Osnove krogličnih vreten

Kroglična vretena so učinkovit in natančen element za pretvorbo vrtilnega gibanja v linearno gibanje in obratno. Kroglična vretena, znana po svoji natančnosti in zanesljivosti, so bistveni sestavni del številnih sodobnih industrijskih aplikacij, vključno z industrijsko avtomatizacijo, vesoljsko in letalsko industrijo, medicinsko opremo in drugimi.

Funkcije krogličnih vreten

Sestav krogličnega vretena je sestavljen iz navojne gredi s spiralnim utorom in matice s kroglicami, ki se pomikajo po utorih na vretenu - matica se nikoli ne dotika neposredno vretena. Namesto tega se kroglice kotalijo v utoru na vretenu, kar zmanjšuje trenje in obrabo ter omogoča gladko in natančno gibanje matice po vretenu. 

Slika 1: Kroglična vretena

Učinkovitost krogličnega vretena je zaradi kotalnega stika med vretenom in matico veliko večja od učinkovitosti trapeznega vretena: potrebni pogonski navor krogličnega vretena je le 1/3 navora običajnega trapeznega vretena.

Zaradi tega lahko kroglično vreteno v nasprotju z običajnim trapeznim vretenom poganjamo "vzvratno" z linearno silo na kroglično matico, ki povzroči vrtenje krogličnega vretena.

Ta lastnost je uporabna pri aplikacijah, kjer je potrebno ročno upravljanje ali delovanje v sili, vendar včasih ni zaželena.  Pri nekaterih izvedbah je potrebna zavora, ki preprečuje, da bi obremenitev na matico vrtela vreteno nazaj, kar se imenuje "povratna vožnja".

Kroglično vreteno zaradi kotalnega gibanja kroglic potrebuje majhen začetni navor v nasprotju z običajnimi trapeznih vretenih, ki uporabljajo drsno gibanje. Zato je s krogličnim vretenom mogoče izvajati zelo natančne operacije mikro-podajanja.

Vrste in materiali krogličnih vreten

Kroglična vretena so na voljo v različnih izvedbah, ki ustrezajo različnim zahtevam uporabe:

Standardna valjana kroglična vretena: Ponujajo dobro razmerje med zmogljivostjo in ceno ter so primerni za široko paleto aplikacij.

Miniaturna kroglična vretena: Miniaturna kroglična vretena, zasnovana za majhne aplikacije, se pogosto uporabljajo v medicinskih instrumentih, kompaktni robotiki, majhnih natančnih obdelovalnih strojih in drugje.

Kroglična vretena z velikim korakom: Kroglična vretena z velikim korakom, omogočajo visoke hitrosti, se uporabljajo v aplikacijah, kot je industrijska avtomatizacija, kjer je zaželeno hitro premikanje orodij na koncu roke. 

Izbira materiala za kroglične vretene je ključnega pomena za njihovo zmogljivost in dolgo življenjsko dobo. Običajni materiali vključujejo:

Legirano jeklo: Legirano jeklo, ki se pogosto uporablja zaradi svoje trdnosti in trajnosti, je običajno toplotno obdelano, da se izboljša odpornost proti obrabi s strjevanjem materiala na površini ali v celoti.

Nerjaveče jeklo: Ta dražji material se uporablja pri aplikacijah, kjer je pomembna odpornost proti koroziji, na primer pri medicinskih pripomočkih ali opremi za predelavo hrane.

Keramika: Keramične kroglice, ki se uporabljajo v krogličnih ležajih za aplikacije z višjimi hitrostmi, prinašajo konstrukciji ugodne lastnosti, kot sta nizko trenje in dolga življenjska doba.

Prenesite brezplačno e-broušuro

3 drage napake pri uporabi krogličnih vreten

Prenesite takoj

Razmisleki o oblikovanju

Korak in navojnica: Navojnica vretena je osna razdalja med dvema sosednjima navojema vretena, korak pa je linearna razdalja vzdolž osi vretena, ki jo opravi matica s popolnim obratom na vretenu. Z večjem koraku vretena, matica pri vsakem obratu vretena prepotuje daljšo razdaljo vzdolž vretena. Kompromis je v tem, da se število kroglic, ki se lahko prilegajo gredi vretena, z večanjem koraka zmanjšuje, kar zmanjšuje tudi nosilnost sklopa.

Natančnost pomika: Razlika med dejansko razdaljo, ki jo prepotuje matica, in teoretično razdaljo, izračunano iz natančnosti vretena, se imenuje tolerance vretena. Na primer, vreteno z 10 mm (približno 0,4 palca) korakom bi teoretično premaknil matico za 200 mm (približno 8 palcev) po 20 obratih vretena. Če je natančnost vretena določena na ±0,050 mm (približno ±0,002"), potem inženir ve, da se bo matica premaknila nekje med 199,95 mm (7,998") in 200,05 mm (8,002").

