cursul 14-mu 1

MAŞINI-UNELTE. Partea întâia

1

Cursul 14 4.5. Şuruburi conducătoare Mecanismele şurub conducător-piuliţă au rolul de a transforma mişcarea de rotaţie în translaţie. Acestea sunt utilizate ca elemente finale ale lanţurilor cinematice. Mecanismele şurub-piuliţă utilizate în lanţurile cinematice de avans periodic se construiesc cu autofrânare. Din punct de vedere al naturii frecării dintre suprafeţele în contact, se deosebesc trei categorii de mecanisme şurub-piuliţă: cu frecare mixtă, cu elemente intermediare (de rostogolire) şi hidrostatice. 4.5.1. Mecanisme şurub-piuliţă cu frecare mixtă

Mecanismele şurub-piuliţă cu frecare mixtă sunt foarte des întâlnite şi

au, în cele mai multe cazuri, profilul spirei trapezoidal cu unghiul de 300. În lanţurile generatoare complexe se folosesc şuruburi cu profil dreptunghiular deoarece bătaia radială a acestora nu influenţează precizia de mişcare a piuliţei.

Deoarece confecţionarea şuruburilor de lungime mare este dificilă în condiţii de precizie ridicată, se recurge la realizarea lor din bucăţi. Lagărele şuruburilor conducătoare sunt simple şi au dimensiuni reduse deoarece vitezele de alunecare şi solicitările sunt mici. Pentru preluarea deformaţiilor termice, unul din lagăre nu fixează axial şurubul. Acesta poate fi sprijinit pe lagăre de alunecare din bronz sau fontă antifricţiune (figura 4.33,a) iar pentru preluarea componentei axiale a forţei de aşchiere se folosesc rulmenţi axiali (figura 4.33,b).

În figura 4.34 este prezentat subansamblul săniei portcuţit a strungului SNA 360. Şurubul are lungime mică şi este acţionat manual. În aceste condiţii, rolul celui de-al doilea lagăr este preluat de piuliţă.

Cap. 4. Organe de maşini specifice

2

Uzarea suprafeţelor în contact conduce la apariţia jocului. Pentru a se asigura precizia prelucrării, funcţionarea liniştită şi pentru a permite realizarea avansurilor mici este necesar să se reducă jocul dintre flancurile ajustajului şurub-piuliţă. În acest scop, sunt întâlnite diverse variante:

- schimbarea poziţiei axiale a două părţi componente ale piuliţei prin mişcare de reglaj: liniară, circulară sau elicoidală;

- schimbarea poziţiei radiale a două părţi componente ale piuliţei prin mişcare de reglaj liniară;

- apăsarea piuliţei în direcţie axială pentru menţinerea contactului permanent între flancurile filetului.

În figura 4.35 sunt prezentate soluţii constructive adoptate pentru reglarea jocului la anumite categorii de maşini-unelte.

Fig. 4.33. Lăgăruirea şuruburilor conducătoare

a)

b)

1 2 3 4 5 6

1 2 3 4 5 6 7


3

Fig.

4.3

4. S

uban

sam

blul

sani

e po

rtcuţit

al s

trun

gulu

i nor

mal

SN

A 36

0

9

10

11

1

2

13

14

1

5

1

6

17

18

19

20

2

1

1

2

3

4

5

6

7

8


4

În figura 4.35,a este prezentată soluţia utilizată pentru reglarea jocului din mecanismul şurub-piuliţă al săniei transversale de la strungul normal. În tandem cu piuliţa fixă 3, există o a doua piuliţă, 1, care poate fi deplasată axial cu ajutorul penei 2 care poate fi repoziţionată în plan radial. Varianta constructivă reprezentată în figura 4.35,b are ca principiu eliminarea continuă a jocului dintre flancurile şurubului şi cele ale piuliţelor 1 şi 3 datorită arcurilor taler, 2, montate cu pretensionare. 4.5.2. Mecanisme şurub-piuliţă cu elemente intermediare (de rostogolire)

Mecanismele şurub-piuliţă cu frecare de rostogolire conţin ca elemente intermediare: bile, care se deplasează pe traiectorii elicoidale, sau role cilindrice (filetate sau cu canale circulare) care descriu traiectorii planetare.

Principiul structural al mecanismelor şurub-piuliţă cu bile este prezentat în figura 4.36. Pe canalele elicoidale ale şurubului 4 şi ale piuliţei 2 se rostogolesc bilele 3 care, datorită preciziei mari de execuţie, sunt în contact permanent (joc nul) cu suprafeţele componentelor amintite anterior. Bilele, după ce parcurg 3….6 paşi pe traiectoria elicoidală, ies dintre flancurile filetate ale şurubului şi piuliţei, prin canalul de recirculare 1, şi se reîntorc în celălalt capăt al zonei de lucru.

