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, minimizando 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 axiais – com 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, suportar, posicionar e movimentar 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 feita por rolamentos de esferas que rolam em formatos correspondentes no fuso e na porca. A carga no fuso de esferas é distribuída por um grande número de rolamentos de esferas, de modo que cada esfera seja 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 se traduz em alta eficiência mecânica.

A principal diferença entre fusos de esferas e fusos trapezoidais reside no uso de rolamentos de esferas recirculantes nos fusos de esferas, o que minimiza o atrito e maximiza a eficiência. Os fusos de esferas são mais caros que os fusos trapezoidais, mas sua capacidade de suportar cargas elevadas, atingir altas velocidades e oferecer uma vida útil previsível justifica o custo adicional em muitas aplicações.

Os fusos de esferas normalmente oferecem eficiência mecânica superior a 90%, portanto, seu custo é frequentemente compensado pela menor 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 trapezoidais.

Repetibilidade e precisão

A precisão mede o 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 posição real. A repetibilidade é definida como a capacidade de um sistema de posicionamento retornar a uma posição 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 polegadas) e precisão (±0,004 polegadas/pé para fusos de esferas de precisão e ±0,0005 polegadas/pé para fusos de esferas classificados como de precisão plus).

A precisão do passo é a medida mais comum da precisão de um fuso de esferas. O passo refere-se à distância que uma porca de esferas não rotativa percorre com uma única volta de 360° do fuso. A precisão do passo 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 nas classes de precisão plus e de transporte, sendo que a classe de precisão plus controla rigorosamente o acúmulo de erro de passo ao longo de todo o curso.

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 fixar o parafuso e aplicar pressão e tração axial na porca de esferas enquanto se mede seu movimento com um relógio comparador. A folga também pode ser medida colocando um relógio comparador na porca de esferas do sistema e movendo-a 2,54 cm (uma polegada) para frente e para trás até a posição original. A variação em relação a zero é a folga. A repetibilidade é simplesmente o valor quantitativo da folga de um fuso de esferas.

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

Porcas de esferas pré-carregadas estão disponíveis em fusos de precisão Plus e em alguns produtos de fusos de precisão selecionados. Seu custo é maior do que o de 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 simples ou dupla. Existem três tipos principais de pré-carga: porca simples com esferas superdimensionadas (contato em 4 pontos), porca simples com passo alternado (contato em 2 pontos) e porca dupla (contato em 2 pontos). A pré-carga com porca simples mantém o menor tamanho de conjunto, preservando a capacidade de carga total. As porcas de esferas com passo alternado têm metade da capacidade de porcas simples de tamanho similar, pois apenas metade das esferas é carregada em cada direção. Os conjuntos de pré-carga com porca dupla têm a mesma capacidade de carga que uma porca simples, pois apenas uma porca de esferas é carregada em cada direção.

Existem muitos métodos para fabricar fusos de esferas, embora sejam normalmente classificados em duas categorias: precisão e precisão plus. A pista de um fuso de esferas de rosca de precisão é formada por um processo de laminação a frio. A porca é usinada para corresponder à capacidade de desempenho do fuso. Essa abordagem proporciona uma precisão moderada, da ordem de ±0,004 pol./pé de precisão de passo em fusos da série de transporte em polegadas. O fuso e a porca dos fusos de esferas de rosca de precisão plus são produzidos por retificação de precisão. Os fusos de esferas de rosca de precisão plus oferecem uma precisão muito maior, de ±0,0005 pol./pé de precisão de passo em fusos da série de precisão plus em polegadas. O custo dos fusos de esferas de rosca de precisão plus é maior do que o dos fusos de precisão devido ao maior tempo de processamento.

sistemas de retorno de bolas

Três tipos diferentes de sistemas de retorno de esferas são comumente usados. Os tubos de retorno externos, normalmente usados ​​em fusos de esferas com passo variável, são econômicos e fáceis de instalar, manter e reparar. Os sistemas de retorno de botão internos são normalmente usados ​​em fusos de esferas com passo variável. Eles são compactos, sem saliências radiais externas que compliquem a montagem e oferecem menos ruído e vibração do que os retornos externos. Os sistemas de retorno de botão internos são frequentemente usados ​​em conjuntos de contato de 4 pontos, porca única e pré-carga. Os retornos de tampa de extremidade internos são normalmente usados ​​em fusos de esferas com passo variável. Eles 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 fuso de esferas

