Tipos de porcas de fuso de esferas: flange, circulação interna e externa

As porcas de fuso de esfera são frequentemente descritas com termos como porca flangeada, circulação interna, circulação externa e porca pré-carregada. Esses termos soam como “tipos de nozes” concorrentes, mas na verdade descrevem diferentes dimensões de design.

UMporca flangeadadescreve como o corpo da porca é montado no carro ou no alojamento.Circulação interna e externadescreva como as bolas retornam do final da pista carregada para o início do próximo caminho de circulação.Pré-carregardescreve como a folga axial e a rigidez são controladas.

Compreender essas distinções é essencial ao comparartipos de porcas de fuso de esferapor ummódulo linear. Este guia explica as principais estruturas de porcas, seus compromissos de engenharia e como selecionar uma porca com base no espaço, velocidade, carga, rigidez, folga e requisitos de manutenção.

Três perguntas diferentes definem uma porca de fuso de esferas

Uma maneira útil de classificar uma porca esférica é responder a três perguntas distintas:

1. Como a porca é montada?Flange, cilíndrico, quadrado ou outra forma de alojamento.
2. Como as bolas recirculam?Tubo/tubo de retorno, defletor, peça de retorno, tampa ou outro sistema de circulação.
3. Como a folga axial é controlada?Tipo de folga, pré-carga de esfera superdimensionada, pré-carga de deslocamento, pré-carga de porca dupla ou outro arranjo específico do fabricante.

Importante:uma porca pode ser uma porca flangeada, usar circulação interna e também ser pré-carregada ao mesmo tempo. Esses rótulos não são mutuamente exclusivos.

Como funciona uma porca de fuso de esferas

Dentro de um parafuso esférico, as esferas rolantes transportam carga entre a ranhura do eixo do parafuso e a ranhura da porca. À medida que o parafuso ou porca gira, as esferas viajam pela pista carregada.

Como as esferas não podem simplesmente sair da porca após atingirem o final da pista, a porca inclui um caminho de recirculação que as redireciona de volta para uma ranhura anterior.

O sistema de recirculação afeta:

• Diâmetro externo da porca
• Comprimento da porca
• Tamanho disponível de chumbo e bola
• Velocidade de rotação permitida
• Comportamento de ruído e vibração
• Complexidade de fabricação
• Facilidade de manutenção

Porcas de fuso de esferas flangeadas

UMporca de flange de parafuso de esferapossui um flange de montagem ampliado que é aparafusado à mesa móvel, ao alojamento da porca ou à estrutura da máquina.

A flange pode ser:

• Redondo
• Corte plano
• Quadrado
• Usinado personalizado

O padrão exato do parafuso varia de acordo com a série e o fabricante.

Por que as porcas flangeadas são comuns em módulos lineares

O flange fornece uma interface mecânica direta entre a porca esférica e o carro. Isto simplifica a transferência de força axial e torna a montagem simples.

As vantagens típicas incluem:

• Montagem simples
• Caminho de carga axial claro
• Substituição conveniente
• Fácil integração em um bloco de transporte

O formato do flange não determina o método de circulação

Uma porca flangeada pode usar um tubo de retorno, um defletor interno, uma tampa ou outro mecanismo de circulação. O flange é, portanto, um recurso de instalação e não uma classificação de retorno de esfera.

Corpos de porca cilíndricos e compactos

Algumas porcas esféricas usam um corpo cilíndrico ou fino sem um grande flange convencional. Eles podem ser fixados, rosqueados ou montados dentro de um invólucro dedicado.

Essas configurações podem ser úteis quando:

• O espaço radial é limitado
• A máquina usa um alojamento de porca personalizado
• É necessário um módulo integrado compacto
• A porca deve caber dentro de um perfil estreito

O projeto de montagem ainda deve impedir a rotação da porca e transmitir toda a carga axial com segurança.

O que significa “circulação interna”?

No uso geral de engenharia,porcas esféricas de circulação internaretorne as esferas através de elementos de retorno compactos incorporados ou intimamente integrados ao corpo da porca.

