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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 R_m = 600 MPa.

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