Как собрать швп с двумя гайками. Блог слесаря-ремонтника и механика по наладке оборудования

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.

Лекция 21 ПЕРЕДАЧИ ВИНТ-ГАЙКА КАЧЕНИЯ

План лекции

1. Общие сведения.

2. Устройство и принцип работы шариковинтовых передач.

3. ШВП с предварительным натягом.

4. Расчет шариковинтовой передачи.

1. Общие сведения

Передача винт–гайка качения – винтовая пара с промежуточными телами качения: шариками или роликами. Наиболее широко применяют шариковые винтовые передачи (ШВП).

В шариковых винтовых передачах на винте и в гайке выполнены винтовые канавки (резьба) криволинейного профиля, служащие дорожками качения для шариков, размещенных между витками винта и гайки.

Достоинства шариковинтовой передачи: малые потери на трение, высокая несущая способность при малых габаритах, возможность реализации равномерного поступательного перемещения с высокой точностью, высокое быстродействие, значительный ресурс. ШВП могут быть легко приспособлены для работы с электрическими, гидравлическими и другими приводами.

К недостаткам можно отнести сложность конструкции гайки, необходимость высокой точности изготовления и хорошей защиты передачи от загрязнений.

Применение. Шариковинтовые передачи применяют в исполнительных механизмах, в следящих системах и в ответственных силовых передачах (станкостроение, робототехника, авиационная и космическая техника, атомная энергетика и др.). Перспективным считается создание и использование мехатронных узлов перемещения, включающих в свою структуру помимо передачи винт-гайка качения также приводной электродвигатель и элементы управления.

Резьбы , применяемые в ШВП, изготовляют с криволинейным профи-

лем: полукруглым (рис. 21.1, а ) и «стрельчатая арка » (рис. 21. 1, б ). Наи-

большее распространение получила резьба с полукруглым профилем, позволяющая создавать конструкции ШВП с регулируемым натягом.

d а)

D w R

2. Устройство и принцип работы шариковинтовых передач

При вращении винта шарики вовлекаются в движение по винтовым канавкам, поступательно перемещают гайку и, выкатываясь из резьбы, че-

рез перепускной канал (канал возврата) возвращаются в исходное положе-

ние. Таким образом, перемещение шариков происходит по замкнутой внутри гайки траектории. Наиболее распространена конструкция ШВП, в которой

канал возврата соединяет два соседних витка (рис. 21.2). Число i в ра-

бочих витков в гайке от 1 до 6.

В станкостроении применяют трехвитковые гайки (i в = 3). Перепускной канал выполняют в специальном вкладыше 1 (рис. 21.2), который вставляют в овальное окно гайки. В трехвитковой гайке предусматривают три вкладыша, расположенные под углом 120° один к другому и смещенные по длине гайки на один шаг резьбы по отношению друг к другу. Таким образом, шарики в гайке разделены на три (по числу рабочих витков) независимых группы. При работе передачи шарики, пройдя по винтовой канавке на винте путь равный длине одного витка, выкатываются из резьбы в перепускной канал вкладыша, переваливают через выступ резьбы и возвращаются обратно в исходное положение на тот же виток гайки. Конструктивно ШВП с вкладышами имеют минимальные радиальные размеры, в них отсутствуют детали

типа отражателей, а канал возврата имеет минимальную длину, что облегчает проталкивание шариков. Однако такая конструкция неприменима для передач с многозаходной резьбой.

Гайки с большим числом i в витков применяют в тяжелонагруженных передачах крупных станков.

Основные характеристики ШВП. Стандартизованы шарико-

винтовые передачи, применяемые для комплектации металло- и деревообрабатывающих станков, промышленных роботов, кузнечно– прессового оборудования.

Грузоподъемность. В каталоге приведены значения базовых I статической осевой С оа и динамической осевой С а грузоподъемностей шариковинтовых передач с трехвитковыми гайками.

