Tuhosť guľôčkovej skrutky ovplyvňuje presnosť polohovania, stabilitu obrábania a odozvu lineárneho pohybového systému pri axiálnom zaťažení. Hodnota nameraná na zostavenej osi však nie je určená samotnou guľovou maticou. Hriadeľ skrutky, podporné ložiská, ložiskové puzdrá, konzola matice a testovacie upínadlo môžu prispieť k meranému posunu.
Z tohto dôvodu meranie axiálnej tuhosti guľôčkovej skrutky vyžaduje viac než len použitie sily a zaznamenanie jedinej hodnoty posunutia. Musí sa tiež kontrolovať smer zaťaženia, predpätie, stav montáže, teplota a deformácia skúšobného zariadenia.
Čo je axiálna tuhosť guľôčkovej skrutky?
Axiálna tuhosť popisuje odolnosť zostavy guľôčkovej skrutky voči elastickému posunu pri axiálnom zaťažení. V rámci špecifikovaného rozsahu zaťaženia sa dá vyjadriť ako:
k = AF / Δδ
Kdekje axiálna tuhosť,ΔFje zmena axiálneho zaťaženia aΔδje zodpovedajúca zmena axiálneho posunutia.
Tuhosť guľôčkovej skrutky sa bežne vyjadruje v N/μm alebo N/mm. Vyššia hodnota znamená, že pri rovnakom axiálnom zaťažení dochádza k menšiemu elastickému posunu.
Vzťah medzi zaťažením a posunutím kontaktu guľôčky a drážky nie je dokonale lineárny. Preto by sa tuhosť mala normálne uvádzať pre definovaný rozsah zaťaženia a nie ako jedna univerzálna hodnota. V závislosti od účelu testu môžu inžinieri použiť buď:
- Tuhosť sekanty:zmena zaťaženia vydelená celkovou zmenou výtlaku za stanovený interval.
- Tangentová tuhosť:lokálny sklon krivky zaťaženie-posun pri konkrétnom prevádzkovom zaťažení.
Komponenty, ktoré ovplyvňujú nameranú tuhosť
Keď sa testuje kompletná os guľôčkovej skrutky, nameraný výsledok predstavuje kombinovanú tuhosť niekoľkých komponentov:
- Matica guľôčkovej skrutky a kontakty guľôčky s obežnou dráhou
- Axiálne predĺženie alebo stlačenie hriadeľa skrutky
- Usporiadanie ložísk na pevnej a podoprenej strane
- Puzdro matice a montážna konzola
- Ložiskové puzdro a konštrukcia stroja
- Usporiadanie skúšobného prípravku, snímača zaťaženia a montáže snímača
Tieto prvky sa správajú približne ako pružiny zapojené do série. Kombinovaná axiálna tuhosť môže byť reprezentovaná:
1/kcelkom= 1/korech+ 1/khriadeľ+ 1/kložisko+ 1/kdržiak+…
To vysvetľuje, prečo môže mať zostavená os podstatne nižšiu tuhosť, než je teoretická hodnota tuhosti uvedená pre samotnú guľovú maticu.
Statické záťažové testovanie
Statické axiálne zaťaženie je najpriamejšia metóda na meranie tuhosti guľôčkovej skrutky. Guľôčková skrutka je namontovaná v testovacom prípravku alebo v jej skutočnom strojnom usporiadaní a pri zaznamenávaní výsledného posunu pôsobí riadená axiálna sila.
Vyžaduje sa vybavenie
- Pevný testovací rám
- Hydraulické, pneumatické, skrutkové alebo elektromechanické nakladacie zariadenie
- Kalibrovaný snímač zaťaženia
- LVDT, laserový snímač posunu alebo číselník s vysokým rozlíšením
- Teplotné senzory, keď tepelné účinky môžu ovplyvniť výsledok
Odporúčaný skúšobný postup
- Namontujte guľôčkovú skrutku do určenej podpery.Zaznamenajte, či používa pevnú – pevnú, pevnú – podoprenú alebo pevnú – voľnú montáž.
- Zarovnajte os nakladania.Aplikovaná sila by mala byť sústredná s osou skrutky, aby sa zabránilo zahrnutiu ohybu do odčítania posunu.
