Шарико-винтовые передачи. Шариковые винтовые передачи (ШВП). Основные теоретические сведения Установка ШВП на станок с ЧПУ

Для передачи усилия и движения могут применяться самые различные шарико-винтовые передачи . Наибольшее распространение получила шарико-винтовая передача. Она обеспечивает линейное передвижение привода, которое преобразует вращение в поступательное движение. Среди особенностей этого процесса можно отметить крайне малое трение, так как оно приводит к износу материала и существенному снижению КПД, нагреву трущихся элементов. Рассмотрим особенности этого процесса подробнее.

Функциональное предназначение и устройство

Как ранее было отмечено, шарико-винтовая пара применяется для передачи усилия и преобразования вращения в поступательное движение. Устройство характеризуется наличием нескольких элементов:

1. Стержень с винтовыми канавками.
2. Гайка с подходящей резьбой и размером.

Наибольшее распространение получили варианты исполнения, характеризующиеся резьбой с полукруглым профилем. Шариковые винтовые пары довольно просты в исполнении, что определяет их надежность и длительный срок эксплуатации.

Принцип работы

Винтовая пара характеризуется довольно простой конструкцией, которая работает следующим образом

1. На момент вращения гайки шарики перекатываются по созданным каналам.
2. Шарики способны поступательно перемещать гайку, выталкивая из резьбы. При этом есть перепускной канал, за счет которого происходит возращение шариков в исходное положение.
3. Перемещение шарика происходит по замкнутому контуру, который находится внутри гайки.
4. Наибольшее распространение получили варианты исполнения шарико винтовые передач, в которых канал возврата соединяется два соседних витка.

Встречаются самые различные варианты исполнения рассматриваемой конструкции. Они выбираются в зависимости от условий эксплуатации и предназначения. Примером можно назвать то, что в станкостроительстве используется шариковая винтовая передача с трехконтурной гайкой. Для этого создается специальный вкладыш, для которого создается окно овальной формы. Для снижения трения и повышения показателя КПД применяются сразу три вкладыша, размещаемые под углом 120 градусов относительно друг друга.

Быстроходные или скоростные ШВП

Современные станки и иное оборудование характеризуется высокой производительностью и универсальностью в применении. Как правило, усилие создается двигателем, который совершает вращательное движение. Для того чтобы преобразовать вращение в возвратно поступательное движение применяется винтовая передача. Обычное сочетание винта и гайки характеризуется менее высоким КПД, чем новые скоростные конструкции.

Быстроходная шариковая винтовая передача характеризуется следующими особенностями:

1. При изготовлении применяется материал, который характеризуется высокой износостойкостью. Слишком сильный износ приводит к потери точности.
2. Специальная шарико винтовая передача обеспечивает быстрое перемещение гайки.

Чаще всего скоростные ШВП устанавливаются на станки с ЧПУ. За счет их применения обеспечивается быстрое перемещение исполнительных органов.

Классификация

При изготовлении шарико винтовой передачи могут применяться самые различные технологии. В зависимости от их особенностей выделяют следующие виды конструкций:

1. 1. Катанные получаются при применении метода холодной катки. Как правило, подобная технология характеризуется меньшими затратами при ее применении. За счет этого соотношение цены и качества максимально высокое, то точность получаемых изделий низкая.
   2. Шлифованные – прецизионные изделия, которые после нарезания резьбы и закалки подвергаются шлифованию. За счет этого обеспечивается высокая степень гладкости. Большинство изделий из этой группы характеризуется повышенной точностью. Однако, процесс закалки и шлифования определяет существенное повышение стоимости изделия.

Провести классификацию также можно по конструктивным особенностям:

1. При изготовлении стандартной шарико винтовой пары применяются стандарты DIN .
2. Прецизионные получают путем применения технологии шлифования. Конструкция может состоять из одной или двух гаек, которые предварительно натягивают.
3. Есть варианты исполнения, полученные шлифованием, с сепаратором. Подобная конструкция характеризуется наличием конструкции, за счет которой обеспечивается возврат шариков в начальное положение.
4. Шарико винтовая передача с вращающейся гайкой имеет встроенный подшипник, который обеспечивает точное перемещение подвижного элемента.
5. В рассматриваемую категорию также включается шлицевой вал с втулками шарикового типа. Подобная шарико винтовая конструкция характеризуется компактностью и простотой монтажа.
6. Вариант исполнения консольного типа. Применяется в случае, когда требуется компактная передача.

