Introduzione
La vibrazione ad alta-vibrazione delle viti a ricircolo di sfere è un problema comune nelle macchine CNC. In alcune situazioni, la vibrazione non fa altro che aumentare il rumore di funzionamento. Nei casi più gravi, ciò influisce sulla precisione della lavorazione, riduce la durata dei cuscinetti, danneggia le unità di supporto e provoca persino allarmi dei servocomandi.
Molti utenti presumono che la vibrazione provenga direttamente dalla vite a ricircolo di sfere stessa. Tuttavia, le vibrazioni sono solitamente il risultato di molteplici fattori che lavorano insieme, tra cui velocità di rotazione, rigidità, qualità dell'installazione, precarico, lubrificazione e struttura della macchina.
Per capire perché una vite a ricircolo di sfere vibra ad alta velocità, dovremmo prima comprendere la limitazione meccanica più importante in un sistema a vite rotante: la velocità critica.
1. Velocità critica
Ogni albero rotante ha una propria frequenza naturale. Quando la velocità di rotazione si avvicina a questa frequenza, si verifica la risonanza e l'albero inizia a vibrare in modo significativo.
Questo fenomeno è chiamato velocità critica.
Nei sistemi con viti a ricircolo di sfere, quanto più lungo è l'albero della vite, tanto più facilmente raggiunge la velocità critica durante il funzionamento ad alta-velocità.
I sintomi tipici includono:
- Tremolio visibile della vite
- Aumento delle vibrazioni a regimi più elevati
- Forte rumore di funzionamento
- Stabilità di posizionamento ridotta
Il metodo di supporto influisce direttamente sulla velocità critica.
| Metodo di supporto | Velocità critica relativa |
|---|---|
| Fisso-Gratuito | Il più basso |
| Risolto-Supportato | Medio |
| Risolto-Risolto | Più alto |
Anche quando la vite funziona al di sotto della velocità critica teorica, potrebbero comunque verificarsi vibrazioni se la precisione dell'installazione è scarsa.
2. Allineamento dell'installazione
Un cattivo allineamento dell'installazione è un'altra importante fonte di vibrazioni.
Se l'albero motore, il giunto, l'unità di supporto e la vite a ricircolo di sfere non sono allineati correttamente, il sistema rotante subisce una forza radiale continua durante il funzionamento.
A bassa velocità, il problema potrebbe non essere evidente. Tuttavia, ad alta velocità, anche i piccoli errori di allineamento vengono amplificati.
I problemi di installazione comuni includono:
- Blocchi di supporto disallineati
- Superfici di montaggio irregolari
- Strutture di macchine piegate
- Installazione del giunto errata
- Cuscinetti di supporto-serrati eccessivamente
Questi problemi creano una forza ciclica durante la rotazione, che alla fine si trasforma in vibrazione.
Tuttavia, la sola precisione dell’installazione non è sufficiente. Anche la rigidità della vite a ricircolo di sfere gioca un ruolo importante.
3. Rigidità della vite a ricircolo di sfere
La rigidità della vite a ricircolo di sfere dipende principalmente dal diametro dell'albero e dalla lunghezza non supportata.
Una vite di-diametro piccolo si piega più facilmente sotto carico e accelerazione.
Per esempio:
- Una vite a ricircolo di sfere 1204 è adatta per macchine di piccole dimensioni
- Una vite a ricircolo di sfere 2505 o 3210 ha una rigidità molto più elevata
Quando la rigidità è insufficiente, la deflessione dell'albero aumenta durante il movimento ad alta-velocità, rendendo le vibrazioni più intense.
Le macchine CNC-con viaggi lunghi sono particolarmente sensibili a questo problema.
Oltre all'albero a vite stesso, anche un altro componente importante può trasmettere le vibrazioni direttamente al sistema di trasmissione: il giunto.
4. Problemi di accoppiamento
L'accoppiamento collega il servomotore e la vite a ricircolo di sfere.
Se la qualità del giunto è scarsa o installata in modo errato, le vibrazioni possono propagarsi all'intero sistema di azionamento.
I tipici problemi di accoppiamento includono:
- Rotazione eccentrica
- Scarso bilanciamento
- Contraccolpo eccessivo
- Bassa rigidità torsionale
I giunti flessibili economici a volte compensano temporaneamente gli errori di allineamento, ma possono ridurre la stabilità ad alta velocità.
