Sistemas de retorno de esferas, seleção de fusos de esferas e lubrificação de fusos de esferas.

A especificação do fuso de esferas correto para uma determinada aplicação garantirá a precisão, a repetibilidade e a vida útil da máquina, ao mesmo tempo que minimiza o custo total de propriedade.

Um fuso de esferas converte movimento rotacional em movimento linear ou vice-versa e pode aplicar ou suportar altas cargas de impulso – capacidade estática superior a 750.000 lb usando um conjunto de fuso de esferas de Ø6.000 pol. – com eficiência normalmente superior a 90%. Os fusos de esferas ajudam a guiar, apoiar, localizar e mover com precisão componentes e produtos em uma variedade de aplicações de automação.

Um fuso de esferas consiste em um fuso de esferas e uma porca esférica com rolamentos de esferas recirculantes. A interface entre o parafuso e a porca é feita por rolamentos de esferas que rolam em formas correspondentes no fuso de esferas e na porca de esferas. A carga no fuso de esferas é distribuída por um grande número de rolamentos de esferas, de modo que cada esfera é submetida a uma carga relativamente baixa. Devido aos seus elementos rolantes, o fuso de esferas possui um coeficiente de atrito muito baixo, o que equivale a uma alta eficiência mecânica.

A principal diferença entre fusos de esferas e fusos de avanço é o uso de rolamentos de esferas recirculantes no fuso de esferas para minimizar o atrito e maximizar a eficiência. Os fusos de esferas são mais caros que os fusos de avanço, mas sua capacidade de transportar cargas elevadas, atingir velocidades rápidas e proporcionar uma vida útil previsível faz com que valha a pena seu custo adicional para muitas aplicações.

Os acionamentos por fuso de esferas normalmente fornecem eficiência mecânica superior a 90%, portanto, seu custo é frequentemente compensado pela redução dos requisitos de energia. A maior capacidade de carga, maior vida útil e confiabilidade previsível dos fusos de esferas são vantagens em relação aos fusos de avanço.

Repetibilidade e precisão

A precisão é uma medida de quão próximo um sistema de movimento se aproxima de uma posição de comando e é definida como o erro máximo entre a posição esperada e a real. A repetibilidade é definida como a capacidade de um sistema de posicionamento retornar a um local durante a operação. Os fusos de esferas oferecem excelente repetibilidade (a folga depende do diâmetro do rolamento de esferas, mas normalmente varia de 0,005 a 0,015 pol.) e precisão (±0,004 pol./pé para fusos de esferas de precisão e ±0,0005 pol./pé para fusos de esferas rotulados como precisão -mais).

A precisão do avanço é a medida mais comum da precisão do fuso de esferas. Avanço refere-se à distância que uma porca esférica não rotativa percorrerá com uma única volta de 360° do parafuso. A precisão do avanço é medida como a variação de deslocamento permitida (posição real versus posição teórica) por pé ou por 300 mm. Os fusos de esferas são oferecidos em classes de precisão plus e de transporte, com a classe de precisão plus controlando firmemente o acúmulo de erros de avanço ao longo de todo o percurso.

A folga é o movimento livre entre a porca e o parafuso e pode ser medida axial e radialmente. A melhor maneira de medir a folga axial é proteger o parafuso do movimento e empurrar e puxar axialmente a porca esférica enquanto mede seu movimento com um relógio comparador. A folga também pode ser medida colocando um relógio comparador na porca esférica do sistema e conduzindo-o uma polegada para frente e para trás até a posição original. A variação de zero é a reação. A repetibilidade é simplesmente o valor quantitativo da folga de um fuso de esferas.

Uma porca esférica não pré-carregada possui folgas internas entre os componentes, o que significa que existe folga. Uma porca esférica pré-carregada não tem folga axial e, portanto, elimina folga e subsequentemente aumenta a rigidez. A pré-carga também aumenta o torque necessário para girar o parafuso e é medida pela porcentagem da pré-carga até a capacidade dinâmica (uma porca esférica com capacidade dinâmica de 1.500 lb e uma classificação de pré-carga de 10% tem uma pré-carga interna de 150 lb). Os parafusos esféricos de rosca de precisão são geralmente usados ​​sem pré-carga. O pré-carregamento de um fuso de esferas melhora a repetibilidade ao remover a folga, mas não afeta a precisão.

