— Грузоподъемность. При тяжелой обработки винт ШВП не должен прогибаться между опорами или вибрировать иначе это отразится на точности обрабатываемой детали, что потребует снижение режимов обработки и глубины резания. В итоге повысится время обработки и снизится производительность. Поэтому необходим жесткий винт ШВП.
— Точность позиционирования. Точность перемещения узла станка зависит от точности ШВП, если там будут люфты или грубая точность, то это также отразится на точности обрабатываемых деталей.
— Точность повторяемости. Также зависит от точности изготовления шарико-винтовой передачи.
— Скорость перемещения. В современных станках с ЧПУ скорость и ускорение выходят на первые позиции, так как необходима высокая скорость на быстрых перемещениях, а также и на рабочих ходах, особенно в высокоскоростной обработке.
— Плавность хода. ШВП должен обеспечивать плавность перемещения узла станка, иначе это также отразится на точности обработки. Скачки не допустимы, особенно это имеет место в момент трогания перемещения узла.
— Долговечность. Узел ШВП должен иметь долгий срок службы при расчетных нагрузках, так как его быстрый износ приведет к неплановым простоям на ремонт.
— Отсутствие нагрева. При работе станка ШВП не должны нагреваться, иначе будет быстрый износ самой ШВП и это отразится на точности станка.
Теперь думаю понятно, почему так важно иметь качественную, хорошую, жесткую шарико-винтовую передачу в станке. Давайте посмотрим на ее устройство.
Устройство ШВП
1. Винт ШВП — это вал, в котором имеется винтовая канавка или несколько канавок криволинейного (полукруглого) сечения. Таким образом винты ШВП бывают однозаходные и многозаходные. Данные канавки служат дорожкой для шариков, которые заполняют промежуток между винтом и гайкой. Более подробно о многозаходных винтах ШВП можно ознакомиться здесь (очень рекомендуется).
2. Гайка ШВП – это гайка, в которой сделаны ответные винтовые канавки кругового сечения, с тем же шагом, что и на винте. Таким образом канавки образуют канал кругового сечения, в котором могут прокатываться шарики определенного диаметра. В гайке также реализован канал для циркуляции шариков по кругу, таким образом они не выходят наружу из гайки, а возвращаются обратно в зацепление между гайкой и винтом.
3. Шарики. В зависимости от используемого винта и гайки используют необходимое количество шариков и определенного диаметра.
Не путаем ШВП с ходовым винтом
По сути шарико-винтовая передача является одной из разновидностей передачи вращательного в поступательное движение. Существуют три основных вида: ШВП, Винт-гайка скольжения, Зубчатая рейка.
В передаче Винт-гайка скольжения используется трапецеидальная или метрическая резьба, гайка перемещается вдоль винта по резьбе и при этом наблюдается большая площадь контакта, что в свою очередь ведет к высокой несущей способности, но и к повышенному трению и нагреву.
Основным и принципиальным отличием является условия трения: качения в ШВП или скольжения в передаче Винт-Гайка.
1. Более высокую скорость и ускорение, за счет меньшей площади контакта и трения, чем у передачи винт-гайка.
2. Более высокую точность позиционирования и повторяемости.
3. БОльшую плавность хода, за счет шариков и отсутствие рывков при трогании.
4. Значительно меньший нагрев, так как нет большого трения.
5. Больший КПД 90-95% и выше, в отличие от передачи Винт-гайка скольжения около 40-50%.
6. Для ШВП требуется электродвигатель меньшей мощности, в силу меньшего трения, а также меньше расход электроэнергии. У ходового винта необходим более мощный мотор и больший расход кВт энергии.
7. Минимальный износ. В передаче винт-гайка скольжения винт стирается в виду трения, тем самым «стирается» и точность передачи и всего станка в целом.
8. БОльшую долговечность. Менять ШВП требуется меньше, чем ходовой винт, опять же в силу трения и меньшего износа.
9. Низкую стоимость владения, так как более долговечная ШВП требует редкого ремонта, ввиду отсутствия большого трения и нагрева, меньшего расхода кВт. А кроме того, отсутствие простоев на ремонт устраняет упущенную прибыль, и тем самым еще более снижает стоимость владения ШВП.
10. Большие осевые силы.
Однако, передача через ходовой винт:
1. Более дешевле по стоимости.
2. Более жесткая.
3. Более грузоподъемная, так как имеет большую площадь контакта.
4. Более компактная, так как в гайке нет каналов для шариков.
5. Менее трудоемкая и более простая в изготовлении.
