Veiledning for valg av kulestangstigning for injeksjonsformning | YOSO

Når man spesifiserer kulestenger for full-elektriske injeksjonsformningsmaskiner, er én av de mest avgjørende beslutningene også én av de som oftest overses: trådsteg stigningen — avstanden som mutteren beveger seg per én omdreining av skruens aksel — bestemmer direkte sammenhengen mellom motorens hastighet, lineær hastighet og drivkraft.

Velger du en for fin stigning, kan maskinen ikke oppnå de nødvendige injeksjonshastighetene. Velger du en for grov stigning, mister du kraft og presisjon i posisjonering. Å velge riktig stigning betyr at maskinen oppfyller alle ytelseskrav; å velge feil stigning fører til redusert hastighet, kraft eller nøyaktighet.

Denne veiledningen forklarer hvordan stigningen på kulegjenger fungerer, hvilke avveininger som er involvert, og hvordan du velger den optimale stigningen for hver akse på en injeksjonsmoldemaskin.

Hva er stigningen på en kulegjenger?

Den bly stigningen på en kulegjenger er den lineære avstanden som mutteren beveger seg ved én full 360°-rotasjon av skruens aksling. Den måles i millimeter per omdreining (mm/rev).

Vanlige stigningsstørrelser for injeksjonsmolding inkluderer:

• Fine stigninger : 5 mm, 6 mm, 8 mm, 10 mm/rev
• Mellomstigninger : 16 mm, 20 mm, 25 mm/rev
• Høye stigninger : 32 mm, 40 mm, 50 mm/omgang
• Ekstremt høye stigninger : 63 mm, 80 mm, 100 mm/omgang

Viktig: Stigning ≠ deling Deling er avstanden mellom naboganger på gjengen. For enkeltskruer er stigningen lik delingen. For multiskruegjenger (to-gang, fire-gang osv.) er stigningen lik delingen multiplisert med antall ganger. Ballskruer med høy stigning er nesten alltid multiskruekonstruksjoner for å opprettholde riktig kulestørrelse og lastkapasitet.

Den grunnleggende avveiningen: Hastighet vs. kraft

Stigningen på ballskruer skaper en omvendt sammenheng mellom lineær hastighet og kraft, styrt av grunnleggende mekaniske prinsipper:

Lineær hastighet = Skruens omdreininger per minutt × stigning

• Å doble stigningen dobler den lineære hastigheten ved samme omdreiningshastighet
• Eksempel: 1 500 omdr./min × 10 mm stigning = 15 m/min; 1 500 omdr./min × 20 mm stigning = 30 m/min

Støtkraft = Dreiemoment × 2π / Steglengde × Virkningsgrad

• Å doble steglengden halverer støtkraften ved samme dreiemoment
• Eksempel: 10 Nm dreiemoment × 2π / 0,01 m × 90 % virkningsgrad = ca. 5 650 N; med 20 mm steglengde → ca. 2 825 N

Dette er den grunnleggende avveiningen:

• Fin steglengde → høy støtkraft, lav hastighet, høy posisjonsnøyaktighet
• Høy steglengde → lav støtkraft, høy hastighet, lavere posisjonsnøyaktighet

Oppgaven til konstruktøren er å finne den steglengden som oppfyller både hastighetskravet OG støtkraftkravet, gitt det tilgjengelige motordreiemomentet.

Steglengdevalg for injeksjonsformingsakse

Hver akse på en injeksjonssprøytemaskin har ulike krav til hastighet og kraft, så hver akse krever en egen føringstrategi.

1. Klemmeakse

Anbefalt: Fin til medium føring (10–20 mm/omdreining)

Klemmeaksen krever maksimal trykkraft og moderat hastighet. Mouldklemmekraften kan variere fra 50 kN på små maskiner til over 5 000 kN på store tonnmaskiner.

Hvorfor fin til medium føring:

• Høy mekanisk fordel gir enorm klemmekraft fra rimelig motordreiemoment
• Hastigheten er akseptabel – klemmestøt er relativt langsomme operasjoner
• Fin oppløsning tillater nøyaktig posisjonering for moldbeskyttelse (lågtrykkslukking)

Typiske eksempler:

• Liten maskin (50–100 T): 16 mm føring, Ø40 mm skrue
• Medium maskin (200–350 T): 20 mm føring, Ø50–63 mm skrue
• Stor maskin (500 T+): 16–20 mm stigning, skrue med diameter 80–100 mm (ofte dobbeltskruekonstruksjon)

Viktig vurdering: Klemaksene bruker vanligvis skruer med størst diameter og fineste stigning i forhold til akseldiameteren, for å maksimere kraftkapasiteten.

2. Injeksjonsakse

Anbefalt: Medium til høy stigning (20–40 mm/omdreining)

Injeksjonsaksen krever både høy hastighet (for rask fylling av tynnveggige deler) og betydelig kraft (for pakking og holdetrykk). Dette er den mest utfordrende aksen når det gjelder valg av stigning, siden den krever både høy hastighet og stor kraft.

