Шарико-винтовая передача движения

Влияющие на износ узла параметры

При выборе новой запчасти важно осведомиться, чем смазывать ШВП ЧПУ. Использование другого вида либо более дешевой жидкости снизит долговечность работы узла, что повлияет на гарантийный ремонт и полностью выведет из строя подшипники. На износ повлияет недостаточная твердость поверхности, на этом параметре часто экономят производители с лейблом no name

На износ повлияет недостаточная твердость поверхности, на этом параметре часто экономят производители с лейблом no name.

Часто вместо указанной стали берется более дешевая и менее устойчивая к нагрузкам. Прокладки и вкладыши из пластмассы должны быть маслостойкими, они часто рассыпаются у дешевых вариантов ШВП. Шарики в подшипниках стираются быстрее из-за несоответствия скоростных режимов реально указанным в паспорте.

Устройство и виды

В настоящее время имеется два основных устройства системы. Первый ее тип содержит неподвижную гайку и подвижный винт, а второй тип, наоборот, имеет подвижную гайку и неподвижный винт. К первой категории устройств можно отнести винтовой домкрат, а вторая группа используется, например, в ходовых винтах станков и в других устройствах.

Существует также несколько видов винтовых передач:

• Система скольжения.
• Система качения, характеризующаяся тем, что гайка имеет канавки, в которые помещаются шарики.
• Планетарные роликовые передачи, считающиеся довольно перспективными, так как отличаются высокой точностью и жесткостью.
• Волновой вид передачи, он отличается довольно малыми поступательными движениями.
• Гидростатическая винтовая передача, характеризующаяся малой степенью трения, малым износом и довольно высокой точностью.

Точность ШВП

Во многих случаях шарико-винтовая передача ставится из-за причины большой точности позиционирования двоих компонентов. Рабочий принцип отличается следующими характерностями:

1. Во многих случаях погрешность составляет 1-3 микрона на 300 мм хода. По мимо этого, можно повстречать шарико-винтовые устройства с более большой точностью позиционирования индивидуальных элементов.
2. Заготовка для получения винта выходит при использовании технологии обработки механическим способом. Примером можно назвать применение токарного станка ЧПУ, так как он дает возможность получить размеры очень точно.
3. После получения необходимой формы проходит закалка и шлифовка поверхности. Первый тех. процесс дает возможность значительно повысить твердость поверхности, второй достичь большой точности размеров.

Принципиальным моментом назовем то, что температурная обработка оказывается основой важного изменения главных качеств материала. Собственно поэтому завершальная обработка во многих случаях представлена шлифованием. Довольно обширное распространение сегодня обрела технология Hard-whirling

Это технология металлообработки учитывает самый маленький нагрев заготовки, благодаря чему значительно увеличивается точность обработки. Во многих случаях точность обработки составляет 250 Нм на один сантиметр

Довольно обширное распространение сегодня обрела технология Hard-whirling. Это технология металлообработки учитывает самый маленький нагрев заготовки, благодаря чему значительно увеличивается точность обработки. Во многих случаях точность обработки составляет 250 Нм на один сантиметр.

Также может использоваться технология фрезеровки и шлифовки на сверхточном оборудовании. Подобное оборудование применяется при получении зеркал и линз. Во многих случаях заготовка предоставлена инварными сплавами, благодаря чему значительно уменьшается погрешность при изготовлении.

Область применения

ШВП получили широкое распространение во многих отраслях промышленности: станкостроение, робототехника, сборочные линии и транспортные устройства, комплексные автоматизированные системы, деревообработка, автомобилестроение, медицинское оборудование, атомная энергетика, космическая и авиационная промышленность, военная техника, точные измерительные приборы и многое другое. Несколько примеров использования этих узлов:

• Приводы подач станков с ЧПУ. Первый серийно выпускаемый в СССР обрабатывающий центр ИР-500 имел 3 координаты обработки. Современные системы содержат значительно большее количество линейных приводов. Например, многошпиндельные автоматы продольного точения Tornos серии MULTI SWISS имеют 14 управляемых осей.
• Перемещение поршня-рейки рулевого механизма автомобилей (МАЗ, КАМАЗ, Газель).
• Вертикальное перемещение каретки производственного 3D-принтера VECTORUS серий iPro и sPro.

