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Comment spécifier, sélectionner et appliquer les vis à billes linéaires

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Systèmes de retour des billes, sélection des vis à billes et lubrification des vis à billes.

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Le fait de spécifier la bonne vis à billes pour une application donnée garantira la précision, la répétabilité et la durée de vie de la machine tout en minimisant le coût total de possession.

Une vis à billes transforme un mouvement rotatif en mouvement linéaire ou vice versa et peut appliquer ou supporter des charges de poussée élevées - jusqu'à une capacité statique de 750 000 livres en utilisant un ensemble de vis à billes de Ø6 000 pouces - avec une efficacité généralement supérieure à 90 %. Les vis à billes aident à guider, soutenir, localiser et déplacer avec précision des composants et des produits dans une série d'applications d'automatisation.

Un entraînement par vis à billes se compose d'une vis à billes et d'un écrou à billes avec des roulements à billes à recirculation. L'interface entre la vis et l'écrou est assurée par des roulements à billes qui roulent dans les formes correspondantes de la vis et de l'écrou à billes. La charge sur la vis à billes est répartie sur un grand nombre de roulements à billes, de sorte que chaque bille est soumise à une charge relativement faible. En raison de ses éléments roulants, la vis à billes a un très faible coefficient de frottement, ce qui équivaut à une grande efficacité mécanique.

La principale différence entre les vis à billes et les vis-mère est l'utilisation de roulements à recirculation de billes dans la vis à billes pour minimiser la friction et maximiser l'efficacité. Les vis à billes sont plus chères que les vis à billes mais leur capacité à supporter des charges élevées, à atteindre des vitesses rapides et à avoir une durée de vie prévisible en font des produits qui valent bien leur coût supplémentaire pour de nombreuses applications.

Les vis à billes offrent généralement un rendement mécanique supérieur à 90 %, de sorte que leur coût est souvent compensé par une réduction des besoins en énergie. La capacité de charge accrue, la durée de vie plus longue et la fiabilité prévisible des vis à billes sont des avantages par rapport aux vis-mère.

Répétabilité et précision

La précision est une mesure de la proximité d'un système de mouvement par rapport à une position de commande, et est définie comme l'erreur maximale entre la position attendue et la position réelle. La répétabilité est définie comme la capacité d'un système de positionnement à revenir à un endroit donné pendant son fonctionnement. Les vis à billes offrent une excellente répétabilité (le jeu dépend du diamètre du roulement à billes, mais varie généralement de 0,005 à 0,015 pouce) et une précision (±0,004 pouce/pied pour les vis à billes de précision et ±0,0005 pouce/pied pour les vis à billes étiquetées precision-plus).

La précision du plomb est la mesure la plus courante de la précision des vis à billes. Le plomb fait référence à la distance parcourue par un écrou à billes non rotatif avec un seul tour de vis de 360°. La précision du pas est mesurée comme la variation de course admissible (position réelle par rapport à la position théorique) par pied ou par 300 mm. Les vis à billes sont proposées dans les catégories précision plus et transport, la catégorie précision plus contrôlant étroitement l'accumulation des erreurs de pas sur toute la longueur de la course.

Le jeu est le libre mouvement entre l'écrou et la vis, et peut être mesuré axialement et radialement. La meilleure façon de mesurer le jeu axial est de bloquer la vis et de pousser et tirer axialement sur l'écrou à billes tout en mesurant son mouvement à l'aide d'un comparateur à cadran. Le jeu peut également être mesuré en plaçant un comparateur à cadran sur l'écrou à billes dans le système et en le poussant d'un pouce vers l'avant et vers l'arrière jusqu'à sa position initiale. L'écart par rapport à la valeur zéro correspond au jeu. La répétabilité est simplement la valeur quantitative du jeu d'une vis à billes.

Un écrou à billes non préchargé présente des jeux internes entre les composants, ce qui signifie qu'il y a un jeu. Un écrou à billes préchargé n'a pas de jeu axial et élimine donc le jeu et augmente ensuite la rigidité. La précharge augmente également le couple nécessaire pour faire tourner la vis et est mesurée par le pourcentage de précharge par rapport à la capacité dynamique (un écrou à billes ayant une capacité dynamique de 1500 lb et une précharge de 10% a une précharge interne de 150 lb). Les vis à billes à filetage de précision sont généralement utilisées sans précharge. La précharge d'une vis à billes améliore la répétabilité en supprimant le jeu, mais n'affecte pas la précision.

