Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Намоточные станки (filament winding machines) предназначены для формирования изделий из композиционных материалов методом непрерывной укладки армирующего волокна на вращающуюся оправку (мандрель). Волокно -- стеклянное, углеродное, арамидное или базальтовое -- предварительно пропитывается связующим (мокрая намотка, wet winding) либо используется в виде препрега или тоупрега (сухая намотка, dry winding). Изделия, изготовленные методом намотки, характеризуются высоким объёмным содержанием волокна (60-80%) и выраженной анизотропией механических свойств, задаваемой углом укладки.
Типичная продукция намоточных станков: сосуды давления (баллоны для сжатого природного газа, водородные ёмкости типов III и IV), трубопроводы, корпуса ракетных двигателей, валы трансмиссий, мачты, опоры, резервуары для водоподготовки и химической промышленности. Точность укладки волокна напрямую определяется качеством и состоянием механических комплектующих станка -- подшипников шпинделя, шарико-винтовых передач (ШВП), линейных направляющих и натяжных устройств.
Мировой рынок намоточных станков для производства композитных изделий сформирован несколькими ключевыми производителями, каждый из которых предлагает оборудование от лабораторных установок до крупносерийных автоматизированных линий.
Mikrosam является одним из ведущих мировых производителей намоточного оборудования с более чем 35-летним опытом. Серия MAW включает широкий модельный ряд: от лабораторных станков MAW 20 LS 5/1 (до 5 осей ЧПУ) до тяжёлых промышленных установок для намотки изделий диаметром до 4 м и длиной до 30 м при массе оправки до 80 т. Станки Mikrosam выпускаются в конфигурациях с верхней портальной балкой (overhead portal) для многошпиндельной намотки и с напольной станиной (floor-bed) с подвижной кареткой для крупногабаритных изделий. Управление осуществляется современной CNC-системой с поддержкой до 6 интерполируемых осей. Индивидуальное натяжение волокна регулируется в диапазоне 5-80 Н на жгут, углы намотки -- от 0 до 90 градусов.
Roth Composite Machinery объединяет опыт компании Bolenz & Schafer (разработка намоточных станков с 1963 года) и EHA (технологии импрегнирования с 1983 года). По данным производителя, компания имеет более 500 установленных машин по всему миру. Модельный ряд включает станки Type 1 (высокопроизводительные промышленные машины, интегрируемые в автоматизированные линии) и Type 2 (компактные установки для НИОКР и прототипирования, типовые размеры -- диаметр до 500 мм, длина намотки до 2000 мм). Система управления -- Siemens Sinumerik 840D. Конструкция машин отличается высокой жёсткостью рамы, что минимизирует влияние вибраций на точность укладки.
McClean Anderson работает на рынке намоточного оборудования с 1961 года, выпуская линейку станков: Little Hornet (2 оси, начальный уровень), Super Hornet (многоосевой станок для прототипирования и производства, до 4 осей, диаметр намотки до 760 мм, длина до 2000 мм), Cyclone (прецизионный многоосевой производственный станок), Titan (тяжёлый промышленный станок для инфраструктурных изделий) и Raptor (крупногабаритный многоосевой станок для специальных применений). Управление осуществляется фирменной системой Ocelot (PC/PLC-архитектура) с программным обеспечением SimWind для моделирования траекторий укладки.
Bolenz & Schafer начала разработку технологий намотки волокнистых композитов в 1963 году в Биденкопф-Экелсхаузене (Германия). В 1989 году компания вошла в группу Roth Industries, а в 1999 году производство намоточных станков было передано подразделению EHA. В 2016 году EHA и Schlesinger были объединены в Roth Composite Machinery.
Минимальная конфигурация намоточного станка включает две управляемые оси: вращение оправки (ось шпинделя) и линейное перемещение каретки раскладчика вдоль оси оправки. Двухосевые станки используются преимущественно для намотки труб кольцевой намоткой.