Периодичность смазки узлов станка с ЧПУ маслами

Ежедневная смазка швп включает в себя три основные операции:

1. Рабочую поверхность станка – ходовые винты и направляющие тщательно очищают от пыли и отходов резки.
2. Маслом смазывают эти детали и узлы по всей длине, учитывая все оси движения (для нанесения средства можно применять ветошь, кисточку, но лучше получится спреем или капельницей).
3. Портал станка прогоняют несколько раз (берут в расчёт все оси), чтобы смазочное вещество распределилось равномерно.

Допустимо также использовать смазки: ТМ5-18, ТАД-17, трансмиссионные масла, имеющие маркировку 80W90. Чтобы обработать зубчатые рейки, гайки ШВП, целесообразно применять густые смазки с литиевой основой. Они подойдут и для смазывания линейных подшипников.

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

Типы гаек ШВП

Шариковые гайки бывают:

1. По методу создания резьбы – катанные и шлифованные. В 1 случае резьба наносится по методу холодной накатки, а во 2-м – по технологии нарезки и многоэтапной шлифовки. Шлифованные изделия обеспечивают более высокую точность позиционирования, но и цена у них выше.
2. По типу конструкции – состоящие из 1-й или 2-х частей.
3. С фланцем и без фланца.
4. Подвижные и неподвижные – в зависимости от места крепления подвижного узла (на гайке или на винте).
5. С шагом резьбы в диапазоне 1,5–50 мм. При большом шаге резьбы выше скорость, но ниже точность позиционирования, и есть риск самопроизвольного движения гайки.
6. Разных классов точности – от С0 до С10, в зависимости от погрешности позиционирования гайки при ее движении вдоль винта (3,5–50 мкм).
7. По назначению – транспортные и прецизионные, в зависимости от обеспечиваемой точности позиционирования. Транспортные модели используются в прессах, подъемниках и другом оборудовании, не требующем высокоточного позиционирования. В остальных случаях, включая медоборудование и станки с ЧПУ, используются винты и гайки ШВП прецизионного типа.
8. В зависимости от рабочих условий – модели с зазором и с преднатягом. Для устранения зазора по оси, повышения жесткости и получения более точных перемещений ШВП с зазором собираются с предварительным натягом. Он реализуется использованием шариков увеличенного диаметра или установкой в общем корпусе 2-х гаек с дальнейшим осевым смещением и возможностью регулировки натяга.
9. По типу передачи шариков – стандартные, нестандартные и высокоскоростные. В стандартных гайках происходит внутренняя передача шариков в гнезде или рессоре передачи. В нестандартных моделях реализована наружная передача шариков в перепускном канале. Для высокоскоростных гаек характерна особая конструкция торцевых крышек, и шарики перекатываются по продольному аксиальному отверстию.
10. По размерам гайки ШВП бывают стандартной, миниатюрной и скоростной серии.

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.

Классификация

По технологии изготовления ходовые винты бывают:

• Катаные — с винтовой канавкой, получаемой методом холодной прокатки. Эти винты производятся с меньшими затратами, поэтому обладают лучшим соотношением цена-качество при средней точности изготовления (C5, C7, C9).
• Шлифованные — относятся к прецизионным изделиям. После нарезания резьбы и последующей термообработки подвергаются шлифованию. Имеют повышенную точность (C1, C3, C5) и более высокую цену.

По конструкции:

• Шарико-винтовые — изготовленные согласно стандарту DIN. Шарики возвращаются в смежную канавку по желобу отражателя, встроенного в гайку.
• Прецизионные — изготавливаются шлифованием. Могут состоять из одной или двух гаек, иметь предварительный натяг (преднатяг) — устранение осевого зазора с целью повышения точности при реверсах и увеличения жесткости привода.
• Прецизионные с сепаратором — отличаются конструкцией возврата шариков (отсутствует соударение) и шлифованным профилем канавки.
• Прецизионные с вращающейся гайкой имеют встроенный подшипник, благодаря чему имеют повышенную точность перемещения.
• Шлицевый вал с шариковыми втулками фланцевого исполнения. При этом вал выполняет функцию внутреннего кольца подшипника. Эта конструкция отличается компактностью и простотой монтажа.
• Консольное исполнение винта. Применяется для коротких ходовых винтов, не имеющих второй поддержки.