Les écrous à billes préchargés sont disponibles sur les vis de précision plus et sur certains produits de vis de précision. Leur coût est plus élevé que celui des écrous non préchargés en raison de la complexité, de l'usinage supplémentaire, de l'assemblage et de la vérification/mesure. Les assemblages de vis à billes peuvent être préchargés avec des configurations d'écrous doubles ou simples. Il existe trois principaux types de précharge : écrou simple à bille surdimensionnée (contact en 4 points), écrou simple à pas sauté (contact en 2 points) et écrou double (contact en 2 points). La précharge d'un écrou simple permet de maintenir la plus petite taille de paquet tout en conservant la pleine capacité de charge. Les écrous à billes à pastilles ont la moitié de la capacité des écrous simples de taille similaire car seule la moitié des roulements à billes sont chargés dans chaque direction. Les ensembles à double écrou préchargé ont la même capacité de charge qu'un écrou simple car un seul écrou à billes est chargé dans chaque direction.

Il existe de nombreuses méthodes de fabrication des vis à billes, bien qu'elles soient généralement classées en deux catégories : précision et précision plus. La course d'une vis à billes à filetage de précision est formée par un procédé de laminage à froid. L'écrou est usiné pour correspondre à la capacité de performance de la vis. Cette approche offre une précision modérée, de l'ordre de ±0,004 pouce/pied de précision sur les vis de la série des pouces de transport. La vis et l'écrou des vis à billes à filetage de précision sont produits par rectification de précision. Les vis à billes à filetage de précision plus offrent une précision beaucoup plus élevée, de l'ordre de ±0,0005 pouce/pied d'avance sur les vis de série à filetage de précision plus en pouces. Le coût des vis à billes de précision plus filetées est plus élevé que celui des vis de précision en raison du temps de traitement plus long.

Systèmes de retour de billes

Trois types différents de systèmes de renvoi de balle sont couramment utilisés. Les tubes de retour externes, généralement utilisés dans des vis en pouces, sont rentables et faciles à installer, à entretenir et à réparer. Les systèmes de retour interne à bouton sont généralement utilisés sur des vis à faible plomb. Ils sont compacts, sans saillies radiales externes pour compliquer le montage et offrent moins de bruit et de vibrations que les retours externes. Les systèmes de retour interne des boutons sont souvent utilisés dans les assemblages à 4 points de contact, à écrou unique et à précharge. Les retours internes de bouton sont généralement utilisés sur les vis à pas élevé. Ils sont compacts et ne présentent pas de saillies radiales externes qui compliquent le montage. Leur bruit et leurs vibrations sont également faibles par rapport aux retours externes.

Sélection des vis à billes

Le meilleur moyen de sélectionner l'ensemble vis à billes qui offre la capacité de charge et la durée de vie requises pour une application spécifique est de procéder par un processus itératif. La charge nominale, l'orientation du système, la longueur de déplacement, la durée de vie et la vitesse requises sont utilisées pour déterminer le diamètre et le pas de vis de la vis à billes. Les composants individuels de la vis à billes sont ensuite sélectionnés en fonction des exigences de précision et de répétabilité, des contraintes dimensionnelles, de la configuration de montage, des besoins en énergie disponibles et des conditions environnementales.

Commencez par déterminer la précision de positionnement et la répétabilité requises de la demande. Les vis à billes en pouces sont produites en deux qualités principales - Transport et Précision plus. Les vis à billes de qualité transport sont utilisées dans les applications ne nécessitant qu'un mouvement grossier ou celles utilisant un retour linéaire pour la localisation de la position. Les vis à billes de qualité "précision plus" sont utilisées lorsque la précision et la répétabilité du positionnement sont essentielles. Les vis de qualité transport permettent une plus grande variation cumulative sur la longueur utile de la vis. Les vis de précision plus contiennent une accumulation d'erreurs de pas pour un positionnement précis sur toute la longueur utile de la vis.

Déterminez comment l'ensemble vis à billes sera monté dans la machine. La configuration des supports d'extrémité et la distance de déplacement dicteront les limites de charge et de vitesse de la vis à billes.

Une vis à billes en tension peut supporter des charges jusqu'à la capacité nominale de l'écrou. Pour un écrou à billes en compression, utilisez un tableau des charges de compression disponible auprès du fabricant pour sélectionner un diamètre de vis à billes qui satisfait ou dépasse la charge nominale. Toutes les vis dont les courbes passent à travers ou au-dessus et à droite du point tracé, par exemple, conviennent pour l'exemple d'application suivant. Les charges de compression appropriées indiquées dans ce graphique ne doivent pas dépasser la capacité de charge statique maximale indiquée dans le tableau des valeurs nominales pour l'ensemble individuel d'écrous à billes. Ainsi, à une longueur de 85 in. (2159 mm), une charge de système de 133 500 N (30 000 lb) et avec une fixité d'une extrémité fixée et l'autre supportée - la sélection minimale est un ensemble de vis à billes de précision de 1 750 x 0 200 plus pouces.

Calculez le pas de la vis à billes qui produira la vitesse requise à l'aide de la formule suivante.

