Viti a ricircolo di sfere VS Pignoni e cremagliere

Come scegliere fra viti a ricircolo di sfere e pignoni e cremagliere?

Le macchine CNC di solito utilizzano due sistemi di trasmissione, le viti con chiocciole a ricircolo di sfere oppure i pignoni con cremagliere. Ciascuno dei due metodi presenta vantaggi e svantaggi. Quali sono dunque le considerazioni da fare per decidere quale delle due tecnologie utilizzare per i propri scopi applicativi?

La soluzione è abbastanza semplice quando si parla di macchine piccole o di macchine piuttosto grandi, la scelta invece può divenire difficile quando si parla di macchine di formato intermedio.

Vigono però eccezioni, per comprendere meglio l'intera questione conviene innanzitutto leggere quali sono le principali differenze fra le due tecnologie e valutarne pregi e difetti.

Leggiamo dunque alcune valutazioni pro e contro per entrambe i metodi.

Vantaggi principali offerti dai sistemi di movimentazione lineare basati su Pignone e Cremagliera

• Lunga storia
  Le trasmissioni a cremagliera e pignone hanno storia lunga, si può dire che la loro diffusione inizia già nel 1700, pertanto si tratta di una tecnologia molto ben conosciuta e per nulla superata, ne è ampia riprova l'uso diffuso che persiste al giorno d'oggi. Le conoscenze tecnologiche avanzate dei nostri giorni permettono di produrre meccanismi di questo genere di elevata qualità, questo grazie alle migliorie ottenute nella produzione, nelle tecniche di fresatura e del trattamento dei metalli nonché per le geometrie utilizzate. Pertanto pignoni e cremagliere non devono essere considerati componenti "obsoleti e/o superati", al contrario vanno valutati attentamente per i vantaggi e svantaggi che offrono rispetto ad altri metodi di trasmissione in un dato scenario applicativo.
• Alta accuratezza e precisione.
  I meccanismi a pignone e cremagliera sono adatti a sistemi in cui sono richieste tolleranze strette. Il notevole miglioramento delle attuali tecniche di produzione di questi meccanismi permettono oggi di ottenere ottimi livelli di precisione ed accuratezza, pertanto non è più vero in assoluto il principio per cui i sistemi di questo tipo risultano inferiori rispetto a quelli a viti a ricircolo di sfere. Se utilizzati in un macchinario ben progettato e ben realizzato pignoni e cremagliere di buona od alta qualità adeguati al caso permettono di ottenere ottimi risultati complessivi.
• Alta velocità.
  I sistemi a pignone e cremagliera possono raggiungere velocità relativamente elevate senza problemi, risultano particolarmente efficienti e contribuiscono a rendere bassi i tempi di produzione.
• Resistenza durante l'accelerazione e la decelerazione, anche spinta.
  Al contrario di quanto possono fare le viti a ricircolo di sfere, pignoni e cremagliere permettono rapide e repentine accelerazioni e decelerazioni senza che si verifichino deformazioni degli elementi del meccanismo di trasmissione e fenomeni del tipo "effetto frusta".
• Ottima rigidità.
  Poiché la cremagliera è saldamente fissata alla struttura del macchinario, e non si hanno parti del meccanismo di trasmissione che risultano flottanti, la rigidità del meccanismo è garantita e stabile (al contrario la vite a ricircolo di sfere appunto è letteralmente flottante, fissata alla struttura solo agli estremi ed in punto variabile intermedio su cui attua la chiocciola a ricircolo di sfere).
• Alta efficienza.
  L'efficienza di trasmissione è molto elevata, dipendendo dal modello di cremagliera e pignone utilizzati può arrivare fino al 96% ~ 97% contro un massimo del 90% delle viti a ricircolo di sfere.
• Qualità del meccanismo assicurata per ogni lunghezza di corsa.
  I sistemi di movimentazione lineare a pignone e cremagliera permettono di creare sistemi di qualità identica per ogni lunghezza di corsa, anche particolarmente lunga, al contrario le viti a ricircolo di sfere non sono convenienti per creare lunghe corse.
• Facilità di manutenzione.
  Le operazioni di ingrassaggio dei meccanismi a pignone e cremagliera sono molto semplici ed immediate, non è necessario spurgare il corpo chiuso della chiocciola a ricircolo di sfere che si usa con la vite e non vi sono circuiti a sfere in cunicoli chiusi in cui non è possibile controllare che l'ingrassaggio sia riuscito alla perfezione. Gli elementi del sistema a pignone e cremagliera per natura sono aperti ed ispezionabili a vista, per cui è molto semplice intervenire correttamente con semplici operazioni manutentive di pulizia ed ingrassaggio.
• Facili da sostituire.
  Come tutti i sistemi meccanici anche i gruppi pignone e cremagliera sono soggetti ad usura e nel lungo termine si degradano, a fine vita devono essere sostituiti. Rispetto alla vite con chiocciola a ricircolo di sfera le parti di ricambio del sistema a pignone e cremagliera sono meno costose e le operazioni necessarie a sostituirle sono molto più semplici da compiere, l'eventuale riparazione e rigenerazione del sistema CNC risulta quindi meno impegnativo e meno costoso.
• Costi contenuti rispetto alle viti a ricircolo di sfere.
  Su piccole macchine le viti a ricircolo di sfere risultano più convenienti sui principali fronti, precisione, accuratezza, costo, tuttavia su macchine con lunghe corse il rapporto di costo fra le due tecnologie cambia. I costi di ottimi meccanismi a pignone e cremagliera per lunghe corse possono essere più convenienti rispetto ad ottime viti a ricircolo di sfere altrettanto adeguate. Usando pignone e cremagliera a costi contenuti è possibile creare macchine di buona qualità con lunghe corse, al contrario in generale lo stesso tipo di macchina con viti a ricircolo di sfere comporta un impegno economico e tecnico significativamente maggiore.

Svantaggi e limiti principali offerti dai sistemi di movimentazione lineare basati su Pignone e Cremagliera

• Gioco meccanico.
  La limitazione principale dei meccanismi a pignone e cremagliera è il gioco meccanico, tipicamente maggiore rispetto a quanto osservato nei sistemi a viti a ricircolo di sfere. Il gioco influisce sulla precisione del sistema, che può risultare inferiore. Tuttavia questo dipende anche dalla qualità del meccanismo adottato, con le moderne tecniche di produzione attuali il gioco è molto ridotto rispetto a quanto si osservava tipicamente nel passato, per cui al giorno d'oggi in virtù dei molti altri vantaggi che offrono è opportuno prendere in buona considerazione queste soluzioni. Si consideri inoltre che seppur per natura migliori su questo aspetto anche le viti a ricircolo di sfere offrono un certo grado di gioco. In generale si può dire che al giorno d’oggi il livello di gioco complessivo risultante su un macchinario può essere più che accettabile anche nel caso siano adottati pignoni e cremagliere purché la realizzazione del sistema sia effettuata con dovute attenzioni ed opportune metodiche. Si consideri inoltre che configurando il controllo numerico, entro certi limiti, il gioco può essere compensato via software mano mano che il gioco aumenta per via dell'usura (in ogni caso la stessa cosa si fa con le viti a ricircolo di sfere).
• Usura.
  Come per tutti i sistemi meccanici questo fattore è critico, un meccanismo a pignone e cremagliera trascurato può più facilmente degradarsi. Si consideri però che una corretta costante manutenzione mitiga molto bene questo problema, per questo motivo consigliamo l'adozione dell'ingrassatore automatico che mantiene il meccanismo sempre in condizioni di lavoro ottimali durante le operazioni.
• Rumore e vibrazione.
  Specialmente alle alte velocità di esercizio i sistemi a pignone e cremagliera risultano essere più rumorosi dei sistemi a viti a ricircolo di sfere. Il livello di vibrazione può risultare maggiore, ma non in tutti i casi, inoltre non si verificano casi di vibrazione fuori limite come può avvenire con le viti. In particolare al confronto ad esempio su corse lunghe è molto più difficile mantenere basso il livello di vibrazione con le viti piuttosto che con le cremagliere. In tutti i casi si può dire che su macchine con corse discrete e lunghe utilizzando pignoni e cremagliere è più semplice assicurare un basso livello di vibrazione e scongiurare il rischio di progettazioni di lavorazioni che infine risultano impraticabili a causa di effetti di vibrazione od anche evidente oscillazione eccessiva dovuta ad "effetti frusta" di cui possono soffrire le viti a ricircolo di sfere.

Vantaggi principali offerti dai sistemi di movimentazione lineare basati su viti e chiocciole a ricircolo di sfere.

• Nuova tecnologia
  Le chiocciole e viti a ricircolo di sfere sono una tecnologia relativamente recente, già ottimizzata e decisamente matura, molto apprezzata e valida, tuttavia non sostituiscono i sistemi a pignone e cremagliera, bensì, offrendo diverse qualità e diversi limiti, li affiancano.
• Alta accuratezza e precisione, fluidità, ripetibilità elevata.
  I sistemi basati su chiocciole e viti a ricircolo di sfere offrono elevata precisione, accuratezza, fluidità e ripetibilità. Sono adatti dunque a creare sistemi CNC di alta precisione, questo, a costi contenuti, rimane sempre vero se le corse sono piuttosto corte, inferiori a circa 120 ~ 150cm.
  Se le corse sono molto lunghe al contrario questo sistema di movimentazione lineare presenta vari generi di problemi, vibrazioni, effetto frusta, velocità minori rispetto al sistema a pignone e cremagliera, tali problemi, entro certi limiti, possono essere risolti utilizzando chiocciole e viti di altissima qualità ed adeguatamente dimensionate, ma i costi aumentano notevolmente. In passato questi meccanismi risultavano sempre mediamente superiori ai sistemi a pignone e cremagliera, al giorno d'oggi invece dipendendo dal caso rispetto ai sistemi a pignone e cremagliera possono risultare equivalenti oppure, per le corse lunghe, sconvenienti.
• Basso gioco.
  I meccanismi a chiocciola e vite a ricircolo di sfere (se di buona qualità) per natura offrono basso gioco, pertanto nei casi di corse corte sono sicuramente preferibili. Grazie a questa caratteristica favoriscono la creazione di sistemi che offrono elevata ripetibilità. Per le corse corte questa qualità le rende nettamente preferibili, i sistemi a pignone e cremagliera di alta qualità che possono competere per corse piccole risultano molto più costosi in paragone, questo fattore economico però risulta invertito per le corse lunghe.
• Attrito ridotto.
  Rispetto ai sistemi a pignone e cremagliera le viti a ricircolo di sfere soffrono di minor attrito, pertanto offrono un movimento più fluido. I sistemi a pignone e cremagliera per loro natura non possono fare altrettanto, tuttavia se di ottima qualità non sono problematici in tal senso.
• Silenziosità
  Rispetto ai sistemi a pignone e cremagliera le viti a ricircolo di sfere producono minor rumore, specialmente a bassa velocità. I sistemi a pignone a cremagliera invece sono sempre più rumorosi, specialmente alle alte velocità, ma questo può essere un problema solo in certi ambienti.
• Lunga vita
  Rispetto ai sistemi a pignone e cremagliera le viti a ricircolo di sfere possono godere di vita utile maggiore, questo però è vero solo se la manutenzione viene effettuata con grande attenzione e costanza, se non ben manutenute le chiocciole a ricircolo di sfere e viti sono più prone a guasto. I sistemi di lubrificazione automatica per viti e chiocciole sono più complessi e costosi. I sistemi a pignone e cremagliera seppur più proni all'usura sono più semplici da manutenere, per cui è difficile dire quale dei due sistemi è più conveniente per quanto riguarda questo aspetto.

Svantaggi e limiti principali offerti dai sistemi di movimentazione lineare basati su viti e chiocciole a ricircolo di sfere.

• Costi.
  Possono essere convenienti per la creazione di piccole macchine CNC, ma per la creazione di macchine di dimensioni discrete o grandi i costi di buoni sistemi di trasmissione a viti e chiocciole a ricircolo di sfere possono essere molto più elevati rispetto a quelli a pignone e cremagliera.
• Velocità non elevata.
  In generale se le corse sono corte non ci sono particolari problemi di velocità, ma va anche detto che sulle corse corte questo non è un vero problema, del resto in tal caso non c'è neanche lo spazio fisico sufficiente per raggiungere elevate velocità di traslazione. Quando invece le corse sono lunghe le viti a ricircolo di sfere possono presentare problemi evidenti ed eventualmente gravi, questo è dovuto al fatto che sono flottanti poichè tendono a vibrare ed eventualmente ad entrare in risonanza oscillando e presentando un "effetto frusta", per cui di norma non è possibile raggiungere elevate velocità durante le lavorazioni ed in particolare durante le traslazioni, specialmente se diagonali.
• Deformazioni della vite, oscillazioni ed "effetto frusta".
  Le viti sono fissate alla struttura del macchinario solo alle due estremità, un ulteriore punto di aggancio alla struttura è dato dalla chiocciola che trasmette il movimento al sistema, questo però è ad assetto variabile e dunque problematico, in particolare durante le accelerazioni e decelerazioni la vite tende a deformarsi ed ad oscillare creando un "effetto frusta".
  Questo problema, grave, è particolarmente evidente sulle corse lunghe, può essere mitigato con adeguato dimensionamento della vite, tuttavia questo comporta sempre spese importanti e non risolve completamente il problema, per cui in generale più è lunga la corsa servita con viti a ricircolo di sfere maggiori sono i compromessi da accettare e minori saranno le accelerazioni/decelerazioni e velocità massima raggiungibili.
• Difficile e costosa implementazione in sistemi con corse lunghe.
  Come già accennato se si deve costruire una macchina di discrete o grandi dimensioni i meccanismi creati con viti e chiocciole a ricircolo di sfere pongono importanti problemi tecnici ed elevati costi. In genere per i macchinari CNC che presentano corse maggiori di 1,2 ~ 1,5m bisogna valutare bene se può convenire preferire i meccanismi a pignone e cremagliera, mentre per i macchinari che presentano corse superiori ai due metri i genere questi ultimi sono nettamente preferiti.
• Sensibilità alla temperatura.
  I sistemi a viti e chiocciole a ricircolo di sfere sono più sensibili alle variazioni di temperatura, pertanto in generale rispetto ai sistemi a pignone e cremagliera se utilizzati per lavorazioni continuative prolungate di molte ore consecutive possono soffrire di maggiore usura per via della conseguente aumentata compressione dovuta al dilatarsi della vite ed al restringimento della chiocciola. Ovviamente il problema qui esposto diventa molto più evidente se il macchinario lavora in ambienti in cui la temperatura è già elevata e non controllabile con sistemi di condizionamento (ad esempio durante il periodo estivo. Per certi casi applicativi può essere necessario porre il macchinario in un box condizionato).
• Complessità.
  La progettazione dei sistemi CNC con viti a ricircolo di sfere, la loro realizzazione, manutenzione ed eventuale riparazione o sostituzione di parti, specialmente se di discrete o grandi dimensioni, richiede molta più attenzione, cura dei dettagli, capacità esecutiva di alto livello, elevati costi.

Come scegliere dunque?

Per le macchine piccole con corse corte o modeste il problema della scelta non sussiste, infatti per i motivi detti sopra difficilmente si troveranno soluzioni con pignone e cremagliera.

Idem per le macchine a corsa lunga, è molto probabile che ti verranno proposte solo soluzioni con pignone e cremagliera.

Il problema della scelta dunque si presenterà sopratutto quando si intende acquistare un sistema CNC di medie dimensioni, situazione in cui il produttore può adottare l'uno o l'altro sistema ottenendo risultati simili.

In passato la scelta era semplificata dal fatto che pignoni e cremagliere in genere erano meno accurate e precise, al giorno d'oggi invece poichè le tecniche di costruzione sono notevolmente migliorate la valutazione è più difficile.

Viste tutte le informazioni sopra dette per scegliere correttamente bisogna per prima cosa valutare quanto è veramente importante per i propri scopi applicativi poter ottenere i massimi risultati possibili considerando che con le viti attualmente questi sono solo di poco migliori. Pertanto se si devono creare produzioni di altissima qualità senza compromesso alcuno si può decidere di acquistare costosi sistemi a viti, se invece il maggior investimento non risulta giustificato dall'ottenimento di parti migliori solo nei fini dettagli conviene optare per i sistemi a pignone e cremagliera.

Conclusioni

Entrambi i sistemi di trasmissione a pignone e cremagliera e viti a ricircolo di sfere sono validi ed ampiamente utilizzati per la costruzione di macchine CNC, in generale se la macchina è piccola le viti a ricircolo di sfere sono preferite per la buona fluidità, precisione, accuratezza, ripetibilità offerta ed infine per i costi che in genere risultano essere più bassi.

Se invece la macchina è di discrete o grandi dimensioni molto più spesso sono preferiti i meccanismi a pignone cremagliera per via del fatto che le difficoltà tecniche divengono molto maggiori mentre i costi rimangono ad essere più contenuti.

Il limite di lunghezza delle viti a ricircolo di sfere comunemente accettato è di 6 metri, pertanto per i macchinari con corse di dimensione maggiore non vengono usate, si noti inoltre che le viti con dimensioni maggiori ai 2 metri hanno costi elevati, viti di misura maggiore dei 3 metri hanno costi decisamente elevati.

In passato la differenza in precisione, accuratezza e ripetibilità fra i due sistemi era più evidente, al giorno d'oggi grazie a migliorati metodi produttivi , se si scelgono pignoni e cremagliere di buona od alta qualità e si montano correttamente in sistemi CNC ben realizzati il divario è decisamente ridotto o, dipendendo dal caso, anche annullato.

Per quanto riguarda le macchine di grandi dimensioni è comunque possibile usare viti a ricircolo di sfere, tuttavia i costi e le difficoltà tecniche aumentano notevolmente, pertanto bisogna valutare quanto è realmente necessario poter usufruire del miglior livello di precisione, accuratezza e ripetibilità che, sempre se di adeguata qualità e correttamente utilizzate, queste potrebbero offrire.

Offriamo macchinari CNC di molti generi, sia con viti a ricircolo di sfere che pignoni e cremagliere.

CNC-Step produce 4 linee principali di macchinari CNC, High-Z e varianti, AceroDuro, T-Rex, RaptorX e varianti, vedi qui di seguito che tipo di trasmissioni vengono utilizzate su ciascuna linea.

Viti a ricircolo di sfere su tutti gli assi

• High-Z serie T
• Plascut (High-Z attrezzata per il taglio con torcia al plasma)
• AceroDuro

Pignone e cremagliera sugli assi X ed Y e vite a ricircolo di sfere sull'asse Z

• T-Rex

Pignone e cremagliera su tutti gli assi

• RaptorX
• HTC (RaptorX attrezzata per il taglio ad acqua ad altissima pressione Waterjet)

CNC-STEP inoltre produce la linea High-Z serie S versione economica che utilizza le viti trapezie, questo tipo di viti utilizzano chiocciole che non hanno il cuscinetto a ricircolo di sfere, il contatto fra vite e chiocciola dunque è diretto e l'attrito maggiore, la chiocciola utilizzata è creata da blocchetti di Nylatron, un tecnopolimero molto resistente ed autolubrificante caricato a molibdeno, si tratta di una soluzione economica che offre buone prestazioni per lavorazioni a bassa velocità non continuative, eccellente per uso hobbystico o professionale purché leggero non intensivo.