Design and Selection of Ballscrew
Fundamental Concepts for Selection & Installation
1. ต้องทำความสะอาดบอลสกรูด้วยน้ำมันเพื่อป้องกันสนิม ไตรคลอโรเอทิลีน (Trichloroethylene) สามารถใช้เป็นน้ำยาล้างคราบมันได้ ให้ตรวจสอบว่าร่องลูกปืนนั้นไม่มีสิ่งสกปรกหรือความเสียหายใดๆ ต้องระมัดระวังเพื่อไม่ให้ร่องลูกปืนนั้นกระแทกกับสิ่งของมีคมหรือเครื่องมือใดๆ และ อย่าให้เศษขี้เหล็กเข้าไปใน Ballnut (รูปที่ 1)
2. เลือกค่าความแม่นยำ(accuracy grade) ของบอลสกรูให้เหมาะสมกับการใช้งาน (ref. 1) ติดตั้งบอลสกรูด้วยการยึดที่ถูกต้องตามหลักวิชาการนั่นคือ เพลาเจียรแบบความแม่นยำสูง (precision round ballscrew) สำหรับเครื่อง CNC นั้นต้องการการตั้งศูนย์ที่มีความเที่ยงตรงสูง (accurate alignment) และ การจัดลูกปืนที่แม่นยำ (precision bearing arrangement) ในขณะที่ เพลารีด (rolled ballscrew) นั้นใช้สำหรับงานที่ไม่ต้องการความแม่นยำไม่สูงมาก เช่น เครื่อง บรรจุ
การกำจัดความเยื้องศูนย์ระหว่างเสื้อลูกปืน (bearing housing) และ Ballnut นั้นมีความสำคัญเป็น อย่างยิ่งเพื่อไม่ให้เกิดความไม่สมดุลของโหลด (รูปที่ 2) ความไม่สมดุลของโหลดนั้นรวมถึง แรงในแนวรัศมี (radial load) และ แรงโมเมนต์ (moment load) (ตารางที่ 1) ซึ่งสามารถให้เกิดความผิดพลาดในการทำงาน หรือทำให้อายุการใช้งานลดลง (ตารางที่ 2)
3. เพื่อที่จะให้ได้อายุการใช้งานสูงสุด แนะนำให้ใช้น้ำมันลดแรงเสียดทานสำหรับลูกปืน (antifriction bearing oil) ห้ามใช้น้ำมันที่มีส่วนผสมของกราไฟต์ และ MoS2 ควรจะให้น้ำมันเคลือบเม็ดลูกปืนและร่องลูกปืนตลอดเวลา
4. การฉีดละอองน้ำมันหรือการหยดน้ำมันนั้นสามารถทำได้ แต่แนะนำให้อัดจารบีที่ตัว Ballnut โดยตรง (รูปที่ 3)
5. เลือกการจัดเรียงลูกปืนช่วยประคองให้เหมาะสมสำหรับเพลาบอลสกรู สำหรับเครื่อง CNC แนะนำให้ใช้ตลับลูกปืนเม็ดกลมสัมผัสเชิงมุม (angular contact ball bearings) (มุม = 60o) เนื่องจากสามารถรับแรงตามแนวแกนได้มากกว่าอีกทั้งยังสามารถประกอบกันโดยไม่เกิดช่องว่าง (Clearance free) และสร้างพรีโหลดได้ (preload) (รูปที่ 4)
6. ควรติดตั้งตัวสต็อปเปอร์ที่ปลายแกน เพื่อป้องกันไม่ให้ Nut เคลื่อนที่เกินระยะที่ต้องการ ซึ่งอาจจะทำให้การความเสียหายระหว่างการประกอบได้ (รูปที่ 5)
7. หากสภาพแวดล้อมในการประกอบนั้นมีฝุ่นหรือเศษขี้เหล็ก ควรจะป้องกันบอลสกรูด้วยยางหุ้มเพลา (Bellow cover) หรือ ตัวคลุมแบบยืดหด (telescopic type cover) อายุการใช้งานของบอลสกรูอาจจะลดลงเหลือแค่1ใน10ของปรกติ ถ้าหากขึ้เหล็กหรือเสษเหล็กเข้าไปใน Nut ให้ติดต่อวิศวกรผู้เชี่ยวชาญหากต้องการติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันสิ่งสกปรก(รูปที่ 6)
8. หากเลือกใช้บอลสกรูแบบลูกปืนกลับในหรือแบบกลับที่ฝาปิด หนึ่งข้างของปลายเพลาจะต้องกลึงให้น้อยกว่าค่า root diameter ของร่องลูกปืน (dr) ประมาณ 0.5-1.0mm (รูปที่ 7)
9. หลังจากการอบชุบความร้อน (heat treatment) ร่องลูกปืน 2-3 เกลียวที่ปลายทั้ง 2 ข้างของเพลาบอลสกรูจะยังอ่อนอยู่ เพื่อที่จะช่วยในการกลึง (รูปที่ 8) ตามสัญลักษณ์บนแบบของ Hiwin
10. ค่าพรีโหลดที่สูงเกินไปจะเพิ่มแรงเสียดทาน ซึ่งก่อให้เกิดความร้อนและทำให้อายุการใช้งานสั้นลง แต่ถ้าหากค่าพรีโหลดน้อยเกินไปจะทำให้ค่าความแข็งเกร็ง(stiffness)ลดลง และเพิ่มโอกาสที่จะเสียการควบคุมการเคลื่อนที่ได้ แนะนำให้ค่าพรีโหลดสูงสุดสำหรับเครื่องCNC ไม่ให้เกิน 8% ของ แรงกระทำที่เคลื่อนที่พื้นฐาน (basic dynamic load) (C)
11. หากต้องการถอดหรือประกอบnutกับเพลาบอลสกรู ควรจะใช้ท่อที่มีรัศมีรอบนอก ที่น้อยกว่า Root diameterของร่องลูกปืน ประมาณ 0.2-0.4mm (ref. 2) จากทางด้านใดด้านนึงของปลายเพลาบอลสกรู (รูปที่ 9)
12. จากรูป 10, ลูกปืนประคอง(support bearing) จะต้องลบมุมเพื่อให้นั่งบ่าได้สมบูรณ์และได้ศูนย์ Hiwin แนะนำให้ลบมุมตามมาตรฐาน DIN509 (ตามรูป 11)
Ballscrew Selection Procedure
ขั้นตอนการเลือกใช้บอลสกรูนั้นได้แสดงไว้ตามตารางที่ 3 จากที่ทราบความต้องการการใช้งานแล้ว (A) ให้เลือกบอลสกรูที่มีค่าเหมาะสม (B) ให้ทำตามขั้นตอนทีละขั้นตอนตามสูตรที่แสดงไว้ และ หาบอลสกรูที่มีค่าเหมาะสมที่สุดตามการใช้งานที่ต้องการ (C)