Exemplos comuns incluem mecanismos do tipo defletor ou do tipo peça de retorno. Um defletor redireciona uma esfera de uma ranhura para uma ranhura vizinha para que ela possa entrar novamente no caminho carregado.

Dependendo da terminologia do fabricante, alguns sistemas de tampa também podem utilizar passagens de retorno integradas através do corpo da porca. Como as convenções de nomenclatura variam, a estrutura exata de devolução deve ser confirmada no desenho do produto.

Vantagens da Circulação Interna

Projetos de circulação interna podem fornecer:

• Dimensões externas compactas
• Nenhum grande tubo de retorno externo saindo da porca
• Boa embalagem dentro de módulos lineares estreitos
• Geometria de porca balanceada em alguns projetos de alta velocidade

A THK, por exemplo, utiliza circulação de defletor em projetos compactos de fusos de esferas especificamente para reduzir as dimensões das porcas.

Limitações potenciais

As limitações exatas dependem da geometria de retorno, mas os projetistas podem precisar considerar:

• Diâmetro da esfera disponível
• Faixa de chumbo
• Número de circuitos de circulação
• Complexidade de fabricação
• Acessibilidade de componentes internos de devolução

Porcas esféricas tipo defletor

Um defletor é um elemento de retorno compacto colocado na porca. Ele guia as esferas através da rosca do parafuso até uma ranhura carregada adjacente.

Esta abordagem é atraente para:

• Automação compacta
• Diâmetro externo da porca pequena
• Módulos lineares integrados
• Aplicações onde tubos de retorno externos interfeririam na embalagem

A circulação do defletor significa automaticamente uma operação mais silenciosa?

Não. O ruído depende da velocidade da esfera, da geometria do caminho de retorno, da pré-carga, da lubrificação e da qualidade de fabricação. Alguns sistemas de retorno interno especialmente otimizados são projetados para operação em alta velocidade e baixo ruído, mas a “circulação interna” por si só não garante um nível de ruído específico.

O que significa “circulação externa”?

Porcas esféricas de circulação externanormalmente usa um tubo de retorno ou tubo de retorno que guia as esferas para fora da pista principal da porca antes de devolvê-las à zona carregada.

O tubo de retorno geralmente é fixado na parte externa do corpo da porca, criando um caminho de recirculação claramente visível.

Vantagens da circulação externa do tubo de retorno

Os designs de tubo de retorno são amplamente utilizados porque podem suportar uma ampla gama de:

• Diâmetros dos parafusos
• Pistas
• Tamanhos de bola
• Capacidades de carga
• Arranjos de pré-carregamento

Eles são comuns em fusos de esferas industriais, máquinas-ferramentas e conjuntos de parafusos maiores.

Troca de embalagem

A principal diferença visível é que o tubo de retorno ocupa espaço radial adicional ao redor da porca.

Isso pode ser importante quando o fuso de esfera deve caber dentro de um perfil estreito de módulo linear de alumínio.

Circulação Interna vs Externa

Não selecione o tipo de circulação apenas a partir de uma tabela de comparação genérica.A velocidade permitida, a classificação de carga e o ruído devem ser obtidos da série real de porcas.

Circulação final

As porcas esféricas com tampa usam componentes de retorno nas extremidades da porca, juntamente com passagens de retorno que trazem as esferas de volta para a extremidade oposta do circuito carregado.

Esta arquitetura é frequentemente associada a percursos maiores ou projetos que exigem circulação eficiente ao longo de um caminho de retorno mais longo.

Dependendo do fabricante e da série, os designs das tampas podem ser otimizados para alta velocidade e alta carga.

Por que os designs de tampa final são importantes em módulos lineares

Um parafuso de alto avanço pode fornecer maior deslocamento linear por revolução, reduzindo a rotação necessária do parafuso para uma velocidade linear alvo. A circulação da tampa final é, portanto, relevante em alguns sistemas de alta velocidade.módulo de parafuso de esferaprojetos.

Peça de retorno e outros designs de circulação

Os fabricantes também utilizam peças de retorno, devoluções tipo ponte e estruturas de circulação próprias.

A lição prática é que “interno versus externo” é uma distinção útil de alto nível, mas uma comparação séria de engenharia deve identificar o mecanismo de circulação exato usado no número de peça selecionado.

