Azionamenti a ricircolo di sfere: precisione mediante precarico

Gli azionamenti a ricircolo di sfere convertono il movimento rotatorio in un movimento lineare preciso o viceversa. Sono spesso utilizzati come elemento di azionamento. La precisione di posizionamento è fondamentale quando si utilizzano gli azionamenti a ricircolo di sfere. Un modo per aumentare la precisione di posizionamento di un azionamento a ricircolo di sfere è ridurre il gioco tra mandrino e dado con un precarico. Tuttavia, poiché questo precarico cambia anche la facilità di movimento del sistema, ci sono azionamenti a ricircolo di sfere con precarico regolabile. Il sistema può essere precaricato in modo tale che il gioco assiale ammissibile tra il dado a sfere e il mandrino filettato sia ottenuto senza limitare eccessivamente il movimento libero. Il precaricamento può raggiungere la precisione di posizionamento in pochi micrometri. In questo articolo imparerai come funziona e quali classi di precisione ci sono.

Che cos’è un azionamento a ricircolo di sfere?

Un azionamento a ricircolo di sfere, chiamato anche mandrino filettato a ricircolo di sfere, converte il movimento rotatorio in movimento lineare. Nella sua forma più semplice un azionamento a ricircolo di sfere è costituito da un mandrino filettato e da un dado. Le sfere rotolano tra di esse in una pista di ricircolo per ridurre l’attrito. I sistemi più complessi, ad esempio, sono costituiti da un sistema a dado doppio o dispongono di dispositivi di protezione. Gli azionamenti a ricircolo di sfere sono altamente precisi e in grado di trasferire forze elevate con basse perdite per attrito e pertanto sono ideali per il controllo di movimento in applicazioni industriali e macchine come macchine CNC o robot. Con il loro aiuto, ad esempio, le apparecchiature per i pezzi in lavorazione possono essere posizionate in modo molto accurato. La lubrificazione corretta è essenziale per il funzionamento degli azionamenti a ricircolo di sfere (ulteriori informazioni sulla Lubrificazione degli azionamenti a ricircolo di sfere - Lubrificanti, aree di applicazione e informazioni generali).

Per informazioni più dettagliate sulla funzione, sul design e sulle classi di precisione degli azionamenti a ricircolo di sfere consultare il nostro articolo sugli Azionamenti a ricircolo di sfere - funzione/struttura/tipi/classi di precisione.

Che cos’è il precarico?

Il precarico è inteso come l’introduzione intenzionale di una forza in un sistema o componente prima che venga esposto a un carico esterno. Garantisce stabilità e affidabilità funzionale. È possibile applicare un precarico, ad es. su giunti con filettatura esterna, molle, cuscinetti a mandrino filettato, ma anche su azionamenti a ricircolo di sfere.

Le viti a sfera tendono ad essere resilienti e hanno un gioco assiale nella trasmissione. Il gioco assiale è l’intervallo di movimento o il gioco inutilizzato di un mandrino filettato, creato dallo spazio tra le sfere del cuscinetto e la filettatura del mandrino filettato e le piste nel dado filettato.

A causa del gioco assiale l’azionamento a ricircolo di sfere si sposta tra le posizioni (+) e (-). Per i precarichi in una direzione ciò non porta ancora a imprecisioni di posizionamento perché le sfere vengono premute contro un lato del fianco del filetto. Tuttavia, non appena si verifica un cambiamento di direzione o un’inversione del carico assiale, non viene più fornita la precisione di posizionamento assoluta.

• F_r = Effetto forza radiale
• M = momento flettente, ad es. a causa di un’installazione disallineata

Viene introdotto un precarico per ridurre al minimo questo effetto indesiderato. In fase di regolazione del precarico la considerazione delle tolleranze dimensionali è essenziale. Le tolleranze dei cuscinetti o dei filetti sono regolate in modo tale che non vi sia più gioco, il che ottimizza la precisione di posizionamento e la rigidità del sistema. Di solito viene introdotto tra il mandrino filettato e il dado doppio, ad esempio utilizzando due dadi che sono fissati l’uno contro l’altro. La tensione della molla tra i dadi di solito può essere regolata utilizzando un anello filettato.

Il termine di precarico è definito anche negli standard. JIS 1192, per esempio, definisce il precarico come la forza esercitata internamente sugli azionamenti a ricircolo di sfere mediante un gruppo di sfere d’acciaio con offset assiale o una coppia di dadi per ridurre il gioco e aumentare la rigidità dell’azionamento a ricircolo di sfere. Tuttavia un precarico eccessivo, ad esempio, può influire anche sulla vita utile dell’azionamento a ricircolo di sfere. La quantità di precarico deve essere considerata quindi in modo approfondito.

Tipi di precarico

In generale esistono due tipi di precarico: radiale e assiale. Il precarico radiale è una forza applicata in modo perpendicolare all’asse di rotazione, ad es. sugli anelli dei cuscinetti in un cuscinetto volvente. Garantisce un contatto uniforme tra cuscinetto volvente e corsa. Il precarico assiale viene applicato lungo l’asse del cuscinetto o del mandrino e impedisce il gioco nella direzione longitudinale. Il precarico assiale viene utilizzato per gli azionamenti a ricircolo di sfere.

