Témata

Kuličkové šrouby a matice ve stavbě CNC obráběcích strojů, část 2.

V současné době se jako jedna z několika možných alternativ využívá ve stavbě obráběcích center pro realizaci přímočarých posuvů elektromechanická posuvová soustava tvořená servomotorem s kuličkovým šroubem a maticí. Princip kuličkového šroubu a matice je znám více než sto let. V tomto seriálu vás krok za krokem provedeme zajímavým světem tohoto typu pohybových šroubů. Ve druhém pokračovaní se budeme zabývat konstrukcí vlastního kuličkového šroubu a matice a představíme jediného českého výrobce kuličkových šroubů a matic.

Díly
Prof. Jiří Marek

Je profesorem na Ústavu výrobních strojů, systémů a robotiky FSI VUT v Brně. Zastával manažerské pozice ve výrobních společnostech Toshulin, KŠ Kuřim a TOS Kuřim. V praktické a pedagogické činnosti je zaměřen především na konstrukci obráběcích strojů a obráběcích center pro rotační i nerotační obrobky, teorii konstrukčního procesu a životního cyklu produktu a v neposlední řadě na systémovou metodologii. Jeho dlouholetou snahou je spojovat teorii s praxí do vzájemně se respektujícího celku. Je členem řady odborných organizací, členem redakční rady MM Průmyslového spektra a spoluzakladatelem MM Science Journal. Je autorem celé řady monografií, mj. i legendární knižní edice Konstrukce CNC obráběcích strojů (MM publishing).

Vznik společnosti Kuličkové šrouby Kuřim, a. s., je úzce spjata s výrobou obráběcích strojů v Kuřimi, jejíž základy byly založeny již v roce 1924 ve strojírně bývalé Československé zbrojovky v Brně. V té době byla v opravně strojů zahájena výroba speciálních obráběcích strojů pro vlastní výrobu zbraní. Stavba automatizovaných, číslicově řízených obráběcích strojů si v 60. letech minulého století vynutila vývoj nových a dokonalejších konstrukčních prvků. Nízká mechanická účinnost pohybových šroubů s kluzným závitem se stala vážnou překážkou ve stavbě číslicově řízených obráběcích strojů. Proto byly tyto pohybové prvky postupně nahrazovány kuličkovými šrouby, které se v Kuřimi vyrábějí od roku 1967. Výroba kuličkových šroubů a matic do roku 1996 probíhala v rámci firmy TOS Kuřim. V roce 1996 vznikla privatizací nová společnost TOS Kuřim-KŠ, s. r. o., a v roce 1997 došlo ke změně názvu firmy na Kuličkové šrouby Kuřim, s. r. o. Od 1. 1. 2001 došlo k transformaci na akciovou společnost. Dne 25. 7. 2005 se stala majoritním vlastníkem firmy česká obchodní společnost Alta, a. s., která poté firmu prodává švýcarskému holdingu OC Schweiz Maschinen Bau AG. Firma KSK Kuřim se řadí mezi přední výrobce kuličkových šroubů a matic.

Konstrukce kuličkového šroubu a matice

Strojní soustavou kuličkový šroub a matice rozumíme sestavu hřídele kuličkového šroubu, matice a kuliček obíhající zpravidla v gotickém profilu závitů. Hřídel kuličkového šroubu je složena ze závitové části (levé anebo pravé stoupání závitu, jeden anebo více chodů) a ložiskového čepu pro uložení ve valivých ložiskách buď oboustranně, anebo jednostranně.

Soustava kuličkového šroubu a matice je tvořena hřídelí s osazeními pro ložiska a náhonové prvky, maticí s uzavřeným oběhem a převodem kuliček. (Zdroj: KSK Kuřim)

Hřídel kuličkového šroubu

Stoupání závitu kuličkového šroubu je třeba při konstrukci hřídele zkoumat v relaci s průměrem kuličky a průměrem šroubu. Tyto tři veličiny určí šířku hřbetu mezi sousedními závity, což má velký vliv na opracování šroubu a jeho pozdější mechanické chování.

Průměr kuličky, stoupání a průměr šroubu hraje velkou roli při konstrukci hřídele kuličkového šroubu. (Zdroj: KSK Kuřim)

Existuje několik technologií zhotovení závitu hřídele kuličkového šroubu. Válcování závitu kuličkových šroubů je tváření povrchu ocelové hřídele rotačními nástroji s profilem závitu s cílem získat polotovar pro další zpracování, jímž je povrchové kalení a leštění povrchu kuličkového šroubu. Technologie je vhodná pro hromadnou výrobu, výsledná přesnost je významně ovlivněna kvalitou hutního materiálu a podmínkami válcování. Standardně se válcováním zhotovují hřídele kuličkových šroubů ve třídě přesnosti IT7 výběrem lze dosáhnout IT5. Vlivem použité technologie může vznikat v kuličkovém šroubu vnitřní pnutí projevující se obvykle geometrickou nepřesností spojenou s deformacemi vlastní osy hřídele a mírně zvýšenou hlučností při odvalování kuliček v profilu závitu.

