Témata

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.

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).

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. Ve třetím pokračovaní se budeme zabývat způsoby předepínání matic, tuhostí a měřenými geometrickými charakteristikami.

Způsoby předepnutí matic

Pro dosažení vysoké tuhosti a zajištění vymezení axiálních vůlí se mezi hřídel kuličkového šroubu a matici zavádí tzv. předepnutí. Při předepnutí je nejprve vymezena vůle mezi závitem matice i šroubu a kuličkou. Poté je záměrně zavedena pružná deformace mezi těmito elementy, jejíž velikost určuje tzv. předepnutí.


Výrobci užívají několik způsobů vymezení vůlí a předepnutí kuličkových šroubů a matic. (Zdroj: KSK Kuřim).
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Velmi užívaný způsob předepnutí je pomocí dvou matic. Jedna matice má přírubu pro připevnění ke stolu obráběcího stroje a druhá je bez osazení. Mezi čela těchto matic je vložen přesně nabroušený distanční kroužek, jehož tloušťka určí vzájemné posunutí matic do opačných směrů. Tím jsou kuličky v závitu pružně dotlačeny na opačné boky závitů, čímž je docíleno nejprve vymezení vůlí a následně pak předepnutí.

Stejného efektu je docíleno i v dalších dvou způsobech předepnutí. Matice je pouze jedna a tak nemůže být vkládána přesně nabroušená podložka, a proto se předepnutí dociluje zvláštní výrobou závitu v matici. Efekt vymezení vůle a následně předepnutí je docílen u jednochodého závitu nabroušením jeho diference. Pokud použijeme vícechodý závit, je předepnutí docíleno nabroušenou diferencí mezi jednotlivými chody závitu.

Další způsob vymezení vůlí a poté předepnutí je tzv. výběr kuliček. Mezi závit šroubu a matice je vkládána záměrně kulička o větším průměru, než je profil závitu. Její pružnou deformací dojde k předepnutí. Někteří výrobci používají levný způsob vymezení vůlí podélně rozřízlou maticí a následným sevřením jako u svěrného spoje docilují vymezení vůlí.

Tuhost kuličkového šroubu a matice

Další důležitou charakteristickou vlastností je tuhost kuličkového šroubu a matice, která je definována jako poměr zatěžující vnější axiální síly k axiálnímu posunutí matice na hřídeli kuličkového šroubu.

Poměr mezi vnější zatěžující axiální silou a silou předepnutí nazýváme předpěťovým poměrem. Hodnota předpěťového poměru určuje kvalitu vymezení vůlí mezi maticí a kuličkovým šroubem. Pokud je tento poměr roven hodnotě 2,83, dojde k eliminaci předpětí a dalším zvětšování vnějšího axiálního zatížení vznikne v kuličkovém šroubu a matici vůle. Aby tento případ nenastal, doporučuje se hodnota předpěťového poměru rovná 2. Pro stanovení velikosti předepínací síly je žádoucí přihlédnout k časovému průběhu vnější axiální síly tak, aby bylo zajištěno vymezení vůlí zejména v těch režimech provozu obráběcího stroje, kdy je nutná vymezená vůle.

Na obrázku jsou zachyceny dva stavy kuličkového šroubu a matice. První je oblast předepnutí (matice mají vymezené vůle) a oblast nevymezené vůle (matice jsou nepředepnuté). (Zdroj: KSK Kuřim)

Zavedením předepínací síly do kuličkového šroubu a matice vznikne moment pasivních odporů, jenž je dále funkcí stoupání a účinnosti této kinematické dvojice. Tento moment je také určován kvalitou výroby a montáže. Jeho velikost do značné míry určuje zejména u přesných obráběcích strojů kvalitu a opakovatelnost přesnosti polohování. Mimo to jeho velikost může způsobovat nadměrné oteplování hřídele kuličkového šroubu. Pro kvalitu kuličkového šroubu a matice je také určující naměřená tolerance (kolísání) momentu pasivních odporů.

Geometrické charakteristiky

Tři zkoušky uvedené v tabulce 1 jsou posuzovány podle naměřených hodnot pomocí laserového interferometru. Tabulka 2 prezentuje celkem sedm zkoušek, které jsou realizovány v souladu s normou ISO 231-1 a ISO 3408-3. Měření se vztahují pouze na hřídel kuličkového šroubu a kuličkovou matici.

Všemi uvedenými měřeními výrobci kuličkových šroubů a matic garantují podle vyrobených stupňů přesnosti uživatelům jisté atributy, které jsou předepsány tak, aby byly plněny budoucí požadavky na pohybové (polohovací) osy.

Úchylky dráhy kuličkového šroubu a matice. (Zdroj: KSK Kuřim)


Tolerance tvaru a polohy kuličkového šroubu a matice. (Zdroj: KSK Kuřim).
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Závěrem

Na posuvové soustavy je kladena vysoká tuhost, velký regulační rozsah, přijatelná dynamika a kinematika a přesnost signálů bez zkreslení a kvalitní regulace. Kuličkový šroub a matice hrají v této soustavě hlavní roli. Existuje nespočet konstrukčních řešení a provedení této kinematické dvojice. V dalším dílu našeho seriálu se podíváme na základní výpočty kuličkových šroubů a matic.

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