Fuso de Esferas Recirculantes e Guias Lineares

Prévia do material em texto

MECATRÔNICA ATUAL Nº 3 - ABRIL/20021 0
MECÂNICA INDUSTRIAL
O
FUSO DE ESFERAS
RECIRCULANTES E GUIAS
LINEARES
Douglas Ribeiro dos Santos
fuso de esferas recircu-
lantes substitui o fuso
trapezoidal muito utilizado
em máquinas operatrizes,
responsáveis pelo movimento de
translação das mesas ou bases, às
quais estão presos os porta-ferramen-
tas ou as peças a serem usinadas.
O fuso trapezoidal, no caso das
máquinas operatrizes, trabalha
acoplado a uma por-
ca trapezoidal en-
caixada à mesa que
se quer mover, ele-
mento já considerado muito im-
portante, alcançando precisão de
0,01 milímetros (centésimos de milí-
metros), ou seja, este dispositivo pos-
sibilita posicionar ou deslocar determi-
nado equipamento com essa preci-
são.Veja o fuso trapezóide na figura 1 .
O fuso de esferas recirculantes rea-
liza 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 conven-
cionais dependiam extremamente da destreza do opera-
dor, isso sem levar em conta fatores como saúde, esta-
do de espírito, cansaço, etc., com reflexos considerá-
veis 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 ne-
cessários, desde elementos de máquinas e tipos de acio-
namentos até sistemas de controle. Dentre esses desen-
volvimentos que chegaram com a automação, relativamente
recentes e de grande importância, estão os fusos de esfe-
ras 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 rota-
ção em translação e vice-versa, um fuso
de esferas é um conjunto de acio-
namento que possui esferas como ele-
mentos de giro. Veja os exemplos das
figuras 2 e 3.
Para se conseguir o movi-
mento contínuo no fuso de es-
feras, é necessário ter um cir-
cuito 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 re-
posicionamento das es-
feras.Ver detalhes nas fi-
guras 4 e 5 . A figura 6
mostra um tubo de esfe-
ras montado numa máquina.
Vantagens do fuso
de esferas sobre o fuso
trapezoidal
- O grau de rendimento mecâ-
nico no fuso trapezoidal é no má-
MECATRÔNICA ATUAL Nº 3 - ABRIL/2002
MECATRÔNICA ATUAL Nº 3 - ABRIL/2002
MECÂNICA INDUSTRIAL
MECATRÔNICA ATUAL Nº 3 - ABRIL/2002 1 1
MECÂNICA INDUSTRIAL
MECATRÔNICA ATUAL Nº 3 - ABRIL/2002 1 1
MECÂNICA INDUSTRIAL
ximo 50%, enquanto no fuso de es-
feras pode chegar em torno de 98%,
conforme indicado no gráfico da fi-
gura 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 (fi-
car parado –deslizar, efeito muito co-
mum 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 ren-
dimento, 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 repre-
sentem os mais importantes desen-
volvimentos ou evoluções, trazendo
vantagens impor tantíssimas, tal
como a redução de atrito nos movi-
mentos de deslocamento nas máqui-
nas. A diminuição do atrito, além de
tornar o movimento muito mais “sua-
ve”, propiciou considerável economia
de energia, fato extremamente im
portante para a indústria mundial.
Outro fator relevante está na sim-
plificação construtiva destes ele-
mentos, já que possuem um caráter
modular de fabricação, e hoje já exis-
tem 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 elimi-
nar a folga entre a “castanha” (por-
ca) e o fuso (eixo com rosca espe-
cial que serve como pista para o
rolamento das esferas), ou seja, é
possível ajustar a pré-carga, item
impossível de variar no sistema pa-
rafuso-porca. É importante ressal-
tar que a folga entre o fuso e a por-
ca compromete gravemente os tra-
balhos nas máquinas operatrizes ou
em qualquer conjunto ou sistema
eletromecânico onde se requer mo-
vimentos repetit ivos e de alta
confiabilidade.
É claro que para aplicação corre-
ta deste elemento, devemos conhe-
cer os tipos disponíveis no mercado
conversando com fabricantes, expon-
do nossas intenções e escolhendo
aquele que mais se adequar às nos-
sas necessidades.
