بررسی مهره بال اسکرو (ballscrew nut ) ، انواع مهره و اهمیت آن در ماشین ابزار
مهره چیست : یک قطعه ی مکانیکی است که حرکت چرخشی را با مقدار کمی اصطکاک به حرکت خطی تبدیل میکند. بال اسکرو متشکل از یک شفت رزوه دار است که توسط ساچمه و مهره به صورت بسیار دقیق عمل مینماید. این نوع فرایند ، اصطکاک کمتر و فشار محوری بیشتری را منجر می شود.
از بال اسکرو ها میتوان در صنایع هوایی و نظامی ، خودرو ، ماشین ابزار ،ربات ها و تجهیزات دقیق برای حرکت سطوح استفاده نمود.برای حفظ و نگهداری بهتر بال اسکرو و اجزای مرتبط آن مانند مهره باید از نفوذ آلودگی و تراشه های ریز به داخل آن جلوگیری نمود.
بال اسکرو ها در سال 1800 میلادی اختراع شدند و قبل از آن از leadscrew استفاده می شد. که شامل شفت و یک مهره می شد و این در حالی است که در بال اسکرو از ساچمه هایی برای کاهش اصطکاک و افزایش توان و دقت بهره برد.
استفاده از بال اسکرو ها در حدود جنگ جهانی دوم به بیشترین حد خود رسید. در طول جنگ جهانی دوم سازندگان از بال اسکرو ها در هواپیما ها استفاده میکردند. و در حدود یک دهه بعد از اتمام جنگ در سال 1955 ، شرکت جنرال موتور شروع به استفاده از بال اسکرو ها در بخش فرمان اتومبیل نمود. در حدود سال های 1960 سازندگان ماشین ابزار اقدام به بکارگیری بال اسکرو در ساخت دستگاه های NC نمودند.
بال اسکرو از جنس استیل ضد زنگ میباشد ، اما بر اساس نوع اپلیکیشن ساچمه های مهره می توانند از متریال متفاوت باشند.
تولید کنندگان در زمان طراحی و مونتاژ بال اسکرو و اجزای آن ، فاکتور هایی همچون نوع فشار ( استاتیک و دینامیک ) میزان لودینگ ، سرعت های بحرانی ( سرعت هایی که موجب تنش در آن میگردد) ، شرایط محیطی ، دما و فرکانس مورد استفاده و دقت را بررسی می نمایند. بر اساس همین فاکتور ها می توان جنس ساچمه ی مهره ، شکل ، سایز ( قطر ساچمه ) ، قطر اسکرو و گام آنرا انتخاب کرد. یکی از این موارد انتخاب مهره های پیش تنیده و یا در اصطلاح preload میباشد که به سختی بیشتری میتوان دست یافت. به واسطه استفاده از مهره پیش تنیده میتوان خطا ( backlash ) را به حداقل رساند همچنین در فشار های بالاتر ، واکنش بهتری اعمال میگردد. سازندگان به طور معمول برای این امر از ساچمه های بزرگتر (oversized) و یا دو مهره ( double-nut ) استفاده میکنند.
مجموعه اسکرو و مهره را بال اسکرو می نامند . گام های مهره و گام های اسکرو باید با یکدیگر همخوانی داشته باشند. حرکت همگام آنها با یکدیگر فشار و گشتاور مناسب ایجاد می کند. مهره هیچ تماس فیزیکی با اسکرو ندارد . این حرکت با حرکت بیرینگ ها در شیار گام ها انجام میگردد در گام بعدی بال بیرینگ ها با یک انحراف دهنده (deflector) روبرو می شوند که در داخل مهره تعبیه شده است و باعث برگشت ساچمه ها به سیستم می شود.
مهره ها به دو صورت دوتایی و تکی بکار می روند و هر کدام برای مصارف مختلف بکار میروند.
مهره دو تایی double nut :
مهره تک single nut :
شکل زیر نحوه اتصال مهره دوتایی به یکدیگر میباشد:
مهره ها در چهار نوع میباشند تا به بیشترین دقت و کمترین backlash دست یابند.
1- مهره و spacer
2- مهره و فنر
3- مهر با گام پیچ متغیر
4- مهره با ساچمه های بزرگتر
در گزینه های فوق مورد اول و دوم از نوع مهره های double-nut میباشند.
1- مهره و spacer :
شکل زیر یک مهره با spacer دوتایی میباشد
بخش های چپ و راست مهره به وسیله یک spacer به یکدیگر جدا شده اند به نحوی که ساچمه های در سمت و چپ و راست به صورت پیش تنیده و در موقعیتی کنترل شده قرار گرفته اند که کمترین میزان خطا و لقی را در بر داشته باشند. خطوط قرمز بر روی تصویر نشان دهنده جهت فشار به ساچمه ها میباشد. این طراحی ارزان و بسیار مناسب میباشد. هر چند اگر گام های اسکرو دقیق و کامل نباشند و یا ساچمه ها دقیقا هم سایز نباشند این پیش تنیدگی خطاهای بسیار کمی را بر خواهد داشت . برای رفع این مشکل و رسیدن به بهترین آن می توان به جای spacer از فنر خطی محکمی (linear spring ) استفاده نمود که همان مهره و فنر (split nut with the spring ) میباشد.
2- مهره و فنر split nut with spring :
فنر ساچمه های به صورت پایدار در حالت فشار قرار می دهد . این طراحی منجر به سفتی و صلبیت بیشتر مجموعه بال اسکرو میگردد و بسیار گران تر است.
3- مهره با گام متغیر
این طراحی بدان معناست که فاصله بین اسکرو و مهره به صورت کاملا یکسان نیست.اگر این تفاوت بسیار زیاد باشد اسکرو نمی تواند در مهره بچرخد اگرچه این تفاوت کم باشد منجر به فشار بر روی ساچمه در جهت مخالف میگردد. این روش طراحی میتواند مناسب باشد اما تولید آن بسیار مشکل است و تعدادی از ساچمه ها بیشتر از بقیه تحت فشار خواهند بود.
4- مهره با ساچمه های oversized
در این نوع طراحی ساچمه ها مقداری از فاصله ی بین اسکرو و مهره بزرگترند. به علاوه گام ها در اسکرو و مهره به شکل کروی نیستند و به صورت طاق مخروطی ساخته شده اند. این بدنان معناست که کنار ها به صورت دایره ای هستند اما این دوایر مرکز های متفاوتی دارند.
در نتیجه ساچمه های oversized در گام با چهار سطح مهره و اسکرو تماس بر قرار میکنند. این روش بسیار صلب و محکم است ولی اصطکاک بسیار شدیدی ایجاد میکند و طول عمر کمتری نسبت بقیه موارد دارد.
استفاده از مجموعه بال در ساخت ماشین ابزار امری است اجتناب ناپذیر و بسیار ضروری ، چرا که المان اصلی حرکت و رسیدن به دقت مناسب و انتقال کامل نیرو و گشتاور موتور به اجزای دیگر به واسطه وجود بال اسکرو میباشد.
بال اسکرو ها بر اساس کیفیت ساخت در تحمل فشار های محوری ، میزان تحمل بار ، مقدار زمان پایداری در سرعت ها و شتاب گیری های بالا دسته می شوند . کلاس های IT 1 ، IT 2 و IT 3 از آن دسته اند.
در خرید بال اسکرو میتوان به برند شرکت سازنده ، و test report آن دقت نمود.
مقاله فوق در بخش تحقیق و توسعه خاوران صنعت پاسارگاد تهیه و تنظیم گردیده است.
استفاده از مقاله ی فوق با ذکر نام بلامانع میباشد.
