Chaves de rosca – precisão por pré-carregamento

Os parafusos esféricos convertem o movimento rotativo em movimento linear preciso ou vice-versa. Eles são frequentemente usados como um elemento de acionamento. A precisão do posicionamento é fundamental ao utilizar as chaves de parafusos esféricos. Uma forma de aumentar a precisão de posicionamento de uma unidade de parafuso esférico é reduzir a folga entre o spindle e a porca com uma pré-carga. No entanto, uma vez que esta pré-carga também altera a facilidade de movimento do sistema, existem chaves de rosca com pré-carga ajustável. O sistema pode ser pré-carregado de tal forma que o espaço axial admissível entre a porca esférica e o spindle roscado seja alcançado sem limitar excessivamente o movimento livre. O pré-carregamento pode atingir a precisão posicional dentro de alguns micrómetros. Neste artigo, irá aprender como isto funciona e que classes de precisão existem.

O que é uma chave de parafusos esférica?

Uma unidade de parafuso esférico, também chamada de parafuso condutor esférico de recirculação, converte o movimento rotativo em movimento linear. Na sua forma mais simples, uma chave de parafusos esférica consiste num parafuso de chumbo e numa porca. As esferas rolam entre elas numa faixa de recirculação para reduzir a fricção. Sistemas mais complexos, por exemplo, consistem num sistema de porca dupla ou têm dispositivos de proteção. As transmissões de parafuso esférico são altamente precisas e capazes de transferir forças elevadas com baixas perdas de fricção, tornando-as ideais para o controlo de movimento em aplicações industriais e máquinas como máquinas CNC ou robôs. Com a sua ajuda, por exemplo, as fixações da peça de trabalho podem ser posicionadas com muita precisão. A lubrificação correta é essencial para operar as transmissões de parafuso de esferas (mais informações sobre Lubrificação de chaves de parafusos esféricas – Lubrificantes, áreas de aplicação e informações gerais).

Para obter informações mais detalhadas sobre a função, design e classes de precisão das chaves de parafusos esféricos, consulte o nosso artigo sobre Transmissões de parafuso esférico – Função / estrutura / tipos / classe de precisão.

O que é o pré-carregamento?

Entende-se por pré-carregamento a introdução intencional de uma força num sistema ou componente antes de ser exposto a uma carga externa. Garante estabilidade e fiabilidade funcional. Pode ser aplicada uma pré-carga, por exemplo, em juntas roscadas, molas, rolamentos de parafusos de chumbo, mas também em transmissões de parafusos esféricos.

Os parafusos esféricos tendem a ser resilientes e têm folga axial na unidade de tração. A folga axial é a amplitude de movimento não utilizada ou folga de um parafuso guia, que é criada pela folga entre as esferas do rolamento e a rosca do parafuso guia e os trilhos na porca roscada.

Devido à folga axial, a unidade do parafuso esférico desloca-se entre as posições (+) e (-). Para pré-cargas numa direcção, isto ainda não leva a um posicionamento impreciso porque as esferas são pressionadas contra um lado do flanco da rosca. No entanto, assim que houver uma alteração na direção ou uma inversão da carga axial, a precisão de posicionamento absoluto deixa de ser indicada.

• F_r = Efeito de força radial
• M = momento de flexão, por exemplo, devido a instalação desalinhada

É introduzida uma pré-carga para minimizar este efeito indesejável. A consideração das tolerâncias dimensionais é essencial ao ajustar a pré-carga. As tolerâncias de rolamentos ou roscas são ajustadas de modo a que não haja mais folga, o que otimiza a precisão de posicionamento e rigidez do sistema. É normalmente introduzido entre o parafuso principal e a porca dupla, por exemplo, utilizando duas porcas que são fixadas uma contra a outra. A tensão da mola entre as porcas pode normalmente ser ajustada utilizando um anel roscado.

O termo de pré-carga também está definido nas normas. O JIS 1192, por exemplo, define a pré-carga como a força exercida internamente nas acções do parafuso esférico utilizando um grupo de esferas de aço axialmente deslocadas ou um par de porcas para reduzir a folga e aumentar a rigidez da accionadora do parafuso esférico. No entanto, a pré-carga excessiva pode, por exemplo, também afetar a vida útil da chave de fuso de esferas. Por conseguinte, a quantidade de pré-carregamento deve ser considerada exaustivamente.

Tipos de pré-carregamento

Em geral, existem dois tipos de pré-carga: radial e axial. A pré-carga radial é uma força aplicada perpendicularmente ao eixo de rotação, por exemplo, nos anéis dos rolamentos num rolamento. Garante um contacto uniforme entre o rolamento e o anel. A pré-carga axial é aplicada ao longo do eixo do rolamento ou do fuso e evita a folga na direção longitudinal. O pré-carregamento axial é utilizado para as chaves de parafusos esféricos.

