Кульково-гвинтова пара (ШВП) для верстата ЧПУ: гвинти, гайки, опори і муфти

Як працює кульково-гвинтова пара

ШВП складається з гвинта з гвинтовою канавкою напівкруглого профілю, гайки з такою самою канавкою всередині і сталевих кульок між ними. При обертанні гвинта кульки котяться по канавках і штовхають гайку вздовж осі. Пройшовши кілька витків, кульки потрапляють у зворотний канал гайки і повертаються до початку контуру, тому вони циркулюють усередині гайки, не випадаючи назовні.

Тертя кочення замість тертя ковзання дає ККД 0.9 і вище. Для того самого зусилля на осі двигуну потрібен менший момент, гвинт і гайка менше гріються і повільніше зношуються. Високий ККД працює і у зворотний бік: ШВП не самогальмується, і вертикальна вісь під вагою шпинделя може опуститися сама, якщо двигун знеструмлений.

Позначення ШВП

У позначенні 1605 перші дві цифри це номінальний діаметр гвинта в міліметрах, останні дві це крок, тобто переміщення гайки за один оберт гвинта. Літери SFU позначають одинарну фланцеву гайку. Цифра після дефіса в каталогах виробників, наприклад SFU1605-3 або SFU1605-4, показує кількість контурів циркуляції кульок: що більше контурів, то довша гайка і вища її вантажопідйомність.

Крок гвинта: точність, швидкість і момент

Крок задає одразу три величини осі. Переміщення на повний крок двигуна дорівнює кроку гвинта, поділеному на 200 кроків на оберт. Подача при заданій частоті обертання дорівнює кроку, помноженому на оберти. Момент на гвинті для зусилля F рахують за формулою T = F x P / (2π x η), де P це крок у метрах, а η це ККД пари.

Крок 5 мм обирають для осей, де потрібні тонке переміщення і запас зусилля, наприклад для осі Z і для фрезерних верстатів по металу. Крок 10 мм удвічі швидший при тих самих обертах, але потребує вдвічі більшого моменту і дає вдвічі більше переміщення на крок двигуна, тому його ставлять на довгі осі X і Y фрезерних, лазерних і плазмових верстатів.

Класи точності ШВП

Точність ходу ШВП нормує стандарт ISO 3408 (в Японії JIS B1192). Для класів C0-C5 задається відхилення ходу на всій довжині різьби і коливання ходу на ділянці 300 мм, для класів C7 і C10 задається допустиме відхилення ходу на будь-якій ділянці 300 мм.

Катані гвинти класу C7 отримують накочуванням різьби, вони дешевші за шліфовані і стоять на більшості верстатів з ЧПУ для майстерень. Похибка ходу C7 на довжині 300 мм не більша за 0.05 мм. Якщо верстату потрібна вища точність, її отримують гвинтом класу C5 або компенсацією похибки кроку в системі керування за вимірюванням ходу.

Осьовий зазор і натяг гайки

Одинарна гайка без натягу має невеликий осьовий зазор між кульками і канавками. У каталогах катаних ШВП для гвинтів діаметром 14-28 мм вказують осьовий зазор до 0.1 мм. Зазор проявляється при зміні напрямку руху: двигун уже повернувся, а каретка ще стоїть. Невеликий зазор компенсується в системі керування параметром люфту, великий зазор свідчить про знос пари.

Натяг вибирає зазор і підвищує жорсткість гайки. Його створюють двома гайками, розсунутими проставкою, зміщенням кроку між двома половинами однієї гайки або кульками збільшеного діаметра. Натягнута гайка під навантаженням зміщується вдвічі менше, ніж гайка без натягу, поки зовнішня сила не перевищить натяг у 3 рази, тому оптимальний натяг беруть рівним третині найбільшого осьового навантаження. Найбільший натяг обмежують 10% динамічної вантажопідйомності: більший натяг скорочує ресурс і нагріває гайку.

Опори гвинта і схема встановлення

Гвинт тримають дві опори. Фіксована опора (серії BK на основі і FK на фланці) ставиться з боку двигуна: у ній пара радіально-упорних підшипників, які сприймають осьове навантаження в обидва боки, а гвинт затягнутий гайкою на різьбі кінця. Плаваюча опора (серії BF і FF) ставиться на другий кінець: у ній один підшипник, який тримає гвинт радіально і дозволяє йому зміщуватися вздовж осі.

Плаваючий кінець потрібен через нагрівання. Сталь подовжується на 12 мкм на кожен метр при нагріванні на 1 °C, і гвинт довжиною 1000 мм при нагріванні на 10 °C стає довшим на 0.12 мм. Якщо затиснути обидва кінці жорстко без розрахунку на це подовження, гвинт згинається або навантажує підшипники осьовою силою.

Коефіцієнт з таблиці входить у формулу допустимої частоти обертання гвинта: що жорсткіше закріплені кінці, то вища частота, на якій довгий гвинт починає згинатися і бити. Докладний розрахунок за довжиною гвинта наведено в розділі гвинтів ШВП.

Обробка кінців гвинта

Кінець під фіксовану опору проточений сходинками: шийка під підшипники, різьба під гайку опори і хвостовик під муфту двигуна. Кінець під плаваючу опору проточений під підшипник і має канавку під стопорне кільце. Розміри проточки залежать від типорозміру опор, тому гвинт і опори підбирають однієї серії, наприклад гвинт 16 мм з опорами BK12 і BF12 або гвинт 20 мм з опорами BK15 і BF15.

Як вибрати ШВП для осі верстата

• Визначте хід осі і зусилля: зусилля різання, силу на розгін маси каретки і тертя направляючих.
• Виберіть крок за потрібною подачею і роздільністю: подача на робочих обертах двигуна і переміщення на крок двигуна з таблиці вище.
• Порахуйте момент на гвинті за формулою T = F x P / (2π x η) і порівняйте з моментом двигуна на робочих обертах із запасом.
• Виберіть довжину гвинта: хід осі плюс довжина гайки, плюс запас по 1.5-2 кроки з кожного боку, плюс оброблені кінці під опори.
• Для довгих осей перевірте допустиму частоту обертання за довжиною гвинта і схемою встановлення опор.
• Виберіть клас точності: C7 для верстатів майстерень, C5 і вище для прецизійного позиціювання.

Приклад розрахунку: вісь із зусиллям 300 Н, хід 380 мм, подача 3000 мм/хв. Гвинт із кроком 5 мм на подачі 3000 мм/хв обертається з частотою 600 об/хв, момент на гвинті 0.27 Н·м. Різьба потрібна довжиною 380 + 42 + 2 x 10 = 442 мм, де 42 мм це довжина гайки, а 10 мм це запас у 2 кроки з кожного боку. З обробленими кінцями 50 мм виходить 492 мм, підходить гвинт 1605 довжиною 500 мм.

Порядок монтажу

• Закріпіть фіксовану опору, вставте гвинт з гайкою і затягніть гайку опори на різьбі кінця.
• Надіньте плаваючу опору на другий кінець і поставте стопорне кільце в канавку.
• Закріпіть гайку в корпусі, а корпус на каретці, не затягуючи гвинти до кінця.
• Підженіть опори по висоті і в плані: проженіть каретку від однієї опори до іншої і тільки після цього затягніть кріплення опор і корпусу гайки.
• З’єднайте хвостовик гвинта з валом двигуна муфтою і перевірте, що гвинт обертається рукою без тугих місць по всій довжині ходу.
• Змастіть гайку перед першим запуском і далі за графіком обслуговування.

Часті помилки

• Гайку скрутили з гвинта без транспортувальної втулки, і кульки висипалися.
• Обидві опори затиснули жорстко на довгому гвинті, і при нагріванні гвинт вигнувся.
• Опори і корпус гайки стоять не на одній осі, гайка заклинює біля кінців ходу і швидко зношується.
• Вертикальну вісь із кроком 10 мм залишили без гальма або противаги, і при вимкненні живлення шпиндель опустився.
• Гайку не змащують, стружка потрапляє до кульок, і з’являється люфт.
• Крок обрали лише за швидкістю, і двигуну не вистачає моменту на розгін.