Подобная классификация учитывается при выборе требуемой конструкции.

При выборе шарико-винтовой передачи учитываются ее основные характеристики. Как правило, они следующие:

1. Протяженность стержня. Характеристики ШВП для оборудования с ЧПУ характеризуются максимальной длиной около 2-х метров. Это связано с тем, что слишком длинное изделие может деформироваться при точечном воздействии.
2. Линейное скоростное передвижение – основной показатель, который стоит учитывать.
3. Диаметр и шаг винта также можно назвать важными показателями. Именно они определяют то, какая нагрузка может оказываться.
4. Точность изделия, которая варьирует в пределе от С1 до С10.

Можно встретить также табличную информацию, которая применяется для определения основных характеристик.

Установка передачи

Выбор ШВП можно провести в процессе разбора конструкции и эскизного проектирования. Перед установкой винтореечной шариковой передачи проводится расчет:

1. Величины хода стола.
2. Необходимое усилие, которое должно быть на винте.
3. Выбирается наиболее подходящая длина винта.
4. Точность определяет, нужно ли проводить установку шарико винтовой передачи, полученного путем шлифования или холодного проката.
5. Определяются конструктивные особенности гайки: возврат шариков в исходное положение, нужен ли подшипник, какой должна быть гайка. Примером можно назвать то, что конструкция с одинарной гайкой обходится намного дешевле, но вариант исполнения с двойной более износостойкий.
6. Уточняется, должен ли надежно фиксироваться свободный конец.
7. Определяется то, как шарико винтовая передача соединяется с корпусом.

После выбора подходящего варианта исполнения шарико-винтовой передачи проводится ее установка. Крепление может проводится при применении винтов и заклепок или путем сварки.

Область применения

Основные характеристики определяют широкое распространение ШВП. Примером можно различные узлы автомобилей и станки. Более наглядным применением ШВП можно назвать нижеприведенные случаи:

1. Изготовление привода станков ЧПУ. Современные варианты исполнения обладают несколькими линейными приводами. Примером можно назвать случай, когда станок Tornos имеет 14 управляемых осей.
2. КАМАЗ и некоторые другие автопроизводители применяют подобную рейку при изготовлении рулевого механизма. За счет этого упрощается процесс изменения положения тяжелых колес, которые отягощены грязью.
3. При производстве принтера и другого типографического оборудования устанавливается подобная рейка.

Как ранее было отмечено, в качестве основного источника усилия устанавливается двигатель. Вращение преобразуется рейкой в возвратно-поступательное движение, которое весьма распространено.

Преимущества ШВП перед остальными видами передач

Преимуществ у ШВП довольно много. Подобная конструкция характеризуется следующими достоинствами:

1. Низкий коэффициент трения, который достигается за счет применения шариков.
2. Более высокое значение КПД. Если сравнивать другие аналоги, которые могут передавать поступательное движение, то они существенно уступают. У многих вариантов исполнения ШВП имеет показатель КПД на уровне 90%.
3. Скольжение отсутствует по причине применения канавок с шариками. За счет этого также существенно повышается длительность эксплуатации.
4. Простота обслуживания и ремонта. При необходимости можно быстро добавить масло в зону хода винта. Смазывающее вещество равномерно распределяется по поверхности, за счет чего повышается эксплуатационный срок.
5. Высокая скорость перемещения, которую можно достигнуть за счет использования специальных вариантов исполнения ШВП.
6. Сниженное требование к приводу по показателю мощности. Это связано с низким сопротивлением хода винта.

Однако есть и несколько существенных недостатков, которые должны учитываться при выборе привода. Примером можно назвать высокую вероятность обратного хода при установке винта под большим углом или вертикально. Этот недостаток связан с тем, что трение минимальное.

Рассматриваемую шарико-винтовую передачу не рекомендуется использовать при создании ручных подач. Кроме этого, негативным фактором можно назвать высокую стоимость изделия, так как оно состоит из нескольких точных элементов. Для обеспечения низкой степени износа поверхность подвергается закалке, за счет чего стоимость изделия также повышается.