Importanza della forza di precarico

L’utilizzo di un precarico presenta i vantaggi seguenti:

• Migliora la rigidità, il che a sua volta ottimizza la capacità di carico e la ripetibilità.
• Aumenta la vita utile. Tuttavia,occorre fare attenzione a garantire che il precarico non sia troppo alto, in quanto altrimenti potrebbe avere un effetto negativo.
• Sono ridotti al minimo vibrazioni e rumori, il che è ad esempio un elemento importante per le applicazioni che richiedono un movimento silenzioso.
• Viene ridotto al minimo il gioco, con conseguente controllo e posizionamento del movimento più precisi. Ciò è importante, tra le altre cose, per le macchine CNC o nella robotica.

Quando si calcola la forza di precarico necessaria, devono essere prese in considerazione anche le classi di tolleranza richieste dei componenti da fabbricare (vedere le Classi di tolleranza in conformità a ISO 22081 e DIN ISO 2768: Uso ottimizzato delle tolleranze generali).

Calcolo della forza di precarico

La forza di precarico del dado rappresenta sempre un carico costante sull’azionamento a ricircolo di sfere. Quindi è importante trovare una forza di precarico che allo stesso tempo non eserciti una tensione eccessiva sull’azionamento a ricircolo di sfere pur continuando a soddisfare il suo scopo. A tal fine è possibile considerare in particolare il carico operativo previsto. La forza di precarico può essere calcolata, ad esempio, dal carico nominale dinamico. Ciò indica i carichi che l’azionamento a ricircolo di sfere può sopportare per ottenere una vita utile di 1 milione di giri.   È specificato dal produttore. I valori nominali di carico sono standardizzati, ad esempio, in ISO 281. Per le chiocciole per viti a ricircolo di sfere con contatto a 4 punti, il 5-8% del carico nominale dinamico ha senso per il precarico e l’8-10% per il contatto a 2 punti. Altri valori si applicano alle determinazioni conformemente allo standard ANSI.

Vari metodi di precarico

Esistono vari metodi per regolare il precarico, come le chiocciole per viti a ricircolo di sfere con precarico regolabile. In questa variante è montata una molla tra due dadi, che preme i dadi contro il lato sinistro e destro della corsa del mandrino. Il precarico può essere regolato ulteriormente con un anello filettato. Il precarico può anche essere ottenuto automaticamente utilizzando dei sistemi idraulici. Ci sono vari metodi, che sono presentati in dettaglio di seguito:

Dado doppio precaricato a molla

La selezione della tensione corretta della molla è fondamentale per ottimizzare il precarico (vedere Selezione di molle di tensione e molle a compressione - panoramica/usi/esempi di applicazione). Il dado doppio caricato a molla è una buona opzione per piccoli azionamenti a ricircolo di sfere. I due dadi sono posizionati in un alloggiamento in modo solidale in rotazione, dove vengono spinti lontani uno dall’altro da una molla fissata tra di essi. La molla assicura che il precarico rimanga sempre lo stesso, anche in caso di usura o a causa delle tolleranze di fabbricazione. Anche il precarico stesso è relativamente piccolo. Gli svantaggi del dado doppio caricato a molla consistono nel fatto che esso è generalmente più complesso e più grande e l’allineamento è più difficile. Le forze non possono più essere trasferite in tutte le direzioni: la molla può cedere se le forze sono al di sopra della forza di precarico.

Installazione di sfere con una dimensione sovradimensionata definita

Le sfere possono essere montate con una dimensione sovradimensionata definita se vengono utilizzati dadi standard individuali nell’azionamento a ricircolo di sfere.   Ciò si traduce in un cosiddetto contatto a quattro punti tra quattro punti della sfera e il dado. Ciò porta a un aumento significativo dell’attrito.

• (1) Mandrino filettato (sezione trasversale)
• (2) Dado (sezione trasversale)

A causa dell’attrito elevato questo metodo deve essere utilizzato con un precarico o gioco ridotto. L’efficienza si deteriora in qualche modo e la risposta alle tolleranze di produzione è anche più elevata con questo tipo di precarico. Per i mandrini filettati particolarmente lunghi, non ha quindi senso installare dadi singoli precaricati. I vantaggi sono: efficienza e design compatto.

Installazione di un singolo dado con spaziatura tra i passi

È comunque possibile selezionare una spaziatura tra i passi per i singoli dadi. Ciò comporta l’installazione di un dado con un passo della filettatura che devia leggermente dal mandrino. Questa spaziatura definita fa sì che la posizione degli elementi rotanti si sposti nella filettatura del mandrino, determinando un contatto a due punti. Questo metodo è adatto per il precarico medio.

• (1) Mandrino filettato (sezione trasversale)
• (2) Dado (sezione trasversale)

Installazione di un elemento distanziatore per dadi doppi

Una variante di precarico più complessa consiste nell’installare un sistema a dado doppio con un elemento distanziatore.

• (1) Mandrino filettato (sezione trasversale)
• (2) Dado (sezione trasversale)
• (3) Elemento distanziatore

Due dadi filettati vengono fissati l’uno contro l’altro per mezzo di un elemento distanziatore, il che si traduce in un contatto a due punti. Di conseguenza l’attrito aumenta molto poco. Il gioco assiale è quasi completamente eliminato, il che contribuisce alla rigidità e alla precisione dell’azionamento a ricircolo di sfere. Questo metodo è fattibile per un precarico medio e alto. Gli elementi distanziatori consentono regolazioni semplici del precarico, motivo per cui sono adatti a carichi variabili.