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LINEARES Douglas Ribeiro dos Santos fuso de esferas recirculantes substitui o fuso trapezoidal muito utilizado em máquinas operatrizes, responsáveis pelo movimento de translação das mesas ou bases, às quais estão presos os porta-ferramentas ou as peças a serem usinadas.
O fuso trapezoidal, no caso das máquinas operatrizes, trabalha acoplado a uma porca trapezoidal encaixada à mesa que se quer mover, elemento já considerado muito importante, alcançando precisão de 0,01 milímetros (centésimos de milímetros), ou seja, este dispositivo possibilita posicionar ou deslocar determinado equipamento com essa precisão.Veja o fuso trapezóide na figura 1.
O fuso de esferas recirculantes realiza o mesmo trabalho que o fuso trapezoidal, com inúmeras vantagens, a começar pela precisão que é de 0,001mm (milésimos de milímetros).Um fuso de esferas é um mecanismo que
Anteriormente à automação, as máquinas convencionais dependiam extremamente da destreza do operador, isso sem levar em conta fatores como saúde, estado de espírito, cansaço, etc., com reflexos consideráveis sobre a quantidade e qualidade da produção, sem falar sobre os altos percentuais de refugo.
Com a automação esses incômodos ficaram para trás, a atuação do operador fica agora restrita à supervisão de uma ou várias máquinas, sem interferência direta no processo de produção.
Para que essa evolução chegasse às máquinas operatrizes, muitos estudos e desenvolvimentos foram necessários, desde elementos de máquinas e tipos de acionamentos até sistemas de controle. Dentre esses desenvolvimentos que chegaram com a automação, relativamente recentes e de grande importância, estão os fusos de esferas recirculantes e as guias lineares de rolamentos, itens responsáveis pelo alto nível de sofisticação das máquinas operatrizes e que atualmente são amplamente aplicados em projetos na área da Mecatrônica.
permite converter o movimento de rotação em translação e vice-versa, um fuso de esferas é um conjunto de acionamento que possui esferas como elementos de giro. Veja os exemplos das figuras 2 e 3.
Para se conseguir o movimento contínuo no fuso de esferas, é necessário ter um circuito de recirculação (ou por fora da castanha com pistas de reenvio ou por dentro da castanha com caminho também helicoidal) ou através de insertos de reposicionamento das esferas.Ver detalhes nas figuras 4 e 5. A figura 6 mostra um tubo de esferas montado numa máquina.
- O grau de rendimento mecânico no fuso trapezoidal é no má-
MECATRÔNICA ATUAL Nº 3 - ABRIL/2002MECÂNICA INDUSTRIAL MECATRÔNICA ATUAL Nº 3 - ABRIL/200211MECÂNICA INDUSTRIAL MECATRÔNICA ATUAL Nº 3 - ABRIL/200211 ximo 50%, enquanto no fuso de esferas pode chegar em torno de 98%, conforme indicado no gráfico da figura 7.
- Duração de vida mais longa, por seu funcionamento sem desgaste. - Menor potência de acionamento.
- Redução do atrito.
- Simplificação construtiva.
- Ausência do efeito Stick-Slip (ficar parado –deslizar, efeito muito comum nos fusos tradicionais quando se inverte o sentido de rotação do eixo). - Posicionamento mais preciso.
- Maior velocidade de translação.
- Menor aquecimento.
- Devido ao seu alto grau de rendimento, os fusos de esferas não são autobloqueantes.
Os fusos de esferas e as guias lineares de rolamentos, dentre os ele-
Figura 1 - Fuso Trapezoidal - Exemplo nº1.
Figura 2 - Fuso de esferas recirculantes - Exemplo nº 2.
mentos de máquinas, talvez representem os mais importantes desenvolvimentos ou evoluções, trazendo vantagens importantíssimas, tal como a redução de atrito nos movimentos de deslocamento nas máquinas. A diminuição do atrito, além de tornar o movimento muito mais "suave", propiciou considerável economia de energia, fato extremamente im portante para a indústria mundial.
Outro fator relevante está na simplificação construtiva destes elementos, já que possuem um caráter modular de fabricação, e hoje já existem centenas de módulos prontos para serem montados em máquinas, para diferentes aplicações e de vários tamanhos, facilitando projetos, simplificando montagens, futuras manutenções e garantindo relativa economia.
