Osnove kugličnih vretena

Kuglična vretena su učinkovit i precizan element za pretvaranje rotacijskog gibanja u linearno i obrnuto. Poznata po svojoj preciznosti i pouzdanosti, kuglična vretena bitna su komponenta u mnogim modernim industrijskim primjenama, uključujući industrijsku automatizaciju, zrakoplovstvo, medicinsku opremu itd.

Funkcije kugličnih vretena

Sklop kugličnog vretena sastoji se od navojne osovine sa spiralnim utorom i matice s kuglicama koje se pomiču duž utora na vretenu - matica nikad ne dodiruje izravno vreteno. Umjesto toga, kuglice se kotrljaju u utoru na vretenu, što smanjuje trenje i trošenje i omogućuje glatko i precizno pomicanje matice po vretenu.

Slika 1: Kuglična vretena
 

Učinkovitost kugličnog vretena mnogo je veća nego kod trapeznog vretena zbog kontakta kotrljanja između vretena i matice: potrebni pogonski moment kugličnog vretena je samo 1/3 momenta konvencionalnog trapeznog vretena.

Zbog toga, za razliku od konvencionalnog trapezoidnog vretena, kuglično vreteno može se pokretati "unatrag" linearnom silom na kuglastu maticu, što uzrokuje rotaciju kugličnog vretena.

Ova značajka je korisna u primjenama gdje je potreban ručni rad ili rad u hitnim slučajevima, ali ponekad nije poželjna. Neki dizajni zahtijevaju kočnicu kako bi se spriječilo da teret na matici okrene vreteno unatrag, što se naziva "natrag".

Zbog kotrljajućeg gibanja kuglica, kuglično vreteno zahtijeva mali početni moment, za razliku od konvencionalnih trapeznih vretena, koja koriste klizno gibanje. Stoga se s kugličnim vretenom mogu izvesti vrlo precizne operacije mikropovlačenja.

Vrste i materijali kugličnih vretena

Kuglična vretena dostupna su u različitim izvedbama koje zadovoljavaju različite zahtjeve primjene:

• Standardno valjana kuglična vretena: nude dobar omjer performansi i cijene i prikladna su za širok raspon primjena.
• Minijaturna kuglična vretena: Dizajnirana za male primjene, minijaturna kuglična vretena naširoko se koriste u medicinskim instrumentima, kompaktnoj robotici, malim preciznim alatnim strojevima i drugdje.
• Vretena s velikom korakom: Omogućuju velike brzine, vretena s velikim korakom koriste se u aplikacijama kao što je industrijska automatizacija gdje je poželjno brzo kretanje alata na kraju kraka.
• Odabir materijala kugličnog vretena ključan je za njihovu izvedbu i dugovječnost. Uobičajeni materijali uključuju:
• Legirani čelik: Široko korišten zbog svoje čvrstoće i izdržljivosti, legirani čelik obično se toplinski obrađuje kako bi se poboljšala otpornost na habanje stvrdnjavanjem materijala na površini ili u cjelini.
• Nehrđajući čelik: Ovaj skuplji materijal koristi se u aplikacijama gdje je važna otpornost na koroziju, kao što su medicinski uređaji ili oprema za preradu hrane.

• Keramika: keramičke kuglice koje se koriste u kugličnim ležajevima za aplikacije pri većim brzinama donose prednosti dizajnu kao što su nisko trenje i dug životni vijek. 

Preuzmite besplatnu e-brošuru

3 skupe greške kod korištenja kugličnih vretena

Preuzeti sada

Dizajn razmatranja 

Korak i navoj: Navoj vretena je aksijalna udaljenost između dva susjedna navoja vretena, a korak je linearna udaljenost duž osi vretena koju matica završi jednim potpunim okretajem na vretenu. S većim korakom vretena, matica prelazi dužu udaljenost duž vretena sa svakim okretajem vretena. Kompromis je u tome što se broj kuglica koje mogu stati na osovinu vretena smanjuje kako se korak povećava, što također smanjuje nosivost sklopa.

Točnost posmaka: Razlika između stvarne udaljenosti koju je prešla matica i teorijske udaljenosti izračunate iz točnosti vretena naziva se tolerancijom vretena. Na primjer, vreteno s korakom od 10 mm (oko 0,4 inča) teoretski bi pomaknulo maticu 200 mm (oko 8 inča) nakon 20 okretaja vretena. Ako je točnost vretena postavljena na ±0,050 mm (približno ±0,002"), tada inženjer zna da će se matica pomaknuti negdje između 199,95 mm (7,998") i 200,05 mm (8,002").

