Průvodce výběrem závitu kuličkového šroubu pro vstřikování | YOSO

Při specifikaci kuličkových šroubů pro plně elektrické vstřikovací stroje je jedním z nejdůležitějších rozhodnutí také jedno z nejčastěji opomínaných: tah šroubu závit — vzdálenost, kterou se matice posune při jedné otáčce hřídele šroubu — přímo určuje vztah mezi otáčkami motoru, lineární rychlostí a tlačnou silou.

Zvolíte-li příliš jemný stoupání, stroj nedosáhne požadovaných rychlostí vstřikování. Zvolíte-li příliš hrubé stoupání, ztratíte tahovou sílu a rozlišení polohování. Správná volba znamená, že stroj splní všechny cíle výkonu; nesprávná volba znamená kompromis mezi rychlostí, silou nebo přesností.

Tento průvodce vysvětluje, jak funguje stoupání kuličkového šroubu, jaké jsou související kompromisy a jak vybrat optimální stoupání pro každou osu vstřikovacího stroje.

Co je stoupání kuličkového šroubu?

The olovo stoupání kuličkového šroubu je lineární vzdálenost, o kterou se matice posune při jednom úplném 360° otáčení hřídele šroubu. Měří se v milimetrech za otáčku (mm/rev).

Běžné velikosti stoupání pro aplikace ve vstřikování zahrnují:

• Jemné stoupání : 5 mm, 6 mm, 8 mm, 10 mm/rev
• Střední stoupání : 16 mm, 20 mm, 25 mm/rev
• Vysoké stoupání : 32 mm, 40 mm, 50 mm/otáčka
• Ultra-vysoké závity : 63 mm, 80 mm, 100 mm/otáčka

Důležité: závit ≠ rozteč Rozteč je vzdálenost mezi sousedními vrcholy závitu. U jednochodých šroubů se závit rovná rozteči. U vícechodých šroubů (dvouchodých, čtyřchodých atd.) se závit rovná rozteči × počet chodů. Šrouby s vysokým závitem jsou téměř vždy vícechodého provedení, aby bylo možné udržet vhodnou velikost kuliček a nosnost.

Základní kompromis: rychlost versus tahová síla

Závit kuličkového šroubu vytváří nepřímou závislost mezi lineární rychlostí a tahovou silou, která vyplývá ze základních mechanických principů:

Lineární rychlost = otáčky šroubu × závit

• Zdvojnásobení závitu zdvojnásobí lineární rychlost při stejných otáčkách
• Příklad: 1 500 otáček/min × závit 10 mm = 15 m/min; 1 500 otáček/min × závit 20 mm = 30 m/min

Tahová síla = Krouticí moment × 2π / závitu délka × účinnost

• Zdvojnásobení závitu délky snižuje tahovou sílu na polovinu při stejném krouticím momentu
• Příklad: 10 Nm krouticího momentu × 2π / 0,01 m × účinnost 90 % = přibližně 5 650 N; při závitu délce 20 mm → přibližně 2 825 N

Jde o základní kompromis:

• Malá závitu délka → vysoká tahová síla, nízká rychlost, vysoké rozlišení polohování
• Velká závitu délka → nízká tahová síla, vysoká rychlost, nižší rozlišení polohování

Úkolem konstruktéra je najít závitu délku, která splňuje jak požadavek na rychlost, tak požadavek na tahovou sílu za daného dostupného krouticího momentu motoru.

Výběr závitu délky pro osu vstřikování

Každá osa vstřikovacího stroje má jiné požadavky na rychlost a sílu, takže každá vyžaduje jinou strategii závitu.

1. Uzavírací osa

Doporučeno: jemný až střední závit (10–20 mm/ot.)

Uzavírací osa vyžaduje maximální tahovou sílu a střední rychlost. Síla uzavírání formy se pohybuje od 50 kN u malých strojů až po více než 5 000 kN u velkých strojů s vysokou nosností.

