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

Specificare la vite a ricircolo di sfere più adatta a una determinata applicazione garantirà precisione, ripetibilità e durata della macchina, riducendo al minimo il costo totale di proprietà.

Un azionamento a vite a ricircolo di sfere trasforma il movimento rotatorio in movimento lineare o viceversa e può applicare o sopportare elevati carichi assiali – fino a 750.000 libbre di capacità statica utilizzando un gruppo vite a ricircolo di sfere da Ø6,000 pollici – con un'efficienza tipicamente superiore al 90%. Le viti a ricircolo di sfere aiutano a guidare, supportare, posizionare e movimentare con precisione componenti e prodotti in una vasta gamma di applicazioni di automazione.

Un sistema di azionamento a vite a ricircolo di sfere è costituito da una vite a ricircolo di sfere e un dado a sfere con cuscinetti a ricircolo di sfere. L'interfaccia tra la vite e il dado è realizzata da cuscinetti a sfere che rotolano all'interno delle sedi corrispondenti della vite e del dado. Il carico sulla vite a ricircolo di sfere viene 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, il sistema di azionamento a vite a ricircolo di sfere presenta un coefficiente di attrito molto basso, che si traduce in un'elevata efficienza meccanica.

La differenza principale tra viti a ricircolo di sfere e viti senza fine risiede nell'utilizzo di cuscinetti a ricircolo di sfere nelle viti a ricircolo di sfere, che minimizzano l'attrito e massimizzano l'efficienza. Le viti a ricircolo di sfere sono più costose delle viti senza fine, ma la loro capacità di sopportare carichi elevati, raggiungere velocità elevate e garantire una durata prevedibile le rende un investimento valido per molte applicazioni.

I sistemi di azionamento a vite a ricircolo di sfere offrono in genere un'efficienza meccanica superiore al 90%, pertanto il loro costo è spesso compensato dalla 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 passo variabile.

Ripetibilità e accuratezza

La precisione è una misura di quanto un sistema di movimento si avvicini alla posizione di riferimento 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 a una posizione durante il funzionamento. Gli azionamenti a vite a ricircolo di 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 viti a ricircolo di sfere di precisione e ±0,0005 pollici/piede per viti a ricircolo di sfere etichettate come precision-plus).

La precisione dell'elevazione è la misura più comune per valutare l'accuratezza delle viti a ricircolo di sfere. L'elevazione si riferisce alla distanza percorsa da un dado a ricircolo di sfere non rotante con una singola rotazione di 360° della vite. La precisione dell'elevazione viene misurata come la variazione di corsa consentita (posizione effettiva rispetto alla posizione teorica) per piede o per 300 mm. Le viti a ricircolo di sfere sono disponibili nelle versioni Precision Plus e Transport, con la versione Precision Plus che controlla rigorosamente l'accumulo dell'errore di elevazione sull'intera lunghezza di corsa.

Il gioco assiale è il movimento libero tra il dado e la vite e può essere misurato assialmente e radialmente. Il modo migliore per misurare il gioco assiale è bloccare la vite in modo che non si muova e spingere e tirare assialmente il dado a ricircolo di sfere misurandone lo spostamento con un comparatore a quadrante. Il gioco assiale può essere misurato anche posizionando un comparatore a quadrante sul dado a ricircolo di sfere nel sistema e spingendolo di un pollice in avanti e indietro fino alla posizione originale. La variazione rispetto a zero rappresenta il gioco assiale. La ripetibilità è semplicemente il valore quantitativo del gioco assiale di una vite a ricircolo di sfere.

