata come la variazione di corsa ammissibile (posizione effettiva rispetto a posizione teorica) per piede o per 300 mm. Le viti a sfere sono disponibili nei gradi Precision Plus e Transport, con il grado Precision Plus che controlla rigorosamente l'accumulo di errori di passo sull'intera lunghezza della corsa.

Il gioco è il movimento libero tra la chiocciola e la vite e può essere misurato assialmente e radialmente. Il modo migliore per misurare il gioco assiale è bloccare la vite e spingere e tirare assialmente la chiocciola a sfere misurandone il movimento con un comparatore. Il gioco può anche essere misurato posizionando un comparatore sulla chiocciola a sfere del sistema e spostandolo di 2,5 cm avanti e indietro fino alla posizione originale. La variazione da zero è il gioco. La ripetibilità è semplicemente il valore quantitativo del gioco di una vite a sfere.

Una chiocciola a sfere non precaricata presenta dei giochi interni tra i componenti, il che significa che esiste un gioco. Una chiocciola a sfere precaricata non ha gioco assiale e quindi elimina il gioco, aumentando di conseguenza la rigidità. Il precarico aumenta anche la coppia necessaria per ruotare la vite e viene misurato dalla percentuale di precarico rispetto alla capacità dinamica (una chiocciola a sfere con una capacità dinamica di 1500 lb e un precarico nominale del 10% ha un precarico interno di 150 lb). Le viti a sfere con filettatura di precisione sono generalmente utilizzate senza precarico. Il precarico di una vite a sfere migliora la ripetibilità eliminando il gioco, ma non influisce sulla precisione.

Le chiocciole a sfere precaricate sono disponibili su viti di precisione e su prodotti di precisione selezionati. Il loro costo è superiore a quello delle chiocciole non precaricate a causa della complessità, delle lavorazioni aggiuntive, dell'assemblaggio e della verifica/misurazione. I gruppi vite a sfere possono essere precaricati con configurazioni a doppia o singola chiocciola. Esistono tre tipi principali di precarico: chiocciola singola con sfere sovradimensionate (4 punti di contatto), chiocciola singola con passo saltato (2 punti di contatto) e chiocciola doppia (2 punti di contatto). Il precarico della chiocciola singola mantiene le dimensioni minime del pacchetto mantenendo al contempo la piena capacità di carico. Le chiocciole a sfere con passo saltato hanno la metà della capacità delle chiocciole singole di dimensioni simili, poiché solo metà dei cuscinetti a sfere è caricata in ciascuna direzione. I gruppi di precarico della chiocciola doppia hanno la stessa capacità di carico di una chiocciola singola, poiché solo una chiocciola a sfere è caricata in ciascuna direzione.

Esistono molti metodi per la produzione di viti a sfere, sebbene siano generalmente classificate in due categorie: di precisione e di precisione plus. La pista di una vite a sfere con filettatura di precisione è formata mediante un processo di laminazione a freddo. La chiocciola viene lavorata per adattarsi alle prestazioni della vite. Questo approccio fornisce una precisione moderata, nell'ordine di ±0,004 pollici/piede di precisione con passo su viti della serie di trasporto in pollici. La vite e la chiocciola delle viti a sfere con filettatura di precisione plus sono prodotte mediante rettifica di precisione. Le viti a sfere con filettatura di precisione plus offrono una precisione di passo molto più elevata, pari a ±0,0005 pollici/piede di precisione con passo su viti della serie di precisione plus in pollici. Il costo delle viti a sfere con filettatura di precisione plus è superiore a quello delle viti di precisione a causa dei tempi di lavorazione più lunghi.

Sistemi di ritorno della palla

Sono comunemente utilizzati tre diversi tipi di sistemi di ritorno a sfere. I tubi di ritorno esterni, tipicamente utilizzati nelle viti in pollici, sono convenienti e facili da installare, manutenere e riparare. I sistemi di ritorno a pulsante interno sono tipicamente utilizzati su viti a passo basso. Sono compatti, senza sporgenze radiali esterne che complicano il montaggio e offrono meno rumore e vibrazioni rispetto ai sistemi di ritorno esterni. I sistemi di ritorno a pulsante interno sono spesso utilizzati in gruppi a 4 punti di contatto, a chiocciola singola e con precarico. I sistemi di ritorno a tappo interno sono tipicamente utilizzati su viti a passo alto. Sono compatti e senza sporgenze radiali esterne che complicano il montaggio. Anche la loro rumorosità e vibrazione sono ridotte rispetto ai sistemi di ritorno esterni.