Rotační okružování závitu kuličkových šroubů je obrábění zakaleného povrchu hřídele nástroji s profilem závitu s cílem získat přesný výsledný profil a stoupání závitu kuličkových šroubů. Technologie je vhodná pro sériovou i kusovou výrobu kuličkových šroubů, výsledná přesnost je ovlivněna přesností okružovacího stroje a kvalitou použitých nástrojů a jejich seřízením. Standardně se zhotovují kuličkové šrouby ve třídě přesnosti IT5.

Broušení závitu kuličkových šroubů je tradiční technologie zhotovení závitu do předem obrobeného, zakaleného polotovaru kuličkového šroubu s cílem získat přesný konečný profil a stoupání závitu kuličkového šroubu. Technologie je vhodná pro sériovou i kusovou výrobu. Výsledná přesnost je ovlivněna přesností brousicího stroje a kvalitou použitých brusných nástrojů a jejich tvarováním. Standardně se zhotovují kuličkové šrouby ve třídách přesnosti IT1 a IT3. Takto zhotovené kuličkové šrouby vykazují vysokou geometrickou přesnost závitu hřídele kuličkového šroubu a samozřejmostí je i jejich vysoká životnost. Vzhledem k použité technologii jsou však výrobně nejnáročnější.

Pohled na závit hřídele kuličkového šroubu vyrobeného válcováním s charakteristickým hřbetem. (Zdroj: KSK Kuřim)
Výroba hřídele kuličkového šroubu vyrobeného okružováním do kaleného materiálu polotovaru. (Zdroj: KSK Kuřim)
Závit hřídele kuličkového šroubu vyrobený broušením je charakteristický vysokou kvalitou opracovaného povrchu. (Zdroj: KSK Kuřim)

Matice kuličkového šroubu

Kuličková matice je tvořena vlastním tělesem, ve kterém je vytvořen oběh a převod kuliček, způsobem vymezení vůle a předepnutí. Dále je do matice zajištěna dodávka mazacího prostředku (olej anebo tuk) a posledním členem je zpravidla plastová ucpávka, která zabraňuje vnikání nečistot do oběhového systému kuliček.

Matice kuličkových šroubů jsou stěžejním dílcem, který přenáší axiální síly a zprostředkovává plynulou recirkulaci kuliček ve vložených převodnících. Matice zajišťují vymezení vůlí a s využitím možnosti jejich předepnutí i dosažení potřebné tuhosti převodu, a to i při obousměrném zatížení. Mají za úkol distribuci maziva a částečně i odvod tepla z převodu. Vnitřní prostor matic je oboustranně chráněn proti hrubým nečistotám ucpávkami zhotovenými z různých materiálů a různou technologií.


Vnější tvar matic vykazuje velkou variabilitu. Je určen především systémem oběhu a převodu kuliček, způsobem předepnutí a vymezení vůle. (Zdroj: KSK Kuřim). Pro zvětšení klikněte na tabulku.

Převod a oběh kuliček v maticích kuličkových šroubů

Matice mohou být vybaveny interním převodem kuliček v tzv. lůžku, které realizuje jejich převod zpravidla v rámci jednoho stoupání závitu kuličkového šroubu. V tělese matice je několik převáděcích lůžek podle počtu nosných závitů. Některé typy matic jsou vybaveny externím převodem kuliček v tzv. převáděcí příložce, která realizuje převod v rámci několika stoupání závitu kuličkového šroubu. Jiné kuličkové šrouby jsou vybaveny maticí s převodem kuliček podélným axiálním otvorem se speciální konstrukcí čelních víček matice nebo segmentů vytvářejících plynulý přechod kuliček z pracovního prostoru do tohoto podélného otvoru vyvrtaného v tělese matice. Vyrábějí se většinou ve dvouchodém provedení. Segmentový jednochodý převod je také alternativou k lůžkovým převodům kuliček.