GUIAS LINEARES
A partir dos anos 80 os principais
fabricantes de máquinas começaram
a empregar as guias lineares em lu-
gar dos barramentos tradicionais, pois
as elas possuem alta precisão, ex-
celente rigidez e deslocamento mais
suaves.
As guia lineares possuem as mes-
mas 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 ne-
cessário ter em mente alguns
parâmetros de funcionamento como,
por exemplo:
- Tipo da carga
- Velocidade linear ou rotações por
minuto
- Aceleração e desaceleração
- Temperatura de trabalho
- Vida útil requerida
- Precisão.
MECATRÔNICA ATUAL Nº 3 - ABRIL/20021 2
MECÂNICA INDUSTRIAL
A vida nominal de um fuso de
esferas ou das guias lineares de ro-
lamentos é dada pelo número de re-
voluções, 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 (ge-
ralmente os sinais de fadiga apare-
cem sobre alguma pista de rolagem,
através de escamas ou lascas), da
mesma forma como acontece nos
rolamentos que suportam determi-
nadas (milhares) horas de trabalho,
se aplicados corretamente.
Devemos lembrar que a vida no-
minal de um dado elemento, fornecida
em catálogos de fabricantes ou pe-
los projetistas, é um número para nos
basearmos, não significa que um ele-
mento de 5236 horas irá parar ou apre-
sentar algum sinal de fadiga só quan-
do 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.
Figura 8 - Algumas guias lineares.
É preciso, no entanto, ter em men-
te que a durabilidade prevista de um
elemento está garantida se observar-
mos os parâmetros especificados
pelo fabricante para o dado elemen-
to. Vejamos alguns exemplos:
Alinhamento
O fuso de esferas e a guia linear
de rolamentos devem ser montados
em perfeito alinhamento. Deve ser ob-
servado o tipo de montagem, se ho-
rizontal, vertical, inclinado, e a influ-
ência da carga e das forças que
agem sobre a carga em cada tipo de
montagem (figuras 9 , 10 e 11); os
fabricantes fornecem as tolerâncias
admissíveis de desvio para cada
componente, conforme tipo, tama-
nho, aplicação,etc.
É preciso conhecer as tolerânci-
as admissíveis na aplicação destes
Figura 3 - Fuso de esfera desmontado.
MECATRÔNICA ATUAL Nº 3 - ABRIL/2002
MECÂNICA INDUSTRIAL
MECATRÔNICA ATUAL Nº3 - ABRIL/2002 1 3
MECÂNICA INDUSTRIAL
MECATRÔNICA ATUAL Nº 3 - ABRIL/2002 1 3
MECÂNICA INDUSTRIAL
elementos. Para aqueles que
desejam se aprofundar no es-
tudo destes componentes é
indispensável conhecer as to-
lerâncias de forma e posição
(sistema de cotagem que indi-
ca a precisão de paralelismo,
planicidade, circularidade,per-
pendicularidade, entre várias
outras variáveis que dizem
respeito à tolerância de po-
sicionamento e formato geo-
métrico de um componente ou
entre as peças do conjunto
montado) para efetuar ou su-
pervisionar uma perfeita mon-
tagem destes componentes,
vide figura 12 .
Sentido de aplicação e
grandeza da força (carga)
O fuso de esferas deve re-
ceber apenas cargas axiais,
não radiais, já as guias linea-
res permitem a ação de forças
e momentos de direções dife-
rentes, no entanto, todas as
cargas precisam ser conside-
radas na hora da seleção do
componente.
Montagem das guias
lineares
A superfície de apoio das
guias deve ser limpa, não con-
tendo rebarbas, finas camadas
de limárias de ferro, corpos es-
tranhos ou coisas do tipo. Deve
também possuir um acabamen-
to polido e recoberta com um
fina camada de óleo de baixa
viscosidade.
O encaixe dos parafusos
deve ser perfeito, ou seja, não
pode ser feita uma montagem
forçada, pois isso comprome-
teria o alinhamento, impossibi-
litando o bom funcionamento
das guias.
