Como é que um simples parafuso se transforma num sistema de controlo preciso utilizado na robótica e na indústria aeroespacial? Este artigo explora a mecânica fascinante por detrás dos fusos de esferas, componentes-chave que convertem o movimento rotacional em movimento linear com elevada eficiência e precisão. Aprofunde-se na sua estrutura, funcionamento e papel crítico em várias indústrias. Ao ler, compreenderá como os fusos de esferas melhoram o desempenho em tudo, desde dispositivos médicos a linhas de fabrico automatizadas.
Parafuso de esferas
O fuso de esferas é composto por vários componentes, incluindo o parafuso, a porca, as esferas de aço, a peça de pré-compressão, o inversor e o dispositivo à prova de pó. A sua principal função é converter o movimento rotativo em movimento linear, transformando o movimento de deslizamento em movimento de rolamento.
Em 1898, foi introduzido pela primeira vez o conceito de utilização de esferas de aço entre a porca e o parafuso para converter o contacto de deslizamento de um parafuso tradicional em contacto de rolamento. Esta mudança na fricção de deslizamento para rolamento permitiu que o movimento rotativo das esferas de aço na porca fosse transformado em movimento linear, resultando numa conversão de binário melhorada e na redução de problemas de posicionamento e danos em comparação com os parafusos tradicionais.
A invenção do fuso de esferas é atribuída a Rudolph G. Boehm, do Texas, a quem foi concedida uma patente americana em 1929. Quando utilizado como um componente ativo, a porca é convertida em movimento linear com o ângulo de rotação do parafuso, orientado por especificações específicas. A peça de trabalho passiva pode ser ligada à porca através de um suporte de porca.
O conjunto do fuso de esferas é normalmente feito de aço e consiste numa porca fêmea e num parafuso com uma ranhura helicoidal que corresponde à ranhura do parafuso.
A ranhura no interior da porca contém muitas pequenas esferas de aço cromado. Ao circularem no interior da porca, estas esferas proporcionam um movimento suave ao longo do parafuso, enquanto um sistema deflector ou de retorno retém as esferas e permite a sua circulação através da porca.
Quando associado a um motor, o rendimento de um fuso de esferas pode atingir 90%. São altamente exactos, com uma precisão de alguns milésimos de polegada por pé.
Os fusos de esferas são utilizados por várias indústrias para um controlo preciso, incluindo as indústrias aeroespacial, informática, eletrónica, automóvel e médica.
Os fusos de esferas são frequentemente utilizados em processos de fabrico, tais como robôs, linhas de montagem automatizadas, equipamento de manuseamento de materiais, transportadores, máquinas-ferramentas, controlo de fios e equipamento de montagem de precisão.
O conjunto do fuso de esferas é composto por um parafuso e uma porca, cada um com uma ranhura em espiral complementar. As esferas rolam dentro destas ranhuras, servindo como único ponto de contacto entre a porca e o parafuso.
Quando o parafuso ou a porca roda, as esferas são direccionadas pelo deflector para o sistema de retorno de esferas dentro da porca. Elas movem-se continuamente através do sistema de retorno para a extremidade oposta da porca de esferas e, em seguida, saem para a pista roscada do parafuso e da porca de esferas para circulação repetida num circuito fechado.
A porca de esfera desempenha um papel crucial na determinação da carga e da vida útil do conjunto do fuso de esfera. O rácio entre o número de roscas no circuito da porca esférica e o número de roscas no fuso de esferas determina qual o componente que irá sofrer falha por fadiga (desgaste) primeiro.
Existem dois tipos de métodos de retorno de esferas utilizados nas porcas de esferas: circulação externa e circulação interna.
Na circulação exterior, as esferas regressam à extremidade oposta do circuito através de um tubo de retorno, que se estende para além do diâmetro externo da porca de esferas.
porca de esfera com circulação externa
A circulação interna envolve a passagem ou o retorno das esferas ao longo da parede interior da porca, que tem um diâmetro mais pequeno do que o diâmetro exterior da porca de esferas.
porca de esfera com circulação interna
No caso da circulação interna, a esfera segue um circuito rotativo e é forçada a atravessar a parte superior da rosca do parafuso através do sistema de retorno. Trata-se de um sistema de retorno interno do tipo deflector transversal.
Numa porca de esferas de tipo deflector transversal, as esferas só rodam o eixo uma vez e o circuito é fechado por um deflector de esferas (B) no interior da porca (C), permitindo que as esferas atravessem entre ranhuras adjacentes nos pontos (A) e (D).
porca de esfera com circulação interna
Quando um fuso de esferas longo roda a alta velocidade, se a sua relação de esbelteza atingir o harmónico natural do tamanho do seu eixo, pode começar a vibrar. Isto é conhecido como velocidade crítica e pode reduzir significativamente a vida útil do fuso de esferas. Por razões de segurança, recomenda-se que o parafuso não funcione a uma velocidade superior a 80% da sua velocidade crítica.
Componente da porca esférica de rotação
Em algumas aplicações, são necessários comprimentos de veio mais longos e velocidades mais elevadas e, nestes casos, é necessária a utilização de um conjunto de porcas esféricas rotativas.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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