Конструкция и назначение шарико-винтовых передач для станков с чпу

Точность ШВП

Высокоточные винты обычно дают погрешность порядка 1-3 микрон на 300 мм хода, и даже точнее. Заготовки под такие винты получают грубой механоообработкой, затем заготовки закаливаются и шлифуются до кондиции. Три шага строго обязательны, т.к. температурная обработка сильно меняет поверхность ШВП.

Hard-whirling это сравнительно новая технология металлообработки, которая минимизирует нагрев заготовки в процессе, и может произвести точные винты из закаленной заготовки. Инструментальные винты ШВП обычно достигают точности 250 нм на сантиметр. Они изготавливаются фрезеровкой и шлифовкой на сверхточном оборудовании с контролем специализированным оборудованием субмикронной точности. Аналогичным оборудованием оснащены линии по производству линз и зеркал. Такие винты обычно изготавливаются из Инвара или других инварных сплавов, чтобы минимизировать погрешность, вносимую тепловым расширением винта.

Допускаемая экономия

Для сохранения бюджета используется дробление ШВП на детали. ЧПУ-станки всегда являются полностью разборными для замены самой мелкой запчасти. Однако перед проведением демонтажных работ следует ознакомиться с предложениями на рынке.

Если существует возможность поставки отдельной запчасти, что встречается нечасто, то можно извлечь деталь. Однако бывает дешевле купить ШВП полностью, чтобы обеспечить заводскую точность подгонки составляющих и сохранить гарантию на продукцию.

Бывает, что ШВП уже имеет запас прочности, который часто так и не используется. Поэтому допускается устанавливать подшипниковые пары заниженной жесткости. Но если продавец посчитает условия работы узла неудовлетворительными, то он может не дать гарантию либо снизит сроки ее действия.

Установка передачи

Выбор ШВП для конкретного оборудования производится в процессе конструкторской разработки, а именно на стадии эскизного проектирования — после того как будут определены величина хода стола и необходимое усилие на винте. Затем уточняют техническое решение:

Выбирают длину винта.

• В зависимости от необходимой степени точности привода выбирают между обычной и прецизионной передачей.
• Определяют конструктивный вариант гайки: одинарная, двойная, способ возврата шариков, наличие подшипника и другое. Одинарная гайка дешевле, но в случае износа требует замены, сдвоенную можно регулировать путем подшлифовки компенсатора. Система рециркуляции шариков с помощью трубок несколько увеличивает стоимость гайки, однако допускает возможность ремонта изношенных каналов путем замены обводных трубок.
• Решают — требуется или нет поддержка свободного конца винта.
• Уточняют характер соединения корпуса гайки с перемещаемым узлом, а также ведущего конца ходового винта с электромеханическим приводом. Производят динамический расчет, в случае необходимости вносят изменения в конструкцию.
• Закончив сборку станка, производят испытания всех узлов, в том числе и шарико-винтовой передачи, согласно методике испытаний.

Шариковые винтовые передачи (ШВП) SBC

Шариковая винтовая передача – наиболее распространенная разновидность передачи винт-гайка качения (винтовая пара с промежуточными телами качения: шариками или роликами).

Функционально ШВП (шарико-винтовая передача) служит для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное (и наоборот). ШВП обладает всеми основными техническими преимуществами передачи винт-гайка скольжения, и при этом не имеет ее главных недостатков, таких как низкий КПД, повышенные потери на трение, быстрый износ.

Конструктивно ШВП состоит из винта и гайки с винтовыми канавками криволинейного профиля. Канавки служат дорожками качения для размещенных между витками винта и гайки шариков. Перемещение шариков происходит по замкнутой траектории – при вращении винта шарики вовлекаются в движение по винтовым канавкам, поступательно перемещают гайку и через перепускной канал (канал возврата) возвращаются в исходное положение. Каналы возврата выполняются в специальных вкладышах, которые вставляются в соответствующее окно гайки, по числу рабочих витков.

При работе передачи шарики, пройдя по винтовой канавке на винте свой виток, выкатываются из резьбы в перепускной канал вкладыша, переваливают через выступ резьбы и возвращаются в исходное положение на тот же или на соседний (в зависимости от конструкции) виток. Для передач с многозаходной резьбой применяется особый тип исполнения гайки.

Число рабочих витков в ШВП обычно составляет от 1 до 6. Большее число витков применяется только в сильно нагруженных передачах, например, тяжелых станков.

Основные достоинства шариковинтовой передачи:

• малые потери на трение;
• высокая нагрузочная способность при малых габаритах;
• размерное поступательное перемещение с высокой точностью;
• высокое быстродействие;
• плавный и бесшумный ход.

К недостаткам шариковинтовой передачи можно отнести:

• сложность конструкции гайки;
• ограничение по длине винта (из-за накапливаемой погрешности);
• ограничение по скорости вращения винта (из-за вибрации);
• высокую стоимость (исполнения с шлифованным винтом).