Для производства сосудов давления и изделий сложной формы применяются четырёхосевые станки, дополнительно оснащённые осью радиальной подачи (cross-feed, перпендикулярно к оси каретки) и осью вращения раскладывающей головки (payout head). Вращение головки предотвращает перекручивание ленты волокна и обеспечивает постоянство ширины укладываемой полосы. Шестиосевые станки (3 линейные + 3 ротационные оси) используются для изделий аэрокосмической отрасли и деталей сложной геометрии.
Каждая линейная ось намоточного станка формируется связкой: сервопривод -- шарико-винтовая передача (ШВП) -- линейная рельсовая направляющая. Точность синхронизации осей определяет качество укладки волокна и, как следствие, механические свойства готового изделия.
Шарико-винтовая передача (ШВП) является основным элементом привода линейных осей намоточного станка. ШВП преобразует вращательное движение сервопривода в точное поступательное перемещение каретки раскладчика. В отличие от передачи винт-гайка скольжения, ШВП обеспечивает КПД порядка 90-95% за счёт качения шариков по винтовым канавкам, а также минимальный люфт при использовании предварительного натяга.
Точность хода ШВП регламентируется стандартами JIS B 1192 (Япония, редакции 1997, 2013, 2018), ISO 3408 (международный) и DIN 69051 (Германия). Классы точности делятся на две группы: позиционные (C0, C1, C3, C5) для прецизионного перемещения и транспортные (C7, C10) для механизмов общего назначения. Для классов C0-C5 точность определяется колебанием хода (fluctuation) в пределах участка 300 мм и одного оборота винта. Для классов C7-C10 точность определяется ошибкой хода на интервале 300 мм. Чем ниже число класса, тем выше точность.
По обозначениям: JIS использует префикс "C" для позиционных и "Ct" для транспортных ШВП, а стандарт DIN/ISO -- "P" и "T" соответственно. Классы C0-C5 достигаются шлифовкой (ground ball screws), классы C7-C10 допускают изготовление методом накатки (rolled ball screws).
Значения v300 и v2pi приведены по каталогу THK (Ball Screw General Catalog, таблица Lead Angle Accuracy) в соответствии с JIS B 1192. Допуск представительной ошибки хода (ep) дополнительно зависит от эффективной длины резьбы и указывается в отдельной таблице стандарта.
В каретках раскладчика намоточных станков типа Mikrosam MAW, Roth Composite Type 1, McClean Anderson Cyclone применяются шлифованные ШВП класса точности C5 (P5 по DIN/ISO). Этот класс обеспечивает колебание хода не более 18 мкм на участке 300 мм, что при использовании замкнутого контура управления с серводвигателем и энкодером гарантирует точность позиционирования укладки волокна порядка ±0,1 мм. Для лабораторных станков или оборудования с повышенными требованиями (аэрокосмическая отрасль) могут применяться ШВП класса C3 (v300 = 8 мкм).
Ведущие производители ШВП для станкостроения -- THK, HIWIN, NSK, Bosch Rexroth. Серии HIWIN DFSH, HIWIN DFSV и HIWIN FDC выпускаются с преднатягом двойной гайкой или методом смещения шага (offset lead), что устраняет осевой люфт. Прецизионные ШВП THK и стандартные ШВП THK также широко применяются в намоточном оборудовании.
Для устранения осевого люфта и повышения жёсткости привода в ШВП создаётся предварительный натяг (preload). Основные методы: применение двойной гайки со спейсером (spacer preload), смещение шага резьбы в двух частях одной гайки (offset lead preload) и применение шариков увеличенного диаметра (oversized ball preload). Согласно каталогу THK, оптимальная величина предварительного натяга составляет примерно 1/3 от максимальной осевой нагрузки, при этом максимальный преднатяг не должен превышать 10% от динамической грузоподъёмности (Ca) ШВП. Чрезмерный натяг повышает момент трения, тепловыделение и ускоряет износ; недостаточный -- приводит к люфту и потере точности позиционирования.
