Resposta curta:vibração em umparafuso de esferaquase sempre vem de cinco fontes. Eles são grau de precisão e desvio do eixo, pré-carga e folga da porca, alinhamento e suporte final, velocidade de operação próxima à frequência natural do parafuso e rigidez da estrutura. Os três primeiros respondem pela maioria dos casos vistos no chão de fábrica. Os dois últimos decidem se um eixo que passa na inspeção ainda treme na velocidade de produção.
A vibração é uma das reclamações mais frequentes dos fabricantes de máquinas e raramente se apresenta como uma falha única. Isso prejudica a precisão do posicionamento, reduz a vida útil da porca e do rolamento e se transforma em tempo de inatividade não planejado quando a amplitude atinge a peça de trabalho. As cinco fontes abaixo aparecem repetidamente nas análises de aplicações, juntamente com a medida que identifica cada uma delas no seu eixo.
Causa 1: Design do Parafuso e Grau de Precisão
A vibração geralmente começa com o parafuso que você escolheu. Um parafuso laminado de uso geral é adequado para cargas leves em velocidade moderada, mas em um eixo de alta velocidade ou de carga pesada a folga interna aparece como vibração muito antes de qualquer coisa quebrar. Três parâmetros separam os parafusos silenciosos dos barulhentos, e todos os três aparecem na folha de dados se você souber onde procurar: diâmetro da esfera em relação ao raio da ranhura, geometria da ranhura e grau de precisão.
OSérie SFEusa um diâmetro de esfera maior e um perfil de ranhura otimizado. Uma esfera maior entra em contato com a pista ao longo de um arco mais longo, o que reduz o deslizamento da esfera durante a aceleração e distribui a carga por mais pontos de contato. Nos eixos de fresagem onde os clientes substituíram um parafuso padrão por um SFE, a vibração medida caiu cerca de 30%.
Se você estiver construindo um eixo pick-and-place ou um eixo CNC pequeno, oParafuso de esfera SFU laminado e retificado de C7 a C3geralmente é o ponto de partida certo. Os parafusos de aterramento mantêm tolerâncias mais rígidas de avanço e desvio, e o desvio é o parâmetro que mais importa na velocidade. Um eixo sem suporte com 0,1 mm de desvio a 1.000 rpm é suficiente para fazer você sentir uma vibração distinta em todo o eixo.
Causa 2: Pré-carga e folga da porca
A pré-carga decide como a porca se comporta quando o eixo muda de direção. A folga é a pequena folga entre o parafuso, as esferas e a porca que abre e fecha na reversão, e no momento em que essa folga fecha o eixo recebe um solavanco. Se o seu eixo se mover apenas em uma direção, isso será pouco visível. Em um robô de pórtico ou em qualquer eixo que inverta sob carga, ele se torna a fonte de vibração dominante.
Uma porca dupla remove-o. OParafuso de esfera DFUusa duas porcas com pré-carga ajustável, para que o trem de esferas permaneça sob tensão em ambas as direções e não haja nada para fechar na reversão. A diferença prática é grande. Uma linha de automação utilizou uma única porca com cerca de 5 mm de folga, o que produziu 0,5 mm de erro de posicionamento na peça de trabalho. Após a mudança para um parafuso DFU, o erro caiu para 0,05 mm e a vibração na reversão desapareceu com ele.
A pré-carga também mantém as bolas contra a pista, o que as impede de saltar durante a aceleração. Defina-a para sua carga real em vez do máximo permitido pela porca, porque o excesso de pré-carga aumenta o torque de arrasto e o calor, e o calor introduz seu próprio desvio.
Causa 3: Instalação e Alinhamento
Uma máquina que volta com vibração geralmente tem uma instalação ruim, em vez de um parafuso ruim. O alinhamento vem primeiro. Se o eixo do parafuso e o eixo do motor não forem concêntricos, o acoplamento força o movimento radial para dentro do parafuso a cada rotação e, como resultado, tanto a porca quanto os rolamentos da extremidade se desgastam mais rapidamente. Verifique a excentricidade com um relógio comparador em ambas as extremidades antes de apertar o acoplamento, não depois.
O suporte final é a segunda falha de instalação. Os rolamentos lisos são suficientes se suas cargas forem leves e suas velocidades baixas. Eixos pesados ou de alta velocidade precisam de rolamentos de contato angular que transportam carga axial e radial juntas. Certa vez, um cliente montou um parafuso de 2 m em mancais de deslizamento; ele curvou-se sob carga, o arco produziu ressonância na velocidade de trabalho e o eixo tremeu muito. Os suportes finais corretos removeram o problema imediatamente.
A lubrificação também pertence aqui, porque um trem de esferas seco gera atrito, calor e vibração nessa ordem. Use uma graxa específica para fusos de esferas e reaplique aproximadamente a cada 500 horas de operação para a maioria das aplicações, com o intervalo reduzido à medida que a velocidade aumenta. O excesso de lubrificação é culpa sua: o excesso de graxa aumenta o torque de arrasto. Você deseja a menor quantidade que deixe uma película visível na pista.
