Já alguma vez se perguntou porque é que os fusos de esferas, cruciais nas máquinas-ferramentas, falham frequentemente? Este artigo analisa a importância de uma manutenção adequada para evitar tais falhas. Explica como o desgaste e a pré-carga afectam o desempenho do fuso de esferas e oferece estratégias de manutenção preditiva utilizando tecnologias de sensor avançadas. No final, compreenderá como prolongar a vida útil dos fusos de esferas e garantir a precisão das suas máquinas-ferramentas.
Os fusos de esferas desempenham um papel crucial no sistema de alimentação das máquinas-ferramentas. À medida que a indústria transformadora evolui, o mercado exige uma qualidade de produto cada vez mais rigorosa, conduzindo a requisitos de precisão mais elevados para as máquinas-ferramentas das empresas.
Consequentemente, a fiabilidade e o desempenho dos fusos de esferas tornaram-se normas essenciais. No sistema de alimentação, o desgaste do fuso de esferas pode levar a uma diminuição da pré-carga, o que é um problema comum.
Uma pré-carga adequada pode evitar impactos axiais e calor excessivo, melhorando a precisão e a vida útil do fuso de esferas. Este artigo analisará brevemente os problemas associados aos fusos de esferas e discutirá estratégias de manutenção preditiva viáveis para mitigar o desgaste.
Um fuso de esferas é um atuador linear que converte movimento rotativo em movimento linear, amplamente utilizado nos sistemas de alimentação de máquinas-ferramentas. A sua principal vantagem é o posicionamento preciso a altas velocidades, com elevada eficiência mecânica.
Devido ao seu baixo atrito, a sua eficiência de transmissão pode atingir até 90%, o que também prolonga a vida útil do fuso de esferas e reduz o tempo de paragem para manutenção. A fricção e os impactos lineares entre o fuso de esferas e a porca tornam difícil a obtenção de um sistema de alimentação preciso.
Normalmente, é aplicada a quantidade correcta de pré-carga para eliminar impactos lineares e aumentar a rigidez do fuso de esferas. No entanto, uma pré-carga excessiva pode aumentar o atrito. A pré-carga também desempenha um papel significativo na rigidez do fuso de esferas, no ruído e na precisão posicional.
Quando uma máquina arranca ou pára, a aceleração ou desaceleração do fuso de esferas pode levar a uma perda de óleo lubrificante nas superfícies de contacto. Esta perda pode piorar a dissipação de calor e acelerar o desgaste do fuso de esferas. À medida que o desgaste se aprofunda, a pré-carga diminui, o que constitui uma preocupação fundamental para os fusos de esferas.
O desgaste induzido por fricção em fusos de esferas envolve a análise do desgaste da superfície. A rugosidade da superfície da esfera é mais suave do que a da pista, pelo que o seu movimento relativo pode ser comparado à interação entre uma superfície lisa e uma superfície rugosa.
Se uma superfície mais dura e áspera atravessar repetidamente na mesma direção uma superfície mais macia, a deformação plástica unidirecional acumula-se em cada ciclo. Este processo de "falha em catraca" ou "colapso progressivo" sugere que o desgaste ocorre através de um mecanismo de fratura dúctil, produzindo detritos muito finos semelhantes a placas, como se mostra na Figura 1.
Os testes dinâmicos de fusos de esferas mostram que o binário aumenta inicialmente para um valor elevado antes de começar a diminuir. Isto deve-se ao facto de a película de lubrificação que protege as superfícies de contacto necessitar de tempo para se formar, aumentando o atrito entre a esfera e a pista e exigindo mais binário para acionar o eixo do sistema de fuso de esferas. Como se mostra na Tabela 1, com velocidades mais elevadas que requerem mais tempo de aceleração, o binário aumenta com a velocidade.
Quadro 1 Aceleração em função da velocidade de rotação
| Velocidade de rotação（rad/s） | 31.4 | 62.8 | 94.2 | 125.6 | 219.9 | 314.2 |
| Tempo de aceleração (s) | 0.036 | 0.055 | 0.076 | 0.099 | 0.16 | 0.215 |
| Aceleração (m/s) ²） | 2.78 | 3.63 | 3.95 | 4.04 | 3.75 | 4.65 |
Na desaceleração, o comportamento é diferente do da aceleração, mas também requer um binário mais elevado para a desaceleração. Quando a velocidade estabiliza, o binário aumenta gradualmente com a velocidade. A diferença no binário é relativa a velocidades estáveis semelhantes em passos instantâneos, mostrando que os regimes de lubrificação durante a aceleração, desaceleração e velocidade estável são distintos.
Assim, as superfícies de contacto suportam cargas significativas e velocidades relativas baixas, levando a problemas críticos de lubrificação durante a aceleração e a desaceleração.
A manutenção preditiva envolve a utilização de sensores para monitorizar o estado operacional do equipamento, combinando os dados dos sensores com os parâmetros do ciclo de vida para determinar o momento da manutenção. Isto maximiza os intervalos de manutenção e reduz os custos de inatividade.
A manutenção preventiva pode reduzir as falhas mecânicas inesperadas e evitar o agravamento dos problemas. A deteção e reparação precoces de problemas mecânicos podem atenuar a maioria dos problemas, melhorando assim a qualidade dos produtos e a eficiência das instalações e linhas de produção.
Os métodos de deteção podem ser directos ou indirectos. Os métodos directos envolvem a medição direta da precisão operacional e do estado posicional do componente. Os métodos indirectos recolhem sinais e informações relacionados com o componente para inferir o seu estado.
Este artigo centra-se nos métodos directos, em que a seleção do sinal de deteção é crucial. Os sinais de deteção incluem sinais de emissão acústica, deteção laser, deteção de sinais eléctricos, deteção de sinais de vibração e sinais internos da máquina-ferramenta.
Para a manutenção de fusos de esferas com base na corrente do motor elétrico, são normalmente utilizados métodos de análise no domínio do tempo. A teoria das ondaletas representa um novo método de análise no domínio do tempo.
Os sinais eléctricos contêm muitas mensagens de erro e uma quantidade significativa de ruído. Os sinais Wavelet podem efetivamente separar sinais em diferentes tempos e bandas de frequência, eliminando sinais de ruído e reconstruindo uma imagem de sinal mais clara.
A recolha de sinais de corrente utiliza sensores de corrente Hall, baseados no princípio do equilíbrio magnético Hall e no princípio do circuito fechado, como se mostra na figura 2.
A corrente na entrada gera um campo magnético que passa através de um núcleo magnético de alta qualidade, formando um circuito de fluxo magnético. O elemento Hall é fixado num pequeno espaço de ar. Uma bobina enrolada à volta do núcleo magnético produz uma corrente de compensação na direção oposta.
Esta corrente compensatória compensa o fluxo magnético gerado pela corrente de entrada, mantendo o fluxo magnético zero no circuito. Após o processamento especial do circuito, o potencial de saída do elemento Hall reflecte com precisão as alterações na corrente.
Assim, os sensores de corrente Hall podem monitorizar as alterações na corrente do motor de acionamento do fuso de esferas. O processamento dos dados recolhidos permite determinar com precisão o estado de funcionamento do fuso de esferas.
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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