Hvorfor medium til høy stigning:

• Må oppnå injeksjonshastigheter på 100–300 mm/s for tynnveggige og emballasjeapplikasjoner
• Må også generere 50–200 kN injeksjonskraft for pakking
• Medium stigning gir best balanse mellom disse to kravene

Typiske eksempler:

• Allsidig bruk (100–200 T): 20–25 mm stigning, skrue med diameter 40–50 mm
• Høyfartspakking: 32–40 mm stigning, Ø50–63 mm skrue
• Presisjon / optisk: 16–20 mm stigning, Ø32–40 mm skrue (prioriterer oppløsning fremfor fart)

Viktig vurdering: Ved høyfartsinjeksjon er stigningen ofte den begrensende faktoren for maksimal injeksjonsfart. Hvis den nødvendige farten overstiger det som en standardstigning kan levere ved motorens maksimale omdreiningstall, kreves en skrue med større stigning – men bare hvis motoren har tilstrekkelig dreiemoment til å opprettholde injeksjonskraften ved denne stigningen.

3. Utstøtningsakse

Anbefalt: Medium stigning (10–20 mm/omdreining)

Utstøting krever moderat fart og relativt lav kraft sammenlignet med klemkraft eller injeksjon.

Hvorfor medium stigning:

• Utstøtingskrefter er typisk 5–20 % av klemkraften
• Fart er viktig for syklustiden, men ikke like kritisk som injeksjonsfart
• Tilstrekkelig fin oppløsning for nøyaktig posisjonering av utstøtningspinner

Typiske eksempler:

• Liten maskin: 10 mm stigning, Ø20–25 mm skrue
• Medium maskin: 16 mm stigning, skrue med diameter 32–40 mm
• Stor maskin: 20 mm stigning, skrue med diameter 40–50 mm

4. Injeksjonsenhetens bevegelse / Dysekontakt

Anbefalt: Medium til høy stigning (20–32 mm/omdreining)

Dysekontakt er en akse med lav kraft og moderat hastighet. Høyere stigning fungerer godt her fordi krevene til kraft er minimale.

Hvorfor høyere stigning:

• Lav kraftkrav betyr at mekanisk fordel ikke er avgjørende
• Høyere hastighet reduserer syklustid
• Grovere oppløsning er akseptabel for dysekontakt

Slik beregner du riktig stigning

Valg av stigning innebærer å sjekke både hastighets- og kraftkrav mot den tilgjengelige motoren.

Steg 1: Bestem nødvendig lineær hastighet Beregn den maksimale lineære hastigheten aksen må oppnå:

• Injeksjonsakse: injeksjonshastighet (mm/s) × 60 = mm/min
• Klemmeakse: moldelukkehastighet (mm/s) × 60 = mm/min

Steg 2: Beregn nødvendig skruestangens omdreiningshastighet (RPM) RPM = Nødvendig lineær hastighet (mm/min) ÷ stigning (mm/omdreining)

Sjekk at denne RPM-verdien ligger innenfor motorens nominelle hastighet OG skruestangens kritiske hastighet og DN-verdi.

Steg 3: Beregn nødvendig motordreiemoment Dreiemoment (Nm) = Krafthøyde (N) × stigning (m/omdreining) ÷ (2π × virkningsgrad)

Der virkningsgraden vanligvis er 0,85–0,95 for kulestenger.

Sjekk at dette dreiemomentet ligger innenfor motorens kontinuerlige og maksimale dreiemomentverdier.

Steg 4: Bekreft oppløsningsnøyaktighet for posisjonering Minste inkrementell bevegelse = Steglengde ÷ (Motor-encodernøyaktighet × Girforhold)

Sørg for at dette er finere enn den nødvendige posisjonsnøyaktigheten for applikasjonen.

Flertrådete skruer: Høy ste glengde uten redusert belastningsevne

En vanlig misoppfatning er at skruer med høy ste glengde har lavere belastningsevne. Dette er ikke nødvendigvis riktig, takket være flertrådet skruedesign .

Enkeltrådet versus flertrådet:

• Enkeltrådet : Én sammenhengende tråd. Steglengde = stigning.
• 2-start : To parallel gjenger. Steg = 2 × stigning.
• 4-start : Fire parallel gjenger. Steg = 4 × stigning.

Flere-start-gjenger oppnår høy steg samtidig som en rimelig stigning (avstand mellom nabogjenger) bevares. Dette betyr:

• Kulestørrelse forblir den samme → belastningskapasitet forblir den samme
• Mutterstørrelse forblir den samme → utvekslingsbarhet opprettholdes
• Bare stegen endres → hastighetskapasitet øker

For eksempel er en skrue med diameter Ø40 mm tilgjengelig i:

• 40-5 (enkel-start, 5 mm steg) — høy kraft, lav hastighet
• 40-10 (2-start, 10 mm stigning) — middels kraft, middels hastighet
• 40-20 (4-start, 20 mm stigning) — lavere kraft, høy hastighet

Alle bruker samme kulestørrelse og har tilsvarende dynamiske lastvurderinger, men versjonen med 20 mm stigning gir 4× så høy lineær hastighet ved samme omdreiningstall.