Porcas esféricas pré-carregadas estão disponíveis em parafusos de precisão plus e em produtos selecionados de parafusos de precisão. Seu custo é superior ao das porcas não pré-carregadas devido à complexidade, usinagem adicional, montagem e verificação/medição. Os conjuntos de fusos de esferas podem ser pré-carregados com configurações de porca dupla ou simples. Existem três tipos principais de pré-carga - esfera superdimensionada de porca única (contato de 4 pontos), salto de porca simples (contato de 2 pontos) e porca dupla (contato de 2 pontos). A pré-carga de porca única mantém o menor tamanho de embalagem enquanto mantém a capacidade de carga total. As porcas esféricas de chumbo têm metade da capacidade das porcas simples de tamanho semelhante, pois apenas metade dos rolamentos esféricos são carregados em cada direção. Os conjuntos de pré-carga de porca dupla têm a mesma capacidade de carga que uma porca simples, pois apenas uma porca esférica é carregada em cada direção.

Existem muitos métodos para fabricar parafusos de esferas, embora eles sejam normalmente classificados em duas categorias – precisão e precisão plus. A pista de um fuso de esferas com rosca de precisão é formada por um processo de laminação a frio. A porca é usinada para corresponder à capacidade de desempenho do parafuso. Esta abordagem fornece precisão moderada, da ordem de ±0,004 pol./pé de precisão de avanço em parafusos de transporte da série em polegadas. O parafuso e a porca dos parafusos esféricos com rosca de precisão são produzidos por retificação de precisão. Os parafusos esféricos com rosca Precision Plus oferecem uma precisão muito maior de ±0,0005 pol./pé em parafusos da série Precision Plus Inch. O custo dos parafusos de esfera de precisão mais rosca é maior do que os parafusos de precisão devido ao maior tempo de processamento.

Sistemas de retorno de bola

Três tipos diferentes de sistemas de retorno de bola são comumente usados. Os tubos de retorno externos, normalmente usados ​​em parafusos em polegadas, são econômicos e fáceis de instalar, manter e reparar. Os sistemas de retorno de botão interno são normalmente usados ​​em parafusos de avanço baixo. São compactos, sem saliências radiais externas para complicar a montagem e oferecem menos ruído e vibração do que retornos externos. Os sistemas de retorno de botão interno são frequentemente usados ​​em conjuntos de contato de 4 pontos, porca única e pré-carga. Os retornos internos da tampa final são normalmente usados ​​em parafusos de avanço alto. Eles são compactos, sem saliências radiais externas para complicar a montagem. Seu ruído e vibração também são baixos em comparação com retornos externos.

Seleção de fuso de esfera

O conjunto do fuso de esferas que fornece a capacidade de carga especificada e a vida útil necessária para uma aplicação específica é melhor selecionado por meio de um processo iterativo. A carga de projeto, a orientação do sistema, o comprimento do percurso, a vida útil necessária e a velocidade necessária são usados ​​para determinar o diâmetro e o avanço do conjunto do fuso de esferas. Os componentes individuais do fuso de esferas são então selecionados com base nos requisitos de precisão e repetibilidade, restrições dimensionais, configuração de montagem, requisitos de energia disponíveis e condições ambientais.

Comece determinando a precisão posicional e a repetibilidade exigidas da aplicação. Os fusos de esferas em polegadas são produzidos em duas classes principais – Transporte e precisão plus. Os fusos de esferas para transporte são usados ​​em aplicações que exigem apenas movimento grosseiro ou que usam feedback linear para localização posicional. Parafusos esféricos de alta precisão são usados ​​onde o posicionamento preciso e repetível é crítico. Parafusos de grau de transporte permitem maior variação cumulativa ao longo do comprimento útil do parafuso. Os parafusos de precisão plus grade contêm acúmulo de erros de avanço para posicionamento preciso em todo o comprimento útil do parafuso.

Determine como o conjunto do fuso de esferas será montado na máquina. A configuração dos suportes finais e a distância de deslocamento ditarão as limitações de carga e velocidade do fuso de esferas.

Um fuso de esferas tensionado pode suportar cargas até a capacidade nominal da porca. Para uma porca esférica em compressão, use um gráfico de carga de compressão disponível no fabricante para selecionar um diâmetro de parafuso esférico que atenda ou exceda a carga de projeto. Todos os parafusos com curvas que passam através ou acima e à direita do ponto plotado, por exemplo, são adequados para o exemplo de aplicação a seguir. As cargas de compressão adequadas mostradas neste gráfico não devem exceder a capacidade de carga estática máxima, conforme indicado na tabela de classificação para o conjunto de porca esférica individual. Assim, com um comprimento de 85 pol. (2.159 mm), uma carga do sistema de 30.000 lb (133.500 N) e com uma fixação final de uma extremidade fixa e a outra suportada - a seleção mínima é uma precisão de 1,750 x 0,200 mais polegadas. conjunto de fuso de esfera.

Calcule o avanço do fuso de esferas que produzirá o requisito de velocidade usando a seguinte fórmula.

Lead (pol.) = TravelRate (pol. min.-1)/rpm

Determinando a expectativa de vida do aplicativo

A vida útil da montagem pode ser calculada usando a classificação de carga dinâmica especificada para cada porca esférica. Todas as porcas esféricas com curvas que passam ou estão acima do ponto traçado são adequadas para o exemplo. As expectativas de vida útil mostradas neste gráfico não devem exceder a capacidade máxima de carga estática, conforme indicado na tabela de classificação para o conjunto de porca esférica individual. Neste exemplo, a expectativa de vida útil da aplicação (percurso total) desejada é de 2 milhões de pol. (50,8 milhões de mm). Então a carga operacional normal máxima é de 10.000 lb (44.500 N).

Determinando a velocidade crítica do parafuso

A velocidade crítica do parafuso é a condição em que a velocidade de rotação do conjunto cria vibrações harmônicas. A velocidade crítica depende do diâmetro da raiz do parafuso, do comprimento sem suporte e da configuração do suporte final. Na maioria dos gráficos de fabricantes, todos os parafusos com curvas que passam através ou acima e à direita do ponto plotado são adequados para o exemplo a seguir. Os quatro desenhos de fixação final mostram as configurações dos rolamentos para suportar um eixo giratório, e o gráfico mostra o efeito dessas condições na velocidade crítica do eixo para o comprimento do parafuso não suportado. As velocidades aceitáveis ​​mostradas neste gráfico aplicam-se ao eixo do parafuso selecionado e não são indicativas das velocidades alcançáveis ​​de todos os conjuntos de porcas esféricas associados.

Se os cálculos de carga, vida útil e velocidade confirmarem que o conjunto de fuso de esferas selecionado atende ou excede os requisitos do projeto, prossiga para a próxima etapa. Caso contrário, parafusos de diâmetro maior aumentarão a capacidade de carga e aumentarão a classificação de velocidade. Cabos menores diminuirão a velocidade linear (assumindo a velocidade de entrada do motor constante), aumentarão a velocidade do motor (assumindo a velocidade linear constante) e diminuirão o torque de entrada necessário. Cabos mais altos aumentarão a velocidade linear (assumindo velocidade de entrada do motor constante), diminuirão a velocidade de entrada do motor (assumindo velocidade linear constante) e aumentarão o torque de entrada necessário.

Determine como a porca esférica irá interagir com a aplicação. Um flange de porca esférica é o método típico de fixação da porca esférica à carga. As porcas esféricas roscadas e as porcas esféricas cilíndricas são formas alternativas de fornecer a interface.

As porcas esféricas pré-carregadas eliminarão a folga do sistema e aumentarão a rigidez. Os kits de limpador protegem o conjunto contra contaminantes e contêm lubrificação. Suportes de rolamento e usinagem final também estão disponíveis para a maioria dos parafusos de esferas.

Os parafusos esféricos precisam ser manuseados com cuidado antes da instalação adequada. Choques nos rolamentos de esferas podem danificar as pistas do rolamento através de brinelling ou rachaduras. Cargas elevadas ou flexão do parafuso podem causar flexão. É importante manter o conjunto embalado, lubrificado e armazenado em uma área limpa e seca, pois detritos e contaminação podem obstruir os trilhos de recirculação e alta umidade ou chuva podem causar corrosão.

A montagem do sistema é outra consideração importante. A porca esférica deve ser carregada apenas axialmente, pois qualquer carga radial reduz significativamente o desempenho do conjunto. O conjunto também deve estar devidamente alinhado com o sistema de acionamento, suportes de rolamento e carga para atingir desempenho e vida útil ideais.

Lubrificação de fuso de esfera

O conjunto do fuso de esferas nunca deve funcionar sem a lubrificação adequada. Os lubrificantes mantêm a vantagem de baixo atrito dos conjuntos de fusos de esferas, minimizando a resistência ao rolamento entre esferas e ranhuras e o atrito de deslizamento entre esferas adjacentes.

O óleo pode ser aplicado a uma vazão controlada diretamente no ponto necessário e limpará os contaminantes à medida que passa pela porca esférica. Também pode fornecer resfriamento. Por outro lado, é necessária uma bomba e um sistema de medição para aplicar o óleo adequadamente, pois o óleo também tem o potencial de contaminar os fluidos do processo.

A graxa é mais barata e requer aplicação menos frequente que o óleo, além de não contaminar os fluidos do processo. Por outro lado, a graxa é difícil de reter dentro da porca esférica e tem tendência a se acumular nas extremidades do deslocamento da porca esférica, onde acumula cavacos e partículas abrasivas. A incompatibilidade da graxa antiga com a graxa de relubrificação pode criar um problema, por isso é importante verificar a compatibilidade. Uma graxa para transporte de carga pode ajudar a prolongar a vida útil de um conjunto, mas a classificação geral da carga não mudará.