Базовая статическая грузоподъемность Соа – статическая центральная осевая нагрузка в Н, которая соответствует расчетному контактному напряжению в зоне контакта шарика и дорожки качения, равному 3 000 МПа. Возникающая при этих контактных напряжениях общая остаточная деформация тела качения и дорожки качения приблизительно равна 0,0001 диаметра тела качения.

Базовая динамическая осевая грузоподъемность Са – постоянная цен-

тральная осевая нагрузка в Н, которую шариковинтовая передача теоретически может воспринимать при базовом расчетном ресурсе, составляющем один миллион оборотов винта и соответствующем 90%-ной надежности передачи.

В общем случае необходимая точность изготовления элементов пере-

дачи – винта, гайки, шариков – обусловлена требуемыми с точностью перемещения ведомого звена, плавностью движения, постоянством натяга, постоянством движущего момента и др.

Кинематическую точность ШВП характеризуют кинематической погрешностью винтовой пары – разностью между действительным и номинальным осевыми перемещениями одной из сопряженных деталей винтовой пары в их относительном движении. В соответствии с допускаемыми значениями кинематической погрешности установлены 10 классов точности ШВП.

Радиальный зазор между винтом и гайкой до создания предварительного натяга регламентирован для стандартизованных ШВП с полукруглым профилем. Радиальный зазор измеряют при смещении в радиальном направлении собранной гайки под действием силы, превышающей силу тяжести гайки в 1,5 – 2 раза.

Осевая жесткость – отношение осевой силы, приложенной к гаечной группе, к осевому перемещению ее корпуса относительно винта при условии, что винт не проворачивается.

Момент холостого хода замеряют в контролируемой передаче, установленной в центрах стенда, при вращении винта с частотой 100 мин -1 .

Числовые значения основных характеристик регламентированы отраслевыми стандартами.

Материалы винта, гайки и тел качения должны обеспечить твердость рабочих поверхностей не ниже 61HRC. Винты изготовляют из сталей: марки ХВГ с объемной закалкой, марки 8ХВ с закалкой при индукционном нагреве, марки 20ХЗМВФ с азотированием. Для гаек применяют стали марок ШХ15, ХВГ с объемной закалкой и цементуемые стали марок 18ХГТ, 12ХНЗА. Шарики изготовляют из хромистых сталей марок ШХ15, ШХ20СГ.

Полость гайки при сборке заполняют пластичным смазочным материалом марок ЦИАТИМ–01 или ЦИАТИМ–203.

ШВП в зависимости от условий работы и предъявляемых к ним требо-

ваний подразделяют на передачи с зазором и передачи с натягом. Во первых осевой зазор всегда выбирается в одну сторону вследствие действия осевой силы: силы тяжести груза, силы сопротивления перемещаемого узла и т. п. Во вторых зазор устраняют при сборке предварительным нагружением элементов передачи осевой силой, обеспечивающей необходимую осевую жесткость.

3. ШВП с предварительным натягом

С целью устранения осевого зазора в сопряжении винт–гайка и повышения тем самым осевой жесткости и точности перемещения I Ц1ВП собирают с предварительным натягом. Созданием предварительного натяга не только устраняют зазоры, но и усредняют периодические ошибки шага винта, стабилизируют положение оси гайки относительно оси винта. Конструктивно натяг осуществляют: для профиля «стрельчатая арка» – подбором шариков несколько большего диаметра; для полукруглого профиля – установкой двух гаек, размещенных в одном корпусе, с последующим относительным их осевым смещением. Конструкция с двумя гайками обеспечивает возможность регулирования натяга. Относительное смещение гаек осуществляют установкой прокладок между ними или их относительным угловым поворотом.