Fig. 4.35. Soluţii pentru reglarea jocului dintre flancurile mecanismului şurub-piuliţă

a) b)

1 2 3 4

1 2 3 4


5

Dacă şurubul de mişcare este scurt şi cursa piuliţei este mică, sistemul de recirculare a bilelor poate să fie conceput prin corpul şurubului (figura 4.37) ceea ce permite obţinerea unei construcţii mai compacte.

Fig. 4.36. Mecanism şurub-piuliţă cu sistem exterior

de recirculare a bilelor

Fig. 4.37. Mecanism şurub-piuliţă cu sistem interior

de recirculare a bilelor

A

A

v

n

Secţiunea A-A

1 2

3

4


6

Geometria căii de rulare a bilelor (figura 4.38), prelucrată pe suprafaţa şurubului şi a piuliţei, influenţează sensibil performanţa mecanismului (forţa axială maximă, rigiditatea, randamentul). Profilurile curbilinii cu contact ogival, în patru puncte (figura 4.38,a), precum şi cele semicirculare, în două puncte (figura 4.38,b), sunt cele mai frecvent utilizate în construcţia de mecanisme şurub-piuliţă cu bile. Profilul ogival asigură acestor subansamble o bună lubrifiere şi permite eliminarea jocului prin alegerea corespunzătoare a diametrului bilelor. Dacă se foloseşte pentru calea de rulare o astfel de geometrie, se poate asigura prestrângerea asamblării cu ajutorul unei singure piuliţe.

Pentru a creşte capacitatea portantă a acestor mecanisme, trebuie ca raportul dintre raza bilei (r) şi raza de curbură a căii de rulare (R) să tindă spre valoarea r/R = 0,95….0,97. În vederea asigurării unui joc minim, se preferă o valoare a unghiul de contact θ = 450.

Corpul piuliţei şi bilele sunt confecţionate din oţel pentru rulmenţi RUL 1 sau RUL 2 călit integral la 60-62 HRC. Şurubul se prelucrează, de obicei, din oţel carbon de calitate OLC 55X, călit pe flancuri (CIF) la 58-60 HRC.

Atunci când se alege un diametru mai mare pentru bile, creşte capacitatea portantă a transmisiei. Se recomandă ca diametrul bilelor (d), să se determine în raport cu pasul filetului (p) sau cu diametrul interior al şurubului (d1) cu ajutorul următoarelor relaţii:

d = (0,55….0,65)p, d = (0,08….0,15)d 1. (4.3),(4.4) De obicei, toate bilele au acelaşi diametru. În unele construcţii, pentru

creşterea randamentului şi reducerea vitezei de uzare a bilelor, se introduc alternativ bile separatoare executate din bronz sau materiale plastice (figura

Fig. 4.38. Geometria căii de rulare a mecanismului şurub-piuliţă cu bile:

a – profil ogival (boltă gotică); b – profil semicircular; c – profil trapezoidal; d – profil combinat.

a) b) c) d)

θ θ θ

θ

θ R R R

r r d d

δ

δ/2

d m

d m

d d 1

D

d m

d m

h


7

4.39). Acestea au diametru mai mic decât al celor principale cu 0,2….0,05 mm.

Pentru eliminarea jocului din lanţul dimensional şurub – bile – piuliţă, atât la asamblare cât şi în exploatare, pentru a compensa uzura, se utilizează o structură cu două piuliţe. În figura 4.40, este prezentat un mecanism şurub-piuliţă care are în structură inelul compensator 3, de grosime fixă, prin a cărui înlocuire se asigură prestrângerea asamblării.

În varianta constructivă din figura 4.41, eliminarea jocului este asigurată în permanenţă de arcurile pretensionate 8 care tind să apropie

Fig. 4.39. Mecanisme şurub-piuliţă cu bile antifricţiune:

1 – piuliţă; 2 – bile din oţel; 3 – bile separatoare; 4 – şurub.

Fig. 4.40. Mecanism şurub-piuliţă cu inel compensator

pentru eliminarea jocului şi reglarea prestrângerii

1 2 3 4

1

2

3

4

v

n


8

piuliţa glisantă de cea fixă. Această soluţie are dezavantajul unei rigidităţi relativ scăzute.

În figura 4.42 sunt prezentate alte două soluţii pentru reglarea jocului din mecanismul şurub-piuliţă cu bile care sunt caracterizate de o rigiditate constantă în exploatare.

