Fuso de Esferas Aplicação: Tudo que você precisa saber.

O fuso de esferas é um dispositivo mecânico de deslocamento linear indispensável na indústria moderna, seja qual for o equipamento ou seu campo de atuação. Como exemplo, podemos citar os ramos: aeroespacial, bélico, farmacêutico, siderúrgico, bebidas, mineração, automobilístico, construção, usinagem, alimentício, etc. Vamos abordar, neste artigo, o lado construtivo, sua especificação e os aspectos de recuperação desse tipo de equipamento

A recuperação de um fuso, supostamente no fim da vida, pode ser sinônimo de uma grande economia para a empresa. Um fuso pode ser recuperado ate três vezes, gerando economias de 30 a 70% se comparado com um novo. Temos vários fabricantes de renome no mercado brasileiro, oferecendo equipamentos de alta qualidade.

O fuso de esferas é responsável pela conversão de energia de rotação (gerada por um motor AC, motor de passo, servomotor, etc.) em movimentação linear. Na aplicação mais comum, um fuso mancalizado nas extremidades recebe movimento de giro de um motor e, por contato direto com esferas de aço que se alojam entre a castanha e o fuso, provoca o deslocamento de uma castanha ou porca (onde está presa a carga a ser movimentada). As esferas metálicas são, por sua vez, guiadas e realimentadas por canais de recirculação na castanha ou porca, dando linearidade e suavidade ao movimento.

            

Um fuso de esferas pode apresentar diâmetros de 3 até 1000 mm (o diâmetro deve ser medido no centro de rolamento das esferas), podendo ser retificado (de alta precisão) ou laminado.

Embora o sistema pareça ser complexo à primeira vista, seu princípio é extremamente simples e remonta na antiguidade, a 2800 a.C., mais especificamente com os egípcios, que para a construção das pirâmides, deslocavam imensos blocos de pedra fazendo-os rolar sobre troncos em encostas de morros e ladeiras. Da mesma forma, os fusos de esferas deslocam tremendas cargas com baixas potências.

Os fusos de esfera são empregados nos mais variados projetos, onde se exige:

-Repetibilidade;
-Confiabilidade;
-Elevada eficiência (ao redor de 90%);
-Responsabilidade;
-Precisão (pré-carga nas castanhas);
-Operação limpa e silenciosa;
-Durabilidade;
-Ruídos médios;
-Baixa manutenção.

 

Essas características fazem com que o fuso de esferas seja utilizado como componente em projetos mais complexos, de larga utilização nas indústrias, que agregam outros elementos de máquina. Exemplificando podemos citar equipamentos como as mesas XYZ, os macacos mecânicos e atuadores lineares (ver artigo na Mecatrônica Atual nº 11), a mesa pantográfica, elevadores, etc.

Os componentes que compõem um fuso de esfera (figura 2) são:

– Flange;
– Recirculadores;
– Fuso;
– Raspadores;
– Esferas calibradas.

Observamos que as esferas empregadas nesses equipamentos apresentam perfis variados, variam de fabricante para fabricante e não podem ser misturadas. Os perfis mais comuns são Gótico e Circular. Outro agravante, é que os diferentes perfis de esferas não podem ser detectados a olho nu. Veja a figura 3.

Os tubos de retorno podem ser internos ou externos, sendo que os primeiros fornecem mais espaços para a fixação da carga e menores ruídos. Os tubos de retorno devem ser projetados com uma preocupação muito grande pelo fabricante, pois são eles que receberão toda a quantidade de movimento das esferas, em altas velocidades de trabalho, e deverão redirecioná-las tangencialmente para os circuitos internos da castanha.

A pista do fuso (ball screw) é endurecida (de 58 A 62 RC), retificada (mais precisas) nos casos de fusos de alta precisão, como é o caso dos fusos empregados em máquinas operatrizes; ou fusos  laminados, usados em aplicações de transporte de menos responsabilidade.

