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Mouvement linéaire : Les bases des vis à billes

Les vis à billes sont un mécanisme efficace et précis utilisé pour convertir un mouvement rotatif en mouvement linéaire et vice versa. Connues pour leur précision et leur fiabilité, les vis à billes sont un composant essentiel dans de nombreuses applications industrielles modernes, notamment l'automatisation industrielle, l'aérospatiale et l'aviation, l'équipement médical, etc.

Fonctions des vis à billes

Une vis à billes se compose d'un arbre avec une rainure hélicoïdale et d'un écrou contenant des roulements à billes qui roulent le long des rainures de la vis - l'écrou n'est jamais en contact direct avec la vis. Au lieu de cela, les roulements à billes roulent dans la rainure de la vis, ce qui réduit le frottement et l'usure et permet un mouvement souple et précis de l'écrou le long de la vis.

En tant que roulement à billes, les billes qui roulent atteignent l'extrémité arrière de l'écrou et sont redirigées ou guidées depuis le contact "pitch" à travers un tube de retour et sont ainsi renvoyées à l'extrémité avant du circuit, recirculant continuellement à mesure que l'écrou se déplace le long de la vis.

Figure 1 : Vis à billes

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L'efficacité d'une vis à billes est beaucoup plus élevée que celle d'une vis à billes en raison du contact roulant entre la vis et l'écrou : le couple d'entraînement requis d'une vis à billes n'est que le tiers de celui d'une vis à billes conventionnelle.

Par conséquent, et contrairement à une vis à billes conventionnelle, une vis à billes peut être entraînée en "marche arrière" avec une force linéaire sur l'écrou à billes provoquant une rotation de la vis à billes.

Cette caractéristique est utile dans les applications où un contrôle manuel ou des opérations d'urgence sont nécessaires, mais elle n'est pas toujours souhaitable. Dans certaines conceptions, un frein est nécessaire pour empêcher la charge sur l'écrou de faire tourner la vis en sens inverse.

Étant donné qu'une vis à billes nécessite un couple de démarrage très faible en raison du mouvement de roulement du palier, elle ne provoque pas de glissement, ce qui est inévitable avec une vis à billes conventionnelle qui utilise un mouvement de glissement. Par conséquent, des opérations de micro-alimentation très précises sont possibles en utilisant une vis à billes.

Types et matériaux des vis à billes

Les vis à billes sont disponibles en différents types pour répondre aux exigences de diverses applications :

  1. Vis à billes laminées standard : Elles offrent un bon équilibre entre performance et coût et conviennent à une large gamme d'applications.
  2. Vis à billes miniatures : Conçues pour les petites applications, les vis à billes miniatures sont souvent utilisées dans les instruments médicaux, la robotique compacte, les petites machines-outils de précision, etc.
  3. Vis à billes à haute teneur en plomb : Offrant des capacités de haute vitesse, les vis à billes à pas rapide sont utilisées dans des applications telles que l'automatisation industrielle où un déplacement rapide de l'outillage en bout de bras est souhaitable.
  4. Le choix du matériau des vis à billes est crucial pour leurs performances et leur longévité. Les matériaux courants sont les suivants
  5. L'acier allié : Largement utilisé pour sa résistance et sa durabilité, l'acier allié est généralement traité thermiquement pour améliorer la résistance à l'usure en durcissant le matériau soit en surface, soit de part en part.
  6. Acier inoxydable : Ce matériau plus coûteux est spécifié dans les applications où la résistance à la corrosion est importante, comme dans les appareils médicaux ou les équipements de transformation des aliments.
  7. Céramique : Utilisés dans les roulements à billes pour les applications à grande vitesse, les roulements en céramique présentent des propriétés avantageuses telles qu'un faible frottement et une longue durée de vie.

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3 erreurs coûteuses lors de l'utilisation de vis à billes

Considérations relatives à la conception des vis à billes

L'avance et le pas : Le pas de la vis est la distance axiale entre deux filets de vis adjacents, et l'avance est la distance linéaire le long de l'axe de la vis qui est couverte par une rotation complète de la vis. Lorsque le pas de la vis augmente, l'écrou parcourt une grande distance le long de la vis à chaque rotation de celle-ci. En contrepartie, le nombre de billes pouvant s'insérer autour de l'arbre de la vis diminue avec l'augmentation du pas, ce qui réduit également la capacité de charge de l'assemblage.

Précision du plomb : La différence entre la distance réelle parcourue par l'écrou et la distance théorique calculée à partir du pas de la vis est appelée précision du pas. Par exemple, une vis ayant un pas de 10 mm devrait théoriquement déplacer son écrou de 200 mm après 20 tours de vis. Si la précision de l'avance est spécifiée à ±0,050 mm (environ ±0,002"), l'ingénieur sait que l'écrou se sera déplacé entre 199,95 mm (7,998") et 200,05 mm (8,002").

Jeu : toutes les vis à billes ont un certain jeu, qui correspond au mouvement axial relatif entre la vis et l'écrou - lorsqu'un certain degré de rotation de la vis ne fait pas avancer l'écrou. Les vis à billes à jeu doivent rester constantes pendant la durée de vie de la pièce en fonctionnement normal.

