1. Introdução
A folga do par de fusos de esferas (BSP) é um problema crítico para máquinas-ferramentas CNC, centros de usinagem e linhas automatizadas. Os sintomas manifestam-se sob a forma de precisão de posicionamento reduzida (erro superior a 0,02 mm por curso de 300 mm), vibrações durante a marcha-atrás (amplitude > 0,15 mm/s² a 50-100 Hz) e aumento de ruído (> 85 dB). Nas empresas metalúrgicas da Ucrânia, tais falhas são registadas em 18% dos casos após 8.000-12.000 horas de operação (dados UNITEC-D para 2023).
2. Visão geral do componente
O par de fusos esféricos Parker G01284 (diâmetro do parafuso 40 mm, passo 10 mm, classe de precisão C5 de acordo com ISO 3408-3) foi projetado para transferir movimento rotativo para movimento linear com uma eficiência de até 90%. Condições de trabalho:
- Carga axial: até 12 kN (nominal 6 kN);
- Velocidade de rotação: até 2.500 rpm;
- Faixa de temperatura: -10°C a +80°C (curto prazo até +120°C);
- Umidade: até 90% sem condensação;
- Graxa: graxa plástica Klüber Isoflex NBU 15 (NLGI classe 2).
Estruturalmente, o KGP consiste em:
- Parafuso de aço temperado (dureza 58-62 HRC conforme EN ISO 6508-1);
- Porcas com canais de retorno de esferas integrados;
- Esfera em aço cromado (diâmetro 6,35 mm, classe de precisão G10 conforme ISO 3290-1);
- Juntas de poliuretano (dureza 90 Shore A para ISO 868).
3. Provas de recusa
Dados técnicos coletados durante o diagnóstico:
3.1 Análise de vibração
| Parâmetro | Valor nominal | Valor real | Valor limite (para ISO 10816-3) |
|---|---|---|---|
| Nível geral de vibração (RMS), mm/s | 0,8 | 2.1 | 1,8 |
| Amplitude durante reversão, mm/s² | 0,1 | 0,35 | 0,25 |
| Frequência do harmônico dominante, Hz | 50 (principal) | 75, 150 (múltiplos) | - |
3.2 Medição de folga
Foram utilizados um indicador tipo relógio (classe de precisão 0,001 mm conforme DSTU EN ISO 463:2015) e uma chave dinamométrica (momento 5 N·m). Resultados:
- Folga no novo KGP: 0,005 mm;
- Folga no KGP com falha: 0,042 mm (excesso de 740%);
- Força de pré-tensão: 180 N (nominal 350 N).
3.3 Análise de lubrificantes
A amostra do lubrificante foi coletada após 10.000 horas de operação. Análise laboratorial (método ASTM D7412):
- Teor de partículas metálicas: 0,42% (valor limite 0,1%);
- Viscosidade a 40°C: 120 mm²/s (nominal 150 mm²/s);
- Índice de acidez: 1,8 mg KOH/g (limite 1,0);
- Teor de água: 0,15% (limite 0,05%).
3.4 Inspeção visual
- Presença de partículas abrasivas com tamanho de 5-50 μm nas pistas (análise microscópica conforme ISO 4406);
- Manchas de corrosão no parafuso (profundidade até 0,02 mm);
- Desgaste das vedações (diminuição da espessura em 30%);
- Deformação das esferas (ovalidade até 0,003 mm).
4. Estudo das causas raízes
O método de análise de árvore de falhas (Fault Tree Analysis) de acordo com o padrão EN 61025 foi utilizado com uma estimativa de probabilidade:
Nível superior: Aumento da folga do KGP (> 0,03 mm)
Eventos intermediários:
- Perda de pretensão (probabilidade 0,45);
- Aumentar a distância entre bolas e pistas (0,35);
- Contaminação de lubrificante (0,20).
4.1 Análise segundo o método dos “5 Porquês”
Problema: folga de 0,042 mm após 10.000 horas.
- Por quê? Desgaste das esferas e pistas.