Nessas pistas rolam as esferas de aço (balls) que podem até ser ocas para diminuir seu peso, como nos modelos usados na indústria aeroespacial, onde até os fusos são ocos e utilizados como conduítes hidráulicos). O movimento contínuo do fuso será responsável pelo deslocamento da carga e a castanha externa (ball nut) tem por função agrupar e recircular as esferas, além de ser nela que a carga a ser deslocada é fixada através de uma flange (figura 4).

Aplicações e exemplos de Projetos

Aplicações comuns, além das citadas acima, são: máquinas operatrizes, macacos mecânicos e atuador linear, mesas pantográficas, elevadores de equipamentos, vans, máquinas vulcanizadoras, máquinas de raios-X, equipamentos cirúrgicos, prensas, ponte para embarque em aviões, envasadoras, de aviões, torre de posicionamento de tiro em canhões, corte e solda, impressoras, automações, máquinas especiais etc.

Vantagens

– 90% á 95% de eficiência (rosca acme: 30 á 40%);
– Baixo torque de partida e partidas suaves, evitando “trancos” nos movimentos;
– Folgas baixíssimas ou folga zero;
– Baixa manutenção.
– Vida previsível, não necessita ajustes com o passar do tempo, fácil e rápido retrofit.

Vantagem sobre: a Embreagem para Corrente

Quando há transmissões de movimento para grandes distâncias, nota-se uma indesejável instabilidade da corrente, além de um alto ruído.

Vantagem sobre: sistema Coroa- Pinhão

Esse é um sistema simples, econômico e eficiente para conversão de movimento rotativo em movimento linear, mas, como desvantagem, apresenta uma baixa capacidade de carga, onde um dente do engrenamento suporta toda a carga do sistema.

Vantagens sobre: Fusos de Rosca ACME

Um dos dispositivos mais usados na indústria, mas apresenta baixo rendimento (30%), baixo confiabilidade e alto desgaste.

Vantagem sobre: Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos

Não há atraso nos tempos de resposta (start / stop), o motor que aciona um atuador (fuso) “sente” menos as variações de carga do sistema. Não necessita de equipamentos, como bombas, tanques linhas de pressão, portanto menos sujeito a vazamentos e manutenções.

Elementos para especificação

Passo (lead) e Rosca (RH ou LH): é o deslocamento linear da castanha quando se dá uma volta de 360º no fuso (nem sempre a distância entre os flancos é o passo, pois existem fusos com mais de uma entrada). Quanto menor for o passo, mais lentamente irá se deslocar a castanha para a mesma rpm. Se forem desejadas altas velocidades de deslocamento, é recomendável utilizar fusos com grandes passos. Os passos mais empregados são 5, 10mm e os passos largos de 16,20,25,32  e 40mm. O fuso pode ser também de rosca esquerda (LH), rosca direita (RH), ou montagem com ambas as roscas (figura 6).

 

Precisão do Passo: É a precisão que o fuso deverá ter para o posicionamento de sua carga. Com esse dado é possível determinar o erro total para um curso do fuso, sendo que o erro não é acumulativo.

Castanha: Existem vários modelos de castanha, onde variam o número de circuitos das esferas, o material de construção, ter recirculação interna ou externa, o tipo de da pré-carga ou montagem do flange e o fato da castanha ter a característica do anti- backlash ou não.

Castanhas com Zero Backlash ou Pré-carga: Existem aplicações onde não pode haver folga no curso, como é o caso dos sistemas de controle numérico computadorizado (CNC) para posicionamento das mesas X, Y e Z, ou até mesmo sistemas com altas cargas inerciais com rampas abruptas de frenagem que, por essa característica, geram manutenções freqüentes. Há várias maneiras de retirar a folga axial entre o fuso e a castanha. Vamos citar de maneira rápida os dois métodos mais usados pelos fabricantes e suas características principais, lembrando que a pré-carga sempre diminui a vida do fuso e eficencia  do sistema.