Рассмотрим пример конструкции ШВП с регулированием натяга относительным поворотом гаек (рис. 21.3). Соединение гаек с корпусом выполнено зубчатыми муфтами 7 и 2, у которых наружные зубья нарезаны на флан-

цах гаек, а внутренние – в корпусе. Числа зубьев z 1 и z 2 муфт отличаются на единицу, что позволяет поворачивать гайки одну относительно другой на малый угол, осуществляя осевое смещение на очень малую величину.

Поворот гаек выполняют вне винта на специальной оправке – трубе с

наружным диаметром, равным внутреннему диаметру d 3 резьбы винта по впадинам, после чего гайки вместе с корпусом навинчивают на винт.

Если число зубьев на фланце одной из гаек z 1, а на фланце другой (z 1 +1), то поворот обеих гаек в одну сторону на k зубьев приводит при шаге Р к их осевому смещению Рk /.

Например, при z 1 = 92, Р =10 мм и k =1 имеем ∆ =1,2 мкм.

Основные геометрические соотношения

Основные геометрические параметры шариковинтовой передачи

(рис. 21.1, 21.4): d 0 – номинальный диаметр резьбы; Р – шаг резьбы α – угол контакта (α = 45°); z - число заходов резьбы (обычно z = 1).

Основные параметры полу, круглого профиля резьбы (размеры в

Диаметр шарика: D w 0,6P
Внутренний диаметр резьбы винта:	d 3 d 0 1,012D w
Наружный диаметр резьбы винта:	d = d0 - 0,35Dw ;
Радиус шарика:	R w = D w / 2;
Радиус профиля резьбы:	R np = (1, 03 – 1, 05)R w ;
Смещение центра радиуса профиля:	С = (R np – R w )sin α ;
Диаметр качения по профилю винта:	d кв		D w cosα ;
Диаметр качения по профилю
	d кг		D w cosα ;
Угол подъема резьбы на	ψ arctg Рz /(πd кв )
диаметре d к в , °:

R пр

	R пр
	45о	кв 0
	Ось винта

Число рабочих шариков в одном витке с каналом возврата во вкладыше

z раб z ш z в ,

где z в – число шариков в канале возврата, z в = 3PID w .

Расчетное число шариков в одном витке гайки с учетом неодинакового их нагружения вследствие погрешностей изготовления элементов передачи и неравномерности распределения нагрузки между витками

z p = 0,7z pa6 = 0,7(z ш - 3Р/D w )

Коэффициент трения качения

Трением качения называют сопротивление, возникающее при перека-

тывании одного тела по другому. Комплекс явлений, вызывающих трение качения, достаточно сложен. В технических расчетах применяют в основном данные экспериментальных исследований. Опыты показывают, что сопротивление перекатыванию зависит от упругих свойств материалов, шероховатостей и кривизны соприкасающихся поверхностей, значения прижимающей силы. На преодоление сопротивлений при перекатывании тел затрачивается работа, обусловливаемая в основном деформированием сопряженных поверхностей.

При перекатывании, например цилиндра по плоскости, можно выделить два участка площадки контакта (рис. 21.5). Участок С 2 находится в зоне нарастающих деформаций (в зоне нагрузки), участок С 1 – в зоне исчезающих деформаций (в зоне разгрузки). Наличие внутреннего трения в материале приводит к необратимым потерям энергии – упругому гистерезису. Это явление называют несовершенной упругостью , поэтому распределение напряжений по всей площадке контакта несимметрично максимуму и смещено в сторону Движения на величину f k (рис. 21.6), которую называют плечом силы трения качения или коэффициентом трения качения и измеряют в миллиметрах. Таким образом, при качении необходимо преодолеть некоторый момент – момент трения качения.

F тр

F тр

Шариковинтовые передачи работают в условиях трения качения, реализуемого при взаимодействии резьб винта и гайки через тела качения – шарики. Рассмотрим качение шарика, находящегося между двумя плоскостями и нагруженного силами F n (рис. 21.7).

