Hướng dẫn toàn diện về vít me: Định nghĩa, các loại, ưu điểm và ứng dụng

Trong lĩnh vực truyền động cơ học và điều khiển chuyển động tuyến tính, vít me đóng vai trò quan trọng như một thành phần cốt lõi để chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tuyến tính.

Chúng được sử dụng rộng rãi trong tự động hóa công nghiệp, robot, thiết bị y tế và thậm chí cả thiết bị gia dụng. Từ việc định vị chính xác trong máy CNC đến vận hành trơn tru trong hệ thống tự động hóa gia đình, vít me là vật dụng không thể thiếu trong cả ứng dụng công nghệ cao lẫn ứng dụng hàng ngày.

1.0Vít me là gì? Nguyên lý, cấu trúc và định nghĩa cơ bản

Vít me (còn gọi là vít me điện) là một thiết bị cơ khí chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động thẳng thông qua sự ăn khớp trực tiếp của ren. Chức năng chính của nó là biến đổi mô-men xoắn thành lực đẩy hoặc lực kéo dọc trục, mà không cần đến vòng bi tuần hoàn. Thay vào đó, chuyển động được truyền qua tiếp xúc trực tiếp giữa ren của trục vít và đai ốc.

Chế độ làm việc:

• Trục cố định, đai ốc quay: Động cơ hoặc bộ truyền động thủ công làm quay đai ốc dọc theo trục vít cố định, chuyển đổi mô-men xoắn thành chuyển động tuyến tính.
• Đai ốc cố định, trục quay: Đai ốc được giữ cố định trong khi trục vít quay, tạo ra chuyển động tuyến tính của đai ốc dọc theo trục của trục.

2.0Vít me được sản xuất như thế nào? Thiết bị và quy trình cốt lõi

Quy trình sản xuất vít me quyết định trực tiếp đến độ chính xác, độ bền và độ cứng của nó. Trong số đó, tạo ren là bước quan trọng nhất, và phương pháp này được lựa chọn dựa trên khối lượng sản xuất và yêu cầu về độ chính xác.

2.1Cán chỉ: Lựa chọn chính cho sản xuất số lượng lớn

Cán ren là quy trình tạo hình nguội chủ yếu cho vít me. Quy trình này sử dụng áp lực cơ học để dịch chuyển vật liệu và tạo ren, thay vì cắt bỏ vật liệu. Điều này cải thiện cả độ hoàn thiện bề mặt và độ bền nhờ quá trình tôi cứng khi gia công.

Thiết bị chính bao gồm:

• Máy cán sợi 2 trục: Thiết lập phổ biến nhất, sử dụng hai khuôn để nén phôi hình trụ. Phù hợp với ren khởi đầu đơn hoặc kép tiêu chuẩn (ví dụ: ren hình thang, ren Acme). Hiệu suất cao và chi phí thấp, lý tưởng cho sản xuất khối lượng trung bình.
• Máy cán ren 3 khuôn: Sử dụng ba khuôn định vị cách nhau 120° để tạo áp lực xuyên tâm đồng đều. Độ chính xác cao hơn (ISO 4H/5g), độ tròn tốt hơn và có khả năng tạo ren nhiều điểm bắt đầu (ví dụ: 4 điểm bắt đầu). Thường được sử dụng trong vít me chính xác cho các ứng dụng y tế hoặc máy công cụ, cũng như các đường kính lớn hơn.
• Máy cán ren chính xác CNC: Tích hợp bộ điều khiển CNC cho tốc độ cấp liệu, độ sâu và tốc độ khuôn. Có khả năng tạo ra các biên dạng phức tạp (ví dụ: ren răng cưa hoặc ren tùy chỉnh) với dung sai chặt chẽ đến 0,01 mm. Thiết yếu cho các ứng dụng hàng không vũ trụ, bán dẫn hoặc các ứng dụng cao cấp khác, hỗ trợ cả tùy chỉnh số lượng ít và sản xuất hàng loạt.