Velocidade
Cada elemento deve trabalhar
dentro da velocidade para a qual
foi projetado. Se a velocidade é
uma grandeza variável no projeto,
deve-se especificar isso quando da
especificação de compra ou con-
tato com fabricante, para que o
mesmo oriente diferentes tipos de
elementos com diferentes materi-
ais de fabricação.
Lubrificação
Boa lubrificação garante o
bom funcionamento do elemen-
to, preserva o as superfícies de
contato e sua duração (vida útil).
É essencial utilizar o lubrifican-
te recomendado pelo fabrican-
te, deve-se observar a periodi-
cidade de troca do lubrificante.
Também é bom saber que al-
guns fabricantes protegem seus
componentes com substâncias
que impedem que os mesmos
sofram corrosão, não sendo
substâncias lubrificantes para
serem usados durante a opera-
ção do equipamento, devendo
ser eliminadas quando da mon-
tagem do elemento.
A lubrificação é um impor-
tante item a ser lembrado quan-
do da operação destes elemen-
tos de máquinas. A falta ou o
excesso de lubrificante prejudi-
ca o bom funcionamento do ele-
mento e reduz sua vida útil, é
sempre importante usar o lubri-
ficante recomendado pelo fabri-
cante, uma vez que misturas de
lubrificantes diferentes podem
resultar em uma terceira subs-
tância com propriedade agres-
siva ao elemento.
Temperatura
A temperatura de trabalho é
outro dado importante na hora da
seleção e aplicação do elemen-
to. Existe hoje a necessidade de
aplicação do mesmo tipo de equi-
pamento, tanto em laboratórios
na área médica (áreas relativa-
mente frias) quanto em indústri-
as de tratamento térmico, ou
seja, indústrias quentes. Portan-
to, devemos especificar compo-
nentes que atendam as faixas de
temperatura reais a que vão ser
submetidos.
Início de operação
Depois de montados estes ele-
mentos estarão limpos e lubrificados.
Antes de colocar o equipamento a
plena carga, é aconselhável que se
Figura 9 - Posição horizontal de montagem.
Figura 11 - Guias lineares sujeitas a cargas diversas.
Figura 10 - Posição inclinada de montagem.
MECATRÔNICA ATUAL Nº 3 - ABRIL/20021 4
MECÂNICA INDUSTRIAL
façam várias operações em baixa
velocidade e carga, desta forma é
possível checar a característica de
reversibilidade do elemento, a preci-
são de posicionamento e verificar se
o mesmo funciona como esperado.
RECOMENDAÇÕES PARA
SELEÇÃO
Aqui, estaremos abordando ape-
nas parâmetros básicos para sele-
ção destes elementos, pois a gama
de aplicação é muito vasta, deven-
do o projetista, no momento da es-
pecificação, entrar em contato com
os fornecedores de sua preferência
e especificar as condições de traba-
lho do componente: comprimento, lar-
gura, parâmetros críticos, cargas,
momentos que serão aplicados (no
caso das guias), velocidade, acele-
ração e desaceleração, vida
requerida ou esperada, precisão,
Figura 12 - Tolerâncias admissíveis em função do componente.
acabamento ou qualquer outra va-
riável que se fizer necessária.
Classificação segundo a carga
dinâmica
Este tipo de avaliação é usado
para estimar a vida do componente
até sua fadiga, baseado em uma car-
ga axial constante em magnitude e
direção.
 Carga dinâmica equivalente
As ações das cargas em um
fuso de esferas e nas guias linea-
res podem ser ca lcu ladas de
acordo com as leis da Mecânica,
se as forças forem conhecidas,
ou seja, forças de inércia, potên-
cia de transmissão, rotação, ve-
locidade, aceleração, entre ou-
tras. Isso se faz necessário para
que se possa calcular a carga di-
nâmica equ iva lente , def in ida
como uma carga hipotética, cons-
tante em magnitude e direção, de
ação axial e centrada sobre o
fuso. É uma carga que, se apli-
cada, produziria o mesmo efeito
em termos de vida úti l que as
cargas atuais produzem.