Importância da força de pré-carga

A utilização de uma pré-carga tem as seguintes vantagens:

• A rigidez melhora, o que por sua vez otimiza a capacidade de carga e a repetibilidade.
• A vida útil aumenta. No entanto, deve ter-se cuidado para garantir que a pré-carga não é demasiado elevada, pois pode ter um efeito negativo.
• As vibrações e os ruídos são minimizados, o que é, por exemplo, relevante para aplicações que exigem movimento silencioso.
• O jogo é minimizado, resultando num controlo de movimento e posicionamento mais precisos. Isto é importante, entre outras coisas, para máquinas CNC ou em robótica.

Ao calcular a força de pré-carga necessária, as classes de tolerância necessárias dos componentes a serem fabricados também devem ser levadas em consideração (ver Classes de tolerância de acordo com a norma ISO 22081 e DIN ISO 2768: Utilização otimizada de tolerâncias gerais).

Calcular a força de pré-carga

A força de pré-carga da porca representa sempre uma carga constante na unidade do parafuso esférico. Por conseguinte, é importante encontrar uma força de pré-carga que, ao mesmo tempo, não exerça tensão excessiva na unidade do parafuso esférico, ao mesmo tempo que cumpre a sua finalidade. Para este fim, a carga operacional esperada em particular pode ser considerada. A força de pré-carga pode, por exemplo, ser calculada a partir da classificação de carga dinâmica. Isto indica as cargas que a unidade de parafuso esférico pode suportar para alcançar uma vida útil de 1 milhão de rotações.   É especificado pelo fabricante. As classificações de carga são, por exemplo, padronizadas na ISO 281. Para porcas de parafuso esférico com contacto de 4 pontos, 5-8% da classificação de carga dinâmica faz sentido para pré-carregamento e 8-10% para contacto de 2 pontos. Outros valores aplicáveis para determinações de acordo com norma ANSI.

Vários métodos de pré-carregamento

Existem vários métodos para ajustar a pré-carga, tais como porcas de parafuso esférico com pré-carga ajustável. Nesta variante, é montada uma mola entre duas porcas, que pressiona as porcas contra o lado esquerdo e direito da corrida do spindle. A pré-carga pode ser ajustada com um anel roscado. A pré-carga também pode ser conseguida automaticamente utilizando sistemas hidráulicos. Vários métodos são apresentados em detalhe abaixo:

Porca dupla pré-carregada com mola

Selecionar a tensão correta da mola é crucial para otimizar a pré-carga (consulte Seleção de molas de tensão e molas de compressão – Descrição geral / usos / exemplos de aplicação). A porca dupla accionada por mola é uma boa opção para pequenas chaves de parafuso esférico. As duas porcas estão localizadas num alojamento de forma rotativa, onde são empurradas para fora por uma mola presa entre elas. A mola garante que a pré-carga permanece sempre a mesma, mesmo em caso de desgaste ou devido a tolerâncias de fabrico. O próprio pré-carregamento também é comparativamente pequeno. As desvantagens da porca dupla accionada por mola são que é geralmente mais complexa e maior e o alinhamento é mais difícil. As forças também não podem mais ser transferidas em todas as direções: a mola pode produzir se as forças estiverem acima da força de pré-carga.

Instalar esferas com um oversize definido

As esferas podem ser montadas com um sobredimensionamento definido se forem utilizadas porcas padrão individuais na unidade do parafuso esférico.   Isto resulta num contacto de quatro pontos entre quatro pontos da esfera e a porca. Isto leva a um aumento significativo da fricção.

• (1) Parafuso guia (secção transversal)
• (2) Porca (secção transversal)

Devido à elevada fricção, este método deve ser utilizado com uma pequena pré-carga ou folga. A eficiência deteriora-se um pouco e a resposta às tolerâncias de produção também é maior com este tipo de pré-carregamento. Para parafusos condutores particularmente longos, não faz sentido instalar porcas individuais pré-carregadas. As vantagens são: eficiência e design compacto.

Instalar uma única porca com compensação de passo

Um desvio de passo ainda pode ser selecionado para porcas individuais. Isto envolve a instalação de uma porca com um passo de rosca que se desvia ligeiramente do fuso. Este desvio definido faz com que a posição dos elementos de rolamento mude na rosca do fuso, resultando num contacto de dois pontos. Este método é adequado para pré-carregamento médio.

• (1) Parafuso guia (secção transversal)
• (2) Porca (secção transversal)

Instalar um elemento espaçador para porcas duplas

Uma variante de pré-carregamento mais complexa é instalar um sistema de porca dupla com um elemento espaçador.

• (1) Parafuso guia (secção transversal)
• (2) Porca (secção transversal)
• (3) Elemento espaçador

Duas porcas roscadas são fixadas uma contra a outra através de um elemento espaçador, o que resulta num contacto de dois pontos. O atrito aumenta muito pouco como resultado. A folga axial é quase completamente eliminada, o que contribui para a rigidez e precisão da chave de parafusos esférica. Este método é viável para pré-carregamento médio e alto. Os elementos espaçadores permitem ajustes simples da pré-carga, razão pela qual são adequados para cargas variáveis.