Ball Screw Lead Selection Guide for Injection Molding | YOSO

Cum ball screws specificantur pro machinis electricis totius injectionis molding, una ex maxime consequentibus decisionibus est etiam una ex maxime saepe neglectis: vitis duce . Helix — distantia quam nutus movetur per unam revolutionem axis visco — directe determinat relationem inter celeritatem motoris, celeritatem linearem et vim thrust.

Si helix nimis subtilis eligitur, machina non potest attingere celeritates injectionis requisitas. Si helix nimis crassa eligitur, vim thrust et resolutionem positionis amittis. Recte eligere significat machinam omnes metas performance attingere; erronee eligere significat celeritatem, vim aut praecisionem compromittere.

Hoc manuale explicat quomodo ductus surculi sphaerici operatur, quae sunt commutationes implicatae, et quomodo optime ductum eligitur pro singulis axibus machinae formandi per injectionem.

Quid est ductus surculi sphaerici?

The ducere ductus surculi sphaerici est distantia linearis qua nutus progreditur una cum una plena rotatione 360° axis surculi. Metiturur in millimetris per revolutionem (mm/rev).

Communia magnitudines ductus pro applicationibus formandi per injectionem includunt:

• Ductus tenuis : 5 mm, 6 mm, 8 mm, 10 mm/rev
• Ductus media : 16 mm, 20 mm, 25 mm/rev
• Ductus alti : 32 mm, 40 mm, 50 mm/rev
• Ultra-high leads : 63 mm, 80 mm, 100 mm/rev

Important: Lead ≠ pitch Pitch is the distance between adjacent thread crests. For single-start screws, lead equals pitch. For multi-start screws (2-start, 4-start, etc.), lead = pitch × number of starts. High-lead ball screws are almost always multi-start designs to maintain proper ball size and load capacity.

The Fundamental Trade-Off: Speed vs Thrust

Ball screw lead creates an inverse relationship between linear speed and thrust force, governed by basic mechanical principles:

Linear speed = Screw RPM × Lead

• Doubling the lead doubles the linear speed at the same RPM
• Example: 1,500 RPM × 10 mm lead = 15 m/min; 1,500 RPM × 20 mm lead = 30 m/min

Thrust force = Torque × 2π / Lead × Efficiency

• Duplicatio ductus dimidiat vim propulsivam ad eandem torquem
• Exemplum: torques 10 Nm × 2π / 0.01 m × 90% eff = ~5 650 N; cum ductu 20 mm → ~2 825 N

Hoc est fundamentale commerctium:

• Ductus subtilis → alta vis propulsiva, parva celeritas, alta resolutio positionis
• Ductus altus → parva vis propulsiva, alta celeritas, inferior resolutio positionis

Officium ingeniorum designatorum est invenire ductum qui simul satisfaciat exigentiam celeritatis ET exigentiam vis propulsivae, data torqua motoris disponibili.

Selectio ductus pro axe machinae formandi per injectionem

Unusquisque axis machinae formandi per injectionem habet diversas exigentias celeritatis et fortitudinis, ideo unusquisque requirit propriam strategiam ductus.

1. Axis Clamping

Recomendatum: Ductus Subtilis ad Medium (10–20 mm/rev)

Axis clamping requirit maximam vim thrust et velocitatem modicam. Vis claudendi formae variare potest ab 50 kN in machinis parvis usque ad plus quam 5 000 kN in machinis magnae tonnaginis.

Cur ductus subtilis ad medium:

• Magnus praevantagium mechanicum generat vim clamping immensam ex torque motoris rationabili
• Velocitas est acceptabilis — cursus clamping sunt operationes relativae lentes
• Resolutio subtilis permittit positionem praecisam protectionis formae (clausura pressione parva)

Exempla typica:

• Machina parva (50–100T): ductus 16 mm, viscus Ø40 mm
• Machina media (200–350T): ductus 20 mm, viscus Ø50–63 mm
• Machina magna (500T+): ductus 16–20 mm, cochlea Ø80–100 mm (saepius designum cochleae duplex)

Consideratio Principalis: Axes claudendi saepius utuntur cochleis maximis diametris cum ductibus finissimis ad dimensionem axis, ut potentia thrust maxima obtineatur.

2. Axis injectionis

Recomendatum: ductus mediocris ad altus (20–40 mm/rev)

Axis injectionis necesse est ut utatur et velocitate alta (ad implendum partes parietum tenuium cito) et vi magna (ad comprimendum et tenendum pressionem). Hic est axis difficillimus pro electione ductus, quia ambas extremitates spectri velocitatis/vi impellit.