Одной и отличитлеьных черт токарных станков с ЧПУ считаю очень частое выполнение операци програмной нарезки резьбы. То есть нарезание резьбы выполняется с помощью резцов и при этом обороты шпинделя строго согласуются с перемещениями координат. И именно здесь важно иметь правильно отрегулированые и исправные ШВП.

ШВП демонтируется со станка. Дальнейшую очистку и разборку необходимо проводить в мастерской. После промывки следует произвести дефектовку поверхностей качения гаек ШВП и самого винта ШВП, а также просмотреть шарики на предмет сколов.

В случае необходимости заменить полугайки и шарики. Причем шарики необходимо менять сразу все. Недопустимо собирать погугайки с шариками из разныз партий выпуска.

Регулировка ШВП : проворотом полугаек в ОДНУ сторону добиться выборки люфта в паре (гайка от руки должна вращаться плавно, но в тоже время, немного притормаживаться по всей длине вала).

При наличии запасных частей на переборку пары может уходить до трех дней.

Может быть название статью у кого-то вызовет недоумение, но новой ШВП перед установкой на станок необходимо провести ремонт.

Основная беда новых отечественных ШВП — это качество вкладышей, точнее место сопряжения вкладыша и внутренней канавки полугайки (на фото выделенно стрелкой).

Дело в том, что место перехода с канавки во вкладыш необработно и имеет небольшой порожек, через который шарики гайки ШВП цеплются и подклинивают при перекатывании.

Метод ремонта такой новой гайки только один — с помощью ручной миниатюрной шлифмашинки с насадкими типа бура (как у стаматолага) заливовать место перехода из канавки во вкладыш. После этого заклинивание в области вкладываш гайки исчезает.

Гайка ШВП имеет два основных вида — это гайка в которой люфт выбирается перестановкой на зуб полугаек относительно корпуса и гайка в которой люфт выбирают подшлифовкой дистанционных полуколец.

Несмотря на вроде бы разные типы гаек ШВП, у них есть одно общее конструтивное звено — это вкладыш, (на рисунке он назван возвратный канал)

благодаря которому шарики перебегают из одного ручья гайки в другой. Так вот, в гайке ШВП наиболее часто ремонитруют именно вкладыш. Почему именно вкладыш? Потому-что если ремонтировать ручьи гайки, то такую операцию можно выполнить тлько на узкоспециализиованном оборудовании.

Ну, хорошо, это было небольшое отступление — теперь о том что же именно ремонтируется во вкладыше.

Наиболее часто возникающая неисправность вкладыша гайки ШВП

• — это раковины в ручьях по которым перекатываются шарики. Причины появления раковин — попадение влаги в гайку, и, как следствие, коррозия.
• — появления заусениц на приемной части ручьев. Такое может случится если в гайку ШВП было уложенно неправильное количество шариков и шарики просто накатываются друг на друга.

Как можно ремонтировать эти неисправности? Совет такой — пневмодрель и шлифовальный камушек примерно такой формы:

Работать следует осторожно. После выравнивания дефектов, следует место обрабокт отполировать с помощью наждачной бумаги «нулевки».

В зависимости от исполнения, зазоры могут регулироваться двумя разными путями. Как правило это:

• или шлифовка дистанционных полуколец
• или переставление полугаек в корпусе на зуб

При регулировке ШВП важно понимать, что если общий люфт исполнительного органа, в котором используется ШВП, 0,2 мм или более, следует искать причину в других местах, а не в ШВП.

Да, был дурак. Тогда пришла из Китая моя первая ШВП (шарико-винтовая передача, или пара, если угодно). Ну радовался, крутил. И вот подумал: а что, если полностью открутить гайку? Наверняка есть какая-то защитная система для шариков. Наверняка…

Вот такая ШВП:

Ballscrew (это и значит ШВП) SFU1605. 16 – диаметр, 5 – шаг винта.

В общем, открутил. Шарики, конечно, рассыпались. Чудом с пола собрал. Посмотрел со всех сторон, прикинул: так просто не собрать. Чудом досчитался всех шариков, ни одного не потерял.

