Параметры ШВП: диаметры винтов, шаг резьбы и размеры шариков по каталогам

Что такое шарико-винтовая передача (ШВП): устройство и принцип работы

Шарико-винтовая передача (ШВП) — это механизм преобразования вращательного движения в поступательное (линейное), в котором между винтом и гайкой расположены стальные шарики, выполняющие роль тел качения. В отличие от обычной резьбовой пары «винт-гайка», где происходит трение скольжения, в ШВП реализовано трение качения, что обеспечивает КПД до 90% (по данным HIWIN) против 30–50% у передач скольжения.

Основные компоненты шарико-винтовой передачи

Винт ШВП (также называемый ходовой винт ШВП, шариковый винт) — это стержень с винтовой канавкой специального профиля, по которой перемещаются шарики. Винт ШВП изготавливается из подшипниковой стали (ШХ15, AISI 52100) с последующей термообработкой до твёрдости HRC 58–62. Профиль канавки винта ШВП — готическая арка, образованная двумя дугами окружностей.

Гайка ШВП (шариковая гайка, гайка шарико-винтовой передачи) — корпус с ответной винтовой канавкой и системой рециркуляции шариков. Гайка ШВП содержит от одного до шести независимых контуров циркуляции, по которым шарики совершают замкнутое движение. Количество рабочих витков резьбы в гайке ШВП определяет её грузоподъёмность.

Шарики для гайки ШВП — прецизионные стальные шарики класса точности G10–G16 (округлость 3–5 мкм). Шарики для ШВП изготавливаются из подшипниковой стали ШХ15 (GCr15, AISI 52100) и подвергаются полировке до зеркальной поверхности. Диаметры шариков стандартизированы в дюймовой системе.

Система рециркуляции — механизм возврата шариков из конца рабочей зоны гайки ШВП в начало. Существуют три основных типа: наружный трубчатый возврат (return tube), внутренний дефлекторный (internal deflector) и торцевой (end cap). Тип рециркуляции определяет максимально допустимую скорость вращения винта ШВП.

Принцип работы шарико-винтовой передачи

При вращении винта ШВП шарики, расположенные в канавке между винтом и гайкой, начинают катиться, передавая осевое усилие на гайку ШВП. Дойдя до конца рабочей зоны, шарики попадают в канал возврата и перемещаются обратно в начало, образуя замкнутый контур циркуляции. За один оборот винта ШВП гайка перемещается на величину, равную шагу резьбы ШВП (или ходу при многозаходной резьбе).

Резьба ШВП: что это такое и чем отличается от обычной резьбы

Резьба ШВП — это специальная винтовая канавка на поверхности винта шарико-винтовой передачи, предназначенная для размещения и качения шариков. В отличие от метрической или трапецеидальной резьбы, резьба винта ШВП имеет полукруглый профиль (профиль готической арки), оптимизированный для контакта со сферическими телами качения.

Отличия резьбы ШВП от обычной резьбы

Профиль резьбы. Обычная метрическая резьба имеет треугольный профиль с углом 60°, трапецеидальная — трапецеидальный с углом 30°. Резьба винта ШВП имеет профиль готической арки — два радиуса, образующих желобообразную канавку. Такой профиль обеспечивает точечный контакт шарика с поверхностью канавки под углом 45° к оси винта ШВП.

Точность изготовления. Допуски на обычную резьбу измеряются десятыми долями миллиметра (классы точности 6g, 6H). Резьба шлифованного винта ШВП изготавливается с точностью до единиц микрометров: погрешность шага резьбы ШВП класса C3 составляет ±8 мкм на 300 мм длины.

Твёрдость поверхности. Обычная резьба на конструкционных сталях имеет твёрдость HRC 20–35. Резьба винта ШВП закаливается до HRC 58–62 для обеспечения контактной выносливости при качении шариков под нагрузкой.

Назначение. Обычная резьба предназначена для создания разъёмных соединений или передачи усилий с низким КПД. Резьба ШВП — для высокоэффективного преобразования вращения в линейное перемещение с минимальными потерями на трение.

Профиль готической арки в резьбе ШВП

Профиль резьбы винта ШВП и гайки ШВП представляет собой готическую арку (Gothic arch) — две дуги окружностей с центрами, смещёнными относительно оси канавки. При контакте шарика с такой канавкой образуются четыре точки контакта: две на канавке винта ШВП и две на канавке гайки ШВП. Это обеспечивает:

• Высокую жёсткость — нагрузка распределяется на четыре точки контакта
• Возможность преднатяга — при установке шариков увеличенного диаметра создаётся предварительное напряжение
• Самоцентрирование — шарик автоматически занимает оптимальное положение в канавке

Угол контакта резьбы ШВП — угол между линией контакта шарика и осью винта. Стандартное значение — 45°. Увеличение угла контакта повышает осевую грузоподъёмность гайки ШВП, уменьшение — радиальную жёсткость.

Коэффициент конформности — отношение радиуса канавки резьбы ШВП к диаметру шарика. Типичное значение 0.52–0.54. Меньшая конформность увеличивает жёсткость, но повышает контактные напряжения и снижает ресурс.