O que é uma porca de fuso de esferas pré-carregada?

UMporca de parafuso de esfera pré-carregadaé projetado de modo que os elementos rolantes ou o arranjo de porcas criem uma carga axial interna mesmo antes da carga externa do processo ser aplicada.

O objetivo é reduzir a folga axial e aumentar a rigidez.

A pré-carga pode melhorar:

• Posicionamento bidirecional
• Resposta de reversão
• Rigidez axial
• Resistência a pequenos distúrbios externos

Pré-carga não é o mesmo que grau de precisão

Um parafuso de alta precisão pode ter folga se não estiver pré-carregado, e um parafuso de menor precisão pode ter folga axial muito baixa se sua porca estiver pré-carregada.

Estas especificações controlam diferentes características de desempenho:

• Grau de precisão:precisão de avanço/viagem
• Pré-carga/liberação:jogo axial e rigidez

Módulos lineares de precisão geralmente precisam considerar ambos.

Métodos comuns de pré-carregamento

Os fabricantes de fusos de esferas usam vários arranjos de pré-carga.

Pré-carga de porca dupla

Duas porcas são separadas axialmente ou carregadas uma contra a outra, geralmente com um espaçador, para remover a folga.

As vantagens podem incluir:

• Alta rigidez axial
• Pré-carga ajustável ou definida
• Forte desempenho de posicionamento bidirecional

A compensação é maior comprimento e massa da porca.

Pré-carga de avanço deslocado ou de porca única

A relação da ranhura interna é fabricada de forma que diferentes porções de uma porca gerem pré-carga axial oposta.

Isto pode fornecer pré-carga em um pacote mais compacto do que uma estrutura convencional de porca dupla.

Pré-carga de bola superdimensionada

Esferas ligeiramente maiores podem ser usadas para criar interferência entre as pistas do parafuso e da porca.

Isto pode reduzir a folga sem usar duas porcas separadas, embora a pré-carga alcançável e a faixa de aplicação dependam do projeto específico.

Quanto de pré-carga é melhor?

Mais pré-carga não é automaticamente melhor.

Uma pré-carga mais alta pode melhorar a rigidez, mas também aumentar:

• Torque de funcionamento
• Geração de calor
• Torque RMS do motor
• Demanda de lubrificação
• Desgaste se a lubrificação ou o alinhamento forem ruins

A pré-carga deve corresponder à rigidez necessária e ao desempenho de reversão.O uso de pré-carga excessiva pode reduzir a eficiência e a estabilidade térmica.

Porcas esféricas tipo folga

Nem todo módulo linear precisa de uma porca pré-carregada.

Uma porca com folga ou de baixa pré-carga pode ser apropriada quando:

• A aplicação é principalmente unidirecional
• A precisão da reversão absoluta não é crítica
• Baixo torque de funcionamento é importante
• O custo é mais importante que a rigidez máxima
• O eixo é usado para transporte geral

A folga axial permitida ainda deve ser comparada com os requisitos de posicionamento da máquina.

Porca Simples vs Porca Dupla

O comprimento da porca afeta o curso disponível

Em um comprimento total de módulo fixo, uma porca mais longa ou um conjunto de porca dupla pode reduzir o curso útil porque mais espaço interno é ocupado pelo conjunto de porcas móveis e pelas folgas nas extremidades.

Isto é especialmente importante em máquinas compactas onde o projetista deseja o curso máximo possível de um corpo de módulo curto.

O diâmetro da porca afeta o tamanho do perfil do módulo

Uma porca com flange grande ou tubo de retorno externo requer mais espaço radial.

Isso pode influenciar:

• Largura do perfil de alumínio
• Altura do carro
• Geometria da capa
• Acesso à lubrificação
• Alinhamento do motor e do acoplamento

As porcas compactas de circulação interna podem ser valiosas quando a seção transversal do módulo é uma grande restrição do projeto.

A capacidade de carga não é determinada apenas pelo estilo da porca

Uma porca de tubo de retorno não é automaticamente “serviço pesado” e uma porca de circulação interna não é automaticamente “serviço leve”.

