Технология изготовления многозаходных винтов ШВП

Материалы для изготовления многозаходных винтов

Выбор материала для изготовления многозаходных винтов ШВП критически важен, поскольку он напрямую влияет на эксплуатационные характеристики, долговечность и стоимость конечного изделия. Современные производства используют различные марки сталей, которые обеспечивают необходимый комплекс физико-механических свойств.

Наиболее распространенные материалы:

Требования к материалам для многозаходных винтов:

1. Высокая прокаливаемость — способность стали достигать высокой твердости по всему сечению заготовки, что особенно важно для винтов большого диаметра
2. Равномерность структуры — для обеспечения одинаковых свойств по всей длине винта
3. Минимальная деформация при термической обработке — критически важно для сохранения геометрической точности винта
4. Высокая контактная выносливость — для длительной работы под нагрузкой без питтинга поверхности резьбы
5. Хорошая обрабатываемость — для снижения трудоемкости и стоимости изготовления

Методы изготовления многозаходных винтов

Производство многозаходных винтов для ШВП представляет собой комплексный технологический процесс, включающий несколько основных методов формирования резьбового профиля. Выбор конкретного метода зависит от требуемой точности, производительности, доступного оборудования и экономических факторов.

Основные методы изготовления многозаходных винтов:

1. Метод резания на специальных резьбонарезных станках

Классический метод, при котором резьба формируется путем последовательного снятия металла специальными резцами. Для многозаходных винтов этот процесс повторяется для каждого захода с соответствующим угловым смещением заготовки.

• Преимущества: высокая гибкость процесса, возможность изготовления резьбы практически любого профиля и шага, хорошая точность
• Недостатки: низкая производительность, высокая трудоемкость, необходимость использования высококвалифицированного персонала

Этот метод чаще всего применяется для изготовления прототипов или мелкосерийного производства.

2. Технология плазменно-дугового нарезания

Современный метод, использующий плазменную дугу для удаления металла. Обеспечивает высокую скорость обработки при хорошей точности.

• Преимущества: высокая производительность, возможность обработки закаленных материалов
• Недостатки: требует дорогостоящего оборудования, ограничения по глубине профиля

3. Холодное накатывание резьбы

Пластическое деформирование металла без снятия стружки с помощью специальных накатных роликов или плашек. Для многозаходных винтов процесс повторяется с точным угловым позиционированием для каждого захода.

• Преимущества: высокая производительность, улучшенная структура поверхностного слоя, повышенная усталостная прочность, хорошая экономичность при массовом производстве
• Недостатки: ограничения по твердости обрабатываемого материала, необходимость в специализированном оборудовании и оснастке для каждого типоразмера винта

4. Шлифование резьбы

Высокоточный метод окончательной обработки винтов, особенно после термообработки. Для многозаходных винтов требуется прецизионное оборудование с системой ЧПУ и точными делительными механизмами.

• Преимущества: очень высокая точность (до класса точности 1, согласно ISO 3408), хорошее качество поверхности, возможность обработки закаленных деталей
• Недостатки: низкая производительность, высокая стоимость оборудования, значительный расход абразивных материалов

5. Электроэрозионная обработка (ЭЭО)

Особый метод, основанный на явлении электрической эрозии, применяемый для изготовления высокоточных многозаходных винтов сложного профиля.

• Преимущества: возможность обработки любых токопроводящих материалов независимо от их твердости, высокая точность, отсутствие механических напряжений
• Недостатки: низкая производительность, высокая энергоемкость, относительно шероховатая поверхность, требующая дополнительной обработки

Технологии формирования резьбы многозаходных винтов

Формирование точной и качественной резьбы на многозаходных винтах является ключевым этапом производства ШВП. Особенностью этого процесса является необходимость создания нескольких спиральных канавок с точным угловым смещением относительно друг друга.

Расчет угла смещения для многозаходной резьбы

Особенности технологии формирования многозаходной резьбы методом резания:

1. Предварительная подготовка заготовки: точение, шлифование внешней поверхности до требуемого диаметра с учетом припуска на чистовую обработку
2. Разметка и деление: для точного позиционирования заходов используются делительные механизмы с высокой точностью
3. Черновое нарезание первого захода: производится с припуском 0,2-0,3 мм на сторону для последующей чистовой обработки
4. Поворот заготовки на рассчитанный угол (φ) с высокой точностью
5. Черновое нарезание второго и последующих заходов с сохранением тех же технологических параметров
6. Чистовое нарезание всех заходов для достижения требуемой точности и качества поверхности

Особенности накатывания многозаходной резьбы:

Накатывание является высокопроизводительным методом формирования резьбы без снятия стружки, что особенно ценно при массовом производстве.