Proč jemný až střední závit:

• Vysoký mechanický převod umožňuje generovat obrovskou uzavírací sílu z rozumného točivého momentu motoru
• Rychlost je přijatelná – uzavírání formy je poměrně pomalá operace
• Vysoké rozlišení umožňuje přesné nastavení ochrany formy (uzavírání za nízkého tlaku)

Typické příklady:

• Malý stroj (50–100 T): závit 16 mm, průměr šroubu 40 mm
• Střední stroj (200–350 T): závit 20 mm, průměr šroubu 50–63 mm
• Velký stroj (500 T a více): závit 16–20 mm, šroub průměru Ø80–100 mm (často dvoušroubový design)

Hlavní uvažování: Upevňovací osy obvykle používají šrouby největšího průměru s nejjemnějším závitem vzhledem k průměru hřídele, což maximalizuje tahovou kapacitu.

2. Injekční osa

Doporučeno: střední až vysoký závit (20–40 mm/ot.)

Injekční osa vyžaduje jak vysokou rychlost (pro rychlé naplnění tenkostěnných dílů), tak významnou sílu (pro tlakové a udržovací fáze). Jedná se o nejnáročnější osu pro výběr závitu, protože zároveň vyžaduje extrémní hodnoty rychlosti i síly.

Proč střední až vysoký závit:

• Musí dosahovat injekčních rychlostí 100–300 mm/s pro tenkostěnné a balicí aplikace
• Musí také generovat injekční sílu 50–200 kN pro tlakovou fázi
• Střední závity poskytují nejlepší rovnováhu mezi těmito dvěma požadavky

Typické příklady:

• Univerzální stroje (100–200 T): závit 20–25 mm, šroub průměru Ø40–50 mm
• Rychlé balení: závit s roztečí 32–40 mm, šroub průměru Ø50–63 mm
• Přesné / optické: závit s roztečí 16–20 mm, šroub průměru Ø32–40 mm (upřednostňuje rozlišení před rychlostí)

Hlavní uvažování: U vysokorychlostního vstřikování je často rozteč závitu omezujícím faktorem maximální vstřikovací rychlosti. Pokud požadovaná rychlost překročí to, co standardní rozteč dokáže dosáhnout při maximálních otáčkách motoru, je nutný šroub s vyšší roztečí – avšak pouze tehdy, pokud má motor dostatečný krouticí moment k udržení vstřikovací síly při této rozteči.

3. Vyhazovací osa

Doporučeno: střední rozteč (10–20 mm/otáčka)

Vyhazování vyžaduje střední rychlost a relativně nízkou sílu ve srovnání se svíráním nebo vstřikováním.

Proč střední rozteč:

• Vyhazovací síly jsou typicky 5–20 % svírací síly
• Rychlost je důležitá pro dobu cyklu, ale není tak kritická jako vstřikovací rychlost
• Dostatečně jemné rozlišení pro přesné nastavení polohy vyhazovacích kolíků

Typické příklady:

• Malý stroj: rozteč 10 mm, šroub průměru Ø20–25 mm
• Střední stroj: závit 16 mm, šroub průměru Ø32–40 mm
• Velký stroj: závit 20 mm, šroub průměru Ø40–50 mm

4. Posuv vstřikovací jednotky / dotyk trysky

Doporučeno: střední až vysoký závit (20–32 mm/ot.)

Dotyk trysky je osa s nízkou silovou zátěží a střední rychlostí. Vyšší závity zde fungují dobře, protože požadavky na sílu jsou minimální.

Proč vyšší závit:

• Nízký požadavek na sílu znamená, že mechanický převod není kritický
• Vyšší rychlost posuvu snižuje dobu cyklu
• Hrubší rozlišení je pro kontakt trysky přijatelné

Jak vypočítat správný závit

Výběr závitu zahrnuje kontrolu požadavků na rychlost i sílu proti dostupnému motoru.