Plomb (in.) = TravelRate (in. min.-1)/tour

Déterminer l'espérance de vie des applications

La durée de vie de l'assemblage peut être calculée en utilisant la charge dynamique spécifiée pour chaque écrou à billes. Tous les écrous à billes dont les courbes passent à travers ou sont au-dessus du point tracé conviennent pour l'exemple. Les durées de vie appropriées indiquées dans ce graphique ne doivent pas dépasser la capacité de charge statique maximale indiquée dans le tableau des valeurs nominales pour l'ensemble individuel d'écrous à billes. Dans cet exemple, l'espérance de vie souhaitée pour l'application (course totale) est de 2 millions de pouces. (50,8 millions de mm). La charge maximale de fonctionnement normal est alors de 44 500 N (10 000 lb).

Déterminer la vitesse critique de la vis

La vitesse critique de la vis est la condition dans laquelle la vitesse de rotation de l'ensemble crée des vibrations harmoniques. La vitesse critique dépend du diamètre de la racine de la vis, de la longueur non supportée et de la configuration du support d'extrémité. Dans la plupart des diagrammes de fabricants, toutes les vis dont les courbes passent par le haut ou par le bas et à droite du point tracé conviennent à l'exemple suivant. Les quatre dessins de fixation d'extrémité montrent les configurations des roulements pour supporter un arbre rotatif, et le graphique montre l'effet de ces conditions sur la vitesse critique de l'arbre pour la longueur non supportée de la vis. Les vitesses acceptables indiquées par ce graphique s'appliquent à l'arbre de vis choisi, et ne sont pas indicatives des vitesses atteignables de tous les ensembles d'écrous à billes associés.

Si les calculs de charge, de durée de vie et de vitesse confirment que l'ensemble vis à billes sélectionné satisfait ou dépasse les exigences de conception, alors passez à l'étape suivante. Dans le cas contraire, des vis de plus grand diamètre augmenteront la capacité de charge et la vitesse nominale. Les vis de plus petit diamètre diminueront la vitesse linéaire (en supposant une vitesse d'entrée constante du moteur), augmenteront la vitesse du moteur (en supposant une vitesse linéaire constante) et diminueront le couple d'entrée requis. Les vis de plus grand diamètre augmentent la vitesse linéaire (en supposant une vitesse d'entrée constante du moteur), diminuent la vitesse du moteur (en supposant une vitesse linéaire constante) et augmentent le couple d'entrée requis.

Déterminez comment l'écrou à billes s'insère dans l'application. Une bride d'écrou à billes est la méthode typique de fixation de l'écrou à billes à la charge. Les écrous à billes filetés et les écrous à billes cylindriques sont d'autres moyens d'assurer l'interface.

Les écrous à billes préchargés éliminent le jeu du système et augmentent la rigidité. Les kits d'essuyage protègent l'ensemble contre les contaminants et contiennent de la lubrification. Des supports de roulements et un usinage en bout sont également disponibles pour la plupart des vis à billes.

Les vis à billes doivent être manipulées avec soin avant d'être installées correctement. Les chocs sur les roulements à billes peuvent endommager les chemins de roulement par brinellisation ou fissuration. Des charges élevées ou une flexion de la vis peuvent entraîner une déformation. Il est important de conserver l'ensemble emballé et lubrifié et de le stocker dans un endroit propre et sec, car les débris et la contamination peuvent bloquer les pistes de recirculation, et une humidité élevée ou la pluie peuvent provoquer de la corrosion.

Le montage du système est une autre considération importante. L'écrou à billes doit être chargé axialement uniquement, car toute charge radiale réduit considérablement les performances de l'ensemble. L'ensemble doit également être correctement aligné avec le système d'entraînement, les supports de roulements et la charge pour obtenir des performances et une durée de vie optimales.

Lubrification des vis à billes

L'ensemble vis à billes ne doit jamais fonctionner sans une lubrification adéquate. Les lubrifiants maintiennent l'avantage de faible friction des assemblages de vis à billes en minimisant la résistance au roulement entre les billes et les rainures et la friction de glissement entre les billes adjacentes.

L'huile peut être appliquée à un débit contrôlé directement au point de besoin, et elle nettoiera les contaminants en passant par l'écrou à billes. Elle peut également assurer le refroidissement. D'autre part, une pompe et un système de dosage sont nécessaires pour appliquer l'huile correctement, car l'huile peut également contaminer les fluides de traitement.

La graisse est moins chère et nécessite une application moins fréquente que l'huile, et elle ne contamine pas les fluides de traitement. D'autre part, la graisse est difficile à maintenir à l'intérieur de l'écrou à billes et a tendance à s'accumuler aux extrémités du parcours de l'écrou à billes, où elle accumule des copeaux et des particules abrasives. L'incompatibilité de la vieille graisse avec la graisse de re-lubrification peut créer un problème, il est donc important de vérifier la compatibilité. Une graisse pour charges lourdes peut contribuer à prolonger la durée de vie d'un ensemble, mais la charge nominale globale ne changera pas.