Anche con componenti di trasmissione adeguati, un'eccessiva resistenza interna può comunque causare un funzionamento instabile.
5. Precarico e lubrificazione
Il precarico viene utilizzato per ridurre il gioco e migliorare la precisione del posizionamento.
Tuttavia, un precarico eccessivo aumenta l’attrito all’interno del sistema con vite a ricircolo di sfere.
Ad alta velocità, un attrito eccessivo può causare:
- Generazione di calore
- Aumento del carico del motore
- Fluidità del movimento ridotta
- Vibrazioni durante l'accelerazione
Anche la lubrificazione influisce fortemente sulla scorrevolezza della circolazione delle sfere.
Una scarsa lubrificazione aumenta la resistenza al rotolamento e provoca un funzionamento instabile.
Il grasso contaminato può peggiorare ulteriormente le vibrazioni e il rumore.
A questo punto, molti utenti sostituiscono la vite a ricircolo di sfere stessa. Tuttavia, la vera fonte di vibrazione potrebbe provenire dalla struttura della macchina.
6. Struttura della macchina
La rigidità della macchina influenza l'intero comportamento alle vibrazioni del sistema CNC.
I telai deboli della macchina possono amplificare le vibrazioni generate dal normale movimento della trasmissione.
Questo problema è comune in:
- Macchine CNC fai da te
- Strutture leggere in alluminio
- Basi macchina lunghe e non supportate
- Piastre di montaggio sottili
In molti casi, la vite a ricircolo di sfere non è la fonte originale di vibrazioni. Trasmette solo le vibrazioni generate in altre parti della macchina.
Poiché le vibrazioni solitamente si sviluppano da più fattori insieme, la risoluzione del problema richiede una strategia antivibrante completa.
7. Soluzioni an-vibrazioni
Diversi metodi pratici possono ridurre-le vibrazioni delle viti a ricircolo di sfere ad alta velocità.
| Soluzione | Effetto |
|---|---|
| Aumentare il diametro della vite | Migliora la rigidità |
| Utilizza il supporto fisso-fisso | Aumenta la velocità critica |
| Migliorare la precisione dell'installazione | Riduce la forza radiale |
| Migliora la qualità dell'accoppiamento | Migliora la stabilità rotazionale |
| Ottimizza il precarico | Riduce l'attrito interno |
| Migliorare la lubrificazione | Facilita la circolazione della palla |
| Rafforzare il telaio della macchina | Riduce le vibrazioni strutturali |
8. Scegliere la vite a ricircolo di sfere giusta
Quando scelgono una vite a ricircolo di sfere per applicazioni CNC ad alta-velocità, gli utenti dovrebbero considerare l'intero sistema di movimento anziché solo il passo e il diametro.
I fattori importanti includono:
- Rigidità dell'albero
- Metodo di supporto
- Velocità di rotazione
- Servoaccelerazione
- Rigidità della struttura della macchina
- Requisiti di precarico
- Condizione di lubrificazione
Un sistema con vite a ricircolo di sfere adeguatamente abbinato garantisce un movimento più fluido, una migliore precisione e una maggiore durata.
Conclusione
Le vibrazioni delle viti a ricircolo di sfere ad alta velocità sono solitamente un problema a livello di sistema-piuttosto che un difetto di un singolo componente.
La velocità critica è il punto di partenza, ma l'allineamento dell'installazione, la rigidità, il precarico, la lubrificazione, la qualità del giunto e la struttura della macchina sono tutti fattori che influenzano il comportamento delle vibrazioni.
Invece di limitarsi a ridurre la velocità, i produttori di CNC dovrebbero ottimizzare l’intero sistema di trasmissione.
Con una progettazione e un assemblaggio adeguati, i-sistemi con viti a ricircolo di sfere ad alta velocità possono ottenere un movimento stabile, fluido e preciso per un funzionamento a lungo-termine.
Riferimenti
- Progettazione meccanica di elementi e macchine: una prospettiva-di prevenzione dei guasti di Jack A. Collins, Henry R. Busby e George H. Staab
- Teoria delle macchine e dei meccanismi di John J. Uicker Jr., Gordon R.Pennock e Joseph E. Shigley
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