Zazor: Sva kuglična vretena imaju određeni zazor, što je relativno aksijalno kretanje između vretena i matice pri kojem određeni stupanj rotacije vretena ne pomiče maticu. Kod kugličnih vretena, u normalnom radu, zazor mora biti konstantan tijekom cijelog životnog vijeka.

Prednaprezanje: Prednaprezanje kugličnog vretena je unutarnja sila između kuglaste matice i sklopa vretena koja eliminira aksijalni i radijalni zazor. Prednapregnuti sklopovi pružaju izvrsnu ponovljivost i povećanu krutost sustava. Predopterećenje se postiže korištenjem dvije matice i njihovim razmakom, pomicanjem kugličnih kanala unutar jedne matice ili korištenjem većih kuglica.

Broj navoja: Broj navoja je broj neovisnih navoja na osovini vijka. Obično se koriste vretena s jednim navojem, ali za brzo pravocrtno kretanje s većim opterećenjem može se koristiti više navoja - obično dva ili četiri. Kod vretena s dvostrukim navojem, osni razmak koji matica napravi tijekom punog okretaja dvostruko je veći od jednog navoja.
 

Slika 2: Broj navoja kugličnog vretena

Brušena kuglična vretena: Postoje najmanje dvije mogućnosti kada je u pitanju izrada kugličnog vretena: brušeno ili valjano. Brušeno vreteno proizvodi se postupkom abrazije te je glađe i preciznije od valjanog vretena. Brušena vretena su skuplja zbog dužeg vremena izrade. Valjana vretena proizvode se postupkom hladnog deformiranja, koji proizvodi kuglično vreteno visoke čvrstoće, ali ima veće trenje i manju otpornost na trošenje od brušenog vretena.

Blokovi potpornih ležajeva: U procesu projektiranja potrebno je osigurati oslonac za rotirajuće kuglično vreteno, s nekoliko opcija blokova potpornih ležajeva na izbor. Ovi posebni blokovi kontroliraju aksijalno kretanje vretena i prenose aksijalno i radijalno opterećenje na bazu stroja.

Statičko opterećenje: važno je razumjeti neradno opterećenje na sklopu kugličnog vretena, posebno tlačno opterećenje na vretenu, koje bi moglo uzrokovati savijanje vretena. Sklop kugličnog vretena predviđen je za statičko opterećenje, a ukupna težina na kugličnom vretenu ne smije prijeći ovu vrijednost.

Stvarno opterećenje: Stvarno opterećenje je opterećenje koje nosi vreteno i ovisi o orijentaciji vretena (vodoravno ili okomito) i ukupnoj težini koja će se pomicati, kao i broju kugličnih vretena koji se koriste u strukturi za pomicanje opterećenje. Smjer opterećenja treba biti što je moguće paralelniji s vretenom - opterećenja koja uzrokuju okretni moment na vretenu mogu biti problematična. Stvarno opterećenje može biti samo težina tereta koji se pomiče, ali također može uključivati ​​i silu trenja kada je teret u kontaktu s nepomičnom komponentom stroja.

Kritična brzina: kritična kutna brzina vretena je ona pri kojoj se mogu pojaviti rezonantne vibracije. Kritična brzina ovisi o neoslonjenoj duljini vretena, promjeru vretena i vrsti oslonca krajnjih ležajeva. Maksimalna sigurna radna brzina sklopa kugličnog vretena je 80% nazivne kritične brzine vretena.

Upotreba kugličnih vretena

Kuglična vretena se zbog svoje preciznosti i učinkovitosti koriste u raznim područjima. Najčešće primjene uključuju:

1. CNC strojevi: Kuglična vretena koriste se za precizno upravljanje reznim alatima: CNC (Computer Numerical Control) strojevi, glodalice i tokarilice.
2. Industrijska automatizacija: Kuglična vretena naširoko se koriste u robotskim sustavima za precizno kretanje i pozicioniranje.
3. Zrakoplovstvo: U komponentama zrakoplova, kuglasti vijci se koriste za pogon kontrolnih površina i drugih automatiziranih mehanizama.
4. Medicinska oprema: u naprednim medicinskim uređajima, kao što su uređaji za magnetsku rezonanciju, sustavi X-zraka i robotski kirurški alati, kuglična vretena osiguravaju linearno gibanje potrebno za rad ovih uređaja.

Kuglična vretena sastavni su dio modernih mehaničkih sustava koji osiguravaju visoku preciznost, učinkovitost i svestranost. Njihove različite primjene, od teške industrije do osjetljive medicinske opreme, naglašavaju njihovu važnost u ekosustavu strojarstva.