Classificação pela capacidade
de carga estática
Se um elemento suporta uma
carga limite em estado estático
de movimento, uma deformação
local e permanente poderá ocor-
rer nas esferas e na régua (guias
lineares) ou na superfície da ros-
ca (fuso de esferas). Quando a de-
formação é excessiva, o movimento
pode não ser suave, quando as
esferas estão em contato num es-
forço máximo. A capacidade de
carga estática nominal se define
como uma carga constante unidir-
ecional que produz deformações
permanentes, cuja soma das de-
formações nas esferas e na super-
fície de rolagem (régua ou no fuso),
equivalem a 0,0001 vezes o diâme-
tro da esfera.
Velocidade limite permissível
para os fusos de esferas
A velocidade limite permissível
para um fuso de esferas é aquela
que ele não pode exceder por não
poder desenvolvê-la em algum mo-
mento com segurança, que é dada
Figura 13 - Ajuste de pré-carga. Tabela 1 - Valores de referência para o fator estático de segurança ( fs).
MECATRÔNICA ATUAL Nº 3 - ABRIL/2002
MECÂNICA INDUSTRIAL
MECATRÔNICA ATUAL Nº 3 - ABRIL/2002 1 5
MECÂNICA INDUSTRIAL
MECATRÔNICA ATUAL Nº 3 - ABRIL/2002 1 5
MECÂNICA INDUSTRIAL
dos na mesma régua, o valor de fc
será 0,81.
Fator de contato (fc)
É difícil de se obter uma distribui-
ção de carga uniforme, quando dois
ou mais blocos são usados em uma
aplicação. Isso se deve a irregularida-
des de superfície, aplicação de for-
ças e momentos, ou outros fatores.
A carga dinâmica (C) e estacio-
nária (Co) devem ser multiplicadas
pelo fator de contato, vide tabela 2 .
Fator de carga (fs)
Vibrações e impactos conjuga-
dos com velocidade não podem ser
calculados com precisão. Vide abai-
xo a tabela 3 obtida através de ex-
periências.
A - Seleção em função do valor
estático de segurança
 
Supondo que o valor de fs seja
igual a 5.
Supondo que o valor de fw seja
igual a 2.
Seleção pela
capacidade de carga estática
Vide classificação de capacida-
de de carga estática.
 
fs = fator estático de segurança
Co = capacidade de carga estáti-
ca nominal
Po = carga de impacto
 Na tabela 1 , são mostrados os
valores de referência para o fator es-
tático de segurança (fs):
Caso em estudo: figura 7 com
l2 e l3 = 0.
Carga P = 800 (kgf)
Curso ls = 1,2 (m)
Reciprocidade n = 4 (freq/min)
Tempo de vida útil estimado =
8.000 horas (h)
Para determinar a carga por blo-
co, como temos quatro blocos, en-
tão, a carga seria:
Po= 800/4 = 200(kgf)
Como dois carros serão monta-
geralmente pela velocidade limi-
te do sistema de recirculação (es-
feras dentro da castanha). É ex-
pressa em RPM (rotações por
minuto) para cada diâmetro de
fuso especifico.
As velocidades máximas
indicadas nos catálogos dos fabrican-
tes devem ser aplicadas por curtos
períodos de tempo, não como velo-
cidades de operação.
Altas velocidades associadas
com cargas elevadas requerem ex-
tensas faixas de torque e resultam
numa relativa reduçãoda vida nomi-
nal do componente.
Eficiência e capacidade de
reprodução dos movimentos
 O desempenho de um fuso de
esferas depende principalmente da
geometria de contato das superfí-
cies e de seu acabamento, como
também do ângulo de hélice da ros-
ca. É lógico que as condições de
trabalho (carga, lubrificação, pré-
carga, alinhamento, etc.) também
influenciam sobre o desempenho
do componente.
Jogo axial e pré-carga
Castanhas pré-carregadas es-
tão sujeitas a muito menos defor-
mação elástica que as castanhas
não carregadas. Entretanto, a pré-
carga deverá ser usada quando a
precisão de posicionamento for
muito importante.