Os fusos de esferas possuem opções de alta precisão e alguns deles dispõem de opções simples e eficientes para controlar ou eliminar a folga entre a "castanha" (porca) e o fuso (eixo com rosca especial que serve como pista para o rolamento das esferas), ou seja, é possível ajustar a pré-carga, item impossível de variar no sistema parafuso-porca. É importante ressaltar que a folga entre o fuso e a porca compromete gravemente os trabalhos nas máquinas operatrizes ou em qualquer conjunto ou sistema eletromecânico onde se requer movimentos repetitivos e de alta confiabilidade.
É claro que para aplicação correta deste elemento, devemos conhecer os tipos disponíveis no mercado conversando com fabricantes, expondo nossas intenções e escolhendo aquele que mais se adequar às nossas necessidades.
A partir dos anos 80 os principais fabricantes de máquinas começaram a empregar as guias lineares em lugar dos barramentos tradicionais, pois as elas possuem alta precisão, excelente rigidez e deslocamento mais suaves.
As guia lineares possuem as mesmas vantagens sobre os barramentos, que os fusos de esferas recirculantes sobre o fuso convencional. A figura 8 mostra algumas de guias lineares
Recomendações gerais no uso dos fusos e das guias lineares
Para melhor aplicação dos fusos de esferas e das guias lineares, é necessário ter em mente alguns parâmetros de funcionamento como, por exemplo: - Tipo da carga
- Velocidade linear ou rotações por minuto - Aceleração e desaceleração
- Vida útil requerida
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A vida nominal de um fuso de esferas ou das guias lineares de rolamentos é dada pelo número de revoluções, ou seja, pelo número de operações ou ciclos por hora para uma dada velocidade constante. Este número representa o quanto o elemento suporta trabalhar sem que apresente algum sinal de fadiga (geralmente os sinais de fadiga aparecem sobre alguma pista de rolagem, através de escamas ou lascas), da mesma forma como acontece nos rolamentos que suportam determinadas (milhares) horas de trabalho, se aplicados corretamente.
Devemos lembrar que a vida nominal de um dado elemento, fornecida em catálogos de fabricantes ou pelos projetistas, é um número para nos basearmos, não significa que um elemento de 5236 horas irá parar ou apresentar algum sinal de fadiga só quando completar as 5236 horas, ou que depois de 5236 horas o elemento não atenda mais por algumas horas.
Figura 4 - Circuito de recirculação.
Figura 5 - Caminho helicoidal. Figura 6 - Exemplo nº 3 (em máquina).
Figura 7 - Gráfico de rendimento mecânico dos fusos.
É preciso, no entanto, ter em mente que a durabilidade prevista de um elemento está garantida se observarmos os parâmetros especificados pelo fabricante para o dado elemento. Vejamos alguns exemplos:
O fuso de esferas e a guia linear de rolamentos devem ser montados em perfeito alinhamento. Deve ser observado o tipo de montagem, se horizontal, vertical, inclinado, e a influência da carga e das forças que agem sobre a carga em cada tipo de montagem (figuras 9, 10 e 1); os fabricantes fornecem as tolerâncias admissíveis de desvio para cada componente, conforme tipo, tamanho, aplicação,etc.
É preciso conhecer as tolerâncias admissíveis na aplicação destes
MECATRÔNICA ATUAL Nº 3 - ABRIL/2002MECÂNICA INDUSTRIAL MECATRÔNICA ATUAL Nº 3 - ABRIL/200213MECÂNICA INDUSTRIAL MECATRÔNICA ATUAL Nº 3 - ABRIL/200213 elementos. Para aqueles que desejam se aprofundar no estudo destes componentes é indispensável conhecer as tolerâncias de forma e posição (sistema de cotagem que indica a precisão de paralelismo, planicidade, cir cularidade,perpendicularidade, entre várias outras variáveis que dizem respeito à tolerância de posicionamento e formato geométrico de um componente ou entre as peças do conjunto montado) para efetuar ou supervisionar uma perfeita montagem destes componentes, vide figura 12.
Sentido de aplicação e grandeza da força (carga)
O fuso de esferas deve receber apenas cargas axiais, não radiais, já as guias lineares permitem a ação de forças e momentos de direções diferentes, no entanto, todas as cargas precisam ser consideradas na hora da seleção do componente.