Cur ductus mediocris ad altum:

• Necesse est ut velocitates injectionis 100–300 mm/s attingantur pro applicationibus parietum tenuium et imballagii
• Etiam necesse est ut vim injectionis 50–200 kN generent pro comprimendo
• Ductus mediocres optime aequilibriunt utrumque requisitum

Exempla typica:

• Ad usum generalem (100–200T): ductus 20–25 mm, cochlea Ø40–50 mm
• Emballage à haute vitesse : pas de 32–40 mm, vis de Ø50–63 mm
• Précision / optique : pas de 16–20 mm, vis de Ø32–40 mm (privilégie la résolution plutôt que la vitesse)

Consideratio Principalis: Pour l’injection à haute vitesse, le pas est souvent le facteur limitant de la vitesse maximale d’injection. Si la vitesse requise dépasse ce que peut fournir un pas standard à la vitesse maximale du moteur, une vis à pas plus élevé est nécessaire — mais uniquement si le moteur fournit suffisamment de couple pour maintenir la force d’injection à ce pas.

3. Axis Eiectionis

Recommandé : pas moyen (10–20 mm/tour)

L’éjection exige une vitesse modérée et une force relativement faible comparée au serrage ou à l’injection.

Pourquoi un pas moyen :

• Les forces d’éjection sont typiquement de 5–20 % de la force de serrage
• La vitesse est importante pour le temps de cycle, mais moins critique que la vitesse d’injection
• Résolution suffisamment fine pour un positionnement précis des broches d’éjection

Exempla typica:

• Machine petite : pas de 10 mm, vis de Ø20–25 mm
• Medium machine: 16 mm lead, Ø32–40 mm screw
• Large machine: 20 mm lead, Ø40–50 mm screw

4. Translatio Unitatis Injectionis / Contactus Oriculi

Recommended: Medium to High Lead (20–32 mm/rev)

Nozzle touch is a low-force, moderate-speed axis. Higher leads work well here because force requirements are minimal.

Why higher lead:

• Low force requirement means mechanical advantage is not critical
• Faster traverse reduces cycle time
• Coarser resolution is acceptable for nozzle contact

How to Calculate the Right Lead

The lead selection process involves checking both speed and force requirements against the available motor.

Gradus 1: Determina velocitas linearis requirita Calcula maximam velocitatem linearem quam axis attingere debet:

• Axis injectionis: velocitas injectionis (mm/s) × 60 = mm/min
• Axis claudendi: velocitas claudendi formae (mm/s) × 60 = mm/min

Gradus 2: Calcula RPM visum cochleae RPM = velocitas linearis requirita (mm/min) ÷ passus (mm/rev)

Verifica ut hic RPM intra velocitatem nominalem motoris sit ET intra velocitatem criticam cochleae et valorem DN.

Gradus 3: Calcula torquem motricem requiritam Torque (Nm) = vis impellens (N) × passus (m/rev) ÷ (2π × efficacia)

Ubi efficacia typice est 0.85–0.95 pro cochleis sphaericis.

Controlla che questa coppia rientri nei valori nominali continui e di picco del motore.

Passo 4: Verifica della risoluzione di posizionamento Movimento incrementale minimo = Passo ÷ (Risoluzione dell’encoder del motore × Rapporto di riduzione)

Assicurati che questo valore sia più fine della precisione di posizionamento richiesta per l’applicazione.

Viti a più principi: Alto passo senza sacrificare la capacità di carico

Un errore comune è ritenere che le viti ad alto passo abbiano minore capacità di carico. Ciò non è necessariamente vero, grazie a progettazione di vite a più principi .

Vite a singolo principio vs a più principi:

• A singolo principio : Un filetto continuo. Passo = passo.
• 2-start : Duo fili paralleli. Passo = 2 × passo fondamentale.
• 4-start : Quattuor fili paralleli. Passo = 4 × passo fondamentale.

Viti multi-start realizzant altum passum, manente rationabili passu fundamentalis (distantia inter filos adiacentes). Id significat:

• Magnitudo sphaerarum manet → capacitas oneris manet
• Magnitudo nucis manet → intermutabilitas servatur
• Solum passus mutatur → facultas velocitatis augescit

Exempli gratia, vitis Ø40 mm disponibilis est in:

• 40-5 (unius-start, passus 5 mm) — alta vis propulsiva, bassa velocitas
• 40-10 (2-start, 10 mm lead) — medium thrust, medium speed
• 40-20 (4-start, 20 mm lead) — lower thrust, high speed

Omnes eodem magnitudine sphaerarum utuntur et similes habent dynamicas oneris aestimationes, sed versio cum 20 mm lead quater maiorem velocitatem linearem ad eandem RPM praebet.