Ze jmenovitého průměru hřídele d0 je odvozována i závislost jeho maximálních otáček nmax ve vztahu k rychlosti oběhu kuliček v použitém převodu a mazání tak, že součin jmenovitého průměru a otáček je charakteristickou hodnotou limitující použití a funkci kuličkového šroubu, přičemž platí následující omezení:

Převody kuliček přes čelní víčka přišroubovaná k matici se mohou používat pro rychloběžné kuličkové šrouby a matice. (Zdroj: KSK Kuřim)

Další charakteristiky

Jmenovitý průměr závitu určuje především vzpěrnou tuhost hřídele kuličkového šroubu a tím jeho maximální otáčky ve vztahu k rotujícím hmotám a možnému rozkmitání hřídele podle jeho délky a uložení. Velikost stoupání závitu určuje dynamické a silové vlastnosti převodu a třída přesnosti provedení pak výslednou pracovní přesnost polohování. Ve výrobním programu všech výrobců jsou nabízena různá stoupání podle jmenovitých průměrů a typů převodů. Velikost stoupání předurčuje maximální velikost použitých kuliček a má tak přímou souvislost s celkovým počtem kuliček v převodu či v pracovním závitu matice. Pro zajištění správné funkce převodu platí omezení počtu kuliček v jednom pracovním závitu.

Pro výrobu přesných hřídelí kuličkových šroubů se používá ocel jakosti 42CrMo4 a 14 109 nebo 14 209 pro matice. Matice a závitová část hřídele jsou zakaleny na tvrdost 60 ± 2 HRC. Jádro a nekalené části hřídele mají pevnost Rm = 600 MPa.

Závěrem

Existuje nespočet konstrukčních řešení a provedení této kinematické dvojice a každý výrobce má svá specifika zejména v konstrukčním provedení. V dalším dílu tohoto miniseriálu se podíváme na způsoby předepínání matic, tuhosti a měřené geometrické charakteristiky.

prof. dr. ing. Jiří Marek

KSK Kuřim

jiri.marek@ks-kurim.cz

www.ks-kurim.cz

Související články
MM Podcast: Každé vítězství má svůj příběh

Olga Girstlová byla v 90. letech nepřehlédnutelnou součástí vznikajícího podnikatelského prostředí tehdejšího Československa. Společně se svým otcem a manželem založili v květnu 1990 společnost GiTy. Vsadili na komoditu s obrovským potenciálem technologického růstu. Po 15 letech manželé Girstlovi však dospěli k rozhodnutí společnost prodat a dále se věnovat jiným komoditám, jako například ekologickému stavitelství. 

CIMT 2021 plně prezenční

Zatímco je celý svět paralyzovaný restrikcemi proti šíření koronaviru covid-19, v Pekingu byl dnes zahájený veletrh obráběcích a tvářecích strojů China International Machine Tool Show CIMT 2021 v plné prezenční formě a téměř shodného rozsahu, jako ročníky předešlé. Ve stejný den a po celý týden, jako Hannover Messe Digital Edition – průmyslový veletrh v plně digitální platformě.

Hannover Messe 2021

Inovace, vytváření sítí a sdílení zkušeností ve věku průmyslové transformace – to jsou klíčová motta, která představují letošní ročník digitálního Hannover Messe, na kterém více než 1 800 vystavovatelů představí svá řešení pro výrobu a energetické systémy budoucnosti. Od umělé inteligence po robotiku, od ochrany klimatu po vodík. Nejdůležitější světový průmyslový veletrh plní svoji roli jako inovační a síťová platforma a vytváří uprostřed koronové pandemie globální platformu pro výměnu zkušeností v době průmyslové transformace.

Související články
MM Podcast: Glosa - God Save the Queen

V naivní představě ekonomického perpetuum mobile zaměstnáváme v poměru k reálné ekonomice nejvyšší počet lidí ve státní a veřejné správě v rámci nejrozvinutějších zemí OECD. Rakovinotvorný rozbujelý a nevýkonný úřednický aparát, vědomě bojkotující vznik e-státu, dokonale paralyzuje správu věcí veřejných. A jeho solidarita s aktuálně zdecimovaným privátním sektorem? Home office na 100 % mzdy, její valorizace, statisícové odměny na MF za ušetřené miliardy (…). 

Související články
V hlavní roli strojař

Fakulta strojní VŠB-TUO se pro letošní rok v rámci náborové kampaně vrací k úspěšné sérii V hlavní roli strojař. Kampaň komunikuje myšlenku, že strojaři jsou hvězdy hrající hlavní roli v moderním světě. Jejím cílem je zlepšit vnímání oboru strojírenství, posílit brand fakulty, a samozřejmě také nalákat uchazeče ke studiu strojařiny.