Процесс включает следующие этапы:

1. Подготовка заготовки: точное точение до расчетного диаметра, который меньше номинального из-за специфики процесса накатывания (выдавливание материала)
2. Установка накатных роликов с профилем, соответствующим требуемой резьбе
3. Накатывание первого захода с контролем параметров процесса (скорость, давление)
4. Поворот заготовки на требуемый угол φ с высокой точностью
5. Накатывание второго и последующих заходов
6. Контроль качества полученной резьбы

Основные преимущества накатывания для многозаходных винтов ШВП:

• Формирование направленной структуры материала, повышающей усталостную прочность
• Повышение твердости поверхностного слоя на 10-15% за счет наклепа
• Высокая производительность (в 3-5 раз выше по сравнению с резанием)
• Отсутствие стружки и экономия материала (до 5-7%)

Специфика шлифования многозаходной резьбы:

Шлифование является финишной операцией, обеспечивающей высокую точность и качество поверхности резьбы многозаходных винтов ШВП после термообработки.

Особенности процесса:

1. Выбор специализированных шлифовальных кругов с профилем, соответствующим профилю резьбы (обычно 60° для стандартных ШВП или 90° для специальных применений)
2. Использование прецизионных резьбошлифовальных станков с ЧПУ, обеспечивающих точное взаимное положение инструмента и заготовки
3. Применение делительных механизмов высокой точности для обработки каждого захода
4. Многопроходное шлифование с постепенным уменьшением глубины резания
5. Постоянный контроль температуры в зоне обработки для предотвращения прижогов и деформаций
6. Финишное шлифование с малыми припусками (0,01-0,02 мм) для достижения требуемой шероховатости поверхности

Термическая обработка многозаходных винтов

Термическая обработка является критически важным этапом в производстве многозаходных винтов ШВП, определяющим их эксплуатационные характеристики, долговечность и надежность. Особенность термообработки многозаходных винтов заключается в необходимости минимизации деформаций, которые могут привести к нарушению геометрии сложного профиля резьбы.

Основные виды термической обработки, применяемые при производстве винтов ШВП:

1. Объемная закалка и отпуск

Классический метод термообработки, применяемый для винтов из легированных сталей типа 40Х, 40ХН и аналогичных.

• Температура нагрева: 840-860°C для сталей типа 40Х
• Охлаждающая среда: масло или полимерные закалочные среды для минимизации деформаций
• Отпуск: 180-220°C для обеспечения твердости 45-52 HRC

Особенности: Винты длиной более 15 диаметров требуют специальных приспособлений и подвески в вертикальном положении для минимизации прогиба.

2. Индукционная закалка

Метод поверхностной закалки, при котором нагрев производится токами высокой частоты (ТВЧ). Особенно эффективен для винтов большого диаметра (свыше 50 мм).

• Глубина закаленного слоя: 1,5-3,0 мм в зависимости от диаметра винта
• Поверхностная твердость: 56-62 HRC
• Твердость сердцевины: 30-40 HRC

Преимущества: Минимальные деформации, повышенная вязкость сердцевины при высокой твердости поверхности, возможность локальной обработки только рабочих поверхностей.

3. Газовая цементация с последующей закалкой

Применяется для винтов из низкоуглеродистых легированных сталей (20ХН3А, 20Х2Н4А и аналогичных) для обеспечения высокой поверхностной твердости при вязкой сердцевине.

• Температура цементации: 920-950°C
• Время: 8-15 часов в зависимости от требуемой глубины слоя
• Глубина цементованного слоя: 1,0-1,5 мм
• Закалка: с 820-840°C в масло
• Отпуск: 180-200°C

4. Ионно-плазменное азотирование

Современный метод поверхностного упрочнения, обеспечивающий минимальные деформации при высокой поверхностной твердости.

• Температура процесса: 480-520°C
• Время: 10-36 часов в зависимости от требуемой глубины слоя
• Глубина упрочненного слоя: 0,3-0,6 мм
• Поверхностная твердость: 900-1000 HV (около 65-68 HRC)

Преимущества: Практически отсутствуют деформации, высокая износостойкость, повышенная коррозионная стойкость, возможность обработки готовых изделий после шлифования.

Контроль деформаций при термообработке

Для многозаходных винтов проблема деформаций стоит особенно остро из-за сложной геометрии резьбы и необходимости сохранения точного взаимного расположения заходов.

Основные методы минимизации деформаций:

1. Предварительная стабилизирующая термообработка заготовок для снятия внутренних напряжений
2. Использование специальных подвесок и приспособлений при нагреве и охлаждении
3. Применение вертикального положения длинных винтов при закалке
4. Постепенное охлаждение в специальных средах (полимерные закалочные жидкости, теплое масло)
5. Многократный отпуск для более полного снятия закалочных напряжений
6. Оставление увеличенного припуска на финишную обработку (0,2-0,3 мм на диаметр) для компенсации возможных деформаций

Финишная обработка и доводка многозаходных винтов

Финишная обработка является завершающим этапом производства многозаходных винтов ШВП и определяет их окончательную точность, качество поверхности и эксплуатационные характеристики. Для винтов высокого класса точности (1-3 по ISO 3408) требуется комплекс специальных операций.

Основные методы финишной обработки многозаходных винтов:

1. Прецизионное шлифование резьбы

Наиболее распространенный метод финишной обработки закаленных винтов ШВП, обеспечивающий высокую точность профиля и малую шероховатость поверхности.

• Оборудование: специализированные резьбошлифовальные станки с ЧПУ (Reishauer, Mikrosa, Matrix и др.)
• Инструмент: высокоточные шлифовальные круги из электрокорунда белого (25А) или кубического нитрида бора (CBN)
• Режимы: скорость круга 25-35 м/с, подача 1-3 мм/мин, глубина резания 0,01-0,05 мм
• Охлаждение: обильное, с фильтрацией до 5-10 мкм

Особенностью шлифования многозаходных винтов является необходимость обеспечения точного углового позиционирования заготовки для каждого захода, что требует высокоточных делительных механизмов и жесткой системы крепления детали.

2. Суперфиниширование

Метод доводки поверхности резьбы после шлифования с использованием мелкозернистых абразивных брусков или лент.

• Достигаемая шероховатость: Ra 0,1-0,2 мкм
• Съем материала: 0,005-0,01 мм
• Преимущества: удаление дефектного слоя после шлифования, улучшение микрогеометрии поверхности, повышение ресурса ШВП

3. Полирование

Финишная операция для винтов прецизионного класса точности, обеспечивающая минимальную шероховатость и высокое качество поверхности.

• Методы: абразивное полирование алмазными пастами, электрохимическое полирование
• Достигаемая шероховатость: Ra 0,05-0,1 мкм
• Эффект: снижение шума при работе ШВП, увеличение ресурса, уменьшение трения

4. Антикоррозионная обработка

Завершающий этап финишной обработки, особенно важный для винтов, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности или агрессивных сред.

• Методы: хромирование (толщина слоя 5-10 мкм), никелирование, азотирование, нанесение специальных покрытий на основе DLC (алмазоподобный углерод)
• Особенности: необходимость сохранения высокой точности профиля резьбы после нанесения покрытия

Финишная обработка опорных и посадочных поверхностей

Помимо резьбовой части, многозаходные винты ШВП имеют опорные шейки и посадочные поверхности, требующие высокоточной обработки.

Особой важностью обладает обеспечение высокой соосности опорных шеек и резьбовой части многозаходного винта, поскольку даже небольшое биение (более 0,01-0,02 мм) может привести к неравномерной работе ШВП и преждевременному выходу из строя.

Контроль качества многозаходных винтов

Контроль качества многозаходных винтов ШВП представляет собой комплексный процесс, включающий проверку геометрических параметров, механических свойств и эксплуатационных характеристик. Особенностью контроля многозаходных винтов является необходимость проверки взаимного расположения заходов и равномерности их профиля.

Основные параметры контроля многозаходных винтов:

1. Геометрические параметры резьбы

• Средний диаметр резьбы — основной параметр, определяющий взаимное положение винта и гайки
• Шаг резьбы — расстояние между одноименными точками соседних витков одного захода
• Угол профиля — обычно 60° для стандартных ШВП или 90° для специальных применений
• Радиус скругления впадины — критический параметр, влияющий на контактную выносливость
• Погрешность шага резьбы — отклонение реального шага от номинального значения

2. Точность взаимного расположения заходов

Для многозаходных винтов критически важно проверить угловое смещение между заходами, которое должно составлять ровно 360°/n (где n — число заходов):

• Для двухзаходной резьбы: 180° ± допуск
• Для трехзаходной резьбы: 120° ± допуск
• Для четырехзаходной резьбы: 90° ± допуск

Отклонение от теоретического углового смещения приводит к неравномерному распределению нагрузки между заходами и снижению долговечности ШВП.

3. Контроль механических свойств

• Твердость поверхности резьбы — обычно 58-62 HRC для закаленных винтов
• Глубина упрочненного слоя — для винтов с поверхностной закалкой или цементацией
• Микроструктура материала — отсутствие дефектов структуры, прижогов, обезуглероженных участков

4. Контроль шероховатости поверхности

В зависимости от класса точности ШВП требуется обеспечить следующую шероховатость рабочих поверхностей:

• Для класса точности 1: Ra 0,1-0,2 мкм
• Для класса точности 3: Ra 0,2-0,4 мкм
• Для класса точности 5: Ra 0,4-0,8 мкм
• Для класса точности 7: Ra 0,8-1,6 мкм

Методы и оборудование для контроля многозаходных винтов:

Функциональный контроль многозаходных винтов ШВП

Помимо геометрических и физико-механических параметров, многозаходные винты ШВП подвергаются функциональному контролю, который включает:

1. Проверку крутящего момента — измерение момента прокручивания винта в комплекте с гайкой под определенной осевой нагрузкой
2. Контроль осевого зазора (преднатяга) — для ШВП с регулируемым зазором/преднатягом
3. Проверку плавности хода — отсутствие заеданий и неравномерностей при вращении
4. Контроль шума и вибраций — для высокоскоростных ШВП
5. Испытание на долговечность — для выборочных образцов из партии

Технические расчеты и параметры многозаходных винтов

Проектирование и производство многозаходных винтов ШВП требует выполнения ряда технических расчетов для обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик и долговечности. Рассмотрим основные расчетные параметры и формулы, используемые при проектировании.

Основные геометрические параметры многозаходных винтов:

Расчет эксплуатационных параметров многозаходных винтов ШВП:

Пример расчета основных параметров многозаходного винта ШВП:

Эффективность многозаходных винтов

Многозаходные винты ШВП обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с однозаходными, что определяет их эффективность в различных областях применения. Рассмотрим основные факторы, определяющие эффективность многозаходных конструкций.

Ключевые преимущества многозаходных винтов ШВП:

1. Повышенная скорость линейного перемещения

Основное преимущество многозаходных винтов — увеличение шага (хода) резьбы при сохранении ее геометрических параметров. Для n-заходного винта линейное перемещение за один оборот в n раз больше, чем у однозаходного с тем же шагом захода.

• Для двухзаходного винта с шагом захода 5 мм: ход P = 10 мм
• Для трехзаходного винта с шагом захода 5 мм: ход P = 15 мм
• Для четырехзаходного винта с шагом захода 5 мм: ход P = 20 мм

Это позволяет достигать более высоких скоростей перемещения без увеличения частоты вращения винта, что особенно важно для высокопроизводительных станков и механизмов.

2. Более равномерное распределение нагрузки

В многозаходных ШВП нагрузка распределяется между несколькими заходами, что позволяет:

• Снизить контактные напряжения в зоне взаимодействия шариков с дорожками качения
• Повысить долговечность передачи при тех же габаритах
• Обеспечить более равномерный износ рабочих поверхностей

3. Повышенная плавность хода

Благодаря большему числу шариков, одновременно находящихся в контакте, многозаходные винты обеспечивают:

• Снижение вибраций при работе на высоких скоростях
• Более равномерное движение при малых перемещениях
• Уменьшение шума при работе

4. Высокая эффективность передачи

КПД многозаходных ШВП обычно составляет 0,9-0,95, что превышает аналогичный показатель для однозаходных конструкций. Это обеспечивает:

• Снижение энергопотребления приводов
• Меньший нагрев при длительной работе
• Возможность использования менее мощных двигателей

Технико-экономические показатели эффективности многозаходных винтов ШВП:

Области наиболее эффективного применения многозаходных винтов:

1. Высокоскоростные системы позиционирования — для обеспечения быстрых перемещений без повышения частоты вращения привода
2. Прецизионные координатные системы — благодаря повышенной плавности хода и жесткости
3. Тяжелонагруженные механизмы — за счет лучшего распределения нагрузки между шариками
4. Автоматизированные производственные линии — где требуется высокая производительность и надежность
5. Измерительное оборудование — для обеспечения плавных и точных перемещений

Прогноз развития характеристик многозаходных винтов ШВП:

В ближайшие годы ожидается дальнейшее расширение применения многозаходных винтов ШВП в новых областях, таких как медицинская робототехника, аддитивное производство, системы возобновляемой энергетики и другие высокотехнологичные отрасли. Компания Иннер Инжиниринг следит за всеми современными тенденциями и предлагает своим клиентам доступ к последним разработкам в области шарико-винтовых пар, включая инновационные многозаходные решения от ведущих мировых производителей.