Evidência: Ovalidade das esferas 0,003 mm, microfissuras nas pistas. - Por quê? Lubrificação insuficiente e contaminação abrasiva.
Evidência: O conteúdo de partículas metálicas é de 0,42%, uma diminuição na viscosidade do lubrificante. - Por quê? Danos na vedação e troca irregular de óleo.
Evidência: Desgaste da vedação em 30%, intervalo de substituição excedido em 30%. - Por quê? Falta de sistema de monitoramento da condição do óleo.
Evidência: Não há sensores de contaminação ou análise de óleo em tempo real. - Por quê? Os requisitos da norma ISO 18436-4 relativos ao monitoramento da lubrificação não são levados em consideração.
4.2 Diagrama de Ishikawa
As principais categorias de motivos:
- Materiais: vedações de baixa qualidade (dureza 85 Shore A em vez de 90), contaminação por graxa;
- Carro: Ausência de sensores de vibração, manutenção irregular;
- Métodos: Não observância dos intervalos de troca de óleo (recomendado 4.000 horas, na verdade 6.000);
- Pessoa: qualificação insuficiente do pessoal (falta de treinamento para ISO 18436-7);
- Ambiente: Alta umidade (90%), presença de pó abrasivo (classe de poluição 19/16/13 conforme ISO 4406).
5. Causas raízes estabelecidas
Classificação por probabilidade e criticidade (de acordo com o método FMEA, RPN = Gravidade × Ocorrência × Detecção):
| A causa raiz | Probabilidade | Criticidade (1-10) | RPN | A evidência |
|---|---|---|---|---|
| Perda de pré-tensão devido ao desgaste da esfera | 0,45 | 9 | 81 | Redução da força de tensão de 350 N para 180 N, ovalização da esfera 0,003 mm |
| Contaminação de lubrificante com partículas abrasivas | 0,35 | 8 | 56 | O conteúdo de partículas metálicas é de 0,42%, a presença de pó de quartzo (tamanho 5-50 mícrons) |
| Degradação do lubrificante (oxidação, perda de viscosidade) | 0,20 | 7 | 28 | Índice de acidez 1,8 mg KOH/g, viscosidade 120 mm²/s (nominal 150) |
| Danos na vedação (desgaste, rachaduras) | 0,15 | 6 | 18 | Redução da espessura da vedação em 30%, dureza 85 Shore A |
| Corrosão do parafuso devido à umidade | 0,10 | 5 | 10 | Pontos de corrosão de até 0,02 mm de profundidade, teor de água no lubrificante 0,15% |
6. Ações corretivas
6.1 Medidas de emergência
- Substituição do par de fusos de esferas:
- Use o original KGP Parker G01284 ou um análogo com classe de precisão C5 (por exemplo, UNITEC-D artigo 4010-10-C5);
- Verifique o torque de aperto da porca (30 N·m ± 2 N·m por EN 1090-2);
- Instale um novo conjunto de vedações (item UNITEC-D 4010-SEAL-KIT).
- Restauração da tensão anterior:
- Use uma chave dinamométrica para definir uma força de 350 N ± 10 N;
- Meça a folga com um indicador tipo relógio (tolerância 0,005-0,01 mm);
- Fixe a porca com uma contraporca (momento 25 N·m).
- Substituição do lubrificante:
- Retire o lubrificante antigo lavando com querosene (classe de pureza conforme ISO 4406 não inferior a 15/12);
- Encher com graxa nova Klüber Isoflex NBU 15 (volume 80 g para porca G01284);
- Verifique o nível do óleo após 24 horas de operação.
6.2 Medidas de longo prazo
- Monitoramento da condição do óleo:
- Instale um sensor de contaminação de óleo (por exemplo, Parker icountPD);
- Realizar análise laboratorial do lubrificante a cada 2.000 horas (método ASTM D7412);
- Substitua o lubrificante quando os valores limites forem excedidos (partículas metálicas > 0,1%, água > 0,05%).