Технические характеристики ШВП

• Основные параметры:
• Диаметр и шаг винта — от 16 × 2,5 до 125 × 20 мм.
• Длина винтового стержня. Ходовые винты для станков с ЧПУ обычно выпускаются с максимальной длиной 2,0–2,5 м, хотя под заказ изготавливают и до 8 метров.
• Линейная скорость перемещения — до 110 м/мин.
• Точность передачи — C1…C10.

Силовые характеристики для некоторых типоразмеров приведены в таблице:

Силовые параметры шарико-винтовых передач
Диаметр × шаг, мм	Грузоподъемность, Н	Осевая жесткость, Н/мкм
	Статическая	Динамическая	Корпусных ШВП	Бескорпусных ШВП
16 × 2,5	9600	5000	—	230
32 × 5	37500	17710	700	760
50 × 10	112500	57750	1000	1100
80 × 10	197700	66880	1700	1900
125 × 20	729000	278000	—	2850
Примечание: осевая жесткость указана для класса точности C1.

Резьба и расчет

Кроме того, что существует несколько видов системы, имеется также несколько типов резьбы для гайки и винта. Если необходимо обеспечить наименьшее трение между деталями, то используется прямоугольный вид

Однако тут очень важно отметить, что технологичность этого типа соединения довольно низкая. Другими словами, нарезать такую резьбу на резьбофрезерном станке невозможно. Если сравнивать прочность прямоугольной и трапецеидальной резьбы, то первая значительно проигрывает

Из-за этого распространение и использование прямоугольной резьбы в винтовой передаче сильно ограничено

Если сравнивать прочность прямоугольной и трапецеидальной резьбы, то первая значительно проигрывает. Из-за этого распространение и использование прямоугольной резьбы в винтовой передаче сильно ограничено.

По этим причинам, основным типом, который используется для устройства передаточных винтов, стала трапецеидальная резьба. У того типа имеется три вида шага — мелкий, средний, крупный. Наибольшую популярность заслужила система со средним шагом.

Расчет винтовой передачи сводится к расчету передаточного соотношения. Формула выглядит следующим образом: U=C/L=pd/pK. С — это длина окружности, L — ход винта, p — шаг винта, K — число заходов винта.

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.

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.

Внешняя система возврата шарика

(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).

Схем с одним оборотом

Пример (2): Внутренняя система возврата шара.

Внутренняя система возврата шара в ШВП

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.

Тангенциальная система внутреннего возврата шара в ШВП

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.

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).

Особенности зубчатого механизма

Такие механизмы предназначены для того, чтобы передавать вращение от одного зубчатого колеса к другому, используя зацепление зубцов. У них относительно малые потери на трение по сравнению с фрикционами, поскольку плотный прижим колесной пары друг к другу не нужен.

Зубчатый механизм

Пара шестерен преобразует скорость вращения вала обратно пропорционально соотношению числа зубцов. Это соотношение называют передаточным числом. Так, колесо с пятью зубьями будет вращаться в 4 раза быстрее, чем состоящее с ним в зацеплении 20-зубое колесо. Крутящий момент в такой паре уменьшится также в 4 раза. Это свойство используют для создания редукторов, понижающих скорость вращения с возрастанием крутящего момента (или наоборот).

Если необходимо получить большое передаточное число, то одной пары шестерен может быть недостаточно: редуктор получится очень больших размеров. Тогда применяют несколько последовательных пар шестерен, каждую с относительно небольшим передаточным числом. Характерным примером такого вида является автомобильная коробка передач или механические часы.

Зубчатый механизм способен также изменять направление вращения приводного вала. Если оси лежат в одной плоскости — применяют конические шестерни, если в разных- то передачу червячного или планетарного вида.

Планетарный зубчатый механизм

Для реализации движение с определенным периодом на одной из шестерен оставляют один (или несколько) зубец. Тогда вторичный вал будет перемещаться на заданный угол только каждый полный оборот ведущего вала.

Если развернуть одну из шестерен на плоскость – получится зубчатая рейка. Такая пара может преобразовывать вращательное движение в прямолинейное.