- Nainštalujte snímač posunutia v blízkosti meraného rozhrania.Meranie naprieč nepotrebnými komponentmi prípravku pridá k výsledku ich deformáciu.
- Použite malú záťaž na sedenie.To pomáha usadiť kontakty a znižuje chyby spôsobené neúplným osadením alebo montážnou vôľou.
- Načítajte zostavu v kontrolovaných prírastkoch.Zaznamenajte silu a posun v každom kroku bez prekročenia špecifikovaného prevádzkového zaťaženia alebo prípustného axiálneho zaťaženia.
- Vykladajte zostavu v rovnakých prírastkoch.Porovnanie kriviek zaťaženia a odľahčenia môže odhaliť vôľu, hysterézu, trenie alebo pohyb v prípravku.
- Opakujte test v opačnom axiálnom smere.Obojsmerné výsledky sú dôležité pre hodnotenie predpätia a axiálnej vôle.
- Vypočítajte tuhosť v príslušnom rozsahu zaťaženia.Zvolený rozsah by mal zodpovedať skutočnému pracovnému zaťaženiu stroja.
Ako interpretovať krivku zaťaženia a posunu
Predpätá guľôčková skrutka by mala normálne vytvárať hladkú krivku zaťaženia a posunu s relatívne malým posunom v blízkosti bodu obratu zaťaženia. Viditeľná mŕtva zóna okolo nulového zaťaženia môže naznačovať axiálnu vôľu, uvoľnené montážne časti alebo pohyb medzi maticou a jej konzolou.
Ak krivky zaťaženia a vykládky nesledujú rovnakú dráhu, rozdiel je hysterézia. Medzi možné príčiny patrí trenie tesnenia, odpor maziva, mierne vychýlenie, usadzovanie kontaktov alebo deformácia v rámci montážnej konštrukcie.
Pretože sa tuhosť mení so zaťažením, protokol o skúške by mal vždy, keď je to možné, obsahovať úplnú krivku zaťaženia a posunu. Minimálne by v ňom malo byť uvedené:
Nameraná tuhosť a jednotka
Rozsah zaťaženia použitý na výpočet
Smer zaťaženia
Model guľôčkovej skrutky a stav predpätia
Dĺžka skrutky a poloha matice
Usporiadanie podporných ložísk
Skúšobná teplota a stav mazania
Oddelenie tuhosti guľôčkovej skrutky od deformácie upínadla
Bežnou chybou merania je posudzovanie celkového pohybu skúšobného rámu ako deformácie guľôčkovej skrutky. Aj pevne vyzerajúci prípravok sa môže pri veľkom axiálnom zaťažení vychýliť.
Súlad upínadla možno určiť kalibráciou alebo testovaním referenčného komponentu s oveľa vyššou tuhosťou. Posun upínadla pri každom zaťažení sa potom môže odpočítať od celkového nameraného posunu:
5guľová skrutka= 5merané− δpríslušenstvo
Pre zmontovanú os stroja môžu byť snímače tiež umiestnené na rôznych rozhraniach, aby sa zistilo, kde dochádza k posunu. Napríklad meranie medzi hriadeľom skrutky a krytom matice sa viac zameriava na zostavu matice, zatiaľ čo meranie pohybu stola vzhľadom na základňu stroja zahŕňa celú štruktúru podávania.
Testovanie dynamickej tuhosti
Statické testovanie hodnotí deformáciu pri pomaly pôsobiacom zaťažení. Dynamické testovanie sa používa, keď sú dôležité vibrácie, rezonancia a odozva serva. Zostava môže byť vybudená pomocou nárazového kladiva, trepačky alebo riadeného vstupu motora, zatiaľ čo sa meria sila, zrýchlenie alebo posun.
Modálna analýza dokáže identifikovať vlastné frekvencie, tlmenie a tvary režimu. Samotná vlastná frekvencia však neposkytuje tuhosť guľôčkovej skrutky, pokiaľ nie je známa aj efektívna pohyblivá hmotnosť a okrajové podmienky. Pre zjednodušený systém s jedným stupňom voľnosti:
k = m(2πfn)²
tumje efektívna hmotnosť afnje prirodzená frekvencia. Aktuálne systémy podávania guľôčkových skrutiek majú zvyčajne niekoľko vibračných režimov, takže dynamické výsledky by sa mali interpretovať pomocou vhodného modelu systému.
Analytický odhad
Tuhosť guľôčkovej skrutky sa môže odhadnúť aj pred fyzickým testovaním. Výpočet môže zahŕňať Hertzovu kontaktnú deformáciu medzi guľôčkami a obežnými dráhami, axiálnu deformáciu hriadeľa skrutky, tuhosť podporného ložiska a deformáciu montážnej konštrukcie.
Analýza konečných prvkov môže byť užitočná na hodnotenie zložitých krytov a konzol, ale jej presnosť závisí od reálnych podmienok kontaktu, vlastností materiálu, predpätia a okrajových podmienok. Ak je presnosť polohovania kritická, analytické hodnoty by sa preto mali overiť na základe skúšobných údajov.
Faktory, ktoré je potrebné kontrolovať počas testovania
Predpätie a axiálna vôľa
Predpätie znižuje axiálnu vôľu a zvyšuje tuhosť matice udržiavaním kontaktu medzi guľôčkami a obežnými dráhami. Nadmerné predpätie však zvyšuje trenie, tvorbu tepla a vnútorné zaťaženie, čo môže skrátiť životnosť. Stav predpätia použitý počas testovania by mal zodpovedať zamýšľaným prevádzkovým podmienkam.
Dĺžka skrutky a poloha matice
Hriadeľ skrutky sa pri axiálnom zaťažení natiahne alebo stlačí. Jeho príspevok k celkovému posunutiu sa zvyšuje s efektívnou dĺžkou hriadeľa a znižuje sa so zväčšujúcim sa priemerom koreňa. V dôsledku toho sa tuhosť meraná s maticou v blízkosti jedného konca skrutky môže líšiť od tuhosti meranej v inej polohe.
Podporné ložiská
Typ, usporiadanie a predpätie podporných ložísk priamo ovplyvňuje tuhosť systému. Pevná-pevná zostava sa vo všeobecnosti správa inak ako pevná-podporovaná alebo pevná-voľná montáž. Musí sa zvážiť aj tuhosť ložiskového telesa a uloženie na konci hriadeľa.
Zhoda dodávok DLYpodporné jednotky s guľôčkovou skrutkoupre rôzne usporiadanie koncov hriadeľa a montáže.
Teplota
Zmeny teploty môžu zmeniť predpätie, dĺžku skrutky a uloženie ložiska. Pred testovaním nechajte montážne a meracie zariadenie dosiahnuť stabilnú teplotu. Teplota by sa mala zaznamenať aj pri porovnávaní meraní vykonaných v rôznych časoch.
Mazanie
Mazanie má väčší priamy vplyv na trenie, teplotu a hysterézu ako na základnú elastickú tuhosť oceľových komponentov. Ak chcete dosiahnuť opakovateľné výsledky, použite špecifikované mazivo a medzi testami udržujte konzistentný typ, množstvo a distribúciu maziva.
Záver
Najpraktickejším spôsobom merania axiálnej tuhosti guľôčkovej skrutky je použiť riadené axiálne zaťaženie a zaznamenať zodpovedajúce posunutie v oboch smeroch. Presné výsledky vyžadujú starostlivé zarovnanie, kalibrované snímače zaťaženia a posunutia, jasne definovaný rozsah zaťaženia a kompenzáciu deformácie upínacieho zariadenia.
Keď sa meria úplná os posuvu, výsledok predstavuje kombinovanú tuhosť guľovej matice, hriadeľa skrutky, podporných ložísk, konzol a konštrukcie stroja. Tieto komponenty by sa mali hodnotiť samostatne, keď je nameraná tuhosť nižšia, ako sa očakávalo.
Pre výber guľôčkových skrutiek, možnosti predpätia alebo požiadavky na opracovanie konca hriadeľa si pozrite DLY'srozsah guľôčkových skrutiekalebo nám pošlite priemer skrutky, stúpanie, zdvih, zaťaženie a montážne usporiadanie.