A melhor maneira de selecionar o conjunto de fuso de esferas que oferece a capacidade de carga e a vida útil especificadas para uma aplicação específica é por meio de um processo iterativo. A carga de projeto, a orientação do sistema, o comprimento do curso, a vida útil necessária e a velocidade requerida são usados ​​para determinar o diâmetro e o passo do conjunto de 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 por determinar a precisão posicional e a repetibilidade exigidas pela aplicação. Os fusos de esferas em polegadas são produzidos em duas classes principais: Transporte e Precisão Plus. Os fusos de esferas de classe Transporte são usados ​​em aplicações que exigem apenas movimentos grosseiros ou que utilizam feedback linear para posicionamento. Os fusos de esferas de classe Precisão Plus são usados ​​onde o posicionamento preciso e repetível é fundamental. Os fusos de classe Transporte permitem maior variação cumulativa ao longo do comprimento útil do fuso. Os fusos de classe Precisão Plus apresentam acúmulo de erro de passo para posicionamento preciso em todo o comprimento útil do fuso.

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

Um fuso de esferas sob tensão pode suportar cargas até a capacidade nominal da porca. Para uma porca de esferas sob compressão, utilize uma tabela de cargas de compressão fornecida pelo fabricante para selecionar um diâmetro de fuso de esferas que atenda ou exceda a carga de projeto. Todos os fusos com curvas que passam pelo ponto plotado ou acima e à direita dele, por exemplo, são adequados para a seguinte aplicação exemplificada. As cargas de compressão adequadas mostradas neste gráfico não devem exceder a capacidade máxima de carga estática, conforme especificado na tabela de classificação para o conjunto da porca de esferas individual. Assim, com um comprimento de 85 pol. (2159 mm), uma carga do sistema de 30.000 lb (133.500 N) e com uma extremidade fixa e a outra apoiada, a seleção mínima é um conjunto de fuso de esferas de precisão plus de 1,750 x 0,200 polegadas.

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

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

Determinar a expectativa de vida útil da aplicação

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

Determinação da velocidade crítica do parafuso

A velocidade crítica do parafuso é a condição na qual a velocidade de rotação do conjunto gera vibrações harmônicas. Essa velocidade crítica depende do diâmetro da raiz do parafuso, do comprimento sem suporte e da configuração do suporte da extremidade. Na maioria das tabelas dos fabricantes, todos os parafusos com curvas que passam pelo ponto plotado ou acima e à direita dele 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 se aplicam ao eixo do parafuso selecionado e não são indicativas das velocidades atingíveis de todos os conjuntos de porca de esferas associados.

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

Determine como a porca de esferas será integrada à aplicação. Uma flange para porca de esferas é o método típico de fixação da porca à carga. Porcas de esferas roscadas e porcas de esferas cilíndricas são alternativas para essa integração.

As porcas de esferas pré-carregadas eliminam a folga do sistema e aumentam a rigidez. Os kits raspadores protegem o conjunto contra contaminantes e contêm lubrificante. Suportes de rolamento e usinagem de extremidades também estão disponíveis para a maioria dos fusos de esferas.

Os fusos de esferas devem ser manuseados com cuidado antes da instalação correta. Impactos nos rolamentos de esferas podem danificar as pistas de rolamento, causando desgaste irregular ou rachaduras. Cargas elevadas ou flexão do fuso podem levar ao seu empenamento. É importante manter o conjunto embalado, lubrificado e armazenado em local limpo e seco, pois detritos e contaminantes podem obstruir os canais de recirculação, e alta umidade ou chuva podem causar corrosão.

A montagem do sistema é outra consideração importante. A porca de esferas 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, os suportes dos rolamentos e a carga para obter desempenho e vida útil ideais.

Lubrificação do fuso de esferas

O conjunto do fuso de esferas nunca deve funcionar 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 com uma vazão controlada diretamente no ponto necessário, removendo contaminantes à medida que passa pela porca esférica. Ele também pode proporcionar resfriamento. Por outro lado, um sistema de bomba e dosagem é necessário para a aplicação adequada do óleo, visto que este também apresenta potencial para 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 porca esférica e tende a se acumular nas extremidades do curso da porca, onde acumula cavacos e partículas abrasivas. A incompatibilidade da graxa antiga com a graxa de relubrificação pode causar problemas, portanto, 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 total não será alterada.