Selezione della vite a sfere

La selezione del gruppo vite a sfere che fornisce la capacità di carico e la durata richieste per una specifica applicazione avviene al meglio attraverso un processo iterativo. Il carico di progetto, l'orientamento del sistema, la lunghezza della corsa, la durata richiesta e la velocità richiesta vengono utilizzati per determinare il diametro e il passo del gruppo vite a sfere. I singoli componenti della vite a sfere vengono quindi selezionati in base ai requisiti di precisione e ripetibilità, ai vincoli dimensionali, alla configurazione di montaggio, alla potenza disponibile richiesta e alle condizioni ambientali.

Iniziare determinando la precisione di posizionamento e la ripetibilità richieste dall'applicazione. Le viti a sfere in pollici sono prodotte in due gradi principali: Transport e Precision Plus. Le viti a sfere di grado Transport sono utilizzate in applicazioni che richiedono solo un movimento grossolano o che utilizzano un feedback lineare per il posizionamento. Le viti a sfere di grado Precision Plus sono utilizzate dove il posizionamento accurato e ripetibile è fondamentale. Le viti di grado Transport consentono una maggiore variazione cumulativa lungo la lunghezza utile della vite. Le viti di grado Precision Plus contengono l'accumulo di errore di passo per un posizionamento preciso sull'intera lunghezza utile della vite.

Determinare come verrà montato il gruppo vite a sfere nella macchina. La configurazione dei supporti terminali e la distanza di spostamento determineranno i limiti di carico e velocità della vite a sfere.

Una vite a sfere in trazione può sopportare carichi fino alla capacità nominale della chiocciola. Per una chiocciola a sfere in compressione, utilizzare una tabella dei carichi di compressione disponibile presso il produttore per selezionare un diametro della vite a sfere che soddisfi o superi il carico di progetto. Tutte le viti con curve che attraversano o superano il punto tracciato, ad esempio, sono adatte per la seguente applicazione di esempio. I carichi di compressione idonei mostrati in questo grafico non devono superare la capacità di carico statico massima indicata nella tabella dei valori nominali per il singolo gruppo chiocciola a sfere. Pertanto, con una lunghezza di 85 pollici (2159 mm), un carico di sistema di 30.000 libbre (133.500 N) e con un fissaggio delle estremità di un'estremità fissa e l'altra supportata, la selezione minima è un gruppo vite a sfere con precisione di 1,750 x 0,200 pollici (più 1,750 x 0,200 pollici).

Calcolare il passo della vite a sfere che produrrà la velocità richiesta utilizzando la seguente formula.

Anticipo (pollici) = Velocità di percorrenza (pollici min.-1)/rpm

Determinazione dell'aspettativa di vita dell'applicazione

La durata del gruppo può essere calcolata utilizzando il carico dinamico nominale specificato per ciascuna chiocciola a sfere. Tutte le chiocciole a sfere con curve che attraversano o si trovano al di sopra del punto tracciato sono adatte all'esempio. Le aspettative di durata idonee mostrate in questo grafico non devono superare la capacità di carico statico massima indicata nella tabella dei valori nominali per il singolo gruppo chiocciola a sfere. In questo esempio, la durata prevista dell'applicazione (corsa totale) desiderata è di 50,8 milioni di mm (2 milioni di pollici). Quindi il carico operativo normale massimo è di 44.500 N (10.000 libbre).