Varianta reprezentată în figura 4.42,a permite eliminarea jocului din mecanism prin rotirea independentă a piuliţelor 2 şi 3 care au flanşe cu numere diferite de dinţi. Astfel, rezultă mişcarea de rotaţie relativă (reglaj periodic)

( )1aa1

a1

1a1N

−=−

−= (4.5)

care poate asigura o strângere de pretensionare de aproximativ 2…5 μm. Bridele 5 blochează semipiuliţele în raport cu carcasa 4. Ca alternativă pentru cazul precedent, conform celor prezentate în figura 4.42,b, reglarea jocului piuliţei 7 faţă de şurubul 1 se realizează cu ajutorul ştifturilor filetate 6. În funcţie de sensul de mişcare necesar la reglaj, se deşurubează unul dintre ştifturi, se roteşte piuliţa faţă de şurub

Fig. 4.41. Mecanism şurub-piuliţă cu arcuri şi piuliţă glisantă: 1 – şurub; 2 – capac fix; 3 – piuliţă fixă; 4 – bile; 5 – carcasa piuliţelor;

6 – piuliţă glisantă; 9 – taler; 8 – arcuri pretensionate; 9 – capac glisant; 10 – pană.

1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

v

n


9

până se obţine pretensionarea dorită şi apoi se blochează umărul piuliţei cu ajutorul celor două ştifturi filetate. În figura 4.43, este prezentat un mecanism şurub-piuliţă cu bile utilizat pentru acţionarea săniei de avans vertical al unei maşini de frezat cu comandă program. Acest mecanism, cu două piuliţe, are capacitatea de a frâna sistemul prin translatarea unilaterală a piuliţei 2 la rotirea pinionului 3 care este lăgăruit în carcasa piuliţei 5.

Fig. 4.42. Soluţii pentru reglarea jocului din mecanismul şurub-piuliţă cu bile:

a – cu semipiuliţe danturate; b – cu ştifturi filetate; 1 – şurub; 2 – piuliţă danturată, z1= a; 3 – piuliţă danturată, z2= a-1;

4 – carcasă; 5 – bridă pentru blocare; 6 – ştifturi filetate; 7– piuliţă cu umăr.

a)

b)

3 4

2

1

v

n

5

4

7

6 6

1

N

N


10

Mecanismele şurub-piuliţă cu bile, având caracteristici de rigiditate şi de randament net superioare sistemelor cu contact de alunecare, sunt utilizate în cadrul lanţurilor cinematice ale maşinilor-unelte automate cu comandă numerică care sunt acţionate de către motoare de curent continuu sau motoare pas cu pas. Astfel, şurubul, ca element final într-un lanţ cinematic de avans, poate funcţiona la turaţii de până 1200 rot/min.

Calculul şuruburilor cu bile presupune cunoaşterea următoarelor parametri de lucru:

- cursa subansamblului mobil; - viteza mişcării de avans; - forţa rezistentă. În aceste condiţii, diametrul şurubului (figura 4.38) se

predimensionează la compresiune cu ajutorul relaţiei

a

1F4d

πσ= , [cm], (4.6)

în care: F este forţa axială ce solicită şurubul, [daN]; σa – tensiunea admisibilă la întindere, [daN/cm2].

Fig. 4.43. Mecanism şurub-piuliţă cu bile şi sistem de frânare: 1 – şurub; 2 – piuliţă mobilă; 3 – pinion; 4 – inel de presiune; 5 – piuliţă fixă; 6 – şurub limitator pentru circulaţia bilelor;

7 – pană cu canal pentru recircularea bilelor.

A

A

Secţiunea A-A

1 2 3 4 5 6 7 v

n


11

Conform normei ISO 3408/1975, mecanismele şurub-piuliţă cu bile pot avea caracteristicile următoare:

- şuruburi cu diametrul interior d1 = 20….100 mm; - pasul filetului p = 3….20 mm; - diametrul bilelor d = 3….15 mm; - numărul maxim de spire active: 3….6.

Mecanismele şurub-piuliţă cu role au ca principal avantaj contactul liniar dintre şurub/piuliţă şi role, în raport cu cel punctiform care există la mecanismele cu bile. În consecinţă, capacitatea de încărcare şi durabilitatea acestor subansamble creşte foarte mult ceea ce permite utilizarea unor turaţii în exploatare de până la 3000 rot/min. Aceste caracteristici recomandă utilizarea mecanismelor şurub-piuliţă cu role în structura maşinilor-unelte grele. Din punct de vedere constructiv, se deosebesc două categorii de mecanisme:

- cu role filetate; - cu role prevăzute cu canale circulare. În structura mecanismelor şurub-piuliţă cu role filetate (figura 4.44),

nu este necesar un sistem de recirculare a rolelor.