2.2Cắt ren: Một giải pháp thay thế chính xác cho các ứng dụng đặc biệt

Đối với sản xuất hàng loạt nhỏ, ren phức tạp (viền sâu hoặc không chuẩn) hoặc vật liệu khó gia công như titan hoặc gốm sứ, thì phương pháp cắt ren được ưu tiên.

Máy phay ren xoáy: Sử dụng đầu cắt góc tốc độ cao để khớp với góc dẫn của vít. Máy cắt ren hoàn tất việc cắt ren chỉ trong một lần cắt với khả năng kiểm soát tuyệt vời về bước ren, độ sâu và độ hoàn thiện. Phù hợp cho vít me dung sai cao (cấp IT3–IT5). Tuy nhiên, phương pháp này chậm hơn và tốn kém hơn so với phương pháp cán.

2.3Các quá trình thứ cấp

Sau khi tạo sợi, cần thực hiện thêm một số bước sau:

• Xử lý bề mặt: Mạ kẽm để chống ăn mòn cho thép cacbon, thụ động hóa cho thép không gỉ hoặc phủ PTFE để chống mài mòn.
• Kiểm tra độ chính xác: Đo đường kính bước ren bằng micrômet ren hoặc độ chính xác của chì bằng thiết bị đo laser.
• Cuộc họp: Điều chỉnh khoảng cách giữa đai ốc và vít để đảm bảo vừa vặn và hoạt động tốt.

Sự kết hợp của các quy trình này tạo ra vít me hoàn chỉnh có các đặc tính hiệu suất cần thiết.

3.0Các loại ren vít me thông dụng: Acme, Square, Buttress và các loại khác

Hiệu suất và ứng dụng của vít me phụ thuộc phần lớn vào thiết kế ren. Hình dạng ren khác nhau ảnh hưởng đến hiệu suất, khả năng chịu tải và khả năng sản xuất. Dưới đây là các loại ren phổ biến nhất được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp:

3.1Ren Acme (Ren hình thang): Tiêu chuẩn công nghiệp

Ren Acme, với góc nghiêng hình thang 29°, là loại ren vít me được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp. Ren Acme có đế ren rộng, đảm bảo tính toàn vẹn về mặt kết cấu.

• Thuận lợi: Dễ sản xuất hơn so với các dạng ren khác (có thể sử dụng dụng cụ đa điểm), khả năng chống mài mòn cao, phù hợp với tải trọng trung bình đến nặng và đai ốc bù có thể bù trừ độ mài mòn, kéo dài tuổi thọ sử dụng.
• Hạn chế: Hiệu suất thấp hơn ren vuông, với tổn thất ma sát cao hơn một chút.
• Ứng dụng: Ê tô, kẹp, thân van, bộ truyền động chính xác, máy tiện và các thiết bị công nghiệp thông dụng khác. Lý tưởng khi hiệu quả về chi phí và độ bền đều quan trọng như nhau.

Lưu ý: Ren hình thang hệ mét (góc 30°) về nguyên lý tương tự ren Acme nhưng tuân theo tiêu chuẩn ISO. Chúng phổ biến ở châu Âu và được ứng dụng rộng rãi trong máy móc CNC và robot.

3.2Ren vuông: Sự lựa chọn hiệu quả cao

Ren vuông có các cạnh ren vuông góc với trục vít, tạo thành góc 90°. Diện tích tiếp xúc nhỏ giúp giảm thiểu tổn thất ma sát.

• Thuận lợi: Hiệu suất cao nhất trong các loại ren. Cung cấp khả năng chịu tải lớn hơn ở cùng kích thước, hoặc giảm yêu cầu về động cơ cho cùng một tải. Không tạo ra áp lực hướng tâm, phù hợp cho việc truyền chuyển động chính xác.
• Hạn chế: Khó sản xuất (yêu cầu cắt một điểm), chi phí cao hơn, sức mạnh của rễ cây yếu hơn và khả năng chịu tải hạn chế.
• Ứng dụng: Vít nâng, máy công cụ chính xác và ê tô đòi hỏi hiệu suất và độ chính xác cao nhưng không yêu cầu tải trọng trục cực lớn.

3.3Ren chống đỡ: Được thiết kế cho tải trọng nặng một chiều

Ren trụ (hình thang bất đối xứng) được tối ưu hóa cho tải trọng trục lớn theo một hướng. Mặt chịu lực của nó có góc nông 7°, trong khi mặt đối diện dốc hơn 45°, đảm bảo khả năng chịu cắt mạnh mẽ.

• Thuận lợi: Hiệu quả tương đương với ren vuông, gần gấp đôi độ bền của ren vuông, có khả năng chịu được lực đơn hướng cực lớn.
• Hạn chế: Hiệu suất kém khi chịu tải ngược; không phù hợp cho chuyển động hai chiều.
• Ứng dụng: Máy ép trục vít lớn, máy nâng hạ hạng nặng, bộ truyền động thẳng đứng và máy ép phun yêu cầu truyền lực một chiều.

3.4Ren hình thang hệ mét (Tr): Tiêu chuẩn quốc tế

Ren hình thang hệ mét có cùng nguyên lý hoạt động như ren Acme nhưng có góc sườn 30° và tuân thủ tiêu chuẩn hệ mét ISO, khiến nó được sử dụng rộng rãi trong máy móc quốc tế.

• Thuận lợi: Mức độ chuẩn hóa cao, khả năng tương thích với các thành phần toàn cầu và hướng dẫn sản xuất/thử nghiệm được xác định rõ ràng.
• Hạn chế: Khả năng chịu tải thấp hơn một chút so với ren Acme nhưng vẫn đủ đáp ứng hầu hết các nhu cầu công nghiệp.
• Ứng dụng: Máy CNC, rô-bốt công nghiệp, thiết bị phòng thí nghiệm và hệ thống truyền động đa năng.

3.5Ren vít me bi: Độ chính xác cao, ma sát thấp

Vít me bi sử dụng cấu hình ren gần hình bán nguyệt cho phép các chi tiết lăn (bi) lưu thông giữa đai ốc và trục vít. Thiết kế này chuyển đổi ma sát trượt thành ma sát lăn, mang lại hiệu suất cực cao—thường trên 90%.

• Thuận lợi: Ma sát rất thấp, tuổi thọ cao, độ chính xác đặc biệt và có khả năng định vị ở cấp độ micrômet.
• Hạn chế: Quy trình sản xuất phức tạp, chi phí cao và yêu cầu bôi trơn và làm kín nghiêm ngặt.
• Ứng dụng: Máy móc CNC, thiết bị bán dẫn, robot, hệ thống hàng không vũ trụ và các ứng dụng khác đòi hỏi độ chính xác và khả năng lặp lại.

4.0Ưu điểm và nhược điểm của vít me: Cân bằng giữa chi phí, hiệu suất và ứng dụng

4.1Ưu điểm chính của vít me

• Hiệu quả về mặt chi phí: Chi phí sản xuất thấp hơn so với vít me bi, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các ứng dụng có tải trọng từ nhẹ đến trung bình, tiết kiệm chi phí.
• Khả năng tự khóa: Nhiều loại vít me (ví dụ, ren hình thang và hình vuông) có khả năng tự khóa, giữ nguyên vị trí mà không cần phanh bổ sung—đặc biệt có lợi trong các hệ thống thẳng đứng.
• Khả năng chịu tải cao: Trong giới hạn định mức, vít me có thể chịu được tải trọng trục đáng kể. Cấu hình đai ốc bằng đồng có thể chịu được vài tấn.
• Bảo trì thấp: Cấu trúc đơn giản chỉ với ba bộ phận cốt lõi (trục, đai ốc, ren). Một số thiết kế tự bôi trơn không cần bôi trơn thêm trong suốt vòng đời sử dụng.
• Khả năng phục hồi môi trường: Việc không có các bộ phận lăn khiến chúng ít nhạy cảm với bụi hoặc mảnh vụn, phù hợp với môi trường khắc nghiệt.
• Hoạt động êm ái và mượt mà: Tiếp xúc ren trượt tạo ra độ rung và tiếng ồn tối thiểu, phù hợp với các ứng dụng nhạy cảm với tiếng ồn như thiết bị y tế hoặc tự động hóa gia đình.

4.2Hạn chế của vít me

• Hiệu quả thấp hơn: Tiếp xúc trượt gây ra tổn thất ma sát, với hiệu suất thường dưới 40% (thiết kế tối ưu có thể đạt ~50%). Không lý tưởng cho việc truyền tải điện liên tục.
• Mặc nhanh hơn: Tiếp xúc trượt liên tục làm tăng tốc độ mài mòn ren. Đai ốc ren vuông cần được thay thế định kỳ, trong khi ren hình thang có thể sử dụng đai ốc chẻ đôi để bù trừ độ mài mòn, nhưng vẫn phải đối mặt với tuổi thọ giảm.
• Giới hạn tốc độ: Bị giới hạn bởi tốc độ tới hạn; vượt quá tốc độ này sẽ gây ra rung động trục quá mức. Tốc độ vận hành thường bị giới hạn ở 80% tốc độ tới hạn, hạn chế khả năng ứng dụng cho các ứng dụng tốc độ cao.
• Mô-men xoắn kém hiệu quả: Độ ma sát cao khiến chúng không phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi truyền mô-men xoắn rất cao.

5.0Những câu hỏi thường gặp về vít me: Uốn cong, vặn ngược và bôi trơn

5.1Vít me có thể uốn cong không? Làm thế nào để giảm thiểu rủi ro?

Vít me có thể uốn cong trong một số điều kiện nhất định, chủ yếu phụ thuộc vào chiều dài và tải trọng sử dụng:

• Chiều dài vít: Vít dài hơn dễ bị uốn cong hơn do độ cứng giảm.
• Tuân thủ tải: Sử dụng vít trong phạm vi tải trọng định mức và tuân theo hướng dẫn của nhà sản xuất (chẳng hạn như độ chính xác căn chỉnh và phương pháp hỗ trợ) giúp ngăn ngừa hiện tượng uốn cong.
• Đề xuất thiết kế: Luôn tính toán tải trọng cực đại và liên tục mà bộ truyền động yêu cầu để đảm bảo tải trọng định mức của vít phù hợp với ứng dụng, giảm nguy cơ uốn cong ngay từ đầu.

5.2Vít me có thể quay ngược không? Hiệu quả là yếu tố then chốt

Hiện tượng quay ngược xảy ra khi tải trọng làm trục vít quay, dẫn đến chuyển động không mong muốn. Việc này có xảy ra hay không phụ thuộc vào hiệu suất của trục vít:

• Hiệu suất thấp (<40%): Trong hầu hết các trường hợp, hiện tượng quay ngược không xảy ra trong điều kiện bình thường nếu không có rung động bên ngoài. Đây là lý do tại sao nhiều vít me có khả năng tự khóa.
• Hiệu suất cao (>40%): Vít có thiết kế ren tối ưu hoặc trong môi trường dễ rung lắc có thể bị đẩy ngược. Trong những trường hợp như vậy, nên sử dụng thêm cơ cấu phanh hoặc khóa.

5.3Vít me có cần bôi trơn không? Hướng dẫn bảo trì

Yêu cầu bôi trơn thay đổi tùy theo thiết kế và môi trường vận hành:

Vít tự bôi trơn: Một số vít me trong bộ truyền động điện được bôi trơn sẵn và không cần bôi trơn thêm trong suốt thời gian sử dụng, miễn là chúng được sử dụng trong điều kiện định mức.

Môi trường làm việc nặng nhọc hoặc khắc nghiệt: Đối với môi trường tải trọng cao, tốc độ cao hoặc bụi/ẩm, cần phải bôi trơn định kỳ.

Tránh sử dụng mỡ bị nhiễm bẩn vì mỡ sẽ nhanh bị mài mòn.

Hãy cân nhắc sử dụng chất bôi trơn dạng màng khô hoặc bôi lại một lớp mỡ mỏng sạch sau khi bảo dưỡng.

Đai ốc bằng đồng: Mặc dù có khả năng tự bôi trơn tự nhiên, đai ốc bằng đồng vẫn cần thêm mỡ nhẹ để đảm bảo hoạt động trơn tru và kéo dài tuổi thọ.

6.0Lựa chọn vật liệu cho vít me: Từ thép cacbon đến nhựa

Việc lựa chọn vật liệu phụ thuộc vào yêu cầu ứng dụng như tải trọng, môi trường, độ chính xác và chi phí. Dưới đây là các vật liệu phổ biến và đặc điểm của chúng:

Lưu ý: Trong một số trường hợp, vít me được tăng cường bằng lớp phủ bề mặt (ví dụ: lớp phủ gốc PTFE) để cải thiện độ bền trong môi trường khắc nghiệt và giảm yêu cầu bôi trơn.

6.1Ứng dụng của vít me: Từ công nghiệp đến chuyển động tuyến tính hàng ngày

Nhờ những ưu điểm như tiết kiệm chi phí, khả năng tự khóa và thích ứng với nhiều môi trường khác nhau, vít me được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Khi cần chuyển động tuyến tính mượt mà và có kiểm soát, vít me có thể được sử dụng:

6.2Ứng dụng công nghiệp:

• Máy công cụ: Vị trí của bàn làm việc và bộ phận nạp dụng cụ trong máy tiện, máy CNC và máy phay.
• Tự động hóa và robot: Truyền động khớp nối trong robot công nghiệp, đẩy vật liệu trong dây chuyền sản xuất tự động.
• Máy móc hạng nặng: Truyền lực trong máy ép trục vít và kích; cơ cấu kẹp trong đồ gá và ê tô.
• Sản xuất chính xác: Định vị có độ chính xác cao trong máy in 3D, máy khắc và hệ thống tạo mẫu nhanh.

6.3Ứng dụng tiêu dùng và hàng ngày:

• Thiết bị gia đình: Hệ thống truyền động tuyến tính trong bàn làm việc có thể điều chỉnh độ cao, động cơ rèm cửa và khóa thông minh.
• Thiết bị văn phòng: Nạp giấy và định vị ống kính trong máy in và máy quét.
• Vận tải: Bộ truyền động tuyến tính để điều chỉnh ghế ô tô và vận hành cửa sổ trời.

6.4Ứng dụng y tế:

• Thiết bị chụp ảnh y tế: Vị trí giường bệnh nhân trên máy chụp X-quang, MRI và CT.
• Phẫu thuật xâm lấn tối thiểu: Những chuyển động vi mô chính xác trong dụng cụ phẫu thuật tự động.
• Vận chuyển thuốc: Cơ chế định lượng trong các thiết bị dùng thuốc chính xác.

Lưu ý: Vít me có thể được sản xuất với đường kính nhỏ tới 0,5 mm hoặc thậm chí nhỏ hơn để đáp ứng các yêu cầu thu nhỏ trong lĩnh vực y tế và các lĩnh vực chuyên môn khác.

7.0Vít me so với vít me bi: Lựa chọn linh kiện chuyển động tuyến tính phù hợp

Cả trục vít me và trục vít me bi đều chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động thẳng, nhưng cấu trúc và hiệu suất của chúng khác nhau đáng kể. Việc lựa chọn nên dựa trên yêu cầu ứng dụng:

8.0Làm thế nào để chọn vít me phù hợp? Các thông số chính và mẹo lựa chọn

Việc lựa chọn vít me phải dựa trên yêu cầu ứng dụng, đặc biệt chú ý đến các thông số quan trọng sau để đảm bảo hiệu suất phù hợp với nhu cầu của hệ thống:

8.1Khả năng chịu tải: Phù hợp với tải trọng đỉnh và tải trọng liên tục

• Tải trọng đỉnh: Lực tức thời trong quá trình tăng tốc hoặc giảm tốc đột ngột (có thể gấp 5 lần tải trọng liên tục).
• Tải liên tục: Tải trọng trung bình (giá trị RMS) tác động lên đai ốc theo thời gian, trực tiếp quyết định tuổi thọ L10 của vít.
• Hướng dẫn về vật liệu: Đai ốc nhựa thường chịu được tải trọng ≤150 kg, trong khi đai ốc đồng có thể chịu được tải trọng lên đến vài tấn. Luôn lựa chọn dựa trên điều kiện tải trọng thực tế.

8.2Tốc độ: Hoạt động trong phạm vi tốc độ quan trọng

Tốc độ hoạt động tối đa bị giới hạn bởi tốc độ tới hạn của trục vít (vượt quá tốc độ này sẽ gây ra rung trục quá mức và rủi ro về an toàn).

Tốc độ làm việc khuyến nghị ≤ 80% so với tốc độ tới hạn. Tốc độ vận hành thấp hơn giúp giảm sự tích tụ nhiệt và loại bỏ nhu cầu chu kỳ làm việc ngắn hơn.

8.3Hệ số áp suất-vận tốc (Giá trị PV): Ngăn ngừa thiệt hại do quá nhiệt

Hệ số PV là tích của áp suất bề mặt × vận tốc trượt tại giao diện đai ốc-vít và rất quan trọng đối với cụm vít me polyme.

Tải trọng cao hơn yêu cầu tốc độ thấp hơn để tránh nhiệt ma sát và hư hỏng vĩnh viễn.

Tốc độ cao hơn yêu cầu tải trọng giảm để đảm bảo giá trị PV thực tế vẫn thấp hơn giới hạn PV của vật liệu, kéo dài tuổi thọ sử dụng.

8.4Khả năng tương thích với môi trường: Xem xét xếp hạng IP và vật liệu

Đối với môi trường khắc nghiệt (bụi, ẩm, ăn mòn), nên sử dụng vít thép không gỉ hoặc vít phủ PTFE, chú ý đến xếp hạng IP (chống bụi và nước).

Đối với môi trường sạch (y tế, điện tử), vít nhựa hoặc nhôm có ưu điểm là giảm trọng lượng và hoạt động êm ái.

8.5Kiểu ren: Hiệu suất phù hợp và hướng tải

• Ren vuông cho các ứng dụng hiệu suất cao.
• Ren chống đỡ cho tải trọng nặng một chiều.
• Ren Acme (hình thang) dùng trong công nghiệp nói chung.

9.0Phần kết luận

• Công nghệ đã được thiết lập
  Vít me là giải pháp chuyển động tuyến tính đã được chứng minh, với hiệu suất chịu ảnh hưởng lớn từ các kỹ thuật sản xuất như cán ren chính xác CNC và cán ren 3 khuôn.
• Những cân nhắc khi lựa chọn
  Việc lựa chọn loại vít phù hợp đòi hỏi phải đánh giá chi phí, yêu cầu về tải trọng, yêu cầu về độ chính xác và điều kiện môi trường.
• Ứng dụng tốt nhất
  • Lý tưởng cho: tải trọng trung bình đến nhẹ, chuyển động tốc độ thấp, định vị theo chiều dọc và các dự án tiết kiệm chi phí.
  • Ít phù hợp hơn với: các ứng dụng tốc độ cao, độ chính xác cao hoặc hoạt động liên tục, trong đó vít me bi hoặc các hệ thống tiên tiến khác có thể phù hợp hơn.

 

 Tài liệu tham khảo

www.iqsdirectory.com/articles/ball-screw/lead-screws.html

www.progressiveautomations.com/blogs/how-to/lead-screw-questions-asked-answered

ractory.com/lead-screws/

kiwimotion.co.uk/technical-articles/ball-screws/ball-screw-vs-lead-screw/

blog.igus.ca/2021/06/03/what-is-a-lead-screw/