Круглый вал на опоре SBR, линейная направляющая для станка ЧПУ

Круглый вал на опоре SBR для станка ЧПУ

Вал на опоре SBR это линейная направляющая из шлифованного круглого вала и алюминиевой опоры, на которой вал лежит по всей длине. Опора крепится к раме станка, а по валу ходят открытые линейные подшипники SBR. Каретки ставят одинарные или спаренные по длине, шарики в них циркулируют по замкнутым дорожкам, поэтому сопротивление движению мало, а износ невелик.

Ниже разобрано, как вал соединён с опорой, зачем вообще нужна опора и насколько гнётся вал без неё, как выбрать диаметр, рассчитать длину вала, подготовить отрезок после порезки и выставить два вала параллельно.

Как устроен вал на опоре

Опора SBR это алюминиевый профиль с вертикальной стенкой и двумя полками внизу. Вал лежит на верхней кромке стенки и притянут к ней снизу винтами, которые проходят через опору и вкручиваются в резьбовые отверстия вала. По чертежам SBR16 и SBR20 это винты M5 с шагом 150 мм.

Полки опоры толщиной 5 мм имеют отверстия Ø5.5 мм под болты M5, которыми опору прикручивают к раме. У SBR16 отверстия в полках разнесены по ширине на 30 мм. Стенка опоры узкая, поэтому её пропускает прорезь в корпусе открытого подшипника, и каретка проходит вал от торца до торца, не задевая крепёж.

Зачем валу опора: расчёт прогиба

Вал без опоры закреплён только по концам и под нагрузкой гнётся как балка. Прогиб в середине пролёта считают по формуле f = F x L³ / (48 x E x I), где I = π x d⁴ / 64 это момент инерции круглого сечения. Для стального вала с модулем упругости E = 210 ГПа и силы F = 500 Н в середине пролёта получается:

Расчёт не учитывает собственный вес вала, поэтому реальный прогиб длинного свободного вала ещё больше. Видно, что при удвоении пролёта прогиб растёт в 8 раз, а при переходе с Ø16 на Ø20 мм уменьшается в 2.44 раза, так как жёсткость пропорциональна четвёртой степени диаметра.

Вал на опоре передаёт нагрузку на опору и раму по всей длине и не провисает между точками крепления. Поэтому длинную ось станка делают на валу с опорой, а точность оси определяет ровность рамы, на которую опора прикручена.

Какой диаметр выбрать

• SBR12: короткие оси и компактные узлы с небольшой нагрузкой, небольшие граверы. На сайте продаётся отрезком 250 мм, под подшипник SBR12UU.
• SBR16 (SA16): граверы и станки для дерева и пластика с относительно небольшими нагрузками. Подшипники SBR16UU и SBR16LUU.
• SBR20 (SA20): средние нагрузки, станки для дерева, пластика и алюминия. Подшипники SBR20UU и SBR20LUU.

Если нагрузка на ось большая или нужна высокая точность, вместо круглого вала ставят профильную рельсовую направляющую.

Как рассчитать длину вала

Длина вала равна рабочему ходу оси плюс длина пакета кареток, то есть расстояние от внешнего торца первой каретки до внешнего торца последней. Сверху добавляют запас под упоры и концевые выключатели. Пример для хода 1000 мм и двух кареток SBR20UU с промежутком 100 мм:

К 1200 мм прибавьте место под упоры по обоим концам. Чем дальше разнесены каретки, тем лучше стол сопротивляется перекосу, но тем длиннее нужен вал при том же ходе.

Порезка и подготовка торцов

Валы SBR16 и SBR20 поставляются заготовками 4000 мм и продаются кратно 1 м, отрезки под длину осей получают порезкой. Порезка болгаркой выполняется с точностью 1 мм, ширина реза 1...1.5 мм уходит в стружку, поэтому при раскрое одной заготовки на несколько отрезков её учитывают в расчёте остатка.

После порезки на торце вала остаются заусенцы и окалина. Их снимают напильником и притупляют острую кромку вала, чтобы при надевании каретки не повредить уплотнения и шарики. Каретку надевают на вал с торца, без перекоса и без усилия.

Монтаж двух валов на раму

• Подготовьте ровную опорную поверхность рамы и очистите её от стружки и краски.
• Первый вал прикрутите болтами M5 через отверстия опоры, выставив его по линейке или натянутой струне.
• Второй вал поставьте на нужном расстоянии и затяните болты слегка.
• Установите стол на каретки обоих валов, прогоните его по всей длине и затягивайте болты второго вала по ходу стола: каретки сами выставят вал параллельно первому.
• Проверьте, что стол идёт по всей длине плавно и без заеданий, а расстояние между валами одинаково в нескольких точках.

Где применяют валы на опоре

Система из вала на опоре и линейных подшипников SBR применяется в станках с ЧПУ: фрезерных, плазморезных, лазерных, а также в плоттерах, 3D принтерах и измерительном оборудовании. В машиностроении её ставят там, где требуется линейное перемещение и точное позиционирование при умеренной цене узла.