Problemas comuns com parafusos de bolas: Análise de causas e soluções

I. Questões de reação excessiva

1Precarga insuficiente

• Causa: a falta de pré-carga ou a pré-carga inadequada leva ao deslizamento das porcas devido ao peso próprio nas instalações verticais, o que resulta em reações negativas significativas em condições de falta de carga.
• Análise: parafusos de esferas não pré-carregados podem apresentar reações adversas superiores a 0,05 mm, comprometendo a precisão de posicionamento e limitando o uso a aplicações de baixa carga e baixa precisão.
• Soluções:
  ▶ Aplicar uma pré-carga equivalente a 1 ‰ 3% da carga dinâmica nominal, utilizando um pré-carregamento com duas nozes ou de mola;
  ▶ Escolha estruturas de uma única porção com pré-carregamento incorporado (classe de precisão C5 ou superior) para cenários de alta precisão.

2Deformação torsional excessiva

• Causa: Tratamento térmico inadequado (dureza insuficiente, distribuição desigual da dureza ou material macio) ou uma relação de comprimento/diâmetro excessivamente elevada (L/D > 70) que reduz a rigidez.
• Análise: Uma relação L/D superior a 70 pode causar flacidez do parafuso devido ao peso próprio, levando a um desalinhamento das porcas e a um aumento da reação negativa; a dureza do material abaixo dos padrões acelera o desgaste.
• Soluções:
  ▶ Manter a L/D ≤ 60 e utilizar suportes fixos de duas extremidades (em vez de suportes de um lado) para cargas pesadas;
  ▶ Escolha aço ligado de alta resistência (por exemplo, SUJ2) e certifique-se de que o tratamento térmico cumpre os padrões de dureza da indústria (bola: HRC 62 ∼66, porca: HRC 58 ∼62, parafuso: HRC 56 ∼62).

3Selecção e instalação inadequadas dos rolamentos

• Causa: Utilização de rolamentos de esferas de ranhuras profundas em vez de rolamentos de contacto angulares, ou desalinhamento durante a instalação do rolamento (erro de perpendicularidade > 0,02 mm/m).
• Análise: os rolamentos de esferas de ranhura profunda não podem suportar cargas axiais, causando jogo axial; a inclinação do rolamento leva a variações periódicas de reação.
• Soluções:
  ▶ dar prioridade aos rolamentos angulares de contacto com um ângulo de contacto de 60° (por exemplo, série 7000), instalados de costas para trás;
  ▶ Garantir a perpendicularidade do assento do rolamento ao ombro do parafuso dentro de uma tolerância de 0,01 mm durante a usinagem, utilizando duas nozes de bloqueio para evitar o afrouxamento.

4Inadequada rigidez do suporte

• Causa: materiais de parede fina ou de baixa resistência (por exemplo, ferro fundido em vez de aço) para assentos de porcas ou rolamentos.
• Análise: A deformação elástica sob carga desloca o eixo do parafuso, aumentando efetivamente a reação negativa.
• Soluções:
  ▶ Aumentar a espessura da parede de apoio (recomendado ≥ 15 mm) ou reforçar com estruturas de costelas;
  ▶ Utilize aço 45# com amortecimento e temperação (dureza HB220-250) para componentes críticos.

II. Problemas de movimento errático

1Defeitos de precisão de usinagem

• (1) Excessiva rugosidade da superfície
  • Causa: Precisão de moagem insuficiente para vias de engate/nozes (Ra > 0,4 μm) ou erro de redondeza da bola > 0,001 mm.
  • Soluções: Adotar processos de superfinalização para controlar a rugosidade da pista de corrida a Ra ≤ 0,2 μm; esferas de tela para erro de redondeza ≤ 0,0005 mm.
• (2) Desvio de chumbo/pico
  • Causa: Precisão inadequada das ferramentas de usinagem de roscas (por exemplo, erro acumulado de passo > ± 0,015 mm/300 mm).
  • Soluções: utilizar moinhos de alta precisão (precisão de posicionamento ± 0,005 mm) e inspecionar completamente os parafusos acabados com instrumentos de medição de chumbo a laser.
• (3) Falha do sistema de recirculação
  • Causa: desalinhamento dos tubos de recirculação (> 0,5 mm de deslocamento) ou aberrações no interior dos tubos causando engarrafamentos de bolas.
  • Soluções: utilizar fixadores de posicionamento para alinhar os tubos de recirculação com as vias de circulação; realizar testes de funcionamento sem carga a velocidades ≥ 500 mm/s após a montagem.

2Material estranho penetrante e falha de lubrificação

• (1) Contaminação da pista de corrida
  • Causa: Falta de protecção contra a poeira (por exemplo, raspadores), permitindo que as fichas de usinagem (> 50 μm) ou a poeira entrem nas vias.
  • Soluções: Instalar vedações de bico duplo (proteção IP54); limpar as vias de corrida com querosene e reabastecer a graxa à base de lítio (NLGI Grade 2) a cada 200 horas de funcionamento.
• (2) Lubrificação insuficiente
  • Causa: excesso dos intervalos de lubrificação (> 200 horas) ou utilização de graxa incorrecta (por exemplo, à base de cálcio em vez de á base de lítio).
  • Soluções: integrar sistemas de lubrificação automática (intervalo de lubrificação ≤ 8 horas) para equipamentos automatizados; utilizar graxa de dissulfeto de molibdênio para ambientes de alta temperatura.

3- Desalinhamento da instalação.

• Causa: erro de paralelismo entre o assento da porca e o trilho de guia > 0,1 mm/m ou erro de coaxialidade entre o buraco do assento do rolamento e o eixo do parafuso > 0,03 mm.
• Análise: A carga excêntrica aumenta o atrito da pista em mais de 30% devido ao esforço unilateral nas bolas.
• Soluções: Calibrar com um indicador de mostrador durante a instalação (paralelismo ≤ 0,05 mm/m, coaxialidade ≤ 0,02 mm); utilizar, se necessário, parafusos para o alinhamento.

III. Problemas de falha dos componentes

1Fractura de bola.

• Causa:
  ▶ Defeitos de material (por exemplo, inclusões) ou tratamento por baixo do calor (dureza)▶ Concentração de tensão térmica (diferença de temperatura > 50°C causando tensão > 800 MPa devido ao coeficiente de desajuste de expansão).
• Soluções:
  ▶ Seleccionar as bolas de aço do rolamento SUJ2 e rejeitar as defeituosas através da inspecção de partículas magnéticas;
  ▶ Adicionar estruturas de arrefecimento (por exemplo, parafusos ocos com líquido de arrefecimento) para aplicações de alta velocidade, limitando o aumento da temperatura ≤ 30°C.

2Danos no tubo de recirculação

• Causa: sobrecorrida (noda que excede o curso efectivo em > 10 mm) ou impacto durante a instalação (força > 50 N).
• Análise: tubos deformados bloqueiam a circulação da bola, causando ondas de pressão locais e descolamento da pista (vida de fadiga reduzida em 70%).
• Soluções:
  ▶ Definir limites duplos (duro + macio) com uma margem de segurança ≥ 5 mm no software de controlo;
  ▶ Use tubos de recirculação de nylon resistentes ao impacto (em vez de plástico) e teste os limites de curso após a montagem.

3Fratura no ombro.

• Causa:
  ▶ Falhas de projeto (rádio de transição)2.5);
  ▶ Torque irregular da nó de bloqueio (desvio > ± 10%) causando escoamento do ombro > 0,02 mm.
• Soluções:
  ▶ Optimizar o projeto do ombro com raio de transição R5 R8 mm e realizar análises de elementos finitos (fator de segurança ≥ 2,0);
  ▶ Apertar os blocos com uma chave de torque (por exemplo, porca M20: 150-180 N·m) e garantir uma saída de ombro ≤ 0,01 mm.

IV. Recomendações de manutenção preventiva

1. Inspecções regulares:
   • Medição da reação de reversão: utilizar um indicador de mostrador para verificar a reação de reversão (sem carga ≤ 0,01 mm, com carga total ≤ 0,03 mm);
   • Análise das vibrações: monitorizar as vibrações com acelerômetros (valor RMS ≤ 1,5 m/s2).
2. Gestão da lubrificação:
   • Lubrificação manual: aplicar graxa (1/3 volume de porca) a cada 100 horas de funcionamento;
   • Lubrificação automática: utilizar distribuidores progressivos com 0,5 ‰ 1 ml de graxa por injecção, com intervalo de 4 horas.
3. Gestão de peças sobressalentes:
   • Reservas críticas: bolas de material (mesmo lote), tubos de recirculação e vedações;
   • Substituição programada: substituir parafusos de esferas a cada 3 anos ou 10.000 horas em condições de alta velocidade.