Précharge : La précharge d'une vis à billes est la force interne introduite entre l'écrou et la vis pour éliminer le jeu axial et radial. Les assemblages préchargés offrent une excellente répétabilité et une rigidité accrue du système. La précharge est obtenue soit en utilisant deux écrous et en les forçant à s'écarter l'un de l'autre, soit en déplaçant les circuits de billes à l'intérieur d'un seul écrou.

Démarrage des vis: Le départ est le nombre de filets indépendants sur l'arbre de la vis. En général, on utilise des vis à départ unique, mais pour les mouvements linéaires rapides avec des charges plus élevées, on peut utiliser des départs multiples - généralement deux ou quatre. Dans une vis à double départ, l'avance est équivalente à deux fois son pas, de sorte que la distance axiale couverte est deux fois le pas pour une rotation complète de la vis.

 


Figure 2 : Démarrage d'une vis à billes

 

Filets de vis à terre : Il y a au moins deux possibilités pour la fabrication des filets de vis : les filets rectifiés ou les filets roulés. Un filet rectifié est fabriqué à l'aide d'un processus d'abrasion et est plus lisse et plus précis qu'une vis roulée. Les filets rectifiés sont plus chers en raison du temps de production plus long. Les vis roulées sont fabriquées par un processus de déformation à froid qui permet d'obtenir une tige de vis très résistante, mais qui présente plus de friction et moins de résistance à l'usure que la vis rectifiée.

Blocs de roulements de support : Le support de la vis à billes en rotation fait partie du processus de conception, avec plusieurs options de blocs de support au choix. Ces blocs spéciaux contrôlent le mouvement axial de la vis et transmettent les charges axiales et radiales à la base de la machine.

Charge statique : Il est important de comprendre la charge non opérationnelle sur l'assemblage de la vis à billes, en particulier une charge de compression sur la vis qui pourrait entraîner le flambage de la vis. Une vis à billes est dimensionnée pour une charge statique, et le poids total sur la vis à billes ne doit pas dépasser cette valeur.

Charge appliquée : la charge appliquée est la charge perçue par la vis et dépend de l'orientation de la vis (horizontale ou verticale), du poids total qui sera déplacé et du nombre de vis à billes utilisées dans la conception pour déplacer la charge. La direction de la charge appliquée doit être aussi coaxiale que possible avec la vis - les charges qui exercent un moment sur la vis peuvent être problématiques. La charge appliquée peut être uniquement le poids de la charge à déplacer, ou inclure la force de frottement lorsque la charge est en contact avec un composant stationnaire de la machine.

Vitesse critique : la vitesse angulaire critique de la vis est celle à laquelle des vibrations résonnantes peuvent se produire. La vitesse critique dépend de la longueur non supportée de la vis, du diamètre de la vis et du type de paliers d'extrémité. La vitesse maximale de fonctionnement en toute sécurité d'une vis à billes est de 80 % de la vitesse critique de la vis.

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Applications des vis à billes

Les vis à billes sont utilisées dans de nombreux domaines en raison de leur précision et de leur efficacité. Les applications les plus courantes sont les suivantes

  • Machines-outils : Les machines à commande numérique, les fraiseuses et les tours utilisent des vis à billes pour le contrôle précis des outils de coupe.
  • Automatisation industrielle : Les vis à billes sont largement utilisées dans les systèmes robotiques pour un mouvement et un positionnement précis.
  • Aérospatiale et aviation : Dans les composants aéronautiques, les vis à billes sont utilisées pour les actionneurs de surface de contrôle et d'autres mécanismes automatisés.
  • Équipement médical : Dans les appareils médicaux de pointe tels que les appareils d'IRM, les systèmes de radiographie et les outils chirurgicaux robotisés, les vis à billes assurent le mouvement linéaire nécessaire au fonctionnement de ces machines.

Les vis à billes font partie intégrante des systèmes mécaniques modernes et offrent une grande précision, une grande efficacité et une grande polyvalence. Leurs diverses applications, allant de l'industrie lourde aux équipements médicaux délicats, soulignent leur importance dans l'écosystème de la conception des machines.

A propos de l'auteur

Jure Pleško est copropriétaire de Tuli, une entreprise familiale qui aide les ingénieurs mécaniciens innovants en leur fournissant des éléments de machines pour assembler des machines et des dispositifs. Dans le cadre d'une tradition familiale, il a grandi avec des éléments de machines dès son plus jeune âge et a également terminé ses études en génie mécanique, obtenant un master en génie mécanique. C'est également lui qui a inspiré le nom de l'entreprise lorsqu'il était âgé de deux ans, car à l'époque il criait beaucoup, d'où le nom Tuli, qui signifie "cri". Jure est lui-même un ingénieur mécanique innovant, comme il l'a prouvé pendant ses années d'études en construisant un véhicule électrique, qui a également été récompensé par le Fonds slovène pour le développement des ressources humaines et les bourses d'études.

 

 

 

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