Causa 4: Velocidade Operacional e Ressonância
Cada parafuso tem uma frequência natural e, se você passar perto dele, amplificará qualquer vibração que já exista. Para um único parafuso com suportes finais, a estimativa necessária é:
f = (π/2) × √( E·I / (ρ·A·L4) )
Aqui E é o módulo de Young, I o momento de inércia da seção do eixo, ρ a densidade do material, A a área da seção transversal e L o comprimento do parafuso. O termo que mais muda na prática é L, e entra na quarta potência, por isso um parafuso mais longo perde rigidez tão rapidamente e por isso o apoio intermediário ajuda tanto.
A solução raramente é um parafuso novo. Se você desviar a velocidade de trabalho ou o perfil de aceleração da frequência calculada, a amplitude cai. Uma fresadora CNC funcionou a 1.500 rpm com forte vibração; mover a velocidade de trabalho para 1.700 rpm, cerca de 200 rpm fora da frequência natural, removeu-a sem qualquer alteração de hardware.
Causa 5: Amortecimento e Rigidez da Estrutura
Quando as quatro causas acima são abordadas e algum movimento permanece, o amortecimento trata do resíduo. Os amortecedores de vibração são fixados na porca e absorvem os pequenos choques que passam pelo trem de esferas. Eles reduzem a amplitude, não corrigem um eixo desalinhado ou mal apoiado, então coloque-os no final da sequência, não no início.
A rigidez da estrutura define a base para tudo isso. Uma estrutura que desvia sob carga de corte move o trilho e o parafuso um em relação ao outro, e o parafuso interpreta esse movimento como vibração. A placa fina de alumínio é a culpada usual em construções personalizadas, e nenhuma quantidade de qualidade do parafuso compensará isso em sua máquina.
Matriz de solução de problemas
| Sintoma | Causa mais provável | Primeira verificação |
|---|---|---|
| Shake aparece apenas acima de uma certa velocidade | Ressonância próxima à frequência natural | Calcule f e, em seguida, mude a velocidade ou aceleração de trabalho |
| Sacuda a cada mudança de direção | Folga de uma única porca | Meça o movimento perdido e depois passe para a pré-carga ajustável |
| Zumbido contínuo em todas as velocidades | Excentricidade do eixo ou grau de precisão grosseira | Indicador de discagem em ambos os periódicos e, em seguida, revise a nota C |
| A amplitude cresce com a carga | Suporte final inadequado, eixo arqueado | Verifique o tipo de rolamento e o espaçamento entre suportes |
| Chocalho e acúmulo de calor | Quantidade ou tipo de lubrificação | Confirme a graxa do parafuso esférico e o intervalo de 500 horas |
Combinando o parafuso com a aplicação
| Série | Melhor ajuste | Por que isso ajuda |
|---|---|---|
| SFU, enrolado, C7 | Automação geral dentro do orçamento | Custo mais baixo, velocidade adequada abaixo da moderada |
| SFU, terra, C7 a C3 | Pick-and-place, CNC pequeno | Avanço e desvio mais apertados, menos agitação em velocidade |
| SFE | Eixos de alta velocidade, montagem eletrônica | Esferas maiores reduzem o deslizamento e a carga por contato |
| DFU, porca dupla | Eixos reversíveis, robôs de pórtico | A pré-carga ajustável elimina a folga |
Nas máquinas dos clientes onde essas quatro séries foram adaptadas à aplicação, a vibração medida caiu de 20% a 40% dependendo do ponto de partida. Os maiores ganhos vieram de eixos que rodavam uma única porca em uma carga reversa ou um parafuso laminado em alta velocidade.
Perguntas frequentes
A vibração pode ser corrigida sem substituir o parafuso?
Muitas vezes, sim. Alinhamento, suporte final, pré-carga e lubrificação cobrem a maioria dos casos que você encontrará. A substituição torna-se necessária quando a excentricidade do eixo ou o grau de precisão é o fator limitante, porque nenhum dos dois pode ser corrigido por ajuste no local.
Por que o tremor aparece apenas em alta velocidade na minha máquina?
Porque o eixo está se aproximando da frequência natural do parafuso. A fórmula acima fornece a estimativa para um determinado comprimento e arranjo de suporte e, na maioria dos casos, você pode afastar o eixo dessa velocidade alterando a taxa de avanço ou o perfil de aceleração em vez do hardware.
Porca simples ou porca dupla?
Se o seu eixo inverter a direção sob carga, use uma porca dupla com pré-carga ajustável. Em um eixo unidirecional, uma porca simples pré-carregada corretamente geralmente é suficiente, e o custo extra de uma porca dupla não compensa nada.
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Referências
- Bolthausen, K. (2018). Sistemas de movimento linear: fusos de esferas, rolamentos e guias. Imprensa Industrial.
- Sociedade Americana de Precisão. (2020). Mitigação de vibrações em sistemas de atuação linear. Jornal de Engenharia de Manufatura, 15(3), 45-52.
- (2021). Diretrizes de aplicação e projeto de fuso de esferas.
