Témata
Reklama

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.

Reklama
Reklama

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

Reklama
Související články
Ozubené řemeny v pohonech ekologických taxi člunů

Britská firma vyvinula hybridní pohon pro 550 vodních taxíků pro Benátky. Kombinace dieselového motoru a elektromotoru zde snižuje hluk, emise i náklady, přičemž vysoce výkonný řemen Synchrochain Carbon umožňuje použití kompaktního motoru s nízkou hmotností.

Kuličkové šrouby a matice ve stavbě CNC obráběcích strojů, část 4.

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 (polohovacích) šroubů.

Kuličkové šrouby a matice ve stavbě CNC obráběcích strojů, část 3.

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.

Související články
Správně kalkulované pohony strojů bez bolesti zubů

V minulém čísle zmiňoval ve svém rozhovoru k 10. výročí založení firmy majitel TAT - pohonová technika Ing. Matthias Mayer silné komodity, které firma obzvláště v oblasti převodovek - hlavně těch přesných - zákazníkovi nabízí. Partnery jsou zde již posledně zmiňované německé firmy Atlanta Antriebssysteme, Neugart a francouzská firma Redex. Vedle přesných převodovek zajímá zákazníky i velmi široká paleta ozubených tyčí - jak kvalitou, přesností nebo rozměry.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Pohony nejen pro obráběcí stroje

Společnost TAT Technom Antriebstechnik GmbH byla založena v rakouském Linci v roce 1988 a během prvních 10-ti let se velmi úspěšně zabydlela na rakouském trhu, kdy se se svými produkty jako např. přesnými převodovkami, ozubenými tyčemi a dalšími pohonovými prvky i podle výkresů zákazníka stala vůdcem na zdejším trhu mechanické pohonové techniky.

Novinky ve světě pohonů

V tomto čísle se představí další novinky obchodních partnerů společnosti TAT - pohonová technika, německé firmy Neugart a italské firmy P.E.I. Obě firmy patří se svými produkty ke špičkovým výrobcům na světovém trhu.

Kuličkové šrouby a matice ve stavbě CNC obráběcích strojů, část 5.

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 (polohovacích) šroubů.

Plný výkon s poloviční energií

Vysoká úspora energie při dodržení maximální funkcionality a s použitím osvědčených bezpečnostních prvků: tyto požadavky na nové řešení pohonu ohraňovacího lisu dokázal Rexroth realizovat s pomocí hydraulického pohonu s otáčkově řízenými čerpadly - Sytronix.

Trendy ve světě přesné měřicí techniky

Požadavky kladené na kontrolu kvality se rok od roku stále zvyšují. S tímto trendem se musejí vypořádat všichni výrobci měřicí techniky. Shodně je tomu i u firmy Mitutoyo, která se snaží šíří svého sortimentu maximálně vyhovět požadavkům pro dílenskou kontrolu, měrové laboratoře i procesní kontrolu, ale zároveň neopomíjí současný trend - Průmysl 4.0 a IoT - požadavek na inteligentní komunikativní měřidla a přístroje.

Chytré stroje přivádějí továrny k životu

Bezpečné balicí stroje připojené k Ethernetu zvyšují produktivitu, zlepšují flexibilitu, snižují komplexnost konstrukce a řeší problémy pracovníků v provozu.

Nanovlákenná membrána v oknech ochrání stroje i pracovníky

Zatímco o smogu v ulicích se vedou časté debaty, znečištěný vzduch v interiéru patří k opomíjeným tématům. A to i přesto, že podle Světové zdravotnické organizace stojí život 4,3 milionu lidí ročně a v průmyslových objektech ohrožuje jak zdraví pracovníků, tak samotný provoz. Díky rozvoji moderních technologií nyní interiér účinně ochrání nanovlákenná okenní membrána.

Je zaškrabávání nezastupitelná metoda?

V minulém vydání jsme uvedli 1. díl pohledu do minulosti i současnosti řemeslné výroby obráběcích strojů. Nyní vám přinášíme pokračování tohoto článku o unikátní metodě – technologii zaškrabávání.

Na požadované velikosti již nezáleží

Firma Kuličkové šrouby Kuřim, a. s., je dlouholetým výrobcem vysoce kvalitních kuličkových šroubů a pro spokojenost svých zákazníků každým rokem posouvá svoji úroveň o krok dál.

Kompozitní galvanické povlaky

Stále se zvyšující požadavky na vlastnosti povrchů urychlily vývoj slitinových povlaků kombinovaných s povlaky kompozitními, čímž se vzájemně kombinují a rozšiřují výhody a možnosti nových povlaků.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem 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