DN-verdi: Den skjulte begrensningen

Ved valg av stigning for høyhastighetsapplikasjoner må du også sjekke DN-verdien — produktet av skruestørrelse (D, mm) og rotasjonshastighet (N, omdr/min). DN er et mål på hvor raskt kulene beveger seg inni mutteren, og den har en maksimal grense som bestemmes av skruens konstruksjon og smøring.

DN-verdi: Den skjulte begrensningen

Ved valg av stigning for høyhastighetsapplikasjoner må du også sjekke DN-verdien — produktet av skruestørrelse (D, mm) og rotasjonshastighet (N, omdr/min). DN er et mål på hvor raskt kulene beveger seg inni mutteren, og den har en maksimal grense som bestemmes av skruens konstruksjon og smøring.

Typiske DN-grenser:

• Standard presisjonsbearbeidede skruer: ca. 70 000–100 000 DN
• Høyhastighetsoptimaliserte skruer: ca. 120 000–160 000 DN
• Ekstra-høyhastighets-spesialdesigner: opp til 220 000 DN

Hvorfor dette er viktig ved valg av stigning: Hvis du trenger 30 m/min lineær hastighet med en stigning på 10 mm, tilsvarer det 3000 omdreininger per minutt (RPM). For en skrue med diameter 40 mm er DN = 40 × 3000 = 120 000 – noe som kan overstige skruens maksimalt tillatte verdi.

Med en stigning på 20 mm trenger du bare 1500 RPM for samme lineære hastighet på 30 m/min. DN = 40 × 1500 = 60 000 – godt innenfor grensene.

Nøkkelinsikt: Skruer med høyere stigning opererer ved lavere RPM for samme lineære hastighet, noe som reduserer DN-verdien og utvider levetiden. Dette er en viktig grunn til at skruer med høy stigning foretrekkes i hurtige injeksjonsapplikasjoner.

Vanlige feil ved valg av stigning

Feil nr. 1: Å velge stigning utelukkende basert på hastighet Mange ingeniører dimensjonerer stigningen for å oppnå målhastigheten, men glemmer å sjekke kraftkravet. Resultatet blir en maskin som beveger seg raskt, men ikke kan generere tilstrekkelig injeksjonstrykk eller klemmekraft. Sjekk alltid både hastighet OG kraft.

Feil nr. 2: Å velge for stor stigning «bare for å være sikker» En større stigning enn nødvendig betyr:

• Lavere mekanisk fordel → større, dyrere motor nødvendig
• Grovere posisjonsoppløsning → kan ikke oppfylle presisjonskravene
• Høyere treghetsmoment reflektert til motoren → justeringsutfordringer

Feil 3: Å overse kritisk hastighet Lange skruer med høye stigninger kan virke over kritisk hastighet ved maksimal omdreiningstall, noe som fører til farlig vibrasjon. Beregn alltid kritisk hastighet for den valgte diameteren, lengden og støttekonfigurasjonen.

Feil 4: Å glemme akselerasjon Aksene i injeksjonsmolding akselererer og deakselererer raskt. Drehmomentet som kreves for akselerasjon legges til drehmomentet som kreves for trykkraften. Hvis stigningen er for fin, kan motoren ikke ha nok drehmoment for rask akselerasjon, selv om statisk kraft er tilstrekkelig.

Hurtigreferansetabell for stigningsvalg

tabell

Akkser	Typisk stigningsområde	Skruediameterområde	PRIORITY
Klemming	10–20 mm/omd	ø40–100 mm	Støtkraft > hastighet
Injeksjon (generell)	20–25 mm/runde	ø32–50 mm	Balansert hastighet og kraft
Injeksjon (høyhastighets)	32–40 mm/runde	ø40–63 mm	Hastighet > kraft
Injeksjon (presisjon)	16–20 mm/omdr	ø32–40 mm	Oppløsning > hastighet
Utskilling	10–20 mm/omd	ø20–50 mm	Balansert
Dysekontakt	20–32 mm/omdr	ø20–32 mm	Hastighet > kraft

Konklusjon

Kulegjenget stangens stigning er en grunnleggende parameter som påvirker ytelsesegenskapene til hver akse på en fullt elektrisk injeksjonsmoldemaskin. Den er mekanismen som veksler mellom hastighet og kraft – og å finne riktig balanse er avgjørende.

Viktige punkter:

• Klemmeakser : Fin stigning for maksimal kraft
• Injeksjonsakser : Middels stigning for balansert hastighet og kraft; høy stigning for tynnvegg- og høyhastighetsmaskiner
• Utstøtningsakser : Medium ledninger for moderat hastighet og kraft
• Flersporet design oppnår høy ledning uten å ofre lastkapasitet
• DN-verdien foretrekker ofte høyere ledninger for høyhastighetsapplikasjoner (lavere omdreininger per minutt = lavere DN-verdi)

Ved å nøyaktig tilpasse ledningen til hver akse sin spesifikke hastighet, kraft og presisjonskrav kan maskinbyggere og ingeniører som utfører oppgraderinger optimalisere ytelsen, minimere motorstørrelse og kostnad, og maksimere levetiden til kulegjengen.