Методы изготовления резьбы винта ШВП

Шлифование (Ground Ball Screw) — резьба винта ШВП формируется на специальных резьбошлифовальных станках абразивным кругом. Обеспечивает высшие классы точности C0–C5. Шлифованные винты ШВП применяются в станках с ЧПУ, измерительном оборудовании, полупроводниковой промышленности.

Накатка (Rolled Ball Screw) — резьба винта ШВП формируется пластической деформацией металла накатными роликами. Производительный и экономичный метод, обеспечивающий классы точности C7–C10. Катаные винты ШВП используются в 3D-принтерах, деревообрабатывающих станках, упаковочном оборудовании.

Вихревое нарезание (Whirling) — промежуточный метод, при котором резьба ШВП нарезается вращающимися резцами. Позволяет получить точность C5–C7 при высокой производительности.

Шаг винта ШВП: определение, влияние на характеристики

Шаг винта ШВП (Lead, Ph) — линейное перемещение гайки ШВП за один полный оборот винта. Шаг резьбы ШВП является ключевым параметром, определяющим скорость подачи, крутящий момент привода и точность позиционирования. Не следует путать шаг (Lead) с шагом витка (Pitch) — расстоянием между соседними витками резьбы.

Шаг и шаг витка: в чём разница

Шаг витка (Pitch, P) — расстояние между соседними витками резьбы ШВП, измеренное вдоль оси винта. Для однозаходной резьбы шаг витка равен шагу (Lead = Pitch).

Шаг (Lead, Ph) — перемещение гайки ШВП за один оборот винта. Для многозаходной резьбы шаг равен произведению шага витка на число заходов: Lead = Pitch × число заходов.

Пример: Винт ШВП с обозначением 2020 имеет диаметр 20 мм и шаг 20 мм. При однозаходной резьбе шаг витка также равен 20 мм. Однако шаг 20 мм при диаметре 20 мм физически невозможен для однозаходной резьбы (угол подъёма был бы слишком большим), поэтому используется 4-заходная резьба: шаг витка 5 мм × 4 захода = шаг 20 мм.

Стандартные шаги резьбы ШВП

Шаги винтов ШВП стандартизированы по ISO, JIS и DIN. Наиболее распространённые значения шага резьбы ШВП:

• Малые шаги (1–5 мм) — для прецизионного позиционирования, высокого механического преимущества
• Средние шаги (5–10 мм) — универсальные, баланс скорости и усилия
• Большие шаги (10–40 мм) — для высокоскоростной подачи, часто многозаходные

Влияние шага винта ШВП на характеристики

Скорость линейного перемещения:

При частоте вращения 3000 об/мин: винт ШВП с шагом 5 мм обеспечит скорость 15 м/мин, с шагом 20 мм — 60 м/мин.

Крутящий момент привода:

При одинаковой нагрузке винт ШВП с большим шагом требует большего момента привода. Шаг 5 мм требует момента в 4 раза меньше, чем шаг 20 мм.

Разрешение позиционирования:

При энкодере 10000 импульсов/оборот: шаг 5 мм даёт разрешение 0.5 мкм, шаг 20 мм — 2 мкм.

Осевая жёсткость: При прочих равных условиях винт ШВП с меньшим шагом имеет большую осевую жёсткость за счёт большего числа витков резьбы в контакте с шариками.

Выбор шага винта ШВП для станка с ЧПУ

При выборе шага резьбы ШВП для станка с ЧПУ необходимо учитывать:

• Требуемая скорость быстрых перемещений — определяет минимальный шаг при заданной максимальной частоте вращения двигателя
• Усилие резания — определяет требуемый момент двигателя, который зависит от шага
• Разрешение системы ЧПУ — шаг должен обеспечивать требуемую дискретность перемещения
• Критическая скорость винта ШВП — большой шаг позволяет достичь высокой линейной скорости при меньших оборотах, что важно для длинных винтов

Диаметры винтов ШВП: стандартные типоразмеры и выбор

Диаметр винта ШВП — номинальный наружный диаметр резьбовой части винта шарико-винтовой передачи. Диаметр винта ШВП определяет грузоподъёмность, жёсткость, критическую скорость и устойчивость к продольному изгибу (buckling). Стандартные диаметры винтов ШВП по ISO: 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 140, 160, 200 мм.

Обозначение типоразмера ШВП

Типоразмер шарико-винтовой передачи обозначается четырёхзначным числом, где первые две цифры — диаметр винта ШВП в миллиметрах, последние две — шаг резьбы в миллиметрах.

Примеры расшифровки обозначений ШВП:

• 1605 — диаметр винта ШВП 16 мм, шаг резьбы 5 мм
• 2010 — диаметр винта ШВП 20 мм, шаг резьбы 10 мм
• 2505 — диаметр винта ШВП 25 мм, шаг резьбы 5 мм
• 3210 — диаметр винта ШВП 32 мм, шаг резьбы 10 мм
• 4020 — диаметр винта ШВП 40 мм, шаг резьбы 20 мм

Влияние диаметра винта ШВП на характеристики

Грузоподъёмность гайки ШВП пропорциональна диаметру винта в степени примерно 1.8. Увеличение диаметра с 16 до 25 мм (в 1.56 раза) повышает динамическую грузоподъёмность Ca примерно в 2.5 раза.

