Os fusos de esferas desempenham um papel crucial no sistema de alimentação de máquinas-ferramentas. À medida que a indústria de manufatura evolui, o mercado exige uma qualidade de produto cada vez mais rigorosa, levando as empresas a requisitos de maior precisão para máquinas-ferramentas.
Consequentemente, a confiabilidade e o desempenho dos fusos de esferas tornaram-se padrões essenciais. No sistema de alimentação, o desgaste do fuso de esferas pode levar à diminuição da pré-carga, o que é um problema comum.
A pré-carga adequada pode evitar impactos axiais e calor excessivo, melhorando a precisão e a vida útil do fuso de esferas. Este artigo analisará brevemente os problemas associados aos fusos de esferas e discutirá estratégias viáveis de manutenção preditiva para mitigar o desgaste.
Um fuso de esferas é um atuador linear que converte o movimento rotativo em movimento linear, amplamente utilizado nos sistemas de alimentação de máquinas-ferramentas. Sua principal vantagem é o posicionamento preciso em altas velocidades, com alta eficiência mecânica.
Devido ao seu baixo atrito, sua eficiência de transmissão pode chegar a até 90%, o que também prolonga a vida útil do fuso de esferas e reduz o tempo de inatividade para manutenção. O atrito e os impactos lineares entre o fuso de esferas e a porca dificultam a obtenção de um sistema de alimentação preciso.
Normalmente, a quantidade certa de pré-carga é aplicada para eliminar impactos lineares e aumentar a rigidez do fuso de esferas. No entanto, a pré-carga excessiva pode aumentar o atrito. A pré-carga também desempenha um papel significativo na rigidez do fuso de esferas, no ruído e na precisão posicional.
Quando uma máquina dá partida ou para, a aceleração ou desaceleração do fuso de esferas pode levar à perda de óleo lubrificante nas superfícies de contato. Essa perda pode piorar a dissipação de calor e acelerar o desgaste do fuso de esferas. À medida que o desgaste se aprofunda, a pré-carga diminui, marcando uma preocupação primária para fusos de esferas.
O desgaste induzido por fricção em fusos de esferas envolve a análise do desgaste superficial. A rugosidade da superfície da bola é mais suave do que a da pista, de modo que seu movimento relativo pode ser comparado à interação entre uma superfície lisa e uma superfície áspera.
Se uma superfície mais dura e áspera golpeia repetidamente na mesma direção através de uma superfície mais macia, a deformação plástica unidirecional se acumula a cada ciclo. Este processo de “falha da catraca” ou “colapso progressivo” sugere que o desgaste ocorre através de um mecanismo de fratura dúctil, produzindo detritos muito finos em forma de placa, como mostrado na Figura 1.
O teste dinâmico de fusos de esferas mostra que o torque inicialmente aumenta para um valor alto antes de começar a diminuir. Isso ocorre porque a película de lubrificação que protege as superfícies de contato precisa de tempo para se formar, aumentando o atrito entre a esfera e a esteira e exigindo mais torque para acionar o eixo do sistema de fuso de esferas. Conforme mostrado na Tabela 1, com velocidades mais altas exigindo mais tempo de aceleração, o torque aumenta com a velocidade.
Tabela 1 Aceleração em função da velocidade de rotação
| Velocidade de rotação (rad/s) | 31.4 | 62,8 | 94,2 | 125,6 | 219,9 | 314,2 |
| Tempo(s) de aceleração | 0,036 | 0,055 | 0,076 | 0,099 | 0,16 | 0,215 |
| Aceleração (m/s) ²） | 2,78 | 3,63 | 3,95 | 4.04 | 3,75 | 4,65 |
Na desaceleração, o comportamento difere da aceleração, mas também requer maior torque para desaceleração. Quando a velocidade se estabiliza, o torque aumenta gradualmente com a velocidade. A diferença no torque é relativa a velocidades estáveis semelhantes em passos instantâneos, mostrando que os regimes de lubrificação durante a aceleração, desaceleração e velocidade constante são distintos.
Assim, as superfícies de contato suportam cargas significativas e baixas velocidades relativas, levando a problemas críticos de lubrificação durante a aceleração e desaceleração.
A manutenção preditiva envolve o uso de sensores para monitorar o status operacional do equipamento, combinando dados do sensor com parâmetros do ciclo de vida para determinar o tempo de manutenção. Isto maximiza os intervalos de manutenção e reduz os custos de tempo de inatividade.
A manutenção preditiva pode reduzir falhas mecânicas inesperadas e evitar o agravamento dos problemas. A detecção precoce e o reparo de problemas mecânicos podem mitigar a maioria dos problemas, melhorando assim a qualidade do produto e a eficiência das fábricas e linhas de produção.
Os métodos de detecção podem ser diretos ou indiretos. Os métodos diretos envolvem a medição direta da precisão operacional e do status posicional do componente. Os métodos indiretos coletam sinais e informações relacionadas ao componente para inferir seu status.
Este artigo concentra-se em métodos diretos, onde a seleção do sinal de detecção é crucial. Os sinais de detecção incluem sinais de emissão acústica, detecção de laser, detecção de sinal elétrico, detecção de sinal de vibração e sinais internos de máquina-ferramenta.
Para manutenção de fusos de esferas com base na corrente do motor elétrico, normalmente são usados métodos de análise no domínio do tempo. A teoria wavelet representa um novo método de análise no domínio do tempo.
Os sinais elétricos contêm muitas mensagens de erro e uma quantidade significativa de ruído. Os sinais wavelet podem separar efetivamente os sinais em diferentes tempos e bandas de frequência, eliminando sinais de ruído e reconstruindo uma imagem de sinal mais nítida.
A coleta de sinais de corrente utiliza sensores de corrente Hall, baseados no princípio Hall de equilíbrio magnético e no princípio de malha fechada, conforme mostrado na Figura 2.
A corrente na entrada gera um campo magnético que passa por um núcleo magnético de alta qualidade, formando um loop de fluxo magnético. O elemento Hall é fixado em um pequeno entreferro. Uma bobina enrolada em torno do núcleo magnético produz uma corrente compensatória na direção oposta.
Esta corrente compensatória compensa o fluxo magnético gerado pela corrente de entrada, mantendo o fluxo magnético zero no circuito. Após o processamento especial do circuito, o potencial de saída do elemento Hall reflete com precisão as mudanças na corrente.
Assim, os sensores de corrente Hall podem monitorar mudanças na corrente do motor de acionamento do fuso de esferas. O processamento dos dados coletados pode determinar com precisão o status operacional do fuso de esferas.