A capacidade de carga do fuso de esferas depende de:

• Diâmetro do parafuso
• Diâmetro da bola
• Número de circuitos carregados
• Geometria de contato
• Comprimento da porca
• Tratamento de materiais e térmicos

Compare as classificações reais de carga dinâmica e estática das séries selecionadas.

Os circuitos de circulação são importantes

Uma porca esférica pode conter um ou vários circuitos de circulação.

Circuitos mais carregados podem aumentar o número de esferas compartilhando a carga axial, mas o efeito na capacidade depende do projeto completo do contato.

O número de circuitos também influencia:

• Comprimento da porca
• Classificação de carga
• Rigidez
• Layout de retorno de bola

Seleção de alta velocidade

Para um módulo de fuso de esferas de alta velocidade, a qualidade da circulação torna-se especialmente importante porque as esferas entram e saem repetidamente da pista carregada em alta frequência.

Verificar:

• Rotações permitidas do parafuso
• Limite dN ou DmN do fabricante, quando especificado
• Velocidade de alimentação linear
• Temperatura da noz
• Barulho
• Método de lubrificação

Alguns fabricantes desenvolvem defletores especializados ou sistemas de retorno final especificamente para maior velocidade e circulação mais suave.

Ruído e vibração

O ruído do parafuso esférico vem de diversas fontes:

• Recirculação de bola
• Contato bola-ranhura
• Componentes de devolução
• Pré-carregar
• Lubrificação
• Velocidade do parafuso
• Rolamentos de suporte

A arquitetura de circulação é importante, mas não deve ser usada como único preditor de ruído.

Requisitos de lubrificação

Todos os tipos de porcas de fuso de esferas dependem de lubrificação adequada entre os corpos rolantes e as pistas.

A seleção da lubrificação deve considerar:

• Velocidade
• Carregar
• Pré-carregar
• Temperatura
• Contaminação
• Horário de funcionamento

A alta pré-carga e a alta velocidade geralmente aumentam a importância da condição do lubrificante e do controle do calor.

Selos e limpadores

As porcas esféricas podem usar vedações ou limpadores para reduzir a entrada de contaminação na pista.

A vedação adicional pode melhorar a proteção contra contaminação, mas pode aumentar a resistência ao funcionamento.

Para um módulo linear, considere o sistema de proteção completo:

• Selos de nozes
• Capa do módulo
• Tira de aço
• Fole
• Gabinete da máquina

Montagem e alinhamento de flange

Uma porca flangeada deve ser montada de forma que seu eixo fique exatamente alinhado com o parafuso e a guia linear.

O mau alinhamento pode causar:

• Maior torque de funcionamento
• Carregamento irregular da bola
• Aquecer
• Barulho
• Desgaste prematuro

O flange da porca não deve ser forçado para a posição apertando os parafusos contra um carro desalinhado.

A carga lateral externa deve ser transportada pela guia linear

A porca do fuso de esferas é projetada principalmente para suportar carga axial.

As forças laterais e os momentos de tombamento da ferramenta, acessório ou peça de trabalho devem ser suportados pelo sistema de guia linear do módulo.

Regra de design do módulo:use o fuso de esferas para acionamento axial e a guia linear para carga transversal e controle de momento.

Tipo de porca para módulos lineares compactos

Quando o tamanho do perfil é fortemente restrito, os engenheiros geralmente priorizam:

• Diâmetro externo da porca pequena
• Comprimento curto da porca
• Circulação integrada
• Pré-carga de porca única
• Conexão simples de carro

As porcas do tipo defletor interno podem ser atraentes nesta categoria, dependendo do avanço e da carga necessários.

Tipo de porca para posicionamento de alta rigidez

Para um eixo de precisão onde a rigidez de reversão é crítica, a seleção pode favorecer:

• Porca pré-carregada
• Design de maior rigidez
• Rolamentos de suporte de precisão
• Estrutura de montagem estável

Projetos de pré-carga de porca dupla ou pré-carga compacta de deslocamento podem ser viáveis ​​dependendo do espaço disponível.

Tipo de porca para automação geral

A automação geral pode não precisar da pré-carga mais alta ou do sistema de circulação mais complexo.