Rolele satelit 6 sunt prevăzute la cele două capete cu fusuri cilindrice şi zone danturate. Fusurile se sprijină în lagărele capacului 3. Astfel, rolele satelit se pot roti faţă de piuliţă fără a avea mişcare de translaţie dar păstrându-se paralelismul axelor de simetrie. Zonele danturate ale rolelor angrenează în permanenţă cu dantura interioară a flanşei fixe 4. Rolele sunt în număr de 4….24 şi au filet cu un singur început. Filetul şurubului şi cel al piuliţei au un număr de începuturi egal cu cel al rolelor satelit.

Fig. 4.44. Mecanism şurub-piuliţă cu role filetate:

1 – şurub; 2 – inel de siguranţă; 3 – capac port-lagăre; 4 – flanşă fixă cu dantură interioară; 5 – piuliţă; 6 – rolă filetată.

1 2 3 4 5 6


12

4.5.3. Mecanisme şurub-piuliţă cu sustentaţie hidrostatică

Această categorie de mecanisme are ca principiu constructiv separarea suprafeţelor filetate ce formează asamblarea şurub-piuliţă cu un strat de ulei sub presiune. O astfel de soluţie asigură următoarele avantaje:

- procesul de uzură mecanică a ajustajului nu are loc; - frecarea de pornire nu diferă de cea în regim dinamic iar fenomenul

„stick-slip” nu se manifestă; - rigiditatea axială este ridicată deoarece jocul în asamblarea filetată

este anulat în condiţiile în care flancurile opuse sunt preîncărcate în sensuri axiale inverse;

- erorile de poziţionare la inversarea sensului de deplasare sunt foarte reduse (de ordinul 10-4 mm);

- amortizare bună a sarcinilor axiale mari datorită filmului de ulei ce există între flancurile suprafeţelor filetate.

Principial, se deosebesc două mecanisme şurub-piuliţă cu sustentaţie hidrostatică:

- cu o singură piuliţă, care are degajări pe ambele flancuri; - cu două piuliţe, acestea având fiecare degajări pe câte un flanc al

filetului.

Mai avantajoasă este varianta a doua care permite reglarea jocului prin rotirea uneia dintre piuliţe faţă de cealaltă (figura 4.45). Perechile de „buzunare” în opoziţie, asemenea unui ghidaj închis. Buzunarele au forma unor canale prelucrate în lungul flancurilor. Între suprafeţele flancurilor piuliţelor 2 şi 4 (având poziţiile stânga respectiv dreapta) şi cele ale şurubului 1 este prevăzut a exista un joc hs = hd = h. Uleiul, refulat de pompa cu debit constant P , ajunge în buzunarele piuliţelor după ce trece prin regulatoarele de debit Rs respectiv Rd. Dacă, de exemplu, creşte forţa axială F, care este aplicată şurubului, jocul de pe flancul stâng are tendinţa să scadă. În consecinţă, creşte presiunea în regulatorul Rs, se comprimă arcul acestuia iar fanta fs va creşte şi se va mări, odată cu secţiunea de trecere, debitul de ulei refulat între flancurile piuliţei 2 şi cele ale şurubului. Astfel, se restabileşte valoarea iniţială, h, a jocului asamblării. Acelaşi rol îl îndeplineşte şi regulatorul Rd, în cazul unei diminuări a valorii forţei axiale F. În acest caz, jocul hd tinde să scadă. Surplusul de debit refulat de pompă ajunge în rezervor prin supapa maximală (de deversare) Sm.


13

Pentru a evita deplasările radiale ale piuliţei, în raport cu şurubul, unele variante constructive sunt concepute cu lagăre radiale hidrostatice la extremităţile carcasei 3 în care sunt montate piuliţele 2 şi 4. Până în prezent, mecanismele şurub-piuliţă cu sustentaţie hidrostatică au fost utilizate mai ales în construcţia maşinilor-unelte grele.

Fig. 4.45. Mecanism şurub-piuliţă cu sustentaţie hidrostatică: 1 – şurub; 2 – piuliţă stânga; 3 – carcasă; 4 – piuliţă dreapta;

h – jocul dintre flancuri; Rs, Rd – regulatoare de presiune (stânga/dreapta); fs – fanta regulatorului Rs; Sm – supapă maximală (de deversare);

P – pompă cu debit constant; Rz – rezervor.

P

Sm

fs

Rs R d

2 3 4

h 1

F

Rz

Rz Rz

Rz

cursul 14-mu 1

Documents