Движение одной из плоскостей со скоростью v вызывает качение шарика: перемещение центра шарика со скоростью v /2 и вращения относительно центра с угловой скоростью ω = v/ (2R w ). Для качения нагруженного шарика по сопряженным плоскостям необходимо преодолеть момент сопротивления качению, обусловленный силами трения F w в контакте. По общему

определению сила трения есть произведем нормальной к поверхности силы F n на коэффициент трения f или на тангенс угла трения р : F тр F n f F n tgρ .

Из условия равновесия шарика под воздействием внешних моментов следует:

2 Frp Rw =2 Fn fк .

Отсюда (см. также рис. 21.6)

f к R w F тр / F n R w tgρ
		F тр
	F тр

Момент сопротивления качению шарика в рассматриваемых условиях

Т ш 2 F тр R w 2 F n f к 2 F n R w tgρ F n D w tgρ .

Для шариковинтовой передачи с числом i в витков и расчетным числом z p шариков в каждом витке момент сопротивления вращению может быть вычислен по зависимости

Т iв zр Fn Dw tgρ ,

где ρ arctg(f к / R w ) обычно принимают f к = 0,010– 0,012 мм.

Силу F n , действующую по нормали к площадке контакта, определяют расчетом, а угол трения ρ принимают по приведенным выше (рекомендациям или по результатам специально выполненного эксперимента.

Момент сопротивления вращению является основной величиной. характеризующей потери на трение в шариковинтовой передаче.

Силовое взаимодействие в ШВП и расчет потерь на трение

Передача с зазором. Рассмотрим случай нагружения винта вращающим моментом Т и осевой силой F a сопротивления перемещению гайки (рис. 21.8). Силовое взаимодействие между шариком и винтом происходит в т. K

на винтовой линии, обозначенной штрихами. На основном виде (т.е. в плоскости, параллельной оси винта, рис. 21.8, а ) показаны вектор силы трения F ТР , направленный по касательной к окружности качения диаметром d кв , и проекция F n sinα вектора нормальной к площадке контакта силы F n , перпендикулярная винтовой линии. Вектор силы F n показан в плоскости А-А , перпендикулярной винтовой линии рис. 21.8, б.

При этом плоскость качения совпадает с плоскостью Б-Б.

Силовое взаимодействие в точке контакта K удобно представить в виде параллелепипеда, построенного на векторах сил (рис. 21.9).

F тр

Исходными для рассмотрения являются нормальная сила F

Ось винта

Полная реакция R n (KC ) точке контакта равна геометрической сумме векторов сил F n (KD) и F тр (KB ). Вектор силы R n также расположен в плоскости качения KBCD.

В плоскости KBEF, параллельной оси винта, отклонения вектора результирующей силы R (KE ) от плоскости KFDC перпендикулярной винтовой линии, составляет угол ρ

	KÂ / ÊF F òð /(F n sinα)
tgρ

Выразив силу трения F тр из (21.3) и подставив в (21.4), получим tg ρ F n tgρgρ/n sinα) tg ρ / sin α

Обычно величину ρ называют приведенным углом трения

ρ = arctg(tg ρ /sina).

Тогда для результирующей R (KE ) сил взаимодействия в плоскости KBEF, параллельной оси винта, можно записать

R = F n sinα / cosρ .

С другой стороны, результирующая сила R(KE) (рис. 21.8, 21.9) может

быть представлена в виде проекций F o и F t соответственно в правлении оси винта и в перпендикулярном оси винта направлении (рис. 21.10)

F 0 R cos(ψ ρ) F n sin cos(ψ ρ)/cosρ , F t R sin(ψ ρ) F n sin sin(ψ ρ)/cosρ .

Сумма сил F 0 на всех шариках должна уравновесить внешнюю осевую силу F a , а сумма произведений сил F t , на плечо d кв /2 – вращающий момент Т

F a i в z р F n sinα cos(ψ ρ1 ) / cosρ ,
T i в z р F 1 d кв / 2 i в z р F n sinαsin(ψ ρ1 )d кв /(2cosρ) .

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:

Шариковая винтовая передача (ШВП) состоит из винта и гайки и служит для преобразования вращательного движения в поступательное. В шарико-винтовых передачах на винте 1 и в гайке 2 выполнены винтовые канавки (резьба) криволинейного профиля, служащие дорожками качения для шариков, размещенных между витками винта и гайки. Наибольшее распространение получила резьба с полукруглым профилем. При этом вращение закрепленной от осевых перемещений гайки вызывает поступательное перемещение винта, или вращение закрепленного от осевых перемещений винта приводит к поступательному перемещению гайки.

Основные геометрические параметры передачи: номинальный диаметр d 0 , т.е. диаметр расположения центров тел качения, шаг резьбы Р и диаметр D w тел качения (обычно D w = 0,6Р).

Достоинства шарико-винтовой передачи: возможность создания больших осевых сил; малые потери на трение (КПД передачи 0,9 и выше); возможность получения поступательного перемещения с высокой точностью; малые габариты при высокой несущей способности; значительный ресурс.

К недостаткам можно отнести сложность конструкции гайки, необходимость высокой точности изготовления и хорошей защиты передачи от загрязнений. Шарико-винтовые передачи применяют в механизмах точных перемещений, в следящих системах и в ответственных силовых передачах (станкостроение, робототехника, авиационная и космическая техника, атомная энергетика, кузнечно-прессовое оборудование и др.).

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ

При вращении винта шарики увлекаются в движение по винтовым канавкам, поступательно перемещают гайку и. выкатываясь из резьбы, через перепускной канал (канал возврата) возвращаются в исходное положение. Таким образом перемещение шариков происходит по замкнутому внутри гайки контуру. Наиболее распространена конструкция ШВП. в которой канал возврата соединяет два соседних витка.

В станкостроении применяют трехконтурные гайки. Перепускной канал выполняют в специальном вкладыше, который вставляют в овальное окно гайки. В трехконтурной гайке предусматривают три вкладыша, расположенные под углом 120° один к другому и смещенные по длине гайки на один шаг резьбы по отношению друг к другу. Таким образом шарики в гайке разделены на три (по числу рабочих витков) независимых группы.

При работе передачи шарики, пройдя по винтовой канавке на винте путь, равный длине одного или нескольких витков, выкатываются из резьбы в перепускной канал вкладыша и возвращаются обратно в исходное положение на исходный виток гайки.

ПРОФИЛЬ РЕЗЬБЫ

Основные параметры полукруглого профпля резьбы (рис. 1. а):

R = (0,515...0,525) D w - радиус канавок;
α = 45° - угол контакта шариков;
ψ = arctg - угол подъема резьбы (здесь z - число заходов резьбы).

На рис. 1. б показан в нормальном сечении профиль резьбы винта с разгрузочной канавкой, а в табл. 1 приведены размеры разгрузочных канавок по ОСТ 2 РЗ1-5-89 .

1. Размеры разгрузочных канавок, мм

Номинальный диаметр d 0	Шаг резьбы Р	b	r	Номинальный диаметр d 0	Шаг резьбы Р	b	r
16 25 25 32 32 40 40 40 50	2,5 5,0 10,0 5,0 10,0 5,0 6,0 10,0 5,0	- 1,0 1,5 1,0 1,5 1,0 1,0 1,5 1,0	- 0,55 0,85 0,55 0,85 0,55 0,55 0,85 0,55	50 50 63 80 80 100 100 125	10,0 12,0 10,0 10,0 20,0 10,0 20,0 20,0	1,5 1,8 1,5 1,5 3,0 1,5 3,0 3,0	0,85 0,95 0,85 0,85 1,60 0,85 1,6 1,6

ШВП С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ НАТЯГОМ

С целью устранения осевого зазора в сопряжении винт-гайка и повышения тем самым осевой жесткости и точности перемещения ведомого элемента ШВП собирают с предварительным натягом.

Для передачи с полукруглым профилем резьбы натяг создают установкой двух гаек с последующим относительным их осевым смещением. Относительное смещение гаек осуществляют установкой прокладок между ними или их относительным угловым поворотом.

Профиль резьбы и конструкцию гайки (канал возврата шариков, регулирование натяга и т.д.) определяет завод-изготовитель.

Шариковые винтовые передачи применяют в широком диапазоне размеров.

ТИПОРАЗМЕРЫ ШАРИКОВЫХ ВИНТОВЫХ ПЕРЕДАЧ
по ГОСТ 25329-82

Номинальный диаметр, d o , мм	Номинальный шаг Р, мм
	2,5*	3	4	5*	6	8	10*	12	16	20*
6	+
8	+
10	+
12	+	+	+	+
16	+	+	+	+	+
20		+	+	+	+	+
25			+	+	+	+	+
32			+	+	+	+	+	+
40				+	+	+	+	+
50				+	+	+	+	+	+
63				+	+	+	+	+	+	+
80					+	+	+	+	+	+
100						+	+	+	+	+
125							+	+	+	+
160							+	+	+	+
200							+	+	+	+
* Предпочтительные шаги

ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ

Технические условия на шарико-винтовые передачи, применяемые в станкостроении, установлены ГОСТ 2 РЗ1-5-89 . Этот стандарт распространяется на ШВП, применяемые для комплектации металло- и деревообрабатывающих станков, промышленных роботов, кузнечно-прессового оборудования.

Стандарт устанавливает основные размеры, основные параметры, комплектность, маркировку, порядок и состав приемосдаточных испытаний, упаковку, условия транспортирования и хранения, указания по эксплуатации и гарантии завода-изготовителя централизованно изготовляемых ШВП.

В стандарте учтены требования ISO/DP 8931, ISO/DP 8932, ISO/DP 3408, ISO/DP 9783, ISO/DP 9784 .

Корпусные передачи изготовляют в 4-х исполнениях:

I - ШВП с одной или двумя гайками без корпуса;
II - ШВП с двумя гайками в цилиндрическом корпусе, имеющем фланец;
III - ШВП с двумя гайками в призматическом корпусе, имеющем сквозные крепежные отверстия;
IV - ШВП с двумя гайками в призматическом корпусе, имеющем глухие резьбовые крепежные отверстия.
Применение ШВП исполнения III является непредпочтительным.

По точностным параметрам ШВП разделяют на позиционные и транспортные (ОСТ 2 РЗ1-7-88 ). Позиционые ШВП позволяют произвести косвенное измерение осевого перемещения в зависимости от угла поворота и хода резьбы винта. В транспортных ШВП перемещения измеряют прямым методом с помощью отдельной измерительной систем не зависящей от угла поворота винта.

Классы кинематической и геометрической точности ШВП должны соответствовать ОСТ 2 РЗ 1-4-88 . Согласно этому стандарту" установлены классы точности для позиционных (П) и транспортных (Т) ШВП соответственно: П1, П3, П5, П7 и Т1, ТЗ, Т5, Т7, T9, Т10.

Внутризаводские приемосдаточные нормы кинематической точности должны соответствовать ГОСТ 2 Р31-5-89 .

Согласно ОСТ 2 РЗ1-5-89 качество материалов, обработки и сборки ШВП должно соответствовать ГОСТ 7599-82 , а для поставок на экспорт - ОСТ 2 Н06-1-86 .

ГРУЗОПОДЪЕМНОСТЬ

При проектировании, в соответствии с основными критериями работоспособности шарико-винтовых передач расчет ведут по динамической грузоподъемности для предупреждения усталостного разрушения (выкрашивания рабочих поверхностей) и по статической грузоподъемности для предупреждения пластического деформирования тел и поверхностей качения.

При выборе значений динамической С а и статической С oа грузоподъемностей, а также минимальных и максимальных значений момента T xx холостого хода ШВП можно ориентироваться на данные таблицы 2.

Базовая статическая осевая грузоподъемность С oа - статическая осевая сила (Н), которая вызывает общую остаточную пластическую деформацию шарика, канавок винта и гайки, равную 0,0001 диаметра шарика.

2. Базовые грузоподъемные характеристики ШВП

Типоразмер d 0 x Р, мм	Грузоподъемность, Н		Момент холостого хода T xx , Н·м
	статическая С oа	динамическая С а	min	max
16x2,5 25x5 25x10 32x5 32x10 40x5 40x6 40x10 50x5 50x10 50x12 63x10 80x10 80x20 100x10 100x20 125x20	9600 28100 48800 37500 65000 49400 56400 85900 62800 112500 119900 149700 197700 297600 251100 386400 729000	5000 16580 46400 17710 49800 19170 23700 54700 20640 57750 65400 62030 66880 143400 71840 151800 278000	0,05 0,08 0,11 0,18 0,22 0,30 0,32 0,45 0,50 0,48 0,49 0,75 1,23 2,30 2,04 2,75 2,80	0,20 0,32 0,35 0,56 0,60 0,84 0,83 0,95 1,35 1,23 1,09 2,03 3,25 3,88 5,20 5,23 5,50

Примечание . Приведенные значения для корпусных ШВП соответствуют исполнениям II, III и IV.

Базовая динамическая осевая грузоподъемность С а - осевая сила, которую шарико-винтовая передача может воспринимать при базовой долговечности, составляющей 1.000.000 оборотов винта.

Базовые грузоподъемности соответствуют передаче, выполненной из обычно применяемых сталей (см. табл.3). При отличии свойств материала от обычных, а также в зависимости от класса точности, твердости рабочих поверхностей и др. вычисляют значение скорректированной статической и скорректированной динамической грузоподъемности.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

Технические требования на основные детали шарико-винтовых передач, применяемых в станкостроении, установлены ОСТ 2 РЗ1-5-89 (табл. 3). Нормы точности винта - по ОСТ 2 РЗ1-4-88.

3. Технические требования на основные детали ШВП

Примечания:
1. Термообработка по РТМ2 МТ11-1-31.
2. Для шариков степень точности 20 по ГОСТ 3722-81.
3. Разноразмерность шариков в одной передаче не более 0,001 мм.
4. Отклонение среднего диаметра шариков при D u

Винты изготовляют также из сталей марок ХВГ и 7Г2ВМ с объемной закалкой, стали марки 8ХВ с закалкой при индукционном нагреве, стали марки 20Х3МВФ с азотированием.
Для гаек применяют сталь марки ХВГ с объемной закалкой и цементуемые стали марок 18ХГТ, 12ХН3А, 12Х2Н4А .
Шарики изготовляют из хромистой стали марки ШХ20СГ .
Материалы винта, гайки и тел качения должны обеспечить твердость рабочих поверхностей не ниже 61 HRC э.
Полость гайки при сборке заполняют пластичным смазочным материалом марки ЦИАТИМ-201 или ЦИАТИМ-203 .
Передачи требуют хорошей защиты от загрязнений. Наиболее часто применяют гармоникообразные меха, телескопические кожухи и съемники загрязнений - пластмассовые уплотняющие гайки с двумя-тремя выпуклыми витками по профилю канавок. Съемники загрязнений крепят к каждому торцу основной гайки.

Номенклатура показателей качества, используемых при оценке уровня качества ШВП, применяемых в металло- и деревообрабатывающих станках, участках, линиях, комплексах, промышленных роботах и кузнечно-прессовом оборудовании, установлена ОСТ 2 РЗ1-6-87 .

Похожие документы:

ГОСТ 3722-81 - Подшипники качения. Шарики. Технические условия;
расчет ходовых винтов;
расчет грузовых винтов;
пример выполнения чертежа ходового винта