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

Especificar o fuso de esferas correto para uma determinada aplicação garantirá precisão, repetibilidade e vida útil da máquina, ao mesmo tempo em que minimizará o custo total de propriedade.

Um acionamento por fuso de esferas converte o movimento rotacional em movimento linear ou vice-versa, e pode aplicar ou suportar altas cargas axiais – até 340.000 kg de capacidade estática usando um conjunto de fuso de esferas de Ø 15,2 mm – com eficiência tipicamente 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 acionamento por fuso de esferas consiste em um fuso de esferas e uma porca de esferas com rolamentos de esferas recirculantes. A interface entre o fuso e a porca é formada 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 acionamento por 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 do que os fusos de avanço, mas sua capacidade de suportar altas cargas, atingir altas velocidades e proporcionar uma vida útil previsível compensam o custo adicional para muitas aplicações.

Os fusos de esferas geralmente oferecem eficiência mecânica superior a 90%, portanto, seu custo costuma ser compensado pela redução da necessidade de energia. A maior capacidade de carga, a vida útil mais longa e a 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 uma posição durante a operação. Os acionamentos por fuso 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 com a etiqueta Precision-plus).

A precisão do avanço é a medida mais comum da precisão de parafusos de esferas. O avanço refere-se à distância que uma porca esférica não rotativa percorre com uma única volta de 360° do parafuso. A precisão do avanço é medida como a variação de curso permitida (posição real versus posição teórica) por pé ou por 300 mm. Parafusos de esferas são oferecidos nas classes Precision Plus e Transport, com a classe Precision Plus controlando rigorosamente o acúmulo de erros de avanço ao longo de todo o curso.

A folga é o movimento livre entre a porca e o parafuso, podendo ser medida axial e radialmente. A melhor maneira de medir a folga axial é proteger o parafuso contra 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 no sistema e movendo-a uma polegada para frente e para trás até a posição original. A variação de zero é a folga. A repetibilidade é simplesmente o valor quantitativo da folga de um fuso de esferas.

Uma castanha de esferas não pré-carregada possui folgas internas entre os componentes, o que significa que existe folga. Uma castanha de esferas pré-carregada não possui folga axial e, portanto, elimina a folga e, consequentemente, aumenta a rigidez. A pré-carga também aumenta o torque necessário para girar o parafuso e é medida pela porcentagem da pré-carga em relação à capacidade dinâmica (uma castanha de esferas com capacidade dinâmica de 1500 lb e classificação de pré-carga de 10% possui uma pré-carga interna de 150 lb). Parafusos de esferas com rosca de precisão geralmente são utilizados sem pré-carga. A pré-carga de um parafuso de esferas melhora a repetibilidade, eliminando a folga, mas não afeta a precisão.

Porcas esféricas pré-carregadas estão disponíveis em parafusos Precision Plus e em produtos de parafusos de precisão selecionados. Seu custo é maior do que porcas não pré-carregadas devido à complexidade, usinagem adicional, montagem e verificação/medição. Os conjuntos de parafusos de esferas podem ser pré-carregados com configurações de porcas duplas ou simples. Existem três tipos principais de pré-carga: porca simples com esfera superdimensionada (contato de 4 pontos), porca simples com avanço rápido (contato de 2 pontos) e porca dupla (contato de 2 pontos). A pré-carga da porca simples mantém o menor tamanho de pacote, mantendo a capacidade de carga total. Porcas esféricas com avanço rápido têm metade da capacidade de porcas simples de tamanho semelhante, pois apenas metade dos rolamentos de esferas são carregados em cada direção. Os conjuntos de pré-carga de porca dupla têm a mesma capacidade de carga de uma porca simples, pois apenas uma porca esférica é carregada em cada direção.

Existem muitos métodos para a fabricação de parafusos de esferas, embora sejam normalmente classificados em duas categorias: precisão e precisão plus. A pista de um parafuso 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. Essa abordagem fornece precisão moderada, na ordem de ± 0,004 pol./pé de precisão de avanço em parafusos da série de polegadas de transporte. O parafuso e a porca dos parafusos de esferas com rosca de precisão plus são produzidos por retificação de precisão. Os parafusos de esferas com rosca de precisão plus oferecem uma precisão muito maior de ± 0,0005 pol./pé de precisão de avanço em parafusos da série de polegadas de precisão plus. O custo dos parafusos de esferas com rosca de precisão plus 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 esferas são comumente utilizados. Tubos de retorno externos, normalmente utilizados em parafusos de polegada, são econômicos e fáceis de instalar, manter e reparar. Sistemas de retorno com botão interno são normalmente utilizados em parafusos de baixo avanço. São compactos, sem saliências radiais externas que compliquem a montagem e oferecem menos ruído e vibração do que os retornos externos. Sistemas de retorno com botão interno são frequentemente utilizados em conjuntos de contato de 4 pontos, porca única e pré-carga. Retornos com tampa interna são normalmente utilizados em parafusos de alto avanço. São compactos, sem saliências radiais externas que compliquem a montagem. Seu ruído e vibração também são baixos em comparação com os retornos externos.

Seleção de fusos de esferas

O conjunto de fusos de esferas que oferece a capacidade de carga e a vida útil especificadas para uma aplicação específica é selecionado por meio de um processo iterativo. A carga de projeto, a orientação do sistema, o comprimento do curso, a vida útil e a velocidade necessárias são usados ​​para determinar o diâmetro e o passo do conjunto de fusos 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 potência disponíveis e condições ambientais.