Линейные рельсовые направляющие обеспечивают прямолинейность перемещения каретки раскладчика и воспринимают радиальные и моментные нагрузки. В намоточных станках применяются профильные рельсовые направляющие с шариковыми или роликовыми каретками.
Направляющие HIWIN и THK LM Guide являются стандартным решением для линейных осей намоточных станков. Шариковые рельсовые направляющие обеспечивают коэффициент трения порядка 0,003-0,005 (в 20-40 раз ниже, чем у направляющих скольжения), что позволяет достигать высоких скоростей перемещения каретки при минимальном нагреве и износе.
Стандартная компоновка предусматривает два параллельных рельса с четырьмя (или более) каретками, обеспечивающих восприятие нагрузок во всех направлениях и высокую моментную жёсткость. Каретки HIWIN серий HG и EG, а также каретки HIWIN серии CG широко применяются в намоточных станках. Линейные шариковые каретки THK серий HSR и SSR также используются в качестве комплектующих.
Направляющие серий HIWIN CG отличаются встроенной системой пылезащиты, что актуально при мокрой намотке, когда существует риск попадания частиц смолы на поверхности качения. Для специальных применений доступны криволинейные направляющие THK.
Шпиндельный узел намоточного станка воспринимает массу оправки с изделием (от десятков килограммов до 80 т на крупных установках Mikrosam), крутящий момент привода и осевые силы от натяжения волокна. Подшипниковый узел шпинделя должен обеспечивать точность вращения, жёсткость и долговечность при существенных нагрузках.
Радиально-упорные шариковые подшипники (angular contact ball bearings, ГОСТ 831-2022) составляют основу подшипниковых узлов шпинделей намоточных станков средней грузоподъёмности. Они воспринимают комбинированные радиальные и осевые нагрузки и допускают высокие частоты вращения. Номинальный угол контакта определяет соотношение радиальной и осевой грузоподъёмности. Стандартные углы контакта: 15 градусов (высокоскоростные исполнения), 25 градусов (универсальные), 30 градусов и 40 градусов (повышенная осевая нагрузка). Угол контакта задаётся конструктивным исполнением подшипника и обозначается суффиксом в маркировке (например, C -- 15 градусов, AC/A -- 25-30 градусов, B -- 40 градусов в номенклатуре NSK/FAG).
В шпинделях намоточных станков радиально-упорные подшипники устанавливаются парами или комплектами:
Спина к спине (DB, O-образная) -- обеспечивает высокую моментную жёсткость, воспринимает осевые нагрузки в обоих направлениях. Расстояние между центрами давления максимально. Наиболее распространённая схема для шпинделей намоточных станков.
Тандемная (DT) -- два подшипника воспринимают осевую нагрузку в одном направлении с удвоенной грузоподъёмностью. Применяется в комбинации с другими подшипниками.
Комбинированная (DB + DT) -- на стороне повышенной нагрузки устанавливается тандемная пара, с противоположной -- одиночный подшипник по схеме DB. Увеличивает осевую жёсткость и грузоподъёмность в одном направлении.
Двухрядные радиально-упорные шариковые подшипники ASAHI представляют компактное решение, объединяющее два ряда тел качения в одном корпусе, что упрощает монтаж шпиндельного узла.
Для восприятия значительных осевых нагрузок от натяжения волокна и массы длинных оправок дополнительно устанавливаются упорные шариковые (ГОСТ 7872-89) или роликовые подшипники. В тяжёлых намоточных станках (масса оправки более 1 т) используются упорные сферические роликовые подшипники, обеспечивающие высокую осевую грузоподъёмность и компенсацию несоосности.
Для шпинделей намоточных станков с умеренными частотами вращения (обычно до 300-500 об/мин) достаточны подшипники класса точности P5 (ABEC 5) или P6 (ABEC 3) по ISO 492:2023 / ГОСТ 520-2011. Для высокоскоростных лабораторных станков могут применяться подшипники класса P4 (ABEC 7). Соответствие классов: ABEC 1 = P0, ABEC 3 = P6, ABEC 5 = P5, ABEC 7 = P4, ABEC 9 = P2.
Жёсткий (rigid) натяг -- шлифовкой дистанционных колец. Величина натяга задаётся при изготовлении комплекта: L -- лёгкий, M -- средний, H -- тяжёлый (по каталогам SKF/NSK/FAG). Для намоточных станков рекомендуется лёгкий или средний натяг.
Пружинный (constant) натяг -- пакетом тарельчатых или витых пружин. Обеспечивает постоянное усилие независимо от теплового расширения вала.
Система натяжения (tensioner) контролирует усилие натяжения волокна в диапазоне от 5 до 80 Н на отдельный жгут (по данным Mikrosam) или суммарное натяжение ленты до 500-4000 Н. Ролики и направляющие проушины системы натяжения опираются на миниатюрные радиальные подшипники.
В роликах натяжителей применяются миниатюрные радиальные однорядные шариковые подшипники (ГОСТ 8338-2022) типоразмеров 608-6002. Требования: минимальный момент трения, стойкость к частичной смазке, защита от попадания волокон и смолы (закрытое исполнение ZZ или 2RS).
Класс точности: C5 (стандартные станки), C3 (лабораторные, аэрокосмические). Диаметр вала: определяется расчётом на критическую скорость; при ходе 1-1,5 м -- 25-32 мм, при ходе 1,5-3 м -- 40-50 мм. Шаг (lead): 10-20 мм (определяет скорость каретки при заданных оборотах). Тип преднатяга: двойная гайка (spacer) или offset lead. Схема опор: коэффициенты критической скорости по THK: fixed-free (fc=3,4), supported-supported (fc=9,7), fixed-supported (fc=15,1), fixed-fixed (fc=21,9).
Размер: HG20-HG30 (HIWIN) или HSR20-HSR30 (THK) для станков среднего класса. Класс точности: N (нормальный), H (высокий) для ответственных применений. Преднатяг кареток: лёгкий (ZA/Z0) или средний (ZB/Z1). Защита: скребки, уплотнения, телескопические кожухи -- обязательны при мокрой намотке.
Тип: радиально-упорные шариковые (масса оправки до 1-2 т); конические/сферические роликовые (тяжёлые станки). Контактный угол: 25 градусов (универсальный); 15 градусов (высокие скорости); 40 градусов (преобладающие осевые нагрузки). Класс точности: P5 (ABEC 5) стандартно, P4 (ABEC 7) для прецизионных. Натяг: L (лёгкий) или M (средний).
При мокрой намотке смазка пополняется каждые 500-1000 часов. Проверка осевого люфта ШВП индикатором часового типа -- ежемесячно. Осмотр защитных кожухов и уплотнений -- еженедельно. Системы автоматической централизованной смазки существенно снижают трудоёмкость обслуживания.
Диагностика по вибрационным параметрам и температуре. Повышение температуры корпуса более чем на 10-15 градусов Цельсия сверх установившегося значения и рост виброускорения свидетельствуют о развитии дефекта. Допуски посадок при замене -- по каталогам SKF, NSK, Schaeffler.
1. Увеличение осевого люфта (индикатор при осевом нагружении гайки). 2. Повышение момента холостого хода (динамометрический ключ). 3. Периодические вибрации при перемещении каретки (акселерометр). 4. Визуальные следы износа: питтинг, царапины на поверхности резьбы. При обнаружении -- замена ШВП в сборе и проверка опорных подшипников вала.
Длина хода каретки: L = 1500 мм. Масса каретки с оснасткой: m = 50 кг. Максимальная скорость: Vmax = 0,5 м/с. Максимальное ускорение: a = 3 м/с2. Точность: ±0,1 мм. Ресурс: 20 000 ч.
Принимаем P = 20 мм (стандартный шаг). Максимальная частота вращения: nmax = Vmax x 60 / P = 0,5 x 60 / 20 = 1500 об/мин.
N1 = 0,8 x fc x dr x 107 / la2, где fc -- коэффициент схемы опор, dr -- диаметр корня винта (мм), la -- расстояние между опорами (мм), 0,8 -- коэффициент безопасности.
Схема опор: fixed-fixed (fc = 21,9). Расстояние между опорами: la = 1800 мм.
Попытка 1: d0 = 32 мм, dr = 27 мм. N1 = 0,8 x 21,9 x 27 x 107 / 18002 = 1460 об/мин. 1460 < 1500 -- НЕ проходит.
Попытка 2: d0 = 40 мм, dr = 34 мм. N1 = 0,8 x 21,9 x 34 x 107 / 18002 = 1838 об/мин. 1838 > 1500 -- условие выполнено.
Fинерции = m x a = 50 x 3 = 150 Н. Fтрения = m x g x mu = 50 x 9,81 x 0,005 = 2,5 Н. Fсуммарная = 153 Н (принимаем 160 Н с запасом).
nср = 900 об/мин (50% нагрузки). L = 20 000 x 60 x 900 = 1,08 x 109 оборотов. Ca = F x (L / 106)1/3 = 160 x 10,26 = 1642 Н. Стандартная ШВП d0=40 мм имеет Ca > 20 кН -- запас более чем десятикратный.
Класс C5: v300 = 18 мкм; ep = ±40 мкм при длине резьбы 1500-1600 мм (по таблице THK). С замкнутым контуром управления -- точность ±0,1 мм обеспечена.
Итог: ШВП d0=40 мм, P=20 мм, класс C5, fixed-fixed. Подходят серии HIWIN DFSH 4020 или THK BIF/DIK 4020.
В промышленных намоточных станках (Mikrosam MAW, Roth Composite Type 1, McClean Anderson Cyclone) применяются шлифованные ШВП класса C5 по JIS B 1192 / ISO 3408. Класс C5 обеспечивает колебание хода (v300) не более 18 мкм на участке 300 мм, что позволяет достигать точности позиционирования ±0,1 мм. Для аэрокосмических применений -- класс C3 (v300 = 8 мкм).
Радиально-упорные шариковые подшипники (ГОСТ 831-2022) по схеме "спина к спине" (DB). Для повышенных осевых нагрузок дополнительно устанавливаются упорные подшипники (ГОСТ 7872-89). В тяжёлых станках -- конические или сферические роликовые подшипники. Класс точности: P5 (ABEC 5) стандартно, P4 (ABEC 7) для прецизионных станков.
Рельсовые направляющие (HIWIN, THK) обеспечивают коэффициент трения 0,003-0,005 -- в 20-40 раз ниже, чем у направляющих скольжения. Это даёт плавность хода без эффекта stick-slip, высокую повторяемость позиционирования, длительный ресурс и возможность предварительного натяга для повышения жёсткости.
При мокрой намотке -- пополнение смазки каждые 500-1000 часов. При сухой намотке интервалы могут быть увеличены. Еженедельно -- осмотр защитных кожухов и уплотнений. Ежемесячно -- контроль осевого люфта ШВП индикатором часового типа.
Преднатяг -- осевая сила, устраняющая люфт между гайкой и винтом. Методы: двойная гайка со спейсером, смещение шага (offset lead), шарики увеличенного диаметра. По каталогу THK, оптимальный преднатяг = 1/3 от максимальной осевой нагрузки, а максимально допустимый -- не более 10% от динамической грузоподъёмности (Ca).
Шариковые серий HG и EG типоразмеров 20-30 мм. Серия CG -- со встроенной пылезащитой (для мокрой намотки). Для тяжёлых станков (каретка более 200 кг) -- роликовые серии RG. Класс точности: N (нормальный) или H (высокий).
Миниатюрные радиальные подшипники (серий 604-6002, закрытое исполнение 2RS/ZZ) обеспечивают свободное вращение направляющих роликов с минимальным моментом трения, что критически важно для точного контроля натяжения (5-80 Н на жгут). Низкое трение позволяет электронной системе управления натяжением работать с высокой точностью.
Катаные (rolled) ШВП изготавливаются накаткой и обеспечивают классы C7-C10 (транспортные). Шлифованные (ground) -- классы C0-C5 (позиционные). Для намоточных станков с точностью ±0,1 мм применяются только шлифованные ШВП (C5 или C3). Катаные допустимы для вспомогательных механизмов без требований к точности.
Точность и надёжность намоточного станка для производства композитных изделий определяются качеством механических комплектующих: шарико-винтовых передач каретки раскладчика, линейных рельсовых направляющих, подшипников шпинделя оправки и подшипников системы натяжения. Шлифованные ШВП класса C5 по JIS B 1192 / ISO 3408 с колебанием хода v300 не более 18 мкм обеспечивают точность позиционирования ±0,1 мм. Линейные направляющие HIWIN и THK гарантируют плавность перемещения каретки. Радиально-упорные подшипники в схеме DB обеспечивают жёсткость и точность вращения оправки. Грамотный подбор комплектующих с учётом критической скорости ШВП, схемы опор, условий эксплуатации и регулярное техническое обслуживание позволяют поддерживать стабильное качество намотки на протяжении всего жизненного цикла оборудования.
Настоящая статья носит исключительно ознакомительный и информационный характер. Приведённые технические данные, расчёты и рекомендации основаны на открытых источниках (каталоги производителей, стандарты, учебная литература) и не являются руководством к действию без надлежащей инженерной проверки. Автор и издатель не несут ответственности за любые последствия использования информации из данной статьи при проектировании, выборе комплектующих или эксплуатации оборудования. Для принятия технических решений рекомендуется обращаться к актуальным каталогам производителей и консультироваться с квалифицированными инженерами-конструкторами.
1. ISO 3408-1:2006 -- Ball screws. Part 1: Vocabulary and designation.
2. ISO 3408-3:2006 -- Ball screws. Part 3: Acceptance conditions and acceptance tests.
3. ISO 3408-5:2006 -- Ball screws. Part 5: Static and dynamic axial load ratings and operational life.
4. JIS B 1192:2018 -- Ball screws (стандарт Японии, гармонизирован с ISO 3408).
5. DIN 69051 -- Ball screws for machine tools.
6. ГОСТ 520-2011 -- Подшипники качения. Общие технические условия.
7. ГОСТ 831-2022 -- Подшипники качения. Подшипники шариковые радиально-упорные однорядные. Общие технические требования.
8. ГОСТ 8338-2022 -- Подшипники шариковые радиальные однорядные. Основные размеры.
9. ГОСТ 7872-89 -- Подшипники шариковые упорные одинарные и двойные. Типы и основные размеры.
10. ISO 492:2023 -- Rolling bearings. Radial bearings. Geometrical product specifications (GPS) and tolerance values.
11. ISO 281:2007 -- Rolling bearings. Dynamic load ratings and rating life.
12. THK Co., Ltd. Ball Screw General Catalog -- Lead Angle Accuracy (A15-011), Permissible Rotational Speed (A15-032).
13. HIWIN Technologies Corp. Ballscrews Technical Information; Linear Guideway Technical Information.
14. NSK Ltd. Ball Screws -- Standard Compact FA (E3239b); Super Precision Bearings (E1254); Machine Tool Spindle Bearing Selection & Mounting Guide.
15. SKF Group. Super-precision Bearings; Rolling Bearings (главный каталог).
16. Schaeffler Technologies AG. Super Precision Bearings SP1 (каталог FAG/INA).
17. Решетов Д.Н. Детали машин: учебник для вузов. 4-е изд. -- М.: Машиностроение, 1989.
18. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. 9-е изд. Том 2.
19. Перель Л.Я., Филатов А.А. Подшипники качения: расчёт, проектирование и обслуживание опор. -- М.: Машиностроение, 1992.
20. Harris T.A., Kotzalas M.N. Rolling Bearing Analysis. 5th ed. -- CRC Press, 2006.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.