Co to jest śruba kulowa i gdzie jest wykorzystywana?

Śruby kulowe i mechanizmy toczne w śrubach pociągowych to jeden z najczęściej stosowanych mechanizmów śrubowo-tocznych w nowoczesnych maszynach i obrabiarkach CNC.

Śruba kulowa jest zwana potoczne również mechanizmem śrubowo-tocznym, śrubami z łożyskami kulkowymi, bądź gwintowanym wrzecionem napędowym. 

Śruba kulowa jest to mechanizm umożliwiający przeniesieniu napędu i zamianę ruchu obrotowego na ruch prostoliniowy (postępowy). Śruba kulowa w dużym uproszczeniu składa się z trzech najważniejszych elementów: wału z zewnętrzną bieżnią (wyciętym rowkiem) w kształcie łuku lub gotyckim, kulek stalowych lub ceramicznych oraz nakrętki z analogiczną bieżnią wewnętrzną.

Śruby kulowe, poprzez odpowiednio obrobioną bieżnię zewnętrzną wału, kulki, nakrętkę z bieżnią wewnętrzną oraz system nawrotu (przekierowania) kulek umożliwiają zamianę ruchu obrotowego na ruch posuwisto-zwrotny. Śruby kulowe cechują się wysoką dokładnością, trwałością i szeroką gamą dostępnych rozwiązań wymiarowych oraz konstrukcyjnych.

Odpowiednio wykonane śruby kulowe zapewniają znikome tarcie, mały moment do uruchomienia, wysoką sztywność i precyzję. Jest to rozwiązanie znacznie lepsze i trwalsze od tradycyjnych śrub pociągowych trapezowych. Kulki mają możliwość „nieskończonego” ruchu poprzez system nawrotny. Śruby kulowe ze względu na bardzo niski współczynnik tarcia mają wydajność przekraczającą 90%.

Standardowe śruby kulowe mogą bezproblemowo pracować w temperaturze od -20 stopni Celsjusza do +100 stopni Celsjusza, poza tym zakresem zastosowanie należy rozpatrywać indywidualnie.

Śruby kulowe wykorzystywane są jako osie napędowe w przeróżnych obrabiarkach, maszynach i urządzeniach. Najbardziej rozpowszechnionym zastosowaniem śruby kulowej jest bycie składową różnych osi w maszynach CNC (maszyny tekstylne, wycinarki laserowe, frezarki, tokarki, szlifierki), jednak zastosowań jest znacznie więcej. Z nietypowych są to np. mechanizmy pochylania siedzeń w samochodach czy samolotach lub systemu podnoszenia mostów.

Śruby kulowe znajdują zastosowanie praktycznie we wszystkich gałęziach przemysłu, jednak głównie na myśl przychodzi przemysł obrabiarek i precyzyjnych maszyn CNC, takich jak centra obróbcze, tokarki CNC, frezarki CNC czy szlifierki CNC.

Jakie są metody produkcji śrub kulowych?

Śruby kulowe mogą zostać wykonane trzema metodami:

• Rolowanie – przeważnie technologia wykorzystywana do produkcji śrub trapezowych bądź mało dokładnych śrub kulowych, głównie w klasie IT7 / C7. Rolowanie jest bezwiórową metodą obróbki wałów śrub kulowych.
• Wiórkowanie (łuszczenie) - nacinanie przy pomocy specjalnych głowic nożowych, jest to proces zbliżony do nacinania gwintu frezami, zwany często wiórkowaniem. Tą metodą można wyprodukować śruby kulowe nawet do klasy IT5 / C5, które obecnie w 90% wystarczają do pokrycia zapotrzebowania dokładnościowego w nowoczesnych obrabiarkach i maszynach CNC.
• Szlifowanie – proces najdokładniejszej obróbki śruby kulowych pozwalający na osiągnięcie klasy dokładności IT1-IT3 / C0-C3.

Jak jest zbudowana śruba kulowa?

Śruba kulowa składa się z następujących elementów:

• Wał śruby kulowej z obrobionymi końcówkami oraz gwintem (bieżnią o kształcie łukowym lub gotyckim). Wały śrub kulowych mogą mieć różne średnice i praktycznie nieograniczone konfigurację średnicy/długości oraz konstrukcji końców. Najczęściej stosowanymi materiałami na wały śrub kulowych są stale CF53, 42CrMo4 oraz CK55. Wszystkie po procesie hartowania indukcyjnego są odpuszczane, a twardość wału śruby kulowej sięga nawet 64 HRC. Hartowanie indukcyjne pozwala na zachowanie „miękkiego” rdzenia, co przy przenoszeniu obciążenia mechanizmem śrubowo-tocznym jest niezmiernie istotne. Alternatywnym materiałem wykorzystywanym na wał śruby kulowej jest X45CrMoV15 o twardości 57-59 HRC.
• Nakrętki śrub kulowych o różnej konstrukcji i długości. Nakrętka śruby kulowej może być np. cylindryczna pojedyncza lub podwójna bez kołnierza, pojedyncza lub podwójna z kołnierzem. Kołnierz może być ponadto pojedynczy lub podwójny, monolityczny (stały, wykonany z jednego kawałka materiału) lub rozłączny. Nakrętki w śrubach kulowych wykonane są metodą frezowania, toczenia oraz wiercenia, a ich materiał to stal 17CrNiMo6 lub X46Cr13 (obie w procesie obróbki cieplnej ulegają hartowaniu na wskroś, odpuszczeniu i nawęglaniu) lub X155CrVMo121, która jest hartowana, odpuszczana próżniowo i azotowana. W pierwszym przypadku twardość powierzchni zewnętrznej wału sięga 60-62 HRC, a w drugiej 68-70 HRC. Ponadto w przypadku małych śrub kulowych nakrętki mogą być w wykonaniu specjalnym z brązu lub tworzywa sztucznego. Nakrętka może zostać wykonana w wariancie klasycznym lub w formie obrotowej. W formie obrotowej/ruchomej. Taka nakrętka (driven nut) jest umieszczona z łożyskami w specjalnej obudowie w formie wydrążonego wału. Takie rozwiązanie podłączone do silnika elektrycznego pozwala na zachowanie wału śruby kulowej w bezruchu i napęd jest generowany od ruchu obrotowego nakrętki kulowej.
• Kulek stalowych lub ceramicznych. Kulki stalowe wykonane są ze stali 100Cr6 lub X105CrMo17 o twardości do 66 HRC.  Kulki w śrubach kulowych są szlifowane dwutarczowo. W przypadku dużych obciążeń, przyśpieszeń lub wyjątkowo trudnego środowiska pracy kulki stalowe można zamienić na kulki ceramiczne. Wyższa twardość (do 70 HRC) pozwala na wydłużenie żywotności śruby kulowej nawet o 50-70%.
• Wkładek obiegowych (systemu recyrkulacji kulek w śrubie kulowej):
  • Wewnętrznych na początku i końcu nakrętki, wykonanych przeważnie drukiem 3D.
  • Wewnętrznych na obwodzie nakrętki.
  • Zewnętrznych w postaci rurek poza nakrętką.
• Zgarniaczy zapewniających proces czyszczenia wału i zabezpieczających wnętrze nakrętki śruby kulowej przed dostaniem się do wewnątrz zanieczyszczeń takich jak pyły czy wióry.

Jakie są przewagi śruby kulowej w porównaniu ze śrubą trapezową, często nazywaną napędową?

Śruba kulowa zbudowana jest z wału, nakrętki oraz kulek, które przyjmując obciążenie poruszają się stykowo pomiędzy wałem, a nakrętką. W śrubie napędowej (trapezowej, pociągowej) nie ma natomiast kulek i tarcia tocznego, tylko ruch między wałem a nakrętką odbywa się mechanicznie, tarciem ślizgowym. 

Śruby kulowe mają znaczną przewagę nad śrubami trapezowymi i obecnie wypierają je z rynku coraz prężniej. Śruba kulowa w porównaniu z trapezową ma znacznie mniejsze opory tarcia. Rozruch w śrubie kulowej jest dużo łatwiejszy i wymaga użycia małej siły/małego moment obrotowego, a ponadto obciążenie rozkłada równomiernie na wszystkie kulki. Podczas obiegu i procesu recyrkulacji kulki przejmują obciążenie.

Śruby kulowe mają lepszą trwałość, możliwe większe obciążenia robocze, łatwiejszy i mniej problematyczny rozruch, lepszą precyzję i klasę wykonania, znacznie wyższą sprawność.

Śruby kulowe w porównaniu ze śrubami pociągowymi charakteryzują się znacznie większą dokładnością i mniejszymi oporami toczenia. Współczynnik tarcia w śrubie kulowe wynosi 0,003, podczas gdy śruby pociągowe mają go min. 0,1. Skutkuje to znacznie wyższą sprawnością śruby kulowej wynoszącą ponad 90%. Natomiast sprawność śrub pociągowych nie przekracza zazwyczaj nawet 70%. Ruch toczny pozwala dodatkowo śrubom kulowym na osiągnięcie znacznie większych prędkości obrotowych jak 1000 obr./min.

Śruba pociągowa ma natomiast właściwości samohamowne, czego ze względu na ruch toczny nie ma śruba kulowa. Wały śrub kulowych wykonane są z lepszego gatunku, utwardzonej powierzchownie stali, podczas gdy wały śrub pociągowych wykonane są przeważnie ze stali C15, rzadziej C40. Nakrętki również są wykonane z różnych materiałów, w przypadku śrub kulowych jest to wysokiej jakości stal zahartowana na wskroś, natomiast w przypadku śrub pociągowych jest to plastik, brąz lub żeliwo.

Śruby kulowe stosowane są wszędzie tam, gdzie wymagana jest wysoka trwałość, precyzja ruchu i niskie wytwarzanie ciepła. Śrub pociągowe stosowane są natomiast do zastosowań o niewielkiej wadze, niskiej prędkości i niższej częstotliwości ruchu.

Jaka jest rola wkładek obiegowych i zbieraczy w śrubie kulowej?

Zbieracze służą do zabezpieczenia śruby kulowej (nakrętki, mechanizmu wewnętrznego) przed przedostaniem się do środka zanieczyszczeń i wiórów. Dobrze zabezpieczona przed brudem śruba kulowa to podstawa wysokiej żywotności samej śruby, braku awarii i precyzji ruchu.

Wkładki obiegowe to natomiast elementy pozwalające w śrubach kulowych na ruch nawrotny kulek. Wkładki obiegowe w śrubach kulowych mogą być wewnętrzne lub zewnętrzne i są dobierane indywidualnie na podstawie wymagań i warunków pracy danej śruby.

Jak ważne jest smarowanie w śrubach kulowych?

Śruba kulowa, podobnie jak łożysko kulowe, wymaga ciągłego smarowania. Smarowanie pozwala na obniżenie tarcia między kulką, a bieżnią wału co zapewnia utrzymanie wysokiej żywotności i precyzji pracy. Śruba kulowa może być smarowana dwoma metodami:

• Cykliczne i często ręczne smarowanie smarem stałym. Po montażu śruby kulowej należy uzupełnić nakrętkę do pełna i cyklicznie starać weryfikować czy jej stan nie uległ drastycznemu zmniejszeniu.
• Cykliczne i automatyczne smarowanie olejami płynnymi. Właściwości oleju płynnego umożliwiają bardzo dobre odprowadzenie ciepła i zapobiegają korozji. Śruby kulowe mogą korzystać z tych samych olejów jak łożyska kulkowe. Lepkość oleju uzależniona jest natomiast od środowiska pracy danej śruby kulowej. Im cięższe warunki tym lepkość powinna być wyższa.  Standardowo nowe śruby kulowe, a de facto ich nakrętki zostają zawsze zalane małą, rozruchową ilością oleju o lepkość 68.

Jakie są klasy dokładności śrub kulowych?

Śruby kulowe mogą zostać wykonane wg różnych klas dokładności. Wg normy DIN/ISO/BIS klasy wynoszą 1-3-5-7-10, a wg JIS dochodzi jeszcze klasa C0, pozostałe klasy mają natomiast zawężone tolerancje na 300mm.

Dokładność skoku w przypadku klasycznych norm DIN/ISO/BIS wynosi do ± 6 µm/300 mm w klasie IT1, która też jest przez nas wykonywana. Oprócz klasy IT1 wykonujemy również śruby kulowe w klasie IT3, IT5, IT7 i IT10. Możliwe jest również wykonanie w klasie JIS 0 ± 3,5 µm/300 mm lub JIS 1 ± 5 µm/300 mm.

Czy śrubę kulową można regenerować?

Tak, śruby kulowe można regenerować jednak regenerowana śruba nigdy nie będzie tak samo trwała jak nowa. Możliwość regeneracji i naprawy śruby kulowej zależy również od jej zużycia. Może być to szybka wymiana kulek i oczyszczenie lub produkcja nowej nakrętki. Niestety jeżeli śruba kulowa jest zbyt zniszczona, nie pozostaje nic innego jak zezłomowanie. Serdecznie zapraszamy do naszej drugiej dedykowanej strony poświęconej usługom regeneracji jaki możemy wykonać -> tutaj.

Napięcie wstępne w śrubach kulowych

Napięcie wstępne w śrubach kulowych jest zjawiskiem wymaganym, pozwala na kasację luzu osiowego. Luz osiowy może doprowadzić do zakleszczenia kulek, zakłócenia ich pracy oraz błędnej tolerancji położenia podczas pracy skutkującym za bliskim albo dalekim odjazdem osi. Napięcie wstępne w śrubie kulowej zapewnia również jej odpowiednią sztywność. Napięcie wstępne w śrubach kulowych może zostać nadane w kilku rodzajach:

• Typ „O” – między nakrętkami (najczęściej podwójnymi) występuje element rozpychający (jego grubość określa wartość napięcia wstępnego). Typ „O” w śrubach kulowych powoduje styk kulki z bieżnią dwupunktowy.
• Typ „X” – między nakrętkami (najczęściej podwójnymi) występuje dociśnięcie, np. elementem ze sprężyną. Typ „X” w śrubach kulowych powoduje styk kulki z bieżnią dwupunktowy.
• Styk czteropunktowy – najczęściej używany w śrubach kulowych za pomocą delikatnie powiększonych kulek.

Dobór odpowiedniego napięcia w śrubie kulowej jest rzeczą kluczową, ponieważ zbyt duże napięcie wstępne będzie prowadziło do przegrzewania oraz niższej żywotności napędu. Jeżeli nie jest to wyspecyfikowane, Korta standardowo wykonuje w śrubach kulowych 6% napięcie wstępne.

Jakie są najczęstsze problemy ze śrubami kulowymi oraz jakie są ich przyczyny?

Najczęstsze problemy występujące w śrubach kulowych oraz ich przyczyny:

• Zbytni luz, powód:
  • zbyt małe napięcie wstępne.
• Nadmierne skręcenie, powód;
  • Zły dobór łożysk na końcach śruby.
  • Zły montaż łożysk na końcach śruby.
  • Niewystarczająca sztywność nakrętki lub jej obudowy.
  • Niewłaściwy montaż nakrętki.
  • Błąd równoległości obudowy nakrętki.
  • Niewłaściwe sprzężenie silnika i wału śruby kulowej.
• Nieprawidłowe działanie on/off, powód:
  • Zatkanie bieżni wału śruby kulowej z różnych przyczyn, często zanieczyszczenia.
  • Nakrętka zjechała ze śruby/bieżni.
  • Uszkodzenie systemu nawrotu kulek.
  • Zgięcie wału śruby kulowej.
  • Błędny montaż nakrętki na wale.
  • Uszkodzenie śruby kulowej podczas transportu.
• Zacinanie, szarpanie podczas pracy:
  • Pęknięcie kulek wewnątrz obiegu.
  • Uszkodzenie wkładki/wkładek obiegowych.

Śruby kulowe, przekładnie kulowe do maszyn konwencjonalnych i CNC

Śruby toczne, przekładnie toczne do maszyn konwencjonalnych i CNC

Mechanizmy śrubowo-kulowe do maszyn konwencjonalnych i CNC 

Nasza produkcja obejmuje części do wszelkich maszyn i specjalnych zastosowań, w tym śruby kulowe do:

• tokarek CNC
• frezarek CNC
• wycinarek laserowych CNC
• szlifierek CNC
• wtryskarek
• centr obróbczych CNC, 3-osiowych i 5-osiowych
• do precyzyjnych obrabiarek numerycznych
• maszyn do drewna
• maszyn w przemyśle opakowań
• maszyn spożywczych
• maszyn drukarskich
• wiertarek
• strugarek
• dłutownic
• maszyn do formowania wgłębnego
• stołu XY
• aparatury pomiarowej
• linii automatycznych
• automatów obróbkowych
• manipulatorów i robotów przemysłowych
• sprzętu medycznego
• technologii pomiarowej

Nasza oferta obejmuje wersje śrub kulowych:

• do środowisk korozyjnych / śruby kulowe odporne na korozję
  z chłodzoną nakrętką.
• miniaturowe
• prawozwojne, z prawym gwintem
• lewozwojne, z lewym gwintem
• z bieżnią gotycką, z gwintem gotyckim
• jednowchowdowe
• dwuwchodowe
• z napięciem wstępnym
• z nakrętką kołnierzową.
• z nakrętką kołnierzową pojedynczą.
• z nakrętką kołnierzową ściętą.
• z nakrętką cylindryczną pojedynczą i podwójną.
• nakrętki kulowe S, BS, RS, RBS, KBS, BSL, CBS, WBS, SS, BS S, WBS S, S BS, BS BS.
• szlifowane
• rolowane
• wiórkowane

Na jakich maszynach mogą pracować nasze śruby kulowe?

Praktycznie na wszystkich, które je wykorzystują!

Z przemysłu obrabiarkowego są to m. in.: DMG, Mori Seiki, Chiron, Okuma, SW (w tym BA400, BA600), Haas, Maus, Doosan Puma i wielu innych jako zamienniki lub nowe. Również w każdej nowo budowanej maszynie, szczególnie jeżeli wymagana jest wysoka jakość, precyzja i specjalne wykonanie. Korta to jeden z najlepszych producentów śrub kulowych na świecie!

Dorabianie zamienników i odwzorowanie śruby kulowej, śruby tocznej, mechanizmu śrubowo-tocznego

• Dorabianie zamienników i odwzorowanie śruby kulowej, śruby tocznej, mechanizmu śrubowo-tocznego do tokarek CNC, frezarek CNC, szlifierek CNC, wycinarek laserowych CNC, centr obróbczych, maszyn do drewna, maszyn drukarskich, linii automatycznych i pozostałych

Śruby jako akcesorium współpracują z blokami i prowadnicami, a na ich częściach montowane są łożyska liniowe, śruby w wersji standardowej i wydłużonej L, długości nawet do 10 krotności 

Gwarantujemy zgodne wykonanie i pasowanie do obecnego mocowania w maszynie. Nasze śruby jakościowo nie odstają od czołowych producentów jak Bosch Rexroth, SKF czy NSK