O pre-load ou pré-carregamento, nada mais é que duas castanhas normais unidas por um dispositivo de pré-carga (por molas ou contra-porcas que têm por função pressionar as esferas contra os flancos do fuso, em sentidos opostos) eliminando assim a folga do equipamento (figura 7). A grande vantagem é que dobramos a capacidade de carga com este artifício e aumentamos a vida da castanha, além de termos um dispositivo que nos habilita a compensar instantaneamente as folgas que aparecem com o uso; e a parte negativa é o custo maior, o equivalente a duas castanhas mais o dispositivo de folga.

A segunda maneira mais comum utilizada pelos fabricantes é optar em fabricar a castanha com duas hélices de passos diferentes (figura 8), e obrigando as esferas a se comprimirem nos flancos do fuso. A vantagem aí é o custo, pouco mais elevado do que uma castanha comum, porém apresenta a desvantagem da não conceder regulagem da folga com o desgaste normal do equipamento.

 

Tipos de montagens dos fusos:

Existem quatro fixações básicas dos extremos em mancais e que serão fundamentais para a especificação do mesmo e dependem exclusivamente dos preceitos assumidos no projeto (figura 9).

 

Usinagem das pontas do fuso: Outro critério a ser considerado é a usinagem (ou não) das pontas do fuso, que podem ser conforme solicitação do cliente, ou padrão conforme catálogos. Na desmontagem, verificar a condição das mesmas.

Wiper kit (raspadores) : Nada mais são que dispositivos que permitem a distribuição do óleo lubrificante por toda a pista do fuso, e evitam a entrada de contaminantes externos. Existem que funcionam como uma escova com cerdas, “varrendo” para fora os elementos contaminantes, e outros feitos de resina rígida que adquirem o perfil da hélice do fuso. São localizados nas extremidades das castanhas e deles depende a “saúde” da castanha.

 

Especificação do fuso de Esferas

Basicamente, três gráficos são necessários para especificar um fuso de esferas. O primeiro é de Carga Vida que estima a vida útil do fuso e, de acordo com a aplicação, poderá ou não ser aceita pelo projetista. O segundo verifica se a velocidade de trabalho do fuso não é crítica, o que poderá levá-lo a ter uma vida curta devido ao fenômeno de ressonância. Para obter tal gráfico é necessário ter pré-estabelecida a maneira de se fixar o fuso (exemplo: Metro/min. distância entre mancais e tipo de fixação). Já o terceiro gráfico checa o fuso quanto a carga de compressão e sua possível flambagem (Carga distância entre mancais).

Esses gráficos variam de fabricante para fabricante e fica a critério do projetista a escolha do melhor fornecedor. Como já dissemos anteriormente, há uma grande gama de fabricantes atuando no mercado com produtos de ótima qualidade, sendo que normalmente os fatores determinantes são o prazo de entrega, disponibilidade em estoque e assistência técnica do produto. Não esquecendo, nesse caso, de questionar o fornecedor quanto a importância de poder contar com uma oficina gabaritada de recuperação desse equipamento.

Recuperação de fusos de Esferas

O custo de um fuso de esferas com castanha vem caindo significativamente nos últimos anos. Uma redução superior a 70% ocorreu em vários modelos nos últimos 10 anos devido a fabricação em série, materiais alternativos, dispositivos de fabricação e aferição mais rápidos.

Muitos fusos de esferas podem ser reparados ou ter a sua vida útil estendida se empregados certos artifícios. As oficinas geralmente são pequenas, mas com dispositivos precisos de diagnóstico e reparo. Na kalatec contamos com uma equipe especializada para  os reparos em fusos de esferas.

Citamos abaixo algumas das características que podem ser observadas nos equipamentos que empregam esses fusos e que, portanto, são fortes candidatos a uma manutenção

– Perda de “repetibilidade”;

– Perda da uniformidade dos movimentos;

– Vibração;

– Ruído anormal;

– Perda da precisão costumeira;

– Falta de sincronismo com fusos paralelos, etc.

Falhas

As causas que levam ao desgaste prematuro de um fuso são várias, mas podemos mostrar as características visuais das quatro falhas mais comuns (figura 10) e citar com mais detalhes as duas principais que provavelmente se enquadram nos problemas do leitor.