Pré-carga é aquela força aplica-
da à castanha, através de parafusos,
no sentido de fazê-la se fechar mais,
eliminando as folgas axiais, diminu-
indo o espaço e incrementando mai-
or rigidez ao conjunto (castanhas, es-
feras e fuso), tornando o movimento
mais seguro (figura 13 ).
EXEMPLO DE SELEÇÃO DE UMA
GUIA LINEAR
Há duas maneiras de selecionar
uma guia linear: uma depende do va-
lor do fator estático de segurança e
a outra depende da vida útil neces-
sária. Normalmente, a última é a pre-
ferida.
Tabela 2 - Fator de contato.
Tabela 3 - Fator de carga.
MECATRÔNICA ATUAL Nº 3 - ABRIL/20021 6
MECÂNICA INDUSTRIAL
Agora é só selecionar em um for-
necedor uma guia linear que atenda
a condição de kgfCo 2469≥ .
B - Seleção em função
da vida útil
Quando utilizamos guias lineares,
devemos levar em conta todos os fa-
tores decorrentes da aplicação da
carga, pois as guias estão sujeitas a
vibrações e impactos imprevisíveis
quando em operação. Também deve-
mos considerar a temperatura de tra-
balho e dureza da guia linear confor-
me os gráficos das figuras 14 e 15 .
É usual selecionar uma dureza de
HRC 58 a 62 para as guias lineares.
Observamos também que acima de
100ºC de temperatura de trabalho,
segundo o gráfico devemos aplicar
o fator fT .
Para se calcular a vida útil de
uma guia linear, multiplicamos o
número de horas estimadas pela
distância percorrida por hora, com
isso obtemos a distância total a ser
percorrida pela guia.
A fórmula mostrada a seguir in-
clui todos estes fatores descritos
acima :
 
Agora é só selecionar em um
fornecedor uma guia linear que aten-
da a condição de .
C – Vida útil das Guias Lineares
Testes realizados com um gru-
po de guias lineares idênticas e nas
mesmas condições de trabalho
comprovaram que 90% delas não
apresentaram sinais de fadiga.
Calculamos pela fórmula:
Onde :
Lh= hora de vida útil(hr)
L = vida útil (Km)
ls = curso (m)
n = ciclo por minuto
Temos também que:
Onde:
C= carga dinâmica básica (kgf)
Pc = carga (kgf).
FABRICANTES
Dentre os fabricantes de fusos de
esferas recirculantes e guias linea-
res de rolamentos, estão os princi-
pais fabricantes de rolamentos e
empresas especializadas na trans-
missão de movimento.
São muitos os usuários destes im-
portantes elementos de máquina. Além
da Automação Industrial, podemos des-
tacar fabricantes de máquinas e fer-
ramentas, Robótica, centros de usi-
nagem, áreas de instrumentos médi-
cos, setor aeroespacial, entre outros.
Figura 14 - Gráfico de temperatura.
Na verdade as aplicações são inú-
meras, basta haver uma necessida-
de e conhecer os principais tipos dis-
poníveis no mercado.
Entre as principais diferenças
construtivas de fabricante para fabri-
cante podemos citar: ângulo de héli-
ce, tipo de arco ou raio por onde ro-
lam as esferas.
Citamos aqui alguns fabricantes
de fácil consulta, via Internet:
www.obr.com.br
www.skf.com.br
www.thk.com.br
www.nsk.com.br
www.boschrexroth.de
CONCLUSÃO
Como vimos, os fusos de esferas e
as guias lineares são elementos de
máquina importantíssimos hoje em dia,
e suas vantagens são inúmeras sobre
os fusos normais e os barramentos
tradicionais. Abordamos também al-
guns fatores relevantes que devemos
ter em mente quando pensarmos na
aplicação desses componentes, e
apresentamos alguns conceitos de di-
mensionamento ligados aos equipa-
mentos e, finalmente, um roteiro de
cálculo simples. Todavia, quando for
preciso aplicar estes componentes,
é necessário expor todas as caracte-
rísticas do projeto ao fornecedor para
uma melhor seleção. l
Figura 15 - Gráfico de dureza.