Chytrá kombinace systémů

Vývoj obráběcích technologií v minulém století nabral na obrátkách. Dnes jsme tuto technologii dotáhli téměř k dokonalosti – jsme schopni vyrobit předměty libovolných tvarů v přesnostech na tisíciny milimetru. Dalo by se říct, že pro zlepšení zde už příliš prostoru nezbývá, přesto nás přední výrobci obráběcích strojů a nástrojů pravidelně přesvědčují o opaku. Progresivní a inovativní přístup společnosti Ceratizit je toho jen dalším důkazem. Nedávno na trh uvedla přesnou vyvrtávací hlavu Komflex z produktové řady Komet, která umožňuje automatickou korekci průměru v případě vyvrtávání přesných otvorů. Jak to nástroj dokáže, upřesňuje v následujícím rozhovoru technický ředitel společnosti Ceratizit Česká republika Ing. Jan Gryč.

MSV ve znamení materiálů i technologií

Všichni, kdo máme něco společného se strojírenstvím, pevně věříme, že se v letošním roce opět otevřou brány brněnského výstaviště pro Mekku strojařů z celého světa – Mezinárodní strojírenský veletrh. Na MSV se letos, mimo lidi z dalších oborů, setkají i výrobci plastů a též špičkových zařízení pro plastikářskou výrobu. Na naše otázky odpovídají Pavel Tuláček, jednatel společnosti Gorilla Machines, a David Svoboda, jednatel Sumitomo (SHI) Demag Plastics Machinery Česko.

Aditivně s nadzvukovou rychlostí

Společnost Hermle je známá především pro svá přesná pětiosá obráběcí centra a nadstandardní servis. Už málokdo ví, že vyvinula také stroj pro aditivní výrobu kovových dílů. Přestože je i tato technologie založena na postupném vrstvení kovového prášku na součást, nedochází zde ke spékání prášku laserovým paprskem, ale kovový prášek je tryskou doslova nastřelován na díl nadzvukovou rychlostí. Na detaily jsme se zeptali technického zástupce společnosti Hermle Pavla Němečka.

Názorové fórum odborníků

Respondenty jsme požádali o jejich názor na podobu budoucích technologií. Současná situace přinesla mnoho omezení, mezi jinými postihla také dodavatelské řetězce, znemožnila včasné dodávky do výrobních podniků a přinesla vyšší nároky na bezpečnost zaměstnanců. Jaké nové technologie podle vás mají v současné situaci největší potenciál se prosadit?

Svařování mědi pomocí vláknového laseru

Rychlý rozvoj v oblasti elektromobility vede ke zvýšení poptávky po svařování mědi. To, co ji činí pro danou aplikaci ideální (tj. vysoká elektrická a tepelná vodivost), ji zároveň činí obtížně svařitelnou konvenčními vláknovými lasery. Díky vyšší efektivitě, zhruba dvojnásobné, někteří výrobci zkoušejí používat zelené pevnolátkové lasery. Výsledkem je stabilnější a méně citlivý proces, než jaký byl možný u standardních vláknových laserů.

Procesně stabilní zpracování recyklátů

Do roku 2025 si Evropská unie klade za cíl ročně více než zdvojnásobit používání recyklátů při výrobě plastových výrobků [1, 2]. K dosažení tohoto cíle jsou kromě závazku firem působících na trhu a vyšší kapacity při zpracování plastového odpadu zapotřebí především nové technologie zpracování. Recykláty je nutné používat v daleko větší míře a v ještě vyšších poměrech. S novými procesy vstřikování na jedné straně a inteligentní podporou na straně druhé sleduje výrobce vstřikovacích strojů Engel různé a často velmi slibné přístupy. Výroba boxů a kontejnerů ukazuje na velký potenciál.

Uplatnění kovového 3D tisku

Společnost Misan z Lysé nad Labem se aditivními technologiemi kovových dílů zabývá a tato zařízení v České republice distribuuje už osm let. Dalo by se říct, že je jedním z průkopníků s těmito technologiemi na českém trhu. Z toho pochopitelně vyplývají také její bohaté zkušenosti s touto relativně mladou výrobní disciplínou. Na otázky, kde tyto technologie nacházejí uplatnění a v jakých oblastech mohou vyniknout, jsme se ptali aplikačního inženýra pro kovové aditivní technologie Jana Hudce.

Aditivní výroba velkých dílů

Porto patří k největší průmyslové oblasti Portugalska. Od roku 1956 zde sídlí přední světový výrobce strojů technologie tváření – společnost Adira.

Fórum výrobních průmyslníků

Jaké zásadní problémy vám současná doba přináší do chodu firmy, jak se je snažíte řešit a s jakým výsledkem?

Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členy naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit