Шарико-винтовая пара (ШВП) для станка ЧПУ: винты, гайки, опоры и муфты

Как работает шарико-винтовая пара

ШВП состоит из винта с винтовой канавкой полукруглого профиля, гайки с такой же канавкой внутри и стальных шариков между ними. При вращении винта шарики катятся по канавкам и толкают гайку вдоль оси. Пройдя несколько витков, шарики попадают в возвратный канал гайки и возвращаются к началу контура, поэтому они циркулируют внутри гайки, не выпадая наружу.

Трение качения вместо трения скольжения даёт КПД 0.9 и выше. Для того же усилия на оси двигателю нужен меньший момент, винт и гайка меньше греются и медленнее изнашиваются. Высокий КПД работает и в обратную сторону: ШВП не самотормозится, и вертикальная ось под весом шпинделя может опуститься сама, если двигатель обесточен.

Обозначение ШВП

В обозначении 1605 первые две цифры это номинальный диаметр винта в миллиметрах, последние две это шаг, то есть перемещение гайки за один оборот винта. Буквы SFU обозначают одинарную фланцевую гайку. Цифра после дефиса в каталогах производителей, например SFU1605-3 или SFU1605-4, показывает число контуров циркуляции шариков: чем больше контуров, тем длиннее гайка и выше её грузоподъёмность.

Шаг винта: точность, скорость и момент

Шаг задаёт сразу три величины оси. Перемещение на полный шаг двигателя равно шагу винта, делённому на 200 шагов на оборот. Подача при заданной частоте вращения равна шагу, умноженному на обороты. Момент на винте для усилия F считают по формуле T = F x P / (2π x η), где P это шаг в метрах, а η это КПД пары.

Шаг 5 мм выбирают для осей, где нужны тонкое перемещение и запас усилия, например для оси Z и для фрезерных станков по металлу. Шаг 10 мм вдвое быстрее при тех же оборотах, но требует вдвое большего момента и даёт вдвое более крупное перемещение на шаг двигателя, поэтому его ставят на длинные оси X и Y фрезерных, лазерных и плазменных станков.

Классы точности ШВП

Точность хода ШВП нормирует стандарт ISO 3408 (в Японии JIS B1192). Для классов C0-C5 задаётся отклонение хода на всей длине резьбы и колебание хода на участке 300 мм, для классов C7 и C10 задаётся допустимое отклонение хода на любом участке 300 мм.

Катаные винты класса C7 получают накаткой резьбы, они дешевле шлифованных и стоят на большинстве станков с ЧПУ для мастерских. Ошибка хода C7 на длине 300 мм не больше 0.05 мм. Если станку нужна точность выше, её получают винтом класса C5 или компенсацией ошибки шага в системе управления по замеру хода.

Осевой зазор и натяг гайки

Одинарная гайка без натяга имеет небольшой осевой зазор между шариками и канавками. В каталогах катаных ШВП для винтов диаметром 14-28 мм указывают осевой зазор до 0.1 мм. Зазор проявляется при смене направления движения: двигатель уже повернулся, а каретка ещё стоит. Небольшой зазор компенсируется в системе управления параметром люфта, большой зазор говорит об износе пары.

Натяг выбирает зазор и повышает жёсткость гайки. Его создают двумя гайками, раздвинутыми проставкой, смещением шага между двумя половинами одной гайки или шариками увеличенного диаметра. Натянутая гайка под нагрузкой смещается вдвое меньше, чем гайка без натяга, пока внешняя сила не превысит натяг в 3 раза, поэтому оптимальный натяг берут равным трети наибольшей осевой нагрузки. Наибольший натяг ограничивают 10% динамической грузоподъёмности: больший натяг сокращает ресурс и нагревает гайку.

Опоры винта и схема установки

Винт держат две опоры. Фиксированная опора (серии BK на основании и FK на фланце) ставится со стороны двигателя: в ней пара радиально-упорных подшипников, которые воспринимают осевую нагрузку в обе стороны, а винт затянут гайкой на резьбе конца. Плавающая опора (серии BF и FF) ставится на второй конец: в ней один подшипник, который держит винт радиально и позволяет ему смещаться вдоль оси.

Плавающий конец нужен из-за нагрева. Сталь удлиняется на 12 мкм на каждый метр при нагреве на 1 °C, и винт длиной 1000 мм при нагреве на 10 °C становится длиннее на 0.12 мм. Если зажать оба конца жёстко без расчёта на это удлинение, винт изгибается или нагружает подшипники осевой силой.

Коэффициент из таблицы входит в формулу допустимой частоты вращения винта: чем жёстче закреплены концы, тем выше частота, на которой длинный винт начинает изгибаться и бить. Подробный расчёт по длине винта приведён в разделе винтов ШВП.

Обработка концов винта

Конец под фиксированную опору проточен ступенями: шейка под подшипники, резьба под гайку опоры и хвостовик под муфту двигателя. Конец под плавающую опору проточен под подшипник и имеет канавку под стопорное кольцо. Размеры проточки зависят от типоразмера опор, поэтому винт и опоры подбирают одной серии, например винт 16 мм с опорами BK12 и BF12 или винт 20 мм с опорами BK15 и BF15.

Как выбрать ШВП для оси станка

• Определите ход оси и усилие: усилие резания, силу на разгон массы каретки и трение направляющих.
• Выберите шаг по нужной подаче и разрешению: подача на рабочих оборотах двигателя и перемещение на шаг двигателя из таблицы выше.
• Посчитайте момент на винте по формуле T = F x P / (2π x η) и сравните с моментом двигателя на рабочих оборотах с запасом.
• Выберите длину винта: ход оси плюс длина гайки, плюс запас по 1.5-2 шага с каждой стороны, плюс обработанные концы под опоры.
• Для длинных осей проверьте допустимую частоту вращения по длине винта и схеме установки опор.
• Выберите класс точности: C7 для станков мастерских, C5 и выше для прецизионного позиционирования.

Пример расчёта: ось с усилием 300 Н, ход 380 мм, подача 3000 мм/мин. Винт с шагом 5 мм на подаче 3000 мм/мин вращается с частотой 600 об/мин, момент на винте 0.27 Н·м. Резьба нужна длиной 380 + 42 + 2 x 10 = 442 мм, где 42 мм это длина гайки, а 10 мм это запас в 2 шага с каждой стороны. С обработанными концами 50 мм получается 492 мм, подходит винт 1605 длиной 500 мм.

Порядок монтажа

• Закрепите фиксированную опору, наденьте винт с гайкой и затяните гайку опоры на резьбе конца.
• Наденьте плавающую опору на второй конец и поставьте стопорное кольцо в канавку.
• Закрепите гайку в корпусе, а корпус на каретке, не затягивая винты до конца.
• Подгоните опоры по высоте и в плане: прогоните каретку от одной опоры до другой и только после этого затяните крепёж опор и корпуса гайки.
• Соедините хвостовик винта с валом двигателя муфтой и проверьте, что винт вращается рукой без тугих мест по всей длине хода.
• Смажьте гайку перед первым запуском и затем по графику обслуживания.

Частые ошибки

• Гайку свинтили с винта без транспортировочной втулки, и шарики высыпались.
• Обе опоры зажали жёстко на длинном винте, и при нагреве винт изогнулся.
• Опоры и корпус гайки стоят не на одной оси, гайка заклинивает у концов хода и быстро изнашивается.
• Вертикальную ось с шагом 10 мм оставили без тормоза или противовеса, и при отключении питания шпиндель опустился.
• Гайку не смазывают, стружка попадает к шарикам, и появляется люфт.
• Шаг выбрали только по скорости, и двигателю не хватает момента на разгон.