6. Лучше подходит для вертикального размещения, так как в ШВП необходимы дополнительные опоры для предотвращения падения винта и узла станка.
7. Самотормозящая передача.
Также часто путают понятие ход и шаг. Ход — это расстояние пройденное гайкой за один оборот винта. Шаг — это расстояние между канавками. При однозаходном винте шаг и ход будут совпадать, а при многозаходном нет.
Винты ШВП рассчитаны на осевую нагрузку, а сопротивление радиальным нагрузкам по большей части обеспечивается связью с линейными направляющими подвижного узла.
Для определения размеров электродвигателя, важным является необходимый крутящий момент, который в большей степени зависит от осевой нагрузки на винт. Здесь необходимо учитывать не только силу резания, но и силу для перемещения узла, силу трения. Максимальный крутящий момент возникает в момент ускорения.
Основные характеристики ШВП
К основным характеристикам ШВП относят:
1. Диаметр винтовой канавки (D).
2. Шаг винтовой канавки (P).
3. Диаметр шариков (d), часто его выбирают равным d=6*P
4. Ход за 1 оборот, в однозаходных винтах ход равен шагу.
5. Однозаходный или многозаходный.
6. Класс точности.
7. Стартовый крутящий момент.
8. Шумность.
9. Угол винтовой канавки.
Класс точности ШВП определяет: точность шага, шероховатость, допуски размеров, люфт, шумность, стартовый крутящий момент и т.д. Про класс точности можно почитать здесь (рекомендуется знать).
Класс точности ШВП
ШВП разделяют на две основные группы это ШВП транспортной группы и позиционной группы. Они имеют различное применение, а соответственно и различные, предъявляемые к ним требования, в том числе классы точности. Как правило ШВП транспортной группы менее точные и в них присутствует бОльший люфт. Более подробно про классы точности ШВП можно почить здесь (оч. рекомендуется).
Опоры ШВП
Особое внимание необходимо уделить опорам ШВП, ненадежность данных узлов может снизить достоинства даже самой жесткой и точной ШВП. По расположению они подразделяются на вертикальные (BK и BF) и горизонтальные (FK и FF). Существуют и другие серии, но для понимания вопроса нам достаточно BK, BF. Более детально про опоры ШВП можно почитать здесь (оч. рекомендуется).
Изготовление ШВП
В основном винты ШВП изготавливают шлифованием либо накатыванием. Эти способы имеют свои достоинства и недостатки. Подробнее о способах изготовления ШВП можно узнать, перейдя по ссылке (оч. рекомендуется).
Преднатяг ШВП
Для повышения точности ШВП осуществляют предварительный натяг ШВП или преднатяг ШВП, т.е. гарантированно выбираются зазоры между гайкой и винтом ШВП, создается дополнительная нагрузка или натяг в ШВП. Тема достаточно большая, поэтому подробнее можно узнать об этом здесь (оч. рекомендуется).
Резюме
Вместо резюме, выделим основные моменты, на которые необходимо обратить внимание при выборе или проектировании ШВП:
1. Класс точности ШВП.
2. Способ обработки (шлифованные, катанные, PSF Technology, структура поверхностного слоя, расположение волокон).
3. Грузоподъемность ШВП (кол-во шариков в зацеплении, однозаходная или многозаходная ШВП).
4. Скорость (большой шаг канавки для высокоскоростных перемещений).
5. Опоры ШВП. (подшипники, частота вращения, ресурс и т.д.)
6. Преднатяг и регулировка ШВП (как конструктивно осуществляется преднатяг?). Нужно еще на начальном этапе понимать, как убрать люфт в ШВП с меньшими затратами.
7. Материал и твердость деталей ШВП. При ремонте не хотелось бы менять винт, а только шарики.
8. Габаритные размеры (высокая жесткость, но компактность конструкции)
9. Ресурс и экономичность.
Не нужно стремиться к завышенным характеристикам ШВП, так как это приведет к удорожанию механизма в целом. Так большой диаметр ШВП потребует большие опоры ШВП с большими подшипниками ШВП, а также более большой и мощный электродвигатель, который в свою очередь потребует больше места, т.е. массивнее станину станка и т.д. Все это в целом приведет к значительному удорожанию всего станка, хотя потребности в этом нет. Плюс к большему расходу кВт электроэнергии на всем протяжении использования оборудования.
Необходимо рассчитывать ШВП на определенные нагрузки и придерживаться рекомендациям из справочников, так все остальные части станка будут гармонично вписываться в конструкцию, спокойно справляясь с заданными нагрузками. Таким образом будет учтена и экономическая составляющая.