 

A falha é conhecida como brinelling ocorre quando há carga excessiva no fuso gerada por um erro de dimensionamento ou uma alteração do projeto da máquina, ou seja, a carga manipulada foi aumentada no equipamento, porém não houve a preocupação da substituição do fuso para compensá-la. A característica visual deste problema são pequenos riscos longitudinais a pista do fuso.

O spalling pode ser causado pela entrada de contaminantes externos nas pistas do circuito (e são comprimidas pelas esferas), ou pela falta de lubrificação. Uma dica é a observação das condições da castanha que mostram acentuado desgaste nos flancos da crista. Alguns procedimentos errôneos que podem levar a estas falhas são:

– Pré-load excessivo;
– Fuso empenado;
– Raspadores defeituosos;
– Carga excessiva;
– Falta de lubrificação;
– Contaminação;
– Subdimensionamento;
– Cargas laterais;
– Batidas na castanha;
– Empenamento.

Como complementação, lembramos ao leitor que todo o fuso deve ser guiado por meio de eixos lineares ou guias lineares (maior rigidez), o número mínimo de guias no projeto deve ser  preferencialmente de duas por fuso de  esferas.

 

Manutenção de um fuso de esferas

A maneira mais segura de se determinar quando um fuso de esferas precisa de reparos, é medindo suas folgas. Esse método foi estabelecido pela empresa Thomson Industries dos EUA, um dos mais renomados fabricantes desse equipamento no mundo, com mais de 60 anos no ramo. Infelizmente, há a necessidade de um kit especial de aferição, além de ferramentas dedicadas, o que inviabiliza sua prática nas indústrias.

A folga radial (diametral lash) é uma medida que pode ser facilmente obtida na planta com o fuso ainda montado ou na oficina de reparo, e essa medida passará a ser o nosso termômetro para a definição do nível de reparo necessário no conjunto.

Caso conjunto fuso/castanha tenha sido desmontado, ele é apoiado em blocos V retificados, e a castanha começa a ser levantada por calços calibrados, (que fazem parte do kit mencionado).

Para uma folga radial de 0,0127 mm, o que indica um fator de desgaste de 50%, podemos dizer que um reparo nível I seria suficiente para repará-lo e devolvê-lo á máquina.

Uma folga radial de 0,0889 mm representa 80% de desgaste e indica, ou um nível crítico de recuperação (nível IV) ou a necessidade de troca do equipamento. Seguindo o mesmo raciocínio, podemos trabalhar com conjuntos sem pré-carga, onde uma folga radial de 0,229 mm significaria 50% de desgaste (nível I), e 0,381mm o nível VI ou a substituição do conjunto.

Observe que existem outros casos onde a substituição do conjunto é obrigatória e qualquer paliativo pode por em risco a funcionalidade do equipamento:

– Danos físicos ao equipamento causado por batidas ou manuseio impróprio;
– A camada de dureza superficial restante não é bastante para um novo retrabalho na pista;
– A troca das esferas acarretaria esferas de uma dimensão superior aos recirculadores;
– Fusos flexionados que não retornam à sua posição correta por terem sofrido processos de fabricação que endureceram a raiz do fuso.

Níveis de reparo

Quando um fuso chega à unidade, ele é inspecionado e avaliado segundo o nível de reparo necessário. Esse processo leva de um a dois dias. Em geral há quatro níveis de reparos de custo compensador, enquanto que cada nível subseqüente torna-se mais custoso. Além do nível IV, dificilmente um reparo seria compensador às empresas, salvo aqueles casos que as unidades novas não sejam facilmente encontradas no mercado. Todos os reparos envolvem procedimentos básicos, a saber:

– Inspeção;
– Limpeza;
– Troca de Esferas;
– Desempenamento.

Vamos agora analisar os níveis de reparo:

Nível I: Trata do problema mais comum de perda de “repetibilidade” devido ao desgaste. Novas esferas deverão substituir as antigas. O segredo aqui é usar a regra de para cada 0,076 mm de desgaste radial, use uma esfera 0,025 mm maior. O desempenamento aqui também é necessário para evitar excesso de momento nesse trecho e futura falha da castanha.

Segundo o engenheiro responsável por este setor na Kalatec Automação, Sergio Lacerda, que fez cursos de recuperação de fusos empresa Thomson Industries nos EUA e tem mais de 25 anos de experiência neste ramo, “uma atenção especial deve ser dada ao fornecedor das esferas empregadas na recuperação dos fusos, pois elas devem ter rigidamente diâmetros muito próximos. Na prática, uma variação máxima de 0,00064 mm seria a tolerada pelo lote de reposição (tolerância difícil de achar em fabricantes nacionais), o que nos força a importar tal produto”.

Lacerda observa que caso um reparo seja feito com esferas normais encontradas no mercado, apenas as esferas maiores carregariam toda a carga a ser transportada, o que levaria a uma falha muito rápida do conjunto, e acrescenta: “Temos clientes que fizeram o reparo em ‘supostas empresas especializadas’ e se admiram com a pouca durabilidade do serviço e esta é a causa principal. Infelizmente, eles terão que arcar com mais horas de máquina parada, além de todo o trabalho de desmontagem do equipamento”.

Nível II: Deve-se acrescer ao nível I, o retrabalho das pistas da castanha. A castanha é o componente do fuso que desgasta antes por ser sujeita a mais contatos das esferas.

Nível III: Normalmente, neste nível são repetidos os procedimentos do nível I, e acrescentado o retrabalho das pistas do fuso e das pontas de eixo.

Nível IV: Neste nível, são retrabalhados a castanha e o fuso, e as esferas são trocadas. O serviço é quase completo, mas o fuso fica com as características de um novo. O problema é que este processo pode chegar a custar entre 80 e 90% do valor de um fuso novo, o que nos deve fazer refletir a respeito de seu custo-benefício.

Lubrificação

Na maioria dos casos para os fusos de esferas (como para as guias lineares), quando a velocidade de trabalho é alta e a carga a ser transportada é baixa, é sugerido um lubrificante de baixa viscosidade (32 a 68 cst). Já quando as características da aplicação são opostas a esta, ou seja, baixa velocidade de trabalho em altas cargas, são recomendados os lubrificantes de alta viscosidade (90 cst). Os selos, citados anteriormente, são comuns aos fusos, mas devem ser considerados nos pedidos (por ser considerado um acessório da castanha). Eles têm como características principais o confinamento do lubrificante na jaula de esferas e a limpeza do fuso ou guia, retirando mecanicamente os contaminantes maiores.

A graxa só deve ser empregada em aplicações específicas por poder diminuir a vida das guias com o acúmulo de contaminantes e apenas à baixa velocidade de trabalho do equipamento. Caso seja inevitável sua utilização na aplicação, usar graxas a base de lítio e evitar aquelas à base de bissulfeto de molibdênio por atacar os anéis de vedação.

O curso de deslocamento do fuso é muito importante para garantir a recirculação de todas as esferas de um circuito e sua total lubrificação e uma prova visível de que isto não está ocorrendo é o desgaste visual do trilho. Como outra regra, podemos citar a necessidade de um deslocamento mínimo da castanha de duas vezes o comprimento da mesma (desconsiderando os selos).

Conclusão

O fuso de esferas deverá “reinar soberano” ainda por vários anos, emprestando seu som futurista a vários equipamentos na indústria ou fora dela. O motor linear, um dos únicos equipamentos que poderia ameaçar esse reinado, ainda repousa latente num quadro de elevado custo e limitações de cargas.

Como vimos, por ser um produto de precisão tanto na especificação como manutenção, esses atributos devem ser concedidos à firmas idôneas e respeitáveis, para que certos detalhes como o perfil de uma esfera não comprometa o funcionamento e a durabilidade de todo um sistema.

Nestes dias difíceis em que vivemos, baratear os custos dos produtos ligados a esse equipamento, assim como diminuir o tempo de horas paradas das máquinas como um todo, são condições fundamentais para a sobrevivência e sucesso do empreendedor.

*Samir Kassouf é Engenheiro Mecânico da Kalatec Automação.

E-mail para contato: kalatec@kalatec.com.br