Осевая жёсткость винта ШВП пропорциональна площади поперечного сечения, то есть квадрату диаметра. Винт ШВП диаметром 32 мм имеет осевую жёсткость в 4 раза выше, чем винт диаметром 16 мм при одинаковой длине.

Критическая скорость вращения винта ШВП (частота, при которой возникает резонанс) пропорциональна диаметру и обратно пропорциональна квадрату длины. Увеличение диаметра позволяет использовать более длинные винты ШВП без снижения допустимой скорости.

Устойчивость к продольному изгибу (buckling) — критическая сжимающая нагрузка пропорциональна четвёртой степени диаметра винта ШВП. При увеличении диаметра в 2 раза допустимая сжимающая нагрузка возрастает в 16 раз.

Выбор диаметра винта ШВП

При выборе диаметра винта ШВП необходимо проверить следующие критерии:

1. Критерий грузоподъёмности: Динамическая грузоподъёмность Ca гайки ШВП должна обеспечивать требуемый ресурс при заданной осевой нагрузке.

2. Критерий критической скорости: Рабочая частота вращения винта ШВП не должна превышать 80% от критической скорости.

Коэффициенты λ для схем крепления винта ШВП:

• Фиксированный-свободный (Fixed-Free): λ = 1.875
• Опёртый-опёртый (Supported-Supported): λ = 3.142
• Фиксированный-опёртый (Fixed-Supported): λ = 3.927
• Фиксированный-фиксированный (Fixed-Fixed): λ = 4.730

3. Критерий устойчивости (buckling): Сжимающая нагрузка на винт ШВП не должна превышать критическую нагрузку продольного изгиба.

4. Критерий DN-значения: Произведение диаметра винта ШВП (мм) на частоту вращения (об/мин) не должно превышать предельное DN-значение для выбранного типа гайки ШВП.

Шарики для гаек ШВП: размеры, материалы, количество

Шарики для ШВП — прецизионные тела качения, обеспечивающие передачу нагрузки между винтом и гайкой шарико-винтовой передачи. От качества и размеров шариков для гайки ШВП напрямую зависят точность, плавность хода и ресурс всей передачи.

Стандартные диаметры шариков для ШВП

Диаметры шариков для шарико-винтовых передач стандартизированы в дюймовой системе, что связано с историческим развитием подшипниковой промышленности в США и Японии. Основные размеры шариков для ШВП:

• 2.381 мм (3/32") — для миниатюрных ШВП диаметром 4–8 мм
• 3.175 мм (1/8") — для ШВП диаметром 10–16 мм (серии SFU1204, SFU1605)
• 3.969 мм (5/32") — для ШВП диаметром 16–25 мм (серии SFU2005, SFU2505)
• 4.762 мм (3/16") — для ШВП диаметром 25–40 мм (серии SFU3205, SFU4010)
• 5.556 мм (7/32") — для ШВП диаметром 40–50 мм
• 6.35 мм (1/4") — для ШВП диаметром 50–80 мм
• 7.938 мм (5/16") — для тяжёлых ШВП диаметром 63–100 мм
• 9.525 мм (3/8") — для ШВП диаметром 80–120 мм
• 12.7 мм (1/2") — для сверхтяжёлых ШВП диаметром 100–200 мм

Материал и точность шариков для ШВП

Материал: Стандартные шарики для ШВП изготавливаются из подшипниковой стали ШХ15 (GCr15, AISI 52100, SUJ2). Твёрдость после термообработки — HRC 60–66. Для специальных применений используются:

• Нержавеющая сталь (AISI 440C) — для агрессивных сред, твёрдость HRC 58–60
• Керамика (Si₃N₄) — для высокоскоростных применений, низкая плотность, отсутствие смазки

Класс точности шариков: Шарики для прецизионных ШВП имеют класс точности G10 или G16 по ISO 3290:

• Класс G10: отклонение диаметра ±0.25 мкм, сферичность 0.25 мкм
• Класс G16: отклонение диаметра ±0.4 мкм, сферичность 0.4 мкм
• Класс G20: отклонение диаметра ±0.5 мкм, сферичность 0.5 мкм

Сколько шариков в гайке ШВП

Количество шариков в гайке ШВП зависит от диаметра винта, диаметра шариков, числа рабочих витков и количества контуров циркуляции. Для типовых серий:

• SFU1605 (диаметр 16 мм, шаг 5 мм): около 40–50 шариков диаметром 3.175 мм
• SFU2005 (диаметр 20 мм, шаг 5 мм): около 50–60 шариков диаметром 3.175 мм
• SFU2505 (диаметр 25 мм, шаг 5 мм): около 60–70 шариков диаметром 3.969 мм
• SFU3210 (диаметр 32 мм, шаг 10 мм): около 50–60 шариков диаметром 4.762 мм

Число рабочих витков (число витков резьбы, по которым катятся шарики) обозначается в маркировке гайки ШВП. Обозначение 2.5×3 означает 2.5 витка в каждом из 3 контуров циркуляции. Увеличение числа витков повышает грузоподъёмность гайки ШВП, но увеличивает её длину и массу.