Determinazione della velocità critica della vite

La velocità critica della vite è la condizione in cui la velocità di rotazione del gruppo genera vibrazioni armoniche. La velocità critica dipende dal diametro del nocciolo della vite, dalla lunghezza non supportata e dalla configurazione del supporto terminale. Nella maggior parte dei grafici dei produttori, tutte le viti con curve che passano attraverso o sopra e a destra del punto tracciato sono adatte per l'esempio seguente. I quattro disegni di fissaggio terminale mostrano le configurazioni dei cuscinetti per supportare un albero rotante e il grafico mostra l'effetto di queste condizioni sulla velocità critica dell'albero per la lunghezza non supportata della vite. Le velocità accettabili mostrate in questo grafico si applicano all'albero della vite selezionato e non sono indicative delle velocità raggiungibili da tutti i gruppi chiocciola a sfere associati.

Se i calcoli di carico, durata e velocità confermano che il gruppo vite a sfere selezionato soddisfa o supera i requisiti di progettazione, si procede alla fase successiva. In caso contrario, viti di diametro maggiore aumenteranno la capacità di carico e la velocità nominale. Passi più piccoli diminuiranno la velocità lineare (ipotizzando una velocità di ingresso del motore costante), aumenteranno la velocità del motore (ipotizzando una velocità lineare costante) e diminuiranno la coppia di ingresso richiesta. Passi più alti aumenteranno la velocità lineare (ipotizzando una velocità di ingresso del motore costante), diminueranno la velocità del motore (ipotizzando una velocità lineare costante) e aumenteranno la coppia di ingresso richiesta.

Determinare come la chiocciola a sfere si interfaccerà con l'applicazione. Una flangia per chiocciola a sfere è il metodo tipico per fissare la chiocciola al carico. Chiocciole a sfere filettate e chiocciole a sfere cilindriche sono metodi alternativi per realizzare l'interfaccia.

Le chiocciole a sfere precaricate eliminano il gioco del sistema e aumentano la rigidità. I ​​kit raschiatori proteggono il gruppo dai contaminanti e contengono la lubrificazione. Sono disponibili anche supporti per cuscinetti e lavorazioni finali per la maggior parte delle viti a sfere.

Le viti a sfere devono essere maneggiate con cura prima di una corretta installazione. Gli urti ai cuscinetti a sfere possono danneggiare le piste dei cuscinetti attraverso brinellatura o cricche. Carichi elevati o flessioni della vite possono causare piegature. È importante mantenere il gruppo imballato e lubrificato e conservarlo in un luogo pulito e asciutto, poiché detriti e contaminazione possono incepparsi nelle piste di ricircolo, mentre l'elevata umidità o la pioggia possono causare corrosione.

Il montaggio del sistema è un altro aspetto importante. La chiocciola a sfere deve essere caricata solo assialmente, poiché qualsiasi carico radiale riduce significativamente le prestazioni del gruppo. Il gruppo deve inoltre essere correttamente allineato con il sistema di trasmissione, i supporti dei cuscinetti e il carico per ottenere prestazioni e durata ottimali.

Lubrificazione delle viti a sfere

Il gruppo vite a sfere non deve mai essere utilizzato senza un'adeguata lubrificazione. I lubrificanti mantengono il vantaggio di basso attrito dei gruppi vite a sfere riducendo al minimo la resistenza al rotolamento tra sfere e gole e l'attrito radente tra sfere adiacenti.

L'olio può essere applicato a una portata controllata direttamente al punto di necessità, rimuovendo i contaminanti durante il passaggio attraverso la chiocciola a sfere. Può anche fornire raffreddamento. D'altra parte, per una corretta applicazione dell'olio sono necessari una pompa e un sistema di dosaggio, poiché l'olio può anche contaminare i fluidi di processo.

Il grasso è meno costoso e richiede applicazioni meno frequenti rispetto all'olio, e non contamina i fluidi di processo. D'altro canto, il grasso è difficile da trattenere all'interno della chiocciola e tende ad accumularsi alle estremità della corsa della chiocciola, dove si accumulano trucioli e particelle abrasive. L'incompatibilità del grasso vecchio con il grasso di rilubrificazione può creare problemi, quindi è importante verificarne la compatibilità. Un grasso che sopporta carichi può contribuire a prolungare la durata di un gruppo, ma la capacità di carico complessiva non cambierà.