К слову, вот так выглядит отдельно гайка (ballnut):

Фторопластовые (скорее всего) втулки для защиты от грязи:

Красные вставные части канавок для шариков:

А вот и сами шарики:

И сам винт отдельно:

Итак, мне пришлось полазить по форумам. Люди предлагают разные способы, некоторые утверждают, что собрать заново шарико-винтовую передачу невозможно, а вот и нет!

Сначала давайте очистим детали от старой смазки и грязи.

Использовал то ли бензин, то ли уайт спирит, не помню.

Почистили? Отлично, теперь берём шприц и наполняем литолом или другой вязкой смазкой.

Теперь вставляем красные затычки в гайку. Наша задача – заполнить все дорожки литолом. Литол не жалеть, чтобы в каждом контуре его было одинаково много. Напомню, в такой гайке три контура для шариков. Кто хочет ознакомиться с конструкцией гайки – гугл в помощь.

На предыдущей фотографии вроде чуть вперёд забежали… В общем, теперь очень аккуратно какой-нибудь магнитной штукой (или наоборот, немагнитным пинцетом – кому чем удобнее) размещаем шарики в канавках. В каждом контуре должно быть одинаковое количество шариков. Сколько для гайки 1605 – сейчас уже не помню, но на месте можно посчитать их.

Вот так всё теперь выглядит:

Шарики надёжно держатся в литоле.

Теперь хитрый финт ушами: сворачиваем бумажку и просовываем в гайку. Делать аккуратно, чтобы не сдвинуть шарики. Бумажку лучше поплотнее. Если есть время, можно сделать папье-маше (я делал) или найти кусок трубы нужного диаметра.

Ну а теперь с одной стороны (прежде, чем начать, подумай, а той ли ты стороной делаешь. Нет, я не хочу сказать, что только одной стороной правильно, просто если концы разные у винта, то конструктивно могут получиться две разные ШВП) аккуратно сначала просовываем в бумажку, потом вдвигаем и начинаем медленно вкручивать винт. Да, вместе с бумажкой:

Ну а теперь можно вставить защитные втулки (они не выполняют роли передачи движения, только защита) и закрепить винтами.

Для создания станков с программным числовым управлением необходимо использовать шарико-винтовые пары. Они отличаются не только внешним видом, но и конструкцией. Для выбора определенной модели следует заранее ознакомиться со строением и комплектующими ШВП.

Назначение шарико-винтовых пар

Все виды ШВП для станков с ЧПУ предназначены для преобразования вращательного движения в поступательное. Конструктивно состоят из корпуса и ходового винта. Отличаются друг от друга размерами и техническими характеристиками.

Основным требованием является минимизация трения во время работы. Для этого поверхность комплектующих проходит процесс тщательной шлифовки. В результате этого во время движения ходового винта не происходит резких скачков его положения относительно корпуса с подшипниками.

Дополнительно для достижения плавного хода применяется не трение скольжение относительно штифта и корпуса, а качение. Для получения этого эффекта применяется принцип шариковых подшипников. Подобная схема увеличивает перегрузочные характеристики ШВП для станков с ЧПУ, значительно повышает КПД.

Основные компоненты шарико-винтовой передачи:

• ходовой винт. Предназначен для преобразования вращательного движения в поступательное. На его поверхности формируется резьба, основная характеристика — ее шаг;
• корпус. Во время движения ходового винта происходит смещение. На корпус могут устанавливаться различные компоненты станка: фрезы, сверла и т.д.;
• шарики и вкладыши. Необходимы для плавного хода корпуса относительно оси ходового винта.

Несмотря на все преимущества подобной конструкции шарико-винтовые передачи для ЧПУ применяются только для средних и малых станков. Это связано с возможностью прогиба винта при расположении корпуса в его средней части. В настоящее время максимально допустимая длина составляет 1,5 м.

Аналогичными свойствами обладает передача винт-гайка. Однако это схема характеризуется быстрым износом комплектующих из-за их постоянного трения между собой.

Области применения ШВП

Относительная простота конструкции и возможность изготовления шарико-винтовой передачи с различными характеристиками расширяет область его применения. В стоящее время шарико-винтовые пары являются неотъемлемыми компонентами самодельных фрезерных станков с числовым программным управлением. Ну на этом область применения не ограничивается.

