پیچ و مهره بال اسکرو چین و تایوان در تهران بال اسکرو Ball Screw چیست؟

بال اسکرو (Ball-Screw) چیست؟
یکی از وسایل مکانیکی‌ای که با کمترین میزان اصطکاک ممکن، حرکت چرخشی را به حرکت خطی تبدیل می کند، بال اسکرو می باشد. بال اسکروها که وظیفه‌ی انتقال نیروها و حرکت اشیاء را بر عهده دارند، نیروهای چرخشی کوچک را به نیروهای فشاری (پرتابی) تبدیل می‌کنند. زمانی که یک مهره در حول محورش چرخانده می‌شود ، در جهت محوری‌اش حرکت می‌کند زیرا شیارهای پیچ، مسیر مارپیچی (حلزونی) شکل را به‌طور پیوسته و مداوم طی می‌کنند.
انواع بال اسکرو:
در حالت کلی ساختار بال اسکرو شامل دو سیستم زیر می باشد:
مهره Ball Nut
پیچ Screw
از لحاظ ظاهری، بال اسکرو ساختاری مشابه به یک مجموعه‌ای از پیچ و مهره‌ها می‌باشد. شافت رزوه شده آن به‌عنوان پیچ، و گوی آن به عنوان مهره عمل می‌کند. فراهم ساختن مسیر حرکت ساچمه‌هایی را که در قسمت لغزنده بال اسکرو (مهره‌ها) بر روی آن‌ها به حرکت در‌می‌آیند بر عهده‌ی شفت رزوه‌دار مارپیچی می‌باشد.
ساختار ساخته شده‌ی گوی در بال اسکرو به شیوه‌ای است که چرخش ساچمه‌ها را در داخل خود ممکن می‌سازد. به طوری که در مدت زمان حرکت گوی بر روی شفت، در داخل گوی، ساچمه‌ها به گردش در‌می‌آیند. بال اسکرو از یک پیچ هرز گرد، ساچمه‌ها و مهره تشکیل شده است که ساچمه‌ها باعث عدم ایجاد هرگونه تماس بین پیچ و مهره‌ها می‌شود.
یکی از مهم‌ترین ویژگی‌ها اساسی بال اسکرو این است که علاوه بر کارکرد در کمترین میزان اصطکاک داخلی، می‌تواند در برابر اعمال بارهای فشار مقاومت کند. بدون آنکه بر میزان اصطکاک آن تاثیری داشته باشد. در موقعیت‌هایی که میزان دقت بالا بسیار ضروری می‌باشد، بال اسکرو موجب ایجاد تلرانس‌هایی بسیار دقیق می‌شود که از این رو استفاده از بال اسکرو بسیار مناسب پیشنهاد می‌شود.
بال اسکروها علاوه بر اینکه موجب کاهش اصطکاک می‌شوند، این قابلیت را دارا هستند که با مقداری پیش‌بار کار کنند که موجب از بین رفتن و حذف لقی بین ورودی (چرخش) و خروجی (حرکت خطی) می‌شود. ویژگی ذکر شده در بالا زمانی ضرورت پیدا کرده و لازم می‌شود که از بال اسکروها در سیستم‌های کنترل حرکت کامپیوتری مانند کاربرد‌های حرکت‌های بسیار دقیق (مانند: Wire Bonding)، ماشین ابزار CNC و دیگر صنایع استفاده شود.
ویژگی‌های Ball-Screw:
ویژگی مهم بال اسکروها بازده مکانیکی بالا در عین اصطکاک کم در مقایسه با سایر ابزارهای مشابه است.
به عنوان مثال:
قدرت بازدهی بال اسکرو در مقایسه با بازده‌ای یک لید اسکرو (پیچ انتقال قدرت ساده) با ابعاد و اندازه‌های مشابه، نسبت بازدهی 90 درصدی در مقابل بازدهی 50 درصدی می‌باشد. نوردکاری شافت بال اسکرو ، ممکن است ارزان، پربازده، کم دقت و محصول نهایی از آن، از نظر مکانیکی بسیار مناسب و مقرون به صرفه، ساخته شده باشد.
نکته در مورد بال اسکروها
بال اسکروهایی که بر روی آن‌ها نوردکاری صورت گرفته است دارای دقتی بسیار بالای چندهزارم اینچ در یک فوت می‌باشند.
نیروی اصطکاک موضوع بسیار مهمی می‌باشد که برای درک بهتر، آن را با ذکر یک مثال شرح می‌دهیم:
زمانی که شما خواستار حرکت یک جعبه بر روی زمین هستید، این جعبه باید تا حد مشخص و معینی به آن نیرو وارد شود. این جعبه با نیروی کم و ضعیف هیچ‌گاه حرکت نمی‌کند، برای حرکت شما باید به آن نیرو و فشار وارد کنید. بدین صورت، رفته رفته مقدار نیروی وارده به جعبه را افزایش دهید تا زمانی که جعبه به حرکت درآید.
به مقدار نیروی مشخصه‌ای که جعبه از نیروی صفر تا زمان حرکت به آن وارد می‌شود‌، نیروی اصطکاک داینامیک (Dynamic) گفته می‌شود. زمانی که جعبه بر روی زمین مقدار تفاوت مابین نیروی داینامیک و نیروی استاتیک بسیار زیاد است و هرچه مقدار وزن جعبه بیشتر باشد، طبیعتاً تفاوت این مقدار ما بین این دو نیرو نیز بیشتر می‌شود، به این حالت Sliding Contact Screw می‌گویند.
اما اگر برای حرکت جعبه از چند ساچمه استفاده نمایید و ساچمه‌ها را زیر جعبه قرار دهید، نیروی بسیار کمتری برای به حرکت در آوردن جعبه استفاده می‌کنید. قاعدتاً تفاوت نیروی داینامیک و نیروی استاتیک بسیار کم می‌شود، که به این حالت Rolling Contact Screw می‌گویند. دقیقاً بال اسکروها نیز همین حالت را دارا هستند.
مزایا و معایب بال اسکرو (Ball-Screw)
بال اسکروهای صنعتی کاربردهای زیادی دارند، اما عمده کاربرد آن‌ها عبارتند از:
افزایش صلبیت و مهار ارتعاشات یاتاقان‌ها
کاهش یا حذف صداهای ارتعاشات محوری
حفظ حرکت غلتشی و محافظت در برابر لغزش
مزایای ball-screw عبارتند از:
عملکرد و کارایی بهتر
تحمل بارهای سنگین‌تر
دقت بالاتر
اصطکاک کم به دلیل قرار گرفتن ساچمه‌ها در بین پیچ و مهره
1. عملکرد و کارایی بهتر:
عناصر نورد، تماس نقطه‌ای نسبت به تماس خطی اصطکاک کمتری تولید می‌کند که موجب ایجاد راندمان بالاتر می‌شود.
علت: در لید اسکرو عناصر به اصطلاح کشویی همانند پیچ و مهره، به تماس خط تکیه می‌کنند. اما در بال اسکرو عناصر به اصلاح نورد همانند توپ‌های موجود در بال اسکرو، به تماس نقطه تکیه می‌کنند.
2. تحمل بارهای سنگین‌تر:
در لید اسکرو از مهره‌های پلاستیکی، پلیمری و برنزی استفاده می‌شود. در لید اسکروهایی که از مهره‌های برنزی استفاده شده است، می‌تواند بارهای سنگین‌تری را تحمل کند. اما با افزایش میزان فشار و بار، میزان اصطکاک نیز افزایش می‌یابد و اصطکاک بیشتر به معنی چرخه کار کمتر و راندمان کاری پایین‌تر است. همچنین در بال اسکرو برای پشتیبانی از بار، از قطعات فولادی استفاده می‌شود که از ظرفیت بار بالاتری نسبت به انواع لید اسکرو برخوردار است.
3. دقت بالاتر:
در لید اسکرو واکنش شدید بسیار زیادی بین پیچ و مهره وجود دارد. در بال اسکرو برای از بین بردن این واکش شدید، معمولاً از توپ‌هایی که قطر بزرگتری نسبت به فضای بین مسیر پیچ و مهره‌ها دارند استفاده می‌شود، که موجب افزایش دقت عملکرد قطعه می‌شود.
نکته!
استفاده از یک موتور کوچکتر ممکن است برای استفاده‌ی دستگاه مناسب‌تر باشد.
زیرا راندمان بالاتر به معنی کاهش گشتاور مورد نیاز موتور است. عملکرد بهینه بال اسکرو موجب می‌شود که کارایی و بازدهی آن تقریبا 90 درصد باشد. این در حالی است که در لید اسکرو عموماً کمتر از 50 درصد است.
معایب ball-screw عبارتند از:
نسبت به لید اسکرو از نظر قیمت و هزینه بسیار بالاتر می‌باشد.
برای ترمز به یک سیستم جداگانه به منظور توقف نیاز است.
نیاز به روغن‌کاری مداوم و منظم برای حفظ دقت بالا و روان‌سازی دارد.
بال اسکرو‌ها دارای مکانیزم قفل خودکار نیستند.
بال اسکروها سیستم دستی برای اپراتور یا مکانیک ندارند.
خرابی یکی از قطعات بال اسکرو در عملکرد کلی سیستم خلل ایجاد می‌کند.
عدم کارکرد مناسب در حالت عمودی دارند.
محافظت در برابر ذرات گرد و غبار نیاز شدید دارند.
نکته!
یکی از مشکلات اساسی بال اسکرو نیاز به روغن کاری مداوم و با یک فرمول صحیح است تا موجب جلوگیری از خوردگی، کاهش اصطکاک، افزایش طول عمر مفید و اطمینان از کارآمدی شود.
کاربردهای بال اسکرو (Ball-Screw)
درگذشته، قبل از اینکه تکنولوژی ساخت بال اسکرو اختراع شود، از سیستم پیچ و مهره برای ایجاد حرکت، جلو و عقب بردن محورها و میزها استفاده می‌شد. یکی از مشکلاتی که در اثر این سیستم قدیمی به‌وجود می‌آمد، خوردگی و سایش و در نهایت لق‌شدن مکانیزم حرکت در اثر حرکت‌های لغزشی موجود بین دو سطح پیچ و مهره بود. بنابراین برای رفع مشکل ذکر شده، صنعتگران و متخصصین تغییرات بسیار شایانی در نوع دنده‌های پیچ و مهره‌ها ایجاد نمودند.
نتیجه‌ی تغییرات این بود که به جای استفاده و بهره‌گیری از پیچ و مهره‌هایی با سطح مقطع مثلثی شکل، از پیچ و مهره‌هایی با سطح مقطعی ذوزنقه‌ای شکل که تا حدی شبیه به مستطیل می‌باشند، استفاده و بهره‌گیری نمودند. از این نوع و مدل پیچ و مهره‌ها هنوز نیز در میز دستگاه‌های فرز و تراش معمولی استفاده می‌شود. این نوع و مدل از پیچ و مهره‌ها نیز هنوز دچار مشکل بودند، زیرا باید یک لقی مشخص ما بین پیچ و مهره، برای روان کار کردن این سیستم به وجود می‌آوردند.
یکی دیگر از بزرگترین معایب این سیستم پیچ و مهره، ساییده‌شدن و از دست‌دادن دقت در مدت زمان کوتاه بود. علت عیب این سیستم پیچ و مهره این بود که، زمانی‌که به اصطلاح پیچ راست گرد می‌شد، یک طرف مهره درگیر بود و زمانی‌که به اصطلاح پیچ چپ گرد می‌شد، در ابتدا لقی طی می‌شد تا به طرف دیگر برسد و سپس طرف دیگر را درگیر می‌کرد.
متخصصین و صنعتگران برای رفع این مشکل دوباره دست به تغییراتی زدند. اختراعی جدید موجب شد تا بخش اعظمی از مشکلات سیستم پیچ و مهره قبلی حل شود. نام این اخراع جدید، سیستم لید اسکرو بود. در این سیستم جدید، از دو مهره به جای یک مهره استفاده شد و بین دو مهره فنری تعبیه و قرار داده شد.
عملکرد این فنر به این صورت بود که، با تنطیماتی که توسط پیچ‌ها انجام می‌شد، موجب می‌گردید که در هر صورت (چپ گرد و راست گرد) دو طرف مهره‌ها درگیر باشند و با راست گرد یا چپ گرد شدن، لقی به حداقل برسد و در جاهایی که پیچ خورده یا ساییده شده است، فنر رها و باز شده و خود را تنظیم نماید.
این سیستم نیز در عین اینکه عملکرد بسیار بهتر و مناسب‌تری نسبت به تکنولوژی‌های قبلی خود داشت. یک ایراد بزرگ و مهم هنوز درآن رفع نشده بود و آن لغزش سطوح بود. اما