Как узнать размер шариков в гайке ШВП

Размер шариков для конкретной гайки ШВП указывается в каталоге производителя. В маркировке Bosch Rexroth диаметр шариков указан явно: FEM-E-C 25×10R×3-4 — диаметр шарика 3 мм. Для серий HIWIN и THK диаметр шариков определяется по таблицам соответствия типоразмеров.

Если маркировка утрачена, диаметр шариков для ШВП можно измерить микрометром с точностью 0.01 мм и подобрать ближайший стандартный размер. При замене шариков для гайки ШВП критически важно использовать шарики того же диаметра и класса точности — отклонение даже на несколько микрометров нарушит работу передачи.

Серии гаек ШВП HIWIN: SFU, DFU, FSI, FSC — расшифровка и выбор

HIWIN Technologies (Тайвань) — один из крупнейших мировых производителей шарико-винтовых передач. Компания предлагает широкий ассортимент гаек ШВП для различных применений: от экономичных катаных серий до высокоскоростных прецизионных решений.

Серия SFU — универсальная одинарная гайка ШВП

SFU (Single Flange Universal) — наиболее распространённая серия гаек ШВП HIWIN. Одинарная фланцевая гайка с наружным трубчатым возвратом шариков. Серия SFU выпускается в катаном (Rolled) и шлифованном (Ground) исполнении. Для крепления гайки SFU к каретке станка используются держатели для гаек ШВП.

Характеристики гаек ШВП HIWIN серии SFU:

• Диаметры винтов ШВП: 12–80 мм
• Шаги резьбы ШВП: 4–20 мм
• Классы точности: C7, C10 (катаные), C3, C5 (шлифованные)
• DN-значение: до 70 000
• Преднатяг: нет (стандартно), опционально oversized balls

Применение: станки с ЧПУ начального уровня, 3D-принтеры, лазерные граверы, автоматизация, роботы.

Серия DFU — двойная гайка ШВП с устранением люфта

DFU (Double Flange Universal) — двойная гайка ШВП HIWIN для применений, требующих нулевого осевого люфта. Состоит из двух гаек с регулируемой прокладкой (spacer) между ними.

Преимущества двойной гайки ШВП DFU:

• Регулируемый преднатяг — можно настроить величину преднатяга изменением толщины прокладки
• Компенсация износа — при износе шариков преднатяг можно восстановить
• Высокая жёсткость — вдвое больше контактных точек по сравнению с одинарной гайкой

Применение: прецизионные станки с ЧПУ, координатно-измерительные машины, системы позиционирования.

Серия FSI — компактная гайка ШВП с внутренним дефлектором

FSI (Flange Single Internal) — гайка ШВП HIWIN с внутренней дефлекторной системой возврата шариков. Шарики перенаправляются дефлекторами внутри гайки в соседний виток, что обеспечивает компактные размеры.

Характеристики гаек ШВП HIWIN серии FSI:

• Диаметр гайки ШВП на 15–20% меньше, чем у серии SFU
• DN-значение: до 100 000
• Пониженный уровень шума
• Встроенный преднатяг методом offset lead

Применение: ограниченное монтажное пространство, роботы, медицинское оборудование.

Серия FSC (Super S) — высокоскоростная гайка ШВП

FSC (Flange Single Cassette, Super S) — высокоскоростная серия гаек ШВП HIWIN с кассетной (торцевой) системой рециркуляции. Патентованная конструкция возврата шариков поглощает ударные нагрузки и снижает уровень шума на 30%.

Характеристики гаек ШВП HIWIN серии FSC:

• DN-значение: до 160 000
• Диаметр гайки ШВП на 18–32% меньше стандартного
• Уровень шума снижен на 30%
• Увеличенная прочность системы возврата

Применение: высокоскоростные обрабатывающие центры, полупроводниковое оборудование.

Серия FST (Super T) — сверхскоростная гайка ШВП

FST (Flange Single Tangent, Super T) — серия гаек ШВП HIWIN с тангенциальной траекторией возврата шариков. Шарики выходят из рабочей зоны по касательной к окружности качения, что минимизирует ударные нагрузки при входе в канал возврата.

Характеристики гаек ШВП HIWIN серии FST:

• DN-значение: до 220 000 — максимальное среди всех серий
• Диаметр гайки ШВП на 15–30% меньше стандартного
• Минимальные вибрации при высоких скоростях
• Плавное вращение без рывков

Применение: сверхскоростные станки, линейные моторы с ШВП, полупроводниковая промышленность.

Расшифровка маркировки гаек ШВП HIWIN

Пример: R25-10K4-FSC-C3-0.05

• R — тип винта ШВП (R = Ground шлифованный, без буквы = Rolled катаный)
• 25 — номинальный диаметр винта ШВП (мм)
• 10 — шаг резьбы ШВП (мм)
• K4 — количество контуров рециркуляции (K4 = 4 контура)
• FSC — серия гайки ШВП
• C3 — класс точности ШВП
• 0.05 — величина преднатяга (доля от динамической грузоподъёмности)

Пример для катаной серии: SFU1605-4

• SFU — серия (Single Flange Universal)
• 16 — диаметр винта ШВП (мм)
• 05 — шаг резьбы ШВП (мм)
• -4 — тип обработки концов винта ШВП

Серии гаек ШВП THK: BNK, BIF, DIK, SBN — характеристики и выбор

THK Co., Ltd. (Япония) — пионер в разработке шарико-винтовых передач, основанный в 1971 году. Компания известна инновационными решениями, включая технологию Caged Ball с сепаратором между шариками.