Comece determinando a precisão posicional e a repetibilidade exigidas pela aplicação. Parafusos de esferas em polegadas são produzidos em duas classes principais: Transporte e Precisão Plus. Parafusos de esferas de grau Transporte são usados ​​em aplicações que exigem apenas movimento aproximado ou que utilizam feedback linear para localização posicional. Parafusos de esferas de grau Precisão Plus são usados ​​onde o posicionamento preciso e repetível é crítico. Parafusos de grau Transporte permitem maior variação cumulativa ao longo de seu comprimento útil. Parafusos de grau Precisão Plus contêm erro de avanço acumulado para posicionamento preciso em todo o seu comprimento útil.

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

Um fuso de esferas em tração pode suportar cargas até a capacidade nominal da porca. Para uma porca de esferas em compressão, use uma tabela de carga de compressão disponível do fabricante para selecionar um diâmetro de fuso de esferas que atenda ou exceda a carga de projeto. Todos os fusos com curvas que passam através ou acima e à direita do ponto plotado, por exemplo, são adequados para a aplicação a seguir. As cargas de compressão adequadas mostradas neste gráfico não devem exceder a capacidade máxima de carga estática, conforme fornecido na tabela de classificação para o conjunto de porca de esferas individual. Portanto, com um comprimento de 85 pol. (2159 mm), uma carga do sistema de 30.000 lb (133.500 N) e com uma fixação final de uma extremidade fixa e a outra extremidade suportada — a seleção mínima é um conjunto de fuso de esferas de precisão de 1,750 x 0,200 polegadas.

Calcule o passo do parafuso de esferas que produzirá a velocidade necessária usando a seguinte fórmula.

Avanço (pol.) = Taxa de deslocamento (pol. min.-1)/rpm

Determinando a expectativa de vida do aplicativo

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

Determinação da velocidade crítica do parafuso

A velocidade crítica do parafuso é a condição em que a velocidade de rotação do conjunto gera vibrações harmônicas. A velocidade crítica depende do diâmetro da raiz do parafuso, do comprimento sem suporte e da configuração do suporte da extremidade. 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 da extremidade mostram as configurações dos mancais para suportar um eixo rotativo, e o gráfico mostra o efeito dessas condições na velocidade crítica do eixo para o comprimento do parafuso sem suporte. As velocidades aceitáveis ​​mostradas neste gráfico aplicam-se ao eixo do parafuso selecionado e não são indicativas das velocidades atingíveis de todos os conjuntos de castanhas esféricas associados.

Se os cálculos de carga, vida útil e velocidade confirmarem que o conjunto de fusos de esferas selecionado atende ou excede os requisitos de projeto, prossiga para a próxima etapa. Caso contrário, fusos de esferas de diâmetro maior aumentarão a capacidade de carga e a classificação de velocidade. Passos menores diminuirão a velocidade linear (assumindo velocidade de entrada do motor constante), aumentarão a velocidade do motor (assumindo velocidade linear constante) e diminuirão o torque de entrada necessário. Passos maiores 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 se conectará à aplicação. Um flange de porca esférica é o método típico de fixação da porca esférica à carga. Porcas esféricas roscadas e porcas esféricas cilíndricas são alternativas para fornecer a interface.

Porcas esféricas pré-carregadas eliminam a folga do sistema e aumentam a rigidez. Kits limpadores protegem o conjunto contra contaminantes e contêm lubrificante. Suportes de rolamento e usinagem de extremidade também estão disponíveis para a maioria dos fusos de esferas.

Os fusos de esferas precisam ser manuseados com cuidado antes da instalação adequada. Choques nos rolamentos de esferas podem danificar as pistas do rolamento por meio de brinelling ou rachaduras. Cargas elevadas ou flexão do fuso podem causar empenamento. É importante manter o conjunto embalado, lubrificado e armazenado em local limpo e seco, pois detritos e contaminação podem obstruir as trilhas de recirculação, e a alta umidade ou chuva podem causar corrosão.

A montagem do sistema é outra consideração importante. A castanha esférica deve ser carregada apenas axialmente, pois qualquer carga radial reduz significativamente o desempenho do conjunto. O conjunto também deve ser alinhado corretamente com o sistema de acionamento, os suportes dos mancais e a carga para atingir desempenho e vida útil ideais.

Lubrificação de fuso de esferas

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

O óleo pode ser aplicado a uma vazão controlada diretamente no ponto de aplicação, removendo contaminantes à medida que passa pela porca esférica. Também pode proporcionar resfriamento. Por outro lado, uma bomba e um sistema de medição são necessários para aplicar o óleo corretamente, pois o óleo também pode contaminar os fluidos do processo.

A graxa é mais barata e requer aplicação menos frequente do que o óleo, além de não contaminar os fluidos do processo. Por outro lado, a graxa é difícil de manter dentro da castanha esférica e tende a se acumular nas extremidades do curso da castanha, onde acumula cavacos e partículas abrasivas. A incompatibilidade da graxa antiga com a graxa de relubrificação pode ser um problema, por isso é importante verificar a compatibilidade. Uma graxa com capacidade de carga pode ajudar a prolongar a vida útil de um conjunto, mas a capacidade de carga geral não será alterada.