Zračnost: Vsa kroglična vretena imajo določeno zračnost, ki je relativni aksialni premik med vretenom in matico, pri katerem določena stopnja vrtenja vretena ne premakne matice. Pri krogličnih vretenih mora biti pri normalnem delovanju zračnost vso življenjsko dobo konstantna.

Prednapetost: Prednapetost krogličnega vretena je notranja sila med kroglično matico in vretenskim sklopom, ki odpravlja aksialno in radialno zračnost. Prednapeti sklopi zagotavljajo odlično ponovljivost in večjo togost sistema. Prednapetost se doseže z uporabo dveh matic in njuno razmaknitvijo, s premikom krogličnih kanalov znotraj ene matice ali z uporabo večjih kroglic.

Število navojnic: Število navojnic je število neodvisnih navojev na vijačni gredi. Običajno se uporabljajo vretena z eno navojnico, vendar se za hitro linearno gibanje z večjimi obremenitvami lahko uporabi več navojnic - običajno dve ali štiri. Pri vretenu z dvojno navojnico je osna razdalja, ki jo matica opravi ob polnem obratu, dvakrat večja kot v primeru enojne navojnice.

Slika 2: Število navojnic krogličnih vreten

Brušena kroglična vretena: Pri izdelavi krogličnega vretena obstajata vsaj dve možnosti: brušeni ali valjani. Brušeno vreteno je izdelano s postopkom abrazije ter je bolj gladko in natančno kot valjano vreteno. Brušena vretena so dražja zaradi daljšega proizvodnega časa. Valjana vretena so izdelana s postopkom deformacije pri hladni obdelavi, pri čemer nastane kroglično vreteno visoke trdnosti, vendar ima večje trenje in manjšo odpornost proti obrabi kot brušeno vreteno.

Podporni ležajni bloki: V postopku načrtovanja je treba zagotoviti podporo vrtečemu se krogličnemu vretenu, pri čemer lahko izbirate med več možnostmi podpornih ležajnih blokov. Ti posebni bloki nadzorujejo aksialno gibanje vretena ter prenašajo aksialne in radialne obremenitve na osnovo stroja.

Statična obremenitev: Pomembno je razumevanje neoperativne obremenitve sklopa krogličnega vretena, zlasti tlačne obremenitve vretena, ki bi lahko povzročila, da bi se vreteno upognil. Sestav krogličnega vretena je dimenzioniran za statično obremenitev, skupna teža na krogličnem vretenu pa ne sme presegati te vrednosti.

Dejanska obremenitev: Dejanska obremenitev je obremenitev, ki jo prenaša vreteno, in je odvisna od usmerjenosti vretena (vodoravno ali navpično) in skupne teže, ki se bo premikala, ter od števila krogličnih vreten, uporabljenih v konstrukciji za premikanje bremena. Smer obremenitve mora biti čim bolj soosna z vretenom - obremenitve, ki povzročajo moment na vretenu, so lahko problematične. Dejanska obremenitev je lahko samo teža bremena, ki ga je treba premakniti, lahko pa vključuje tudi silo trenja, ko je breme v stiku z nepremično komponento stroja.

Kritična hitrost: Kritična kotna hitrost vretena je tista, pri kateri se lahko pojavijo resonančne vibracije. Kritična hitrost je odvisna od nepodprte dolžine vretena, premera vretena in vrste podpor končnih ležajev. Največja varna obratovalna hitrost sklopa krogličnih vreten je 80 % nazivne kritične hitrosti vretena.

Uporaba krogličnih vreten

Kroglična vretena se zaradi svoje natančnosti in učinkovitosti uporabljajo na različnih področjih. Med najpogostejše aplikacije spadajo:

CNC stroji: Za natančno krmiljenje rezalnih orodij se uporabljajo kroglična vretena: stroji CNC (Computer Numerical Control), rezkalni stroji in stružnice.

Industrijska avtomatizacija: kroglična vretena se pogosto uporabljajo v robotskih sistemih za natančno premikanje in pozicioniranje.

V letalstvu in vesoljski industriji: V sestavnih delih letal se kroglična vretena uporabljajo za pogone krmilnih površin in druge avtomatizirane mehanizme.

Medicinska oprema: V naprednih medicinskih napravah, kot so naprave za magnetno resonanco, rentgenski sistemi in robotska kirurška orodja, kroglična vretena zagotavljajo linearno gibanje, ki je potrebno za delovanje teh naprav.

Kroglična vretena so sestavni del sodobnih mehanskih sistemov, ki zagotavljajo visoko natančnost, učinkovitost in vsestranskost. Njihova raznolika uporaba, od težke industrije do občutljive medicinske opreme, poudarja njihov pomen v ekosistemu strojne konstrukcije.