- Melhorando as condições operacionais:
- Instale vedações adicionais feitas de borracha fluorada (dureza 90 Shore A) para proteção contra poeira;
- Reduzir a umidade na área de atuação para 60% (utilizando desumidificadores);
- Assegurar um regime de temperatura de 20-25°C (evitar sobreaquecimento > 80°C).
- Modernização do sistema de manutenção:
- Implementar sistema de monitoramento de vibrações (sensores Wilcoxon Research 786A);
- Treinar pessoal de acordo com o programa ISO 18436-7 (análise de vibrações);
- Reduza o intervalo de troca de óleo para 3.000 horas.
- Melhorias de design:
- Substitua as vedações padrão por vedações com filtros magnéticos integrados (item UNITEC-D 4010-MAG-SEAL);
- Utilizar graxa com aditivos sólidos (por exemplo, Klüber Isoflex Topas NB 52);
- Instale um sistema de lubrificação automática (por exemplo, Lincoln Quicklub).
7. Lista de verificação de diagnóstico rápido para técnicos
Utilize esta lista de verificação no seu tablet ou smartphone durante a revisão do PCP:
| № | Verificação | Ferramenta | Valor limite | Ação em caso de excesso |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Medição de folga | Indicador de tipo de relógio (0,001 mm) | > 0,02mm | Substitua o KGP ou restaure a tensão |
| 2 | Força de pré-tensão | Chave dinamométrica (5 N·m) | < 250N | Ajuste a tensão para 350 N |
| 3 | Vibração ao inverter | Vibrômetro (por exemplo, Fluke 805) | > 0,25 mm/s² | Faça uma análise de lubrificantes e vedações |
| 4 | Nível de ruído | Medidor de ruído (classe 2 para IEC 61672-1) | > 80dB | Verifique a lubrificação e o desgaste da esfera |
| 5 | Temperatura da noz | Termômetro infravermelho (por exemplo, Fluke 62 MAX+) | > 60°C | Reduza a carga ou substitua o lubrificante |
| 6 | Condição dos selos | Microscópio (ampliação 10x) | Rachaduras > 0,5 mm ou desgaste > 20% | Substitua a vedação (item UNITEC-D 4010-SEAL-KIT) |
| 7 | O conteúdo de partículas metálicas no lubrificante | Ferrograph (por exemplo, Spectro Scientific) | > 0,1% | Troque o óleo e lave o sistema |
| 8 | Viscosidade do lubrificante a 40°C | Viscosímetro (método ASTM D445) | < 130 mm²/s | Substitua o lubrificante por Klüber Isoflex NBU 15 |
| 9 | O valor ácido do lubrificante | Titulador (método ASTM D664) | > 1,0 mg KOH/g | Substitua o óleo |
| 10 | O teor de água do lubrificante | Titulador coulométrico (método ASTM D6304) | > 0,05% | Seque o sistema e substitua o óleo |
| 11 | A ovalidade das bolas | Micrômetro (classe de precisão 0,001 mm) | > 0,002mm | Substitua as bolas ou todo o KGP |
| 12 | Corrosão no parafuso | Lupa (ampliação de 20x) | Pontos > 0,01 mm | Polir ou substituir o parafuso |
Bandeiras vermelhas (avisos antecipados)
- Aumento da vibração em 20% em relação ao nível nominal;
- A temperatura da porca excede 50°C sob carga normal;
- Mudança na cor do lubrificante (escurecimento ou tonalidade cinza);
- Aparecimento de pó metálico nas vedações;
- Aumento do tempo de reversão em 10% (para sistemas com CHPK).
8. Estratégia de prevenção
8.1 Intervalos de manutenção
| Operação | Periodicidade | Método | Padrão |
|---|---|---|---|
| Verificação de folga | 1.000 horas | Indicador de tipo de relógio | DSTU EN 13018:2015 |
| Análise de vibração | 500 horas | Vibrômetro (ISO 10816-3) | ISO 18436-2 |
| Substituição de lubrificante | 3.000 horas | Enxaguar + reabastecer | ISO 4406 |
| Análise de lubrificante | 2.000 horas | Análise laboratorial (ASTM D7412) | ASTM D7412 |
| Inspeção de selos | 1.500 horas | Inspeção visual + microscópio | ISO 3601-1 |
| Diagnóstico abrangente | 6.000 horas | Lista de verificação do Capítulo 7 | EN 13306 |
8.2 Monitoramento de condição
- Monitoramento de vibração:
- Instale sensores nos suportes de porcas e parafusos;
- Valores limite: 1,5 mm/s (nível geral), 0,2 mm/s² (em marcha-atrás);
- Software: SKF @ptitude ou equivalente.
- Monitoramento de temperatura:
- Use sensores infravermelhos (por exemplo, Optris PI 450);
- Valor limite: 60°C (excesso de longo prazo);
- Desligamento de emergência a 80°C.
- Monitoramento de óleo:
- Sensores de contaminação (por exemplo, Parker icountPD);
- Valores limite: partículas metálicas > 0,05%, água > 0,03%;
- Notificação automática ao exceder.
8.3 Melhorias Estruturais
- Uso de vedações com filtros magnéticos:
- O artigo UNITEC-D 4010-MAG-SEAL retém partículas de metal > 5 μm de tamanho;
- Reduz a contaminação por óleo em 40%;
- Compatível com Parker G01284.
- Transição para graxa com aditivos sólidos:
- Klüber Isoflex Topas NB 52 contém dissulfeto de molibdênio (MoS₂);
- Reduz o coeficiente de atrito em 25% em cargas elevadas;
- A vida útil aumenta em 30%.
- Sistema de lubrificação automática:
- Lincoln Quicklub fornece fornecimento medido de lubrificante a cada 50 horas;
- Exclui o fator humano;
- Reduz o consumo de óleo em 15%.
- Uso de KGP com pré-tensão:
- Modelo Parker G01284-P (com pré-tensão de 2% de carga dinâmica);
- Reduz folga em 50% em relação ao modelo padrão;
- Recomendado para aplicações de alta precisão.
9. Conclusão
O aumento da folga do par fuso de esferas é resultado do complexo efeito de perda de pré-tensão, contaminação do lubrificante e sua degradação. Uma abordagem sistemática de diagnóstico e prevenção, baseada nos padrões ISO 3408, EN 1090 e ASTM D7412, permite reduzir a probabilidade de falha em 70% e aumentar a vida útil do KGP para 15.000 a 20.000 horas. Para implementar as medidas propostas, recomendamos a utilização de componentes e consumíveis certificados do catálogo UNITEC-D E-Catalog, incluindo vedações, lubrificantes e sistemas de monitoramento.
10. Fontes
- ISO 3408-3:2018. Fusos de esferas — Parte 3: Condições de aceitação e testes de aceitação.
- EN 1090-2:2018. Execução de estruturas de aço e estruturas de alumínio — Parte 2: Requisitos técnicos para estruturas de aço.
- ASTM D7412-18. Método de teste padrão para monitoramento de condições de aditivos antidesgaste de fosfato em lubrificantes à base de petróleo e hidrocarbonetos em serviço por análise de tendências usando espectrometria de infravermelho com transformada de Fourier (FT-IR).
- ISO 10816-3:2009. Vibração mecânica — Avaliação da vibração da máquina através de medições em peças não rotativas — Parte 3: Máquinas industriais com potência nominal superior a 15 kW e velocidades nominais entre 120 r/min e 15.000 r/min quando medidas in situ.
- ISO 4406:2021. Potência do fluido hidráulico — Fluidos — Método de codificação do nível de contaminação por partículas sólidas.
- DSTU EN 13018:2015. Testes não destrutivos. Controle visual. Princípios gerais.
- Lubrificação Klüber. Ficha Técnica: Isoflex NBU 15. 2022.
- Parker Hannifin. Catálogo de fusos de esferas: Série G. 2021.
- UNITEC-D GmbH. Relatório de Análise de Falhas: Aumento da folga do fuso de esferas. 2023.
- ISO 18436-4:2014. Monitoramento de condições e diagnóstico de máquinas — Requisitos para qualificação e avaliação de pessoal — Parte 4: Análise de lubrificantes em campo.