Krok 1: Určete požadovanou lineární rychlost Vypočítejte maximální lineární rychlost, kterou osa musí dosáhnout:

• Injekční osa: rychlost vstřikování (mm/s) × 60 = mm/min
• Uzavírací osa: rychlost uzavření formy (mm/s) × 60 = mm/min

Krok 2: Vypočítejte požadované otáčky šroubu Otáčky (ot/min) = požadovaná lineární rychlost (mm/min) ÷ stoupání (mm/ot)

Zkontrolujte, zda jsou tyto otáčky v rozsahu jmenovitých otáček motoru A TAKÉ v rozsahu kritických otáček šroubu a hodnoty DN.

Krok 3: Vypočítejte požadovaný krouticí moment motoru Moment (Nm) = tlačná síla (N) × stoupání (m/ot) ÷ (2π × účinnost)

Účinnost je typicky 0,85–0,95 u kuličkových šroubů.

Zkontrolujte, zda tento krouticí moment leží v rámci trvalého a maximálního krouticího momentu motoru.

Krok 4: Ověřte rozlišení polohování Minimální přírustkový posun = závitová výška ÷ (rozlišení enkodéru motoru × převodový poměr)

Ujistěte se, že je jemnější než požadovaná přesnost polohování pro danou aplikaci.

Vícechodé šrouby: vysoká závitová výška bez obětování nosné kapacity

Běžný omyl je, že šrouby s vysokou závitovou výškou mají nižší nosnou kapacitu. To není nutně pravda díky konstrukci vícechodých šroubů .

Jednochodý versus vícechodý šroub:

• Jednochodý : Jeden souvislý závit. Závitová výška = stoupání.
• 2-závitový : Dva paralelní závity. Stoupání = 2 × rozteč.
• 4-závitový : Čtyři paralelní závity. Stoupání = 4 × rozteč.

Vícezávitové šrouby umožňují vysoké stoupání při zachování rozumné rozteče (vzdálenosti mezi sousedními závity). To znamená:

• Velikost kuliček zůstává stejná → nosnost zůstává stejná
• Velikost matice zůstává stejná → zachová se vzájemná výměnnost
• Mění se pouze stoupání → zvyšuje se rychlostní schopnost

Například šroub průměru Ø40 mm je dostupný v provedeních:

• 40-5 (jednozávitový, stoupání 5 mm) — vysoká tahová síla, nízká rychlost
• 40-10 (2 začátky, závitový skok 10 mm) — střední tah, střední rychlost
• 40-20 (4 začátky, závitový skok 20 mm) — nižší tah, vysoká rychlost

Všechny používají stejnou velikost kuliček a mají podobné dynamické nosnosti, avšak verze se závitovým skokem 20 mm dosahuje při stejném počtu otáček 4× vyšší lineární rychlost.

Hodnota DN: Skrytý omezení

Při výběru závitového skoku pro aplikace s vysokou rychlostí je také nutné zkontrolovat Hodnotu DN — součin průměru šroubu (D v mm) a otáček (N v min⁻¹). Hodnota DN udává, jak rychle se kuličky pohybují uvnitř matice, a má maximální povolenou hodnotu určenou konstrukcí šroubu a mazáním.

Hodnota DN: Skrytý omezení

Při výběru závitového skoku pro aplikace s vysokou rychlostí je také nutné zkontrolovat Hodnotu DN — součin průměru šroubu (D v mm) a otáček (N v min⁻¹). Hodnota DN udává, jak rychle se kuličky pohybují uvnitř matice, a má maximální povolenou hodnotu určenou konstrukcí šroubu a mazáním.

Typické limity DN:

• Standardní přesně broušené šrouby: ~70 000–100 000 DN
• Šrouby optimalizované pro vysokou rychlost: ~120 000–160 000 DN
• Speciální návrhy pro ultra-vysokou rychlost: až 220 000 DN

Proč je to důležité při výběru závitu: Pokud potřebujete lineární rychlost 30 m/min při závitu 10 mm, je to 3 000 ot/min. U šroubu průměru 40 mm je DN = 40 × 3 000 = 120 000 — což může překročit povolené hodnoty pro daný šroub.

Při závitu 20 mm stačí pro stejnou lineární rychlost 30 m/min pouze 1 500 ot/min. DN = 40 × 1 500 = 60 000 — což je dobře v rámci povolených limitů.

Hlavní poznatok: Šrouby s vyšším závitem běží při stejné lineární rychlosti na nižších otáčkách, čímž se snižuje hodnota DN a prodlužuje se životnost. To je hlavní důvod, proč se šrouby s vysokým závitem upřednostňují v aplikacích vstřikování vysokou rychlostí.

Běžné chyby při výběru závitu

Chyba 1: Výběr závitu pouze na základě rychlosti Mnoho inženýrů volí závit tak, aby dosáhlo požadované rychlosti, ale zapomene ověřit tahovou sílu. Výsledkem je stroj, který se pohybuje rychle, ale nedokáže vyvinout dostatečný vstřikovací tlak nebo uzavírací sílu. Vždy zkontrolujte jak rychlost, tak sílu.

Chyba 2: Záměrné zvětšení závitu „pro jistotu“ Závit vyšší než je nutné znamená:

• Nižší mechanické převodové poměry → vyžadují větší a dražší motor
• Hrubší rozlišení polohování → může nesplňovat požadavky na přesnost
• Vyšší setrvačnost přenášená na motor → obtíže s laděním

Chyba 3: Zanedbání kritické rychlosti Dlouhé šrouby s vysokým závitem mohou při maximálních otáčkách pracovat nad kritickou rychlostí, což způsobuje nebezpečné vibrace. Vždy vypočítejte kritickou rychlost pro zvolený průměr, délku a konfiguraci uložení.

Chyba 4: Zapomnění na zrychlení Osy pro vstřikování se rychle zrychlují a zpomalují. Krouticí moment potřebný pro zrychlení se přičítá ke krouticímu momentu potřebnému pro tlačnou sílu. Pokud je závit příliš jemný, nemusí mít motor dostatek krouticího momentu pro rychlé zrychlení, i když je ustálená síla v pořádku.

Přehledná tabulka pro výběr závitu

tabulka

Osy	Typický rozsah závitu	Rozsah průměru šroubu	PRIORITY
Upínání	10–20 mm/ot.	ø40–100 mm	Tlačná síla > rychlost
Vstřikování (obecné)	20–25 mm/ot.	ø32–50 mm	Vyvážená rychlost a síla
Vstřikování (vysokorychlostní)	32–40 mm/ot.	ø40–63 mm	Rychlost > síla
Vstřikování (přesnost)	16–20 mm/ot.	ø32–40 mm	Rozlišení > rychlost
Vývrtkový	10–20 mm/ot.	ø20–50 mm	Vyrovnaný
Dotek trysky	20–32 mm/ot.	ø20–32 mm	Rychlost > síla

Závěr

Krok kuličkového šroubu je základní parametr, který určuje výkon každé osy u plně elektrického vstřikovacího stroje. Je to páka, která vyvažuje rychlost a sílu – a nalezení správné rovnováhy je nezbytné.

Klíčové poznatky:

• Upevňovací osy : Jemné kroky pro maximální tahovou sílu
• Vstřikovací osy : Střední kroky pro vyváženou rychlost a sílu; velké kroky pro tenkostěnné a vysokorychlostní stroje
• Výstřikové osy : Střední závity pro střední rychlost a sílu
• Vícechodý design dosahuje vysokého závitu bez obětování nosné kapacity
• Hodnotu DN často upřednostňuje vyšší závity pro aplikace s vysokou rychlostí (nižší otáčky = nižší hodnota DN)

Přesným přizpůsobením závitu konkrétním požadavkům každé osy na rychlost, sílu a přesnost mohou výrobci strojů a inženýři provádějící modernizaci optimalizovat výkon, minimalizovat rozměry a náklady motoru a maximalizovat životnost sestavy kuličkového šroubu.