Uma solução prática deve equilibrar:

• Precisão de posicionamento necessária
• Repetibilidade
• Custo
• AVC
• Manutenção
• Espaço de instalação disponível

Tipo de porca para aplicações de alto impulso

Alto impulso requer mais do que uma “noz forte”.

Verificar:

• Classificação de carga dinâmica
• Classificação de carga estática
• Número de circuitos
• Diâmetro do parafuso e avanço
• Capacidade de suporte
• Empenamento de parafuso
• Vida necessária

O método de circulação da porca por si só não define o empuxo máximo.

Como a pré-carga afeta o dimensionamento do motor

A pré-carga adiciona torque de fricção interno mesmo quando o carro não possui carga de processo externa.

O dimensionamento do motor deve, portanto, incluir:

• Torque de carga linear
• Torque de aceleração rotacional do parafuso
• Torque de pré-carga da porca
• Resistência de guia e vedação

Isto é especialmente importante para motores pequenos e eixos de alta precisão.

Como a seleção de nozes afeta o comportamento térmico

A circulação e a pré-carga da bola geram calor.

Temperaturas mais altas podem causar expansão térmica do parafuso e desvio de posicionamento.

Os sistemas de alta precisão podem, portanto, utilizar:

• Pré-carga otimizada
• Lubrificação controlada
• Resfriamento de porca ou parafuso
• Rotinas de aquecimento
• Compensação de temperatura

Erros comuns na seleção de nozes

Tratar flange, circulação interna e pré-carga como categorias concorrentes

Eles descrevem diferentes recursos de design e podem existir juntos em uma porca.

Assumir que a circulação interna é sempre mais precisa

A precisão do posicionamento é controlada pela precisão do avanço do parafuso, pré-carga, rolamentos de suporte e montagem, e não apenas pelo tipo de circulação.

Assumir que a circulação externa sempre carrega mais carga

A classificação de carga depende da geometria do parafuso e da porca, dos circuitos e do projeto do contato esférico.

Escolhendo a pré-carga máxima para cada eixo de precisão

A pré-carga excessiva aumenta o torque e o calor.

Ignorando o envelope de nozes

Um tubo de retorno ou flange grande pode interferir no perfil ou na tampa do módulo.

Ignorando o suporte e a rigidez da guia

Uma porca de alta rigidez não consegue compensar rolamentos flexíveis, guias ou estrutura da máquina.

Um fluxo de trabalho prático de seleção de porcas de fuso de esferas

1. Defina a carga axial e a vida útil necessárias.
2. Defina o diâmetro do parafuso e a faixa de avanço.
3. Defina precisão de posicionamento e repetibilidade.
4. Determine a folga axial permitida e a rigidez necessária.
5. Selecione o nível de pré-carga, se necessário.
6. Verifique o diâmetro e comprimento da porca disponíveis.
7. Selecione um sistema de circulação compatível com velocidade, chumbo e embalagem.
8. Selecione flange ou outra geometria de montagem.
9. Verifique as classificações de carga dinâmica e estática.
10. Verifique a velocidade permitida e os limites de circulação.
11. Verifique o torque de pré-carga e a capacidade do motor.
12. Confirme a lubrificação e vedação.
13. Valide o alinhamento com a guia linear e os rolamentos de suporte.

O que QRXQ precisa para selecionar uma porca de fuso de esferas

• Diâmetro do parafuso esférico
• Liderar
• AVC
• Carga axial
• Velocidade necessária
• Aceleração
• Precisão de posicionamento
• Repetibilidade
• Folga permitida ou folga axial
• Envelope de nozes disponível
• Vida útil necessária
• Ambiente de trabalho

A melhor porca de fuso de esferas é selecionada entre várias dimensões ao mesmo tempo.A forma de montagem, a circulação da esfera e a pré-carga resolvem diferentes problemas de engenharia e não devem ser resumidas em uma simples classificação de “tipo de porca”.

QRXQ avalia a seleção da porca do fuso de esferas em termos de carga, velocidade, precisão, rigidez e embalagem do módulo e, em seguida, combina a geometria do flange, a arquitetura de circulação e a pré-carga com os requisitos completos do eixo linear.