Высокоточные ШВП (шарико-винтовые передачи) производства SBC

SBC Linear Co., Ltd (Сеул, Корея) – крупнейший азиатский производитель систем и компонентов линейных перемещений.

Продуктовая линейка компании включает рельсовые направляющие качения, цилиндрические линейные направляющие и линейные подшипники, линейные модули, системы роликовых направляющих и т. д. Отдельную товарную группу составляют высокоточные шлифованные ШВП и катаные ШВП, изготовленные по PSF-технологии.

SBC выпускает 4 серии шариковинтовых передач, которые различаются по конструкции гайки и шагу винта*, точности исполнения и доступным типоразмерам.

Серия STK. Диаметр винта – от 16 до 80 мм. Стандартный шаг винта – 5 мм (с увеличением диаметра винта возрастает до 10 мм и до 15 мм). Прецизионная фланцевая гайка. Классы точности – C5. Может поставляться с преднатягом и без него.

Серия SLK. Диаметр винта – от 16 до 62,5 мм. Фланцевая гайка с шагом от 10 до 40 мм в зависимости от типоразмера. Классы точности – C5. Может поставляться с преднатягом и без него.

Серия ZG. Диаметр винта – от 16 до 80 мм. Безфланцевая гайка с метрической резьбой по внешней поверхности. Стандартный шаг винта – 5 мм (с увеличением диаметра винта возрастает до 10 мм и до 15 мм). Классы точности – C5. Может поставляться с преднатягом и без него.

Серия MBS. Диаметр винта – от 6 до 12 мм. Фланцевая гайка с коротким шагом (от 1 до 5 мм). Классы точности – C5. Может поставляться с преднатягом и без него.

Максимальная длина винта для всех ШВП – 6 метров. Винты поставляются с предварительно обработанными концами (на выбор предлагаются несколько стандартных типов высокоточной обработки). Для нестандартных решений возможна обработка концов по ТЗ заказчика.

Для монтажа ШВП в машину или механизм предусмотрен достаточно большой выбор концевых опор, в т. ч. на подшипниках.

Все данные для расчета технических параметров и методика подбора ШВП для конкретных условий приведены в каталоге продукции.

ШВП (шарико-винтовые передачи) производства SBC рекомендованы к использованию в следующих отраслях промышленности:

• точное машиностроение;
• станкостроение;
• приборостроение;
• медицинская техника;
• подъемно-транспортное оборудование;
• научное и лабораторное оборудование;
• упаковочное оборудование;
• оборудование для пищевой промышленности;
• оборудование для химической промышленности.

*Шаг винта – перемещение по оси (в мм), которое гайка совершает за один оборот.

Документация по ШВП

ШВП, опоры, обработка концов 07.02.2021

КАК РАБОТАЕТ ШВП?

Шарико-винтовая передача в сборе

Узел шарико-винтовой передачи состоит из винта и гайки, каждая из которых имеет соответствующие винтовые канавки, и шариков, которые катятся между этими канавками, обеспечивая единственный контакт между гайкой и винтом. При вращении винта или гайки шарики отклоняются дефлектором в систему возврата шариков гайки, и они проходят через систему возврата к противоположному концу шариковой гайки по непрерывному пути. Затем шарики выходят из системы возврата шариков в дорожки качения ШВП и гайки, чтобы рециркулировать в замкнутом контуре.

Узел шариковой гайки

Шариковая гайка определяет нагрузку и срок службы шарико-винтовой передачи. Отношение количества резьбы в контуре шариковой гайки к количеству резьбы шарико-винтовой передачи определяет, насколько раньше шариковая гайка достигнет усталостного разрушения (износа), чем шарико-винтовая передача.

Шариковые гайки изготавливаются с двумя типами систем возврата шара.

(а) Внешняя система возврата шарика. В системе возврата этого типа шар возвращается к противоположному концу контура через трубку возврата шара, которая выступает над внешним диаметром шариковой гайки.

(b) Внутренняя система возврата шара (существует несколько вариантов системы возврата этого типа) Шарик возвращается через стенку гайки или вдоль нее, но ниже внешнего диаметра.

Пример (1): У некоторых производителей есть схемы с одним оборотом, в которых шарики вынуждены перевыливаться через гребень резьбы на винте системой возврата. 

Это известно как система внутреннего возврата с перекрестным дефлектором. В шаровых гайках с перекрестным дефлектором шарики совершают только один оборот вала, и цепь замыкается шаровым дефлектором (B) в гайке (C), позволяя шарику проходить между соседними канавками в точках ( А) и (D).

Пример (2): Внутренняя система возврата шара.

В системе возврата этого типа шар возвращается к противоположному концу контура через стенку гайки или вдоль нее, но ниже внешнего диаметра через V-образный колпачок.

Пример (3): тангенциальная система внутреннего возврата шара.

Для работы на высоких скоростях или высоких нагрузках используется система тангенциального шарикового возврата. Это обеспечивает очень плавный поток шариков на любой скорости в ограниченном пространстве. Это очень прочная система возврата шара, которая также используется в решениях с высокими нагрузками. 

D. Узел вращающейся шариковой гайки

Когда длинная шарико-винтовая передача вращается с высокой скоростью, она может начать вибрировать, как только коэффициент гибкости достигнет естественной гармоники для этого размера вала. Это называется критической скоростью и может сильно сказаться на сроке службы ШВП. Безопасная рабочая скорость не должна превышать 80% критической скорости винта. 

Тем не менее, для некоторых задач требуются валы большей длины и высокие скорости. Вот где нужна вращающаяся шариковая гайка. Как правило для этого изготавливаются специальные системы ШВП.

Какие лучше выбрать?

ШВП станков ЧПУ бюджетного варианта выбираются катаного типа. Они не уступают в точности более дорогостоящим, но запас срока службы у таких видов невысокий. Если требуется большая точность, то покупают подшипниковые пары шлифованные.

При большой нагрузке на ось рекомендуется выбирать особый вид, позволяющий выдерживать даже механические удары об инструмент. В них закладывается троекратный запас прочности по сравнению с обычными ШВП для ЧПУ. В СПб имеются аналогичные предложения для каждого вида станка. Однако не все модели имеются в наличии, потребуется время на доставку.

В продаже также можно найти комплектующие к ШВП узлам ранних выпусков. Для упрощения процедуры ремонта имеются уже собранные конструкции: суппорты серийных моделей станков. Для облегчения выбора подшипникового узла у дилеров продукции есть специалисты, способные рассчитать основные параметры изделия. На проданную единицу всегда даются гарантия и рекомендации по обслуживанию.

Функциональное предназначение и устройство

Вид профиля впадины винт-гайка: а) арочный контур б) радиусный контур

Цель рассматриваемого механизма состоит в том, чтобы преобразовать вращательное движение привода в прямолинейное перемещение рабочего объекта. Передача состоит из двух составных частей: ходового винта и гайки.

Винт изготавливается из высокопрочных сталей марок 8ХФ, 8ХФВД, ХВГ, подвергнутых индукционной закалке, или 20Х3МВФ с азотированием. Резьба выполнена в форме спиральной канавки полукруглого или треугольного сечения. В зависимости от условий работы винта профиль впадины может иметь несколько исполнений. Наиболее часто применяется арочный или радиусный контур.

Охватывающая деталь —гайка является составным узлом. Она имеет сложное устройство. Обычно представляет собой корпус, в котором расположены два вкладыша с такими же канавками, как и у ходового винта. Материал вкладных деталей: объемно закаливаемая сталь марки ХВГ, цементируемые стали 12ХН3А, 12Х2Н4А, 18ХГТ. Вставки устанавливают таким образом, чтобы после сборки обеспечить предварительный натяг в системе винт-гайка. Внутри винтовых канавок размещаются закаленные стальные шарики, изготовленные из стали ШХ15, которые при работе передачи циркулируют по замкнутой траектории. Для этого внутри корпуса гайки имеются несколько обводных каналов, выполненных в виде трубок, соединяющих витки гайки. Длина их может быть различной, то есть шарики могут возвращаться через один, два витка, или в конце гайки. Наиболее распространенным является возврат на смежный виток (система DIN).

Технические характеристики 

Планируя купить ШВП для ЧПУ станка или другого оборудования, важно учесть следующие характеристики: 

1. Класс точности. По DIN ISO прецизионные шлифованные ШВП классифицируются от С0 до С5 (соответствует диапазону 3,5–18 мкм), прецизионные катанные – относятся к классу С6 (от 23 мкм), транспортные катанные – С7–С10 (от 50 мкм). Этот параметр рассчитывается как отклонение гайки по отношению к винту на участке в 300 мм. Зависит он от параметров резьбы, люфта, шероховатости, допусков по размерам, температурного диапазона, стартового крутящего момента.
2. Шаг резьбы – бывает в диапазоне 1,5–50 мм. С его возрастанием растет предельная скорость, но снижается точность позиционирования, и уменьшается осевое усилие.
3. Диаметр и угол резьбы.
4. Однозаходный или многозаходный вариант, количество шариков в зацеплении – влияет на грузоподъемность ШВП.
5. Диаметр шариков.
6. Для моделей с зазором – метод преднатяга и регулировки ШВП.
7. Начальный крутящий момент.
8. Жесткость. При недостатке жесткости ШВП в станках с меняющейся нагрузкой есть риск утраты рабочего хода. А излишняя жесткость приводит к интенсивному трению и нагреву, в результате чего повышается расход смазки, и ускоряется износ передачи.
9. Размеры – конструкция должна быть достаточно жесткой и прочной при компактных размерах. Стандартные ШВП производятся длиной до 3000 мм и имеют диаметр винта 16–125 мм.
10. Шумность.