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

I dadi a ricircolo di sfere precaricati sono disponibili per viti di precisione plus e per alcuni prodotti di viti di precisione. Il loro costo è superiore a quello dei dadi non precaricati a causa della complessità, delle lavorazioni aggiuntive, dell'assemblaggio e della verifica/misurazione. Gli assiemi di viti a ricircolo di sfere possono essere precaricati con configurazioni a dado singolo o doppio. Esistono tre tipi principali di precarico: dado singolo con sfere sovradimensionate (contatto a 4 punti), dado singolo con passo saltato (contatto a 2 punti) e dado doppio (contatto a 2 punti). Il precarico con dado singolo mantiene le dimensioni di ingombro più ridotte pur mantenendo la piena capacità di carico. I dadi a ricircolo di sfere con passo saltato hanno la metà della capacità di carico dei dadi singoli di dimensioni simili, poiché solo metà delle sfere è caricata in ciascuna direzione. Gli assiemi con precarico a doppio dado hanno la stessa capacità di carico di un dado singolo, poiché solo un dado a ricircolo di sfere è caricato in ciascuna direzione.

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

Sistemi di ritorno della palla

Esistono tre diversi tipi di sistemi di ritorno a sfera comunemente utilizzati. I tubi di ritorno esterni, tipicamente impiegati nelle viti a passo in pollici, sono economici e facili da installare, manutenere e riparare. I sistemi di ritorno a bottone interni sono generalmente utilizzati nelle viti a passo basso. Sono compatti, privi di sporgenze radiali esterne che potrebbero complicare il montaggio e offrono una rumorosità e vibrazioni inferiori rispetto ai sistemi di ritorno esterni. I sistemi di ritorno a bottone interni sono spesso utilizzati in assemblaggi a 4 punti di contatto, con dado singolo e con precarico. I sistemi di ritorno a cappuccio terminale interni sono generalmente utilizzati nelle viti a passo alto. Sono compatti, privi di sporgenze radiali esterne che potrebbero complicare il montaggio. Anche la loro rumorosità e le vibrazioni sono ridotte rispetto ai sistemi di ritorno esterni.

Selezione della vite a ricircolo di sfere

Il gruppo vite a ricircolo di sfere che offre la capacità di carico e la durata specificate per una determinata applicazione viene selezionato al meglio attraverso un processo iterativo. Il carico di progetto, l'orientamento del sistema, la corsa, la durata richiesta e la velocità richiesta vengono utilizzati per determinare il diametro e il passo del gruppo vite a ricircolo di sfere. I singoli componenti della vite a ricircolo di sfere vengono quindi selezionati in base ai requisiti di precisione e ripetibilità, ai vincoli dimensionali, alla configurazione di montaggio, ai requisiti di potenza disponibili e alle condizioni ambientali.

Iniziate determinando la precisione di posizionamento e la ripetibilità richieste dall'applicazione. Le viti a ricircolo di sfere in pollici sono prodotte in due gradi principali: Transport e Precision Plus. Le viti a ricircolo di sfere di grado Transport sono utilizzate in applicazioni che richiedono solo movimenti grossolani o in quelle che utilizzano un feedback lineare per il posizionamento. Le viti a ricircolo di sfere di grado Precision Plus sono utilizzate quando un 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 dell'errore di passo per un posizionamento preciso sull'intera lunghezza utile della vite.

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

Una vite a ricircolo di sfere in trazione può sopportare carichi fino alla capacità nominale del dado. Per un dado a ricircolo di sfere in compressione, utilizzare una tabella di carico di compressione fornita dal produttore per selezionare un diametro della vite a ricircolo di sfere che soddisfi o superi il carico di progetto. Tutte le viti con curve che passano attraverso o sopra e a destra del punto tracciato, ad esempio, sono adatte per l'applicazione di esempio seguente. I carichi di compressione idonei mostrati in questo grafico non devono superare la capacità di carico statico massima indicata nella tabella di valutazione per il singolo gruppo dado a ricircolo di sfere. Pertanto, con una lunghezza di 85 pollici (2159 mm), un carico di sistema di 30.000 libbre (133.500 N) e con un vincolo di estremità con un'estremità fissa e l'altra supportata, la selezione minima è un gruppo vite a ricircolo di sfere di precisione da 1,750 x 0,200 pollici.

Calcola il passo della vite a ricircolo di sfere che produrrà la velocità richiesta utilizzando la seguente formula.