Valor DN: Occulta restrictio

Cum ducem pro applicationibus altius velocitatis seligis, etiam Valorem DN — productum diametri surculi (D, mm) et velocitatis rotationis (N, RPM) — inspicere debes. Valor DN mensuram praebet quanta celeritate sphaerae intra nucleum moventur, et habet maximum limitum quod a structura surculi et lubrificatione determinatur.

Valor DN: Occulta restrictio

Cum ducem pro applicationibus altius velocitatis seligis, etiam Valorem DN — productum diametri surculi (D, mm) et velocitatis rotationis (N, RPM) — inspicere debes. Valor DN mensuram praebet quanta celeritate sphaerae intra nucleum moventur, et habet maximum limitum quod a structura surculi et lubrificatione determinatur.

Typici limites DN:

• Surculi praecisi politi standard: ~70 000–100 000 DN
• Surculi ad altam velocitatem optimati: ~120 000–160 000 DN
• Designes speciales ultra-rapidas: usque ad 220 000 DN

Cur hoc ad selectionem ductus pertinet: Si velocitatem linearem 30 m/min cum ductu 10 mm requiris, hoc est 3 000 rpm. Pro tornillo Ø40 mm, DN = 40 × 3 000 = 120 000 — quod fortasse superat valorem permisum tornilli.

Cum ductu 20 mm, tantum 1 500 rpm ad eandem velocitatem linearem 30 m/min requiruntur. DN = 40 × 1 500 = 60 000 — bene infra limites.

Perspicere Clavem: Tornilli cum ductu maiore ad minorem rpm current pro eadem velocitate lineari, quod valorem DN minuit et vitam operativam prolongat. Hoc est causa principalis cur tornilli cum ductu alto in applicationibus injectionis alti velocitatis praeferrantur.

Errores communes in selectione ductus

Error 1: Ductum secundum velocitatem solam eligere Multi ingeniores ductum dimensant ut velocitatem quaesitam attingant, sed vim trahentem verificare obliviscuntur. Ex eo fit machina quae celeriter movetur sed pressionem injectionis aut vim claudendi sufficientem generare non potest. Semper utrumque, velocitatem ET vim, verificare oportet.

Error 2: Ductum «ut tutum sit» nimis magnificare Ductus maior quam necessarius significat:

• Minus mechanical advantage → motor maior et carior requiritur
• Resolutio positionis crassior → fortasse exigentias praecisionis non implet
• Inertia maior ad motorem reflectitur → difficultates in sintonisatione

Error 3: Velocitatem criticam negligere Scrupuli longi cum ductibus magnis forte supra velocitatem criticam operantur ad maxima revolutionum per minutum, quae vibrationes periculosas generant. Semper velocitas critica pro diametro, longitudine et configuratione sustentationis calculanda est.

Error 4: Accelerationem oblivisci Axes formandi per injectionem accelerant et decelerant cito. Momentum pro acceleratione necessarium ad momentum pro vi thrust additur. Si ductus nimis subtilis est, motor fortasse momentum sufficiens pro acceleratione cito non habet, etiam si vis in statu aequilibrii satis est.

Tabula adhibendi ductus brevis

tabula

Axis	Intervalum ductus typicum	Screw Diameter Range	PRAECELLENS
Tenendo	10–20 mm/rev	ø40–100 mm	Fortis impellens > celeritas
Iniectio (generalis)	20–25 mm/rev	ø32–50 mm	Celeritas et fortis impellens aequilibratae
Iniectio (celerissima)	32–40 mm/rev	ø40–63 mm	Celeritas > fortis impellens
Injection (precision)	16–20 mm/rev	ø32–40 mm	Resolution > speed
Ejector	10–20 mm/rev	ø20–50 mm	Aequilibratum
Contactus nozzle	20–32 mm/rev	ø20–32 mm	Celeritas > fortis impellens

Conclusio

Ball screw lead is a fundamental parameter that shapes the performance character of every axis on an all-electric injection molding machine. It is the lever that trades speed for force — and finding the right balance is essential.

Puncta Clave:

• Axes claudendi : Fine leads for maximum thrust
• Axes injectionis : Ductus medi pro velocitate et vi aequilibrata; ductus alti pro machinis parietum tenuium vel altius velocitatis
• Axes eiectionis : Ductus medi pro velocitate et vi modicis
• Designium multi-initiale consequitur ductum altum sine detrimento capacitas oneris
• Valorem DN saepius praefert ductus altiores pro applicationibus altius velocitatis (RPM minor = DN minor)

Per ducem ductum ad singulos axes, qui requirunt specifice velocitatem, vim et praecisionem, fabricatores machinarum et ingeniarii renovationis optimizare possunt operationem, minuere magnitudinem et pretium motoris, et maximizare vitam servitii coniuncturae surculi sphaerici.