Благодаря своей универсальности ШВП могут устанавливаться не только в станках с ЧПУ. Плавный ход и практические нулевое трение делают их незаменимыми компонентами в точных измерительных приборах, установок медицинского назначения, в машиностроении. Нередко для комплектации самодельного оборудования берут запчасти от этих приборов.

Это стало возможным благодаря следующим свойствам:

• минимизация потерь на трение;
• высокий коэффициент нагрузочной способности при небольших габаритах конструкции;
• низкая инертность. Движение корпуса происходит одновременно с вращением винта;
• отсутствие шума и плавный ход.

Однако следует учитывать и недостатки ШВП для оборудования ЧПУ. Прежде всего к ним относятся сложная конструкция корпуса. Даже при незначительном повреждении одного из компонентов шарико-винтовая передача не сможет выполнять свои функции. Также накладываются ограничения на скорость вращения винта. Превышение этого параметра может привести к появлению вибрации.

Для уменьшения осевого зазора сборка выполняется с натягом. Для этого могут устанавливаться шарики увеличенного диаметра или две гайки с осевым смещением.

Характеристики ШВП для оборудования с ЧПУ

Для выбора оптимальной модели шарико-винтовой передачи для станков с числовым программным управлением следует ознакомиться с техническими характеристиками. В дальнейшем они повлияют на эксплуатационные качества оборудования и время его безремонтной эксплуатации.

Основным параметром ШВП для станков с ЧПУ является класс точности. Он определяет степень погрешности положения подвижной системы согласно расчетным характеристикам. Класс точности может быть от С0 до С10. Погрешность перемещения должна даваться производителем, указывается в техническом паспорте изделия.

Класс точности	С0	С1	С2	С3	С5	С7	С10
Погрешность на 300 мкм	3,5	5	7	8	18	50	120
Погрешность на один оборот винта	2,5	4	5	6	8

Кроме этого при выборе нужно учитывать следующие параметры:

• отношение максимальной и необходимой скорости мотора;
• общая длина резьбы ходового винта;
• средние показатели нагрузки на всю конструкцию;
• значение осевой нагрузки — преднатяг;
• геометрические размеры — диаметр винта и гайки;
• параметры электродвигателя — крутящий момент, мощность и другие характеристики.

Эти данные должны быть предварительно рассчитаны. Следует помнить, что фактические характеристики ШВП для оборудования с ЧПУ не могут отличаться от расчетных. В противном случае это приведет к неправильной работе станка.

Количество оборотов шариков за один круг определит степень передачи крутящего момента от вала корпусу. Этот параметр зависит от диаметра шариков, их количества и сечения вала.

Установка ШВП на станок с ЧПУ

После выбора оптимальной модели необходимо продумать схему установки ШВП на станок с ЧПУ. Для этого предварительно составляется чертеж конструкции, закупаются или изготавливаются другие компоненты.

Во время выполнения работы следует учитывать не только технические характеристики шарико-винтовой передачи. Основное ее предназначение — движение элементов станка по определенной оси. Поэтому следует заранее продумать крепление блока обработки к корпусу ШВП для станков с ЧПУ. Необходимо сверить размеры посадочных отверстий, их расположение на корпусе. Следует помнить, что любая механическая обработка шарико-винтовой передачи может повлечь за собой негативные изменения ее характеристик.

Порядок установки в корпус станка с ЧПУ.

1. Определение оптимальных технических характеристик.
2. Измерение длины вала.
3. Создание схемы сопряжения монтажной части вала с ротором двигателя.
4. Установка передачи на корпус станка.
5. Проверка работоспособность узла.
6. Подключение всех основных компонентов.

После этого можно выполнить первый пробный запуск оборудования. В процессе работы не должно возникать колебания и вибрации. В случае их появления выполнять дополнительную калибровку компонентов.

При поломке ШВП во время эксплуатации станка с ЧПУ ремонт передача можно сделать самостоятельно. Для этого можно заказать специальный комплект. С особенностями проведения восстановительных работ можно знакомиться в видеоматериале: