Содержание статьи
- 1. Принцип работы и конструкция ШВП
- 2. Типы шарико-винтовых передач
- 3. Классы точности ШВП
- 4. Производители ШВП: HIWIN, TBI, THK
- 5. Методика подбора ШВП
- 6. Расчет долговечности и грузоподъемности
- 7. Критическая скорость вращения
- 8. Монтаж и опорные узлы
- 9. Смазка и техническое обслуживание
- 10. Часто задаваемые вопросы
Принцип работы и конструкция ШВП
Шарико-винтовая передача (ШВП) представляет собой механизм преобразования вращательного движения в поступательное с использованием шариков в качестве тел качения. В отличие от обычной передачи винт-гайка скольжения, в ШВП контакт между винтом и гайкой осуществляется через промежуточные тела качения, что обеспечивает КПД до 90-95% благодаря коэффициенту трения качения 0.003-0.01.
Основные конструктивные элементы ШВП:
Ходовой винт с винтовой канавкой готического профиля (арочного типа) служит направляющей для шариков. Гайка содержит ответные канавки и систему рециркуляции шариков. Шарики передают нагрузку между винтом и гайкой, перекатываясь по дорожкам качения с углом контакта около 45 градусов. Механизм возврата шариков обеспечивает их непрерывную циркуляцию по замкнутому контуру.
Преимущества ШВП перед передачами скольжения
| Параметр | ШВП | Передача скольжения |
|---|---|---|
| КПД | 90-95% | 30-50% |
| Коэффициент трения | 0.003-0.01 | 0.1-0.3 |
| Пусковой момент | Низкий (менее 1/3 от скольжения) | Высокий |
| Точность позиционирования | До 3-5 мкм (класс C0) | 50-100 мкм |
| Износостойкость | Высокая | Средняя |
| Нагрев при работе | Минимальный | Значительный |
| Возможность преднатяга | Да | Ограниченная |
Типы шарико-винтовых передач
Классификация по способу изготовления
Катаные (накатанные) ШВП
Винты изготавливаются методом холодной прокатки. Резьба формируется путем пластической деформации заготовки накатными роликами. Технология обеспечивает высокую производительность и относительно низкую себестоимость. Катаные ШВП соответствуют классам точности C7-C10 (транспортные классы Ct7, Ct10) по стандарту JIS B 1192.
Шлифованные ШВП
Производство включает три основных этапа: предварительное нарезание винта резцом, термообработку (закалку до 58-62 HRC), финишную шлифовку. После термообработки винты подвергаются деформации, которая устраняется прецизионным шлифованием на специализированном оборудовании. Шлифованные ШВП обеспечивают классы точности C0-C5 (позиционные классы).
Классификация по типу рециркуляции шариков
| Тип рециркуляции | Описание | Применение |
|---|---|---|
| Внешняя (трубчатая) | Шарики возвращаются по внешним трубкам, соединяющим начало и конец рабочих витков | Станки средней точности, промышленное оборудование |
| Внутренняя (дефлекторная) | Возврат через каналы внутри тела гайки с использованием дефлекторов | Компактные механизмы, высокоскоростные применения |
| Торцевая (капсульная) | Шарики перенаправляются торцевыми крышками между соседними витками | Прецизионное оборудование, малые габариты |
Типы гаек ШВП
Серия SFU/SFNU - одинарные гайки с фланцем и внутренней рециркуляцией для стандартных применений. Серия DFU - сдвоенные гайки с регулируемым преднатягом для устранения люфта. Серия SFE/SFV - гайки с внешней рециркуляцией для тяжелых нагрузок и высоких скоростей. Серия OFU - гайки со смещенным расположением для улучшенной жесткости.
Классы точности ШВП
Точность шарико-винтовых передач регламентируется международными стандартами: JIS B 1192:2018 (Япония), DIN 69051, ISO 3408-3:2006 (международный). Классы точности определяют допустимые отклонения хода (v300 - колебание на 300 мм) и погрешности позиционирования (ep - погрешность заданного хода).
Позиционные и транспортные ШВП
Позиционные ШВП (классы C0-C5 по JIS, серия C) предназначены для точного позиционирования. Точность определяется по линейности и направленности хода. Транспортные ШВП (классы C7-C10 по JIS, серия Ct) допускают накопление погрешности в пределах допуска на 300 мм и применяются в механизмах перемещения без строгих требований к точности.
| Класс точности JIS | Колебание v300 (мкм) | Колебание v2pi (мкм) | Область применения |
|---|---|---|---|
| C0 | 3.5 | 3 | Прецизионные измерительные машины |
| C1 | 5 | 4 | Координатно-измерительные машины |
| C2 | 7 | 5 | Высокоточные станки с ЧПУ |
| C3 | 8 | 6 | Обрабатывающие центры, фрезерные станки |
| C5 | 18 | 8 | Станки общего назначения |
| C7 (Ct7) | 50 | - | Автоматизация, упаковочное оборудование |
| C10 (Ct10) | 210 | - | Транспортные механизмы, подъемники |
Производители ШВП: HIWIN, TBI, THK
HIWIN Technologies Corp.
Тайваньская компания, основанная в 1989 году. Производит полный спектр ШВП: от катаных серий FSI, FSC (классы C7-C10) до шлифованных серий R1, Super S (классы C0-C5). Особенности: оптимизированная конструкция тангенциальных дефлекторов, высокоскоростные серии Super S и RD с DN-фактором до 160000, диаметры винтов от 4 до 120 мм, специализированные Cool Type с принудительным охлаждением для термостабилизации.
TBI Motion Technology
Тайваньский производитель (г. Синьбэй) с широким ассортиментом ШВП. Основные серии: SFU/SFNU (одинарные гайки с внутренней рециркуляцией), DFU (сдвоенные гайки с преднатягом), SFV (с внешней рециркуляцией для тяжелых нагрузок). Продукция соответствует стандартам DIN 69051 и ISO 3408. Готический профиль канавок с углом контакта 40 градусов обеспечивает высокую грузоподъемность.
THK Co., Ltd.
Японская корпорация (основана в 1971 году), один из мировых лидеров в области линейного перемещения. Производит прецизионные ШВП серий BIF, DIK, BNF, BLK для высокоточных станков. Особенности: запатентованная технология Caged Ball с сепараторами для снижения шума и увеличения ресурса, классы точности до C0, максимальная длина винтов до 8000 мм.
| Характеристика | HIWIN | TBI | THK |
|---|---|---|---|
| Страна | Тайвань | Тайвань | Япония |
| Диапазон диаметров | 4-120 мм | 12-100 мм | 6-100 мм |
| Классы точности | C0-C10 | C3, C5, C7, C10 | C0-C10 |
| Макс. DN-фактор | 160000 (Super S) | 100000 | 130000 |
| Макс. длина винта | до 6000 мм | до 4000 мм | до 8000 мм |
Методика подбора ШВП
Правильный выбор ШВП требует комплексного анализа условий эксплуатации. Основные этапы подбора:
Определение рабочих параметров
Необходимо установить: максимальную осевую нагрузку (статическую и динамическую), требуемую скорость перемещения, длину рабочего хода, точность позиционирования, режим работы (непрерывный, циклический), условия окружающей среды (температура, загрязнение).
Выбор диаметра и шага винта
P = V / n, где:
P - шаг винта, мм
V - требуемая скорость, мм/мин
n - частота вращения привода, об/мин
P = 10000 / 1000 = 10 мм
Выбираем стандартный шаг 10 мм. Типоразмер 2510 (диаметр 25 мм, шаг 10 мм) или 3210 в зависимости от нагрузок.
Стандартные типоразмеры ШВП
| Обозначение | Диаметр, мм | Шаг, мм | Типичное применение |
|---|---|---|---|
| 1204 | 12 | 4 | 3D-принтеры, малые станки |
| 1605 | 16 | 5 | Настольные станки с ЧПУ |
| 2005 | 20 | 5 | Фрезерные станки малого формата |
| 2510 | 25 | 10 | Обрабатывающие центры |
| 3210 | 32 | 10 | Тяжелые фрезерные станки |
| 4010 | 40 | 10 | Крупногабаритные станки |
| 5010 | 50 | 10 | Тяжелое промышленное оборудование |
Расчет долговечности и грузоподъемности
Базовые понятия
Динамическая грузоподъемность (Ca) - постоянная осевая нагрузка, которую группа идентичных ШВП может воспринимать в течение 10^6 оборотов при 90% вероятности безотказной работы (ресурс L10). Методика расчета основана на работах Лундберга и Пальмгрена и регламентирована стандартом ISO 3408-5:2006.
Статическая грузоподъемность (C0a) - осевая нагрузка, вызывающая суммарную остаточную деформацию шарика и дорожки качения, равную 0.0001 диаметра шарика (Dw).
Формула расчета ресурса
L = (Ca / Fm)^3 x 10^6, где:
L - ресурс, оборотов
Ca - динамическая грузоподъемность, Н
Fm - средняя эквивалентная нагрузка, Н
Расчетный ресурс в часах:
Lh = (Ca / Fm)^3 x 10^6 / (60 x n), где:
Lh - ресурс, часы
n - частота вращения, об/мин
Дано: ШВП 25x10, Ca = 35100 Н (из каталога производителя), рабочая нагрузка Fm = 5000 Н, частота вращения n = 1000 об/мин.
L = (35100 / 5000)^3 x 10^6 = 7.02^3 x 10^6 = 346 x 10^6 оборотов
Lh = 346 x 10^6 / (60 x 1000) = 5767 часов
При 8-часовой работе ресурс составит около 720 рабочих дней или примерно 3 года непрерывной эксплуатации.
Корректирующие коэффициенты
| Фактор | Коэффициент | Условия применения |
|---|---|---|
| Твердость поверхности (fH) | (HRC/58)^3.3 | При твердости ниже 58 HRC (норма 58-62 HRC) |
| Качество стали (fm) | 1.0-1.5 | 1.0 - стандартная, 1.3-1.5 - вакуумный переплав |
| Надежность (a1) | 0.21-1.0 | 1.0 для 90%, 0.62 для 95%, 0.21 для 99% |
| Нагружения (fw) | 1.0-2.0 | 1.0 - плавная работа, 1.5-2.0 - ударные нагрузки |
Критическая скорость вращения
Критическая скорость - первая резонансная частота вращения винта, при которой возникают опасные колебания вала. Эксплуатация на критической скорости приводит к повышенному износу, вибрации, снижению точности и возможному разрушению механизма.
DN-фактор
DN-фактор (Dm x N) - произведение среднего диаметра дорожки качения (мм) на частоту вращения (об/мин). Этот параметр характеризует скоростные возможности ШВП и ограничивается конструкцией системы рециркуляции шариков. Стандартные ШВП допускают DN до 70000-100000, высокоскоростные серии с тангенциальным возвратом - до 160000.
Nкр = f x (d2 / L^2) x 10^7, где:
Nкр - критическая скорость, об/мин
f - коэффициент опорной схемы
d2 - внутренний (корневой) диаметр винта, мм
L - расстояние между опорами (без опоры ходовой части), мм
Коэффициенты опорных схем
| Схема закрепления | Коэффициент f | Описание |
|---|---|---|
| Fixed - Fixed | 21.9 | Жесткое закрепление с двух сторон (BK-BK) |
| Fixed - Supported | 15.1 | Жесткое с одной стороны, опора с другой (BK-BF) |
| Supported - Supported | 9.7 | Простые опоры с двух сторон (BF-BF) |
| Fixed - Free | 3.4 | Жесткое с одной стороны, свободный конец |
Монтаж и опорные узлы
Типы опорных подшипниковых узлов
Для крепления винтов ШВП применяются специализированные опорные блоки серий BK, BF, FK, FF с предустановленными подшипниками:
| Серия | Тип подшипника | Назначение | Особенности |
|---|---|---|---|
| BK | Двухрядный радиально-упорный (угол контакта 60 град.) | Фиксированная опора | Воспринимает осевые нагрузки в обоих направлениях |
| BF | Однорядный радиальный шариковый | Плавающая опора | Компенсирует тепловое расширение винта |
| FK | Двухрядный радиально-упорный | Фиксированная опора | Вертикальное расположение крепления |
| FF | Однорядный радиальный шариковый | Плавающая опора | Вертикальное расположение крепления |
Схемы установки опор
Наиболее распространенная схема - Fixed-Supported (BK-BF): фиксированная опора со стороны привода воспринимает осевые нагрузки в обоих направлениях, плавающая опора на противоположном конце компенсирует тепловое расширение винта. Данная схема оптимальна для большинства применений.
Схема Fixed-Fixed (BK-BK) обеспечивает максимальную жесткость и критическую скорость, но требует точного контроля температурного режима и предварительного натяжения винта для предотвращения термических напряжений и продольного изгиба при нагреве.
Рекомендации по монтажу
Перед установкой необходимо тщательно очистить все поверхности от загрязнений. Работы выполняются в чистых перчатках для исключения коррозии от контакта с кожей. Соосность опор контролируется с точностью не хуже 0.02 мм на 300 мм. Параллельность направляющих и оси ШВП - не хуже 0.01 мм. Момент затяжки крепежа должен соответствовать спецификации производителя.
Смазка и техническое обслуживание
Типы смазочных материалов
Пластичные (консистентные) смазки - применяются при DN-факторе до 50000-70000. Обеспечивают хорошую защиту от загрязнений, удобны в обслуживании. Рекомендуются смазки на литиевой или литиево-кальциевой основе с присадками EP (противозадирными). Класс NLGI 2 для стандартных условий.
Жидкие масла - предпочтительны для высокоскоростных применений (DN более 70000). Обеспечивают лучший теплоотвод и меньший момент трения. Требуют системы централизованной смазки или масляного тумана. Рекомендуемая вязкость ISO VG 32-68 при рабочей температуре.
Периодичность обслуживания
| Условия эксплуатации | Интервал смазки | Контрольные операции |
|---|---|---|
| Нормальные (чистое помещение) | 500-1000 часов | Визуальный осмотр, проверка люфта |
| Тяжелые (пыль, стружка) | 200-500 часов | Осмотр, очистка, смазка, проверка уплотнений |
| Высокоскоростные (DN более 100000) | 100-300 часов | Контроль температуры, смазка, проверка вибрации |
Признаки износа ШВП
Увеличение осевого люфта более чем в 2-3 раза от начального значения. Появление рывков или заеданий при перемещении. Повышение момента вращения и температуры гайки. Посторонние шумы: скрип, стук, щелчки при работе. Снижение точности позиционирования и повторяемости.
Часто задаваемые вопросы
Для фрезерных станков с ЧПУ общего назначения рекомендуется класс точности C5, обеспечивающий колебание хода не более 18 мкм на 300 мм. Для прецизионной обработки с допусками IT6-IT7 следует применять ШВП класса C3 (8 мкм/300 мм) или выше. Для станков без строгих требований к точности (раскрой, гравировка) допустим класс C7 (50 мкм/300 мм).
Катаные ШВП изготавливаются методом холодной прокатки и обеспечивают классы точности C7-C10 (транспортные классы Ct). Они дешевле в 5-10 раз и подходят для механизмов без высоких требований к точности. Шлифованные ШВП проходят финишную обработку шлифованием после термообработки (закалки до 58-62 HRC), что обеспечивает классы C0-C5 (позиционные классы). Их применяют в прецизионном оборудовании, станках с ЧПУ, измерительных машинах.
Для устранения осевого люфта применяется преднатяг. В одинарных гайках преднатяг создается за счет увеличенного диаметра шариков (4-точечный контакт) или смещения дорожек качения. В сдвоенных гайках (серия DFU) преднатяг регулируется изменением толщины распорного кольца между половинами гайки или их относительным осевым смещением. Величина преднатяга обычно составляет 3-8% от динамической грузоподъемности Ca, но не более 10%.
Максимальная скорость определяется DN-фактором и критической скоростью. Стандартные ШВП допускают DN до 70000-100000, высокоскоростные серии (Super S, RD) - до 160000. Например, для винта диаметром 25 мм с DN=100000 максимальная частота составит 4000 об/мин, что при шаге 10 мм даст скорость 40 м/мин. Рабочая скорость должна быть не более 80% от критической.
Нет, винты и гайки ШВП разных производителей не взаимозаменяемы. Несмотря на соответствие общим стандартам (DIN 69051, ISO 3408), каждый производитель использует собственный профиль канавок, радиусы кривизны, углы контакта (40-45 градусов). Установка несогласованных компонентов приведет к неправильному распределению нагрузки, повышенному износу и преждевременному выходу из строя.
Ресурс ШВП зависит от нескольких факторов. Снижение рабочей нагрузки в 2 раза увеличивает ресурс в 8 раз (кубическая зависимость по ISO 3408-5). Своевременная смазка и защита от загрязнений критически важны. Рекомендуется применять телескопические кожухи, гармошки или скребки-уплотнители. Температура не должна превышать 80 градусов C. Следует избегать работы на критических скоростях и ударных нагрузок.
Для винтов длиной более 1500-2000 мм рекомендуется схема Fixed-Supported (BK-BF) с плавающей опорой на свободном конце. Это компенсирует тепловое расширение и упрощает монтаж. При очень длинных винтах (отношение L/d более 60-70) следует рассмотреть применение вращающейся гайки с неподвижным винтом или установку промежуточных опор для повышения критической скорости.
Приводной момент рассчитывается по формуле: M = F x P / (2000 x pi x eta), где F - осевая сила (Н), P - шаг (мм), eta - КПД (0.9-0.95 для ШВП). К полученному значению добавляется момент преднатяга (указан в каталоге). Мощность определяется как P = M x n / 9550, где n - частота вращения (об/мин). Рекомендуется запас мощности 20-30% для ускорений и пиковых нагрузок.
Источники
- ISO 3408-1:2006. Ball screws - Part 1: Vocabulary and designation.
- ISO 3408-3:2006. Ball screws - Part 3: Acceptance conditions and acceptance tests.
- ISO 3408-5:2006. Ball screws - Part 5: Static and dynamic axial load ratings and operational life.
- JIS B 1192:2018. Ball screws (Japanese Industrial Standard).
- DIN 69051. Ball screws (Deutsches Institut fur Normung).
- ГОСТ 18855-2013 (ISO 281:2007). Подшипники качения. Динамическая грузоподъемность и номинальный ресурс.
- Орлов П.И. Основы конструирования: Справочно-методическое пособие. - М.: Машиностроение.
- HIWIN Technologies Corp. Technical Catalogue: Ballscrews and Accessories.
- THK Co., Ltd. Ball Screw Technical Information (A15-11).
- TBI Motion Technology Co., Ltd. Ball Screw Catalogue.