Anticipo (pollici) = Velocità di spostamento (pollici min⁻¹)/rpm

Determinazione della durata prevista dell'applicazione

La durata utile dell'assemblaggio può essere calcolata utilizzando il carico dinamico nominale specificato per ogni dado a ricircolo di sfere. Tutti i dadi a ricircolo di sfere con curve che passano per il punto tracciato o lo superano sono adatti all'esempio. Le durate utili indicate in questo grafico non devono superare la capacità di carico statico massima indicata nella tabella di valutazione per il singolo dado a ricircolo di sfere. In questo esempio, la durata utile (corsa totale) desiderata è di 2 milioni di pollici (50,8 milioni di mm). Il carico operativo normale massimo è quindi di 10.000 libbre (44.500 N).

Determinazione della velocità critica della vite

La velocità critica della vite è la condizione in cui la velocità di rotazione dell'assieme genera vibrazioni armoniche. La velocità critica dipende dal diametro del fondo 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 all'esempio seguente. I quattro disegni di fissaggio terminale mostrano le configurazioni dei cuscinetti per il supporto di 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 riferiscono all'albero della vite selezionato e non sono indicative delle velocità raggiungibili da tutti gli assiemi di dadi a ricircolo di sfere associati.

Se i calcoli di carico, durata e velocità confermano che il gruppo vite a ricircolo di sfere selezionato soddisfa o supera i requisiti di progetto, procedere al passaggio successivo. In caso contrario, viti di diametro maggiore aumenteranno la capacità di carico e la velocità nominale. Avvolgimenti più piccoli diminuiranno la velocità lineare (ipotizzando una velocità del motore in ingresso costante), aumenteranno la velocità del motore (ipotizzando una velocità lineare costante) e diminuiranno la coppia in ingresso richiesta. Avvolgimenti più alti aumenteranno la velocità lineare (ipotizzando una velocità del motore in ingresso costante), diminuiranno la velocità del motore in ingresso (ipotizzando una velocità lineare costante) e aumenteranno la coppia in ingresso richiesta.

Determinare come il dado a sfere si interfaccerà con l'applicazione. Una flangia per dado a sfere è il metodo tipico per fissare il dado a sfere al carico. Dadi a sfere filettati e dadi a sfere cilindrici sono alternative per realizzare l'interfaccia.

I dadi a ricircolo di sfere precaricati eliminano il gioco del sistema e aumentano la rigidità. I ​​kit di raschiatori proteggono l'assemblaggio dai contaminanti e contengono il lubrificante. Sono inoltre disponibili supporti per cuscinetti e lavorazioni terminali per la maggior parte delle viti a ricircolo di sfere.

Le viti a ricircolo di sfere devono essere maneggiate con cura prima della corretta installazione. Gli urti ai cuscinetti a sfere possono danneggiare le piste di rotolamento causando brinellatura o crepe. Carichi elevati o flessioni della vite possono provocarne la piegatura. È importante mantenere il gruppo imballato e lubrificato e conservarlo in un'area pulita e asciutta, poiché detriti e contaminanti possono ostruire i canali di ricircolo e l'umidità elevata o la pioggia possono causare corrosione.

Un altro aspetto importante da considerare è il montaggio del sistema. Il dado a ricircolo di sfere deve essere caricato solo assialmente, poiché qualsiasi carico radiale riduce significativamente le prestazioni dell'assemblaggio. L'assemblaggio deve inoltre essere correttamente allineato con il sistema di azionamento, i supporti dei cuscinetti e il carico per ottenere prestazioni e durata ottimali.

Lubrificazione della vite a ricircolo di sfere

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

L'olio può essere applicato a una portata controllata direttamente nel punto di necessità e, scorrendo attraverso il dado a sfere, pulisce i contaminanti. Può anche fornire raffreddamento. D'altra parte, per un'applicazione corretta dell'olio è necessario un sistema di pompaggio e dosaggio, poiché l'olio può potenzialmente contaminare i fluidi di processo.

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