Серия BNK — прецизионная гайка ШВП с обработанными концами

BNK — стандартная прецизионная серия гаек ШВП THK с готовыми к установке концами винта. Винт ШВП серии BNK поставляется с обработанными шейками для установки опорных подшипников и соединения с приводом.

Характеристики гаек ШВП THK серии BNK:

• Диаметры винтов ШВП: 4–32 мм
• Классы точности: C3, C5, C7
• Стандартные опоры ШВП (Support Unit) EK/EF, BK/BF входят в комплект поставки
• Компактная конструкция

Применение: компактные станки, автоматизированные системы, медицинское оборудование.

Серия BIF — гайка ШВП с встроенным преднатягом

BIF — серия гаек ШВП THK со встроенным преднатягом методом offset lead (смещённый шаг). В середине гайки ШВП шаг резьбы немного изменён, что создаёт предварительное напряжение без использования увеличенных шариков или двойной гайки.

Преимущества гаек ШВП THK серии BIF:

• Компактнее двойной гайки при аналогичной жёсткости
• Стабильный преднатяг, не требующий регулировки
• Дефлекторная система возврата — низкий шум

Применение: прецизионные станки с ЧПУ, измерительное оборудование.

Серия DIK — компактная дефлекторная гайка ШВП

DIK (Deflector Internal Kompakt) — компактная серия гаек ШВП THK с внутренним дефлекторным возвратом шариков. Сочетает преимущества дефлекторной конструкции и встроенного преднатяга offset.

Характеристики гаек ШВП THK серии DIK:

• Минимальный наружный диаметр гайки ШВП среди аналогов
• DN-значение: до 100 000
• Пониженный уровень шума
• Идеально для высокоскоростной подачи

Серия SBN-V — гайка ШВП с технологией Caged Ball

SBN-V — инновационная серия гаек ШВП THK с сепаратором между шариками (Caged Ball Technology). Сепаратор исключает контакт шариков друг с другом, устраняя трение шарика о шарик.

Преимущества технологии Caged Ball в гайках ШВП:

• Увеличенный ресурс — в 1.5–2 раза больше за счёт снижения износа
• Сниженный шум — на 30% тише стандартных гаек ШВП
• Улучшенное удержание смазки — длительные интервалы обслуживания
• Равномерное распределение нагрузки — между всеми шариками
• DN-значение: до 160 000

Применение: станки с ЧПУ, требующие минимального обслуживания, чистые помещения, медицинское оборудование.

Серия SBK — высокоскоростная гайка ШВП с большим шагом

SBK — серия гаек ШВП THK для сверхскоростных применений. Сочетает технологию Caged Ball с торцевой системой возврата и большим шагом резьбы.

Характеристики гаек ШВП THK серии SBK:

• DN-значение: до 210 000
• Большие шаги резьбы ШВП: 20–50 мм
• Линейная скорость до 120 м/мин

Расшифровка маркировки гаек ШВП THK

Пример: DIK2005-6RRG0+500LC5A

• DIK — серия гайки ШВП
• 20 — диаметр винта ШВП (мм)
• 05 — шаг резьбы ШВП (мм)
• -6 — количество нагруженных витков
• RR — лабиринтное уплотнение с обоих концов гайки ШВП
• G0 — класс зазора (G0 = с преднатягом)
• +500 — общая длина винта ШВП (мм)
• L — левая резьба ШВП (без буквы = правая)
• C5 — класс точности ШВП
• A — стандартное исполнение

Серии гаек ШВП Bosch Rexroth и NSK: особенности и применение

Гайки ШВП Bosch Rexroth

Bosch Rexroth (Германия) — производитель прецизионных шарико-винтовых передач по стандартам DIN 69051. Компания предлагает модульную систему обозначений с чётким разделением по типу монтажа и применению.

Серия FEM-E-B/C — стандартная фланцевая гайка ШВП

FEM-E-B и FEM-E-C — одинарные фланцевые гайки ШВП Bosch Rexroth. Серия FEM-E-C соответствует DIN 69051-5 (фланец типа C), FEM-E-B — обновлённая версия с фланцем типа B.

Характеристики:

• Диаметры винтов ШВП: 16–80 мм (стандартная серия), 6–12 мм (миниатюрная)
• Классы точности: T3, T5, T7, T9 (соответствуют ISO IT3, IT5, IT7, IT9)
• Классы преднатяга: C0 (зазор), C00 (уменьшенный), C1, C2 (2% Ca), C3 (5% Ca)

Серия SEM-E-S — гайка ШВП с регулируемым преднатягом

SEM-E-S — серия гаек ШВП Bosch Rexroth с возможностью регулировки преднатяга после установки. Преднатяг создаётся специальным механизмом и может быть точно настроен под конкретное применение.

Серия FEP-E-S (Speed) — высокоскоростная гайка ШВП

FEP-E-S — серия гаек ШВП Bosch Rexroth для высокоскоростных применений. Использует 4-заходную резьбу для достижения большого шага при сохранении компактных размеров.

Пример: FEP-E-S 25×64 — диаметр 25 мм, шаг 64 мм (4 захода × 16 мм). Скорость подачи до 240 м/мин при 3750 об/мин.

Расшифровка маркировки гаек ШВП Bosch Rexroth

Пример: FEM-E-C 25×10R×3-4 1 2 T7 R

• FEM-E-C — серия гайки ШВП (фланцевая одинарная, DIN)
• 25 — номинальный диаметр винта ШВП (мм)
• 10R — шаг 10 мм, правая резьба ШВП (L = левая)
• 3 — диаметр шарика (мм)
• 4 — число витков шариков в гайке ШВП
• 1 — тип уплотнения (1 = стандартное)
• 2 — класс преднатяга (2 = 5% Ca)
• T7 — класс точности ШВП
• R — накатанный винт ШВП (G = шлифованный)

Гайки ШВП NSK

NSK Ltd. (Япония) — производитель шарико-винтовых передач с фокусом на тяжелонагруженные применения. Серия HTF разработана специально для инжекционных машин и прессов.

Серия HTF — тяжелонагруженная гайка ШВП

HTF (Heavy Thrust Force) — серия гаек ШВП NSK для экстремальных осевых нагрузок. Максимальная динамическая грузоподъёмность Ca до 2360 кН.

Характеристики гаек ШВП NSK серии HTF:

• Диаметры винтов ШВП: 32–200 мм
• Технология S1™-сепаратор — равномерное распределение нагрузки
• Увеличенная предельная нагрузка на 30% по сравнению со стандартными сериями
• Модификации HTF-SRC (высокоскоростная) и HTF-SRM (термостойкая до 90°C)

Применение: термопластавтоматы, гидравлические прессы, тяжёлые станки.

Серии PSS и USS — компактные гайки ШВП

PSS (Precision Standard) — стандартная прецизионная серия гаек ШВП NSK для компактных приводов. USS (Ultra Clean) — серия для чистых помещений с низкопылящей смазкой и классом точности C3.

Другие производители ШВП

Помимо HIWIN, THK, NSK и Bosch Rexroth, на рынке представлены шарико-винтовые передачи других производителей:

• PMI (Precision Motion Industries, Тайвань) — экономичные ШВП для станков и автоматизации
• TBI Motion (Тайвань) — катаные и шлифованные ШВП для промышленного оборудования
• KSS (Тайвань) — компактные миниатюрные ШВП для медицинского и оптического оборудования

При выборе производителя учитывайте требуемый класс точности, условия эксплуатации, доступность сервиса и запасных частей в вашем регионе.

Классы точности ШВП: C0, C1, C3, C5, C7, C10 — расшифровка и выбор

Класс точности ШВП — показатель, характеризующий отклонение фактического перемещения гайки шарико-винтовой передачи от номинального. Классы точности ШВП стандартизированы по JIS B 1192 (Япония) и ISO 3408 (международный). Чем меньше номер класса, тем выше точность: C0 — наивысшая точность, C10 — наименьшая.

Параметры точности шарико-винтовой передачи

Накопленная погрешность шага (e300, ep) — максимальное отклонение фактического перемещения гайки ШВП от номинального на любом участке длиной 300 мм. Это основной параметр точности позиционирования.

Вариация на оборот (e2π, v2π) — максимальное отклонение перемещения гайки ШВП за один полный оборот винта от номинального шага. Характеризует повторяемость позиционирования на коротких перемещениях.

Общая накопленная погрешность (E, V) — отклонение на всей полезной длине винта ШВП. Зависит от длины винта и класса точности.

Допуски классов точности ШВП по JIS B 1192

Позиционирующие классы (Positioning, C-series):

• Класс C0: e300 = ±3.5 мкм, e2π = 2.5 мкм — полупроводниковое оборудование
• Класс C1: e300 = ±5 мкм, e2π = 4 мкм — координатно-измерительные машины
• Класс C2: e300 = ±7 мкм, e2π = 5 мкм — прецизионные шлифовальные станки
• Класс C3: e300 = ±8 мкм, e2π = 6 мкм — прецизионные станки с ЧПУ
• Класс C5: e300 = ±18 мкм, e2π = 8 мкм — стандартные станки с ЧПУ

Транспортные классы (Transport, Ct-series):

• Класс C7 (Ct7): e300 = ±50 мкм — деревообработка, упаковочное оборудование
• Класс C10 (Ct10): e300 = ±210 мкм — транспортные системы, подъёмники

Соответствие классов точности JIS и ISO/DIN

Стандарты JIS B 1192 и ISO 3408 в целом гармонизированы, но имеют различия в обозначениях:

• JIS C3 ≈ ISO P3 / DIN IT3
• JIS C5 ≈ ISO P5 / DIN IT5
• JIS C7 ≈ ISO T7 / DIN IT7
• JIS C10 ≈ ISO T10 / DIN IT10

Bosch Rexroth использует обозначения T3, T5, T7, T9 (близкие к ISO). HIWIN и THK используют обозначения C0–C10 (JIS).

Выбор класса точности ШВП

При выборе класса точности шарико-винтовой передачи необходимо учитывать:

1. Требуемая точность позиционирования системы. Точность ШВП должна быть в 2–3 раза выше требуемой точности станка, так как погрешность системы складывается из нескольких источников (ШВП, направляющие, привод, система ЧПУ).

2. Длина винта ШВП. Общая накопленная погрешность растёт с длиной. Для длинных винтов ШВП может потребоваться более высокий класс точности.

3. Метод компенсации погрешности. Современные системы ЧПУ позволяют вводить компенсацию погрешности шага ШВП (pitch error compensation), что снижает требования к классу точности.

4. Экономическая целесообразность. Стоимость шлифованного винта ШВП класса C3 в 3–5 раз выше катаного класса C7. Для многих применений достаточно класса C5 или C7 с программной компенсацией.

Преднатяг гайки ШВП: методы, классы, регулировка

Преднатяг гайки ШВП (Preload) — предварительное осевое усилие, создаваемое в шарико-винтовой передаче для устранения осевого зазора (люфта) и повышения жёсткости. Преднатяг обеспечивает нулевой мёртвый ход при реверсе и улучшает точность позиционирования.

Зачем нужен преднатяг гайки ШВП

В гайке ШВП без преднатяга существует осевой зазор (люфт) между шариками и канавками винта/гайки. При изменении направления нагрузки гайка ШВП перемещается на величину зазора без вращения винта — это называется мёртвый ход (backlash). Преднатяг устраняет зазор, создавая постоянный контакт шариков с обеими сторонами канавки.

Преимущества преднатянутой гайки ШВП:

• Нулевой осевой люфт — точное позиционирование при реверсе
• Повышенная осевая жёсткость — в 2 раза выше, чем без преднатяга
• Улучшенная повторяемость позиционирования
• Снижение вибраций при резании

Недостатки преднатяга:

• Сокращение ресурса гайки ШВП — преднатяг эквивалентен дополнительной нагрузке
• Повышенный момент холостого хода — требуется более мощный привод
• Увеличенное тепловыделение — нагрев при высоких скоростях

Методы создания преднатяга гайки ШВП

1. Увеличенные шарики (Oversized Balls)

Шарики диаметром на 2–10 мкм больше номинального устанавливаются в гайку ШВП, создавая натяг в канавках. Метод обеспечивает компактную конструкцию, но преднатяг нельзя регулировать после сборки.

2. Двойная гайка с прокладкой (Double Nut with Spacer)

Две гайки ШВП установлены на одном винте с прокладкой (спейсером) между ними. Толщина прокладки определяет величину преднатяга. Позволяет регулировать преднатяг и компенсировать износ, но увеличивает длину узла.

3. Смещённый шаг (Offset Lead)

В середине гайки ШВП шаг резьбы незначительно изменён, что создаёт внутренний натяг между двумя половинами гайки. Компактная конструкция, стабильный преднатяг, но нет возможности регулировки.

4. Пружинный преднатяг (Spring Preload)

Между двумя гайками ШВП установлена пружина, создающая постоянное усилие. Автоматически компенсирует износ, но имеет ограниченную жёсткость.

Классы преднатяга гайки ШВП

Величина преднатяга выражается как процент от базовой динамической грузоподъёмности Ca гайки ШВП:

• Лёгкий преднатяг (2–3% Ca): минимальный люфт, умеренная жёсткость, максимальный ресурс
• Средний преднатяг (5% Ca): баланс жёсткости и ресурса, рекомендуется для большинства станков с ЧПУ
• Тяжёлый преднатяг (8–10% Ca): максимальная жёсткость, сокращённый ресурс, для тяжёлого резания

Регулировка преднатяга гайки ШВП

Регулировка преднатяга возможна только для гаек ШВП с двойной конструкцией или специальным механизмом (серии DFU HIWIN, BNFN THK, SEM-E-S Rexroth).

Порядок регулировки преднатяга двойной гайки ШВП:

1. Измерьте текущий осевой люфт индикатором часового типа
2. Ослабьте крепление гайки ШВП к каретке
3. Замените прокладку (спейсер) на более толстую для увеличения преднатяга или более тонкую для уменьшения
4. Затяните крепление и проверьте момент холостого хода
5. Убедитесь в отсутствии люфта и плавности вращения

Грузоподъёмность ШВП и расчёт ресурса L10

Грузоподъёмность шарико-винтовой передачи — максимальная осевая нагрузка, которую может воспринимать гайка ШВП при заданных условиях. Различают динамическую и статическую грузоподъёмность.

Динамическая грузоподъёмность Ca

Базовая динамическая грузоподъёмность (Ca) — постоянная осевая нагрузка, при которой 90% группы идентичных шарико-винтовых передач достигают ресурса 10⁶ оборотов (1 миллион оборотов) без признаков усталостного разрушения дорожек качения.

Значение Ca указывается в каталоге производителя для каждого типоразмера гайки ШВП. Ca зависит от диаметра винта ШВП, диаметра и количества шариков, числа рабочих витков, профиля канавки.

Статическая грузоподъёмность C0a

Базовая статическая грузоподъёмность (C0a) — осевая нагрузка, при которой суммарная остаточная деформация шарика и дорожки качения в точке максимального напряжения составляет 0.0001 диаметра шарика (0.01%).

C0a используется для проверки гайки ШВП при статических нагрузках, ударах, при скорости вращения менее 10 об/мин.

Формула расчёта номинального ресурса L10

Номинальный ресурс L10 — число оборотов винта ШВП, которое выдержит 90% группы идентичных передач без усталостного разрушения.

Ресурс в километрах пробега:

Ресурс в часах работы:

Пример расчёта ресурса гайки ШВП

Исходные данные:

• Гайка ШВП HIWIN SFU2505: Ca = 37 600 Н
• Осевая нагрузка: Fa = 5 000 Н
• Шаг резьбы ШВП: Ph = 5 мм
• Средняя частота вращения: nm = 1 000 об/мин

Расчёт:

Коэффициенты модификации ресурса

Коэффициент надёжности: Для расчёта ресурса с надёжностью выше 90%:

• Надёжность 95% (L5): умножить L10 на 0.62
• Надёжность 99% (L1): умножить L10 на 0.21

Коэффициент динамической нагрузки fw: Учитывает удары и вибрации:

• Плавное движение: fw = 1.0–1.2
• Нормальные условия: fw = 1.2–1.5
• Удары и вибрации: fw = 1.5–2.5

Расчётная нагрузка: Fa-расч = fw × Fa

Учёт преднатяга в расчёте ресурса

При наличии преднатяга эффективная нагрузка на гайку ШВП увеличивается:

При рабочей нагрузке Fa ≥ 2.8 × Fpr влиянием преднатяга на ресурс можно пренебречь.

Маркировка ШВП: расшифровка обозначений производителей

Маркировка шарико-винтовых передач содержит всю необходимую информацию о типоразмере, серии, точности и особенностях конструкции. Понимание системы маркировки ШВП позволяет правильно подобрать замену и заказать комплектующие.

Структура маркировки гаек ШВП HIWIN

Катаные серии (пример: SFU1605-4):

• SFU — серия гайки ШВП
• 16 — диаметр винта ШВП (мм)
• 05 — шаг резьбы ШВП (мм)
• -4 — тип обработки концов (1–6)

Шлифованные серии (пример: R32-10T4-FSI-C5-0.03):

• R — шлифованный винт ШВП (Ground)
• 32 — диаметр (мм)
• 10 — шаг (мм)
• T4 — 4 витка рабочей резьбы
• FSI — серия гайки ШВП
• C5 — класс точности
• 0.03 — преднатяг (3% от Ca)

Структура маркировки гаек ШВП THK

Пример: BIF2510-5G0+800LC3

• BIF — серия гайки ШВП
• 25 — диаметр винта ШВП (мм)
• 10 — шаг резьбы ШВП (мм)
• -5 — число рабочих витков
• G0 — класс зазора (G0 = преднатяг, G1–G3 = зазор)
• +800 — длина винта ШВП (мм)
• L — левая резьба (без буквы = правая)
• C3 — класс точности ШВП

Коды зазора/преднатяга THK:

• G0 — с преднатягом
• GT — уменьшенный зазор (0–0.005 мм)
• G1 — зазор 0–0.01 мм
• G2 — зазор 0–0.02 мм
• G3 — зазор 0–0.05 мм

Структура маркировки гаек ШВП Bosch Rexroth

Пример: FEM-E-C 32×10R×4-5 1 2 T5 G

• FEM-E-C — серия гайки ШВП
• 32 — диаметр винта ШВП (мм)
• 10R — шаг 10 мм, правая резьба (L = левая)
• 4 — диаметр шарика (мм)
• 5 — число витков шариков
• 1 — тип уплотнения
• 2 — класс преднатяга (0 = зазор, 1 = уменьшенный, 2 = 2%, 3 = 5%)
• T5 — класс точности
• G — шлифованный винт ШВП (R = катаный)

Где найти маркировку на гайке ШВП

Маркировка гайки ШВП обычно нанесена:

• На торцевой поверхности фланца гайки ШВП — гравировка или лазерная маркировка
• На цилиндрической поверхности корпуса гайки ШВП
• На этикетке упаковки
• В паспорте изделия

На винте ШВП маркировка обычно отсутствует. Типоразмер винта ШВП определяется измерением диаметра и шага резьбы.

Критическая скорость и DN-значение винта ШВП

Максимальная рабочая скорость шарико-винтовой передачи ограничена двумя факторами: критической скоростью вращения винта ШВП (резонанс) и DN-значением гайки ШВП (предельная скорость шариков).

Критическая скорость вращения винта ШВП

Критическая скорость (Nc) — частота вращения винта ШВП, при которой возникает резонанс (совпадение частоты вращения с собственной частотой изгибных колебаний). Работа на критической скорости приводит к сильным вибрациям, шуму и быстрому износу.

Коэффициенты λ для различных схем крепления:

• Fixed-Free (фиксированный-свободный): λ = 1.875 — один конец жёстко закреплён, второй свободен
• Supported-Supported (опёртый-опёртый): λ = 3.142 — оба конца опёрты на радиальные подшипники
• Fixed-Supported (фиксированный-опёртый): λ = 3.927 — один конец жёстко закреплён, второй опёрт
• Fixed-Fixed (фиксированный-фиксированный): λ = 4.730 — оба конца жёстко закреплены

Рекомендация: Рабочая частота вращения винта ШВП не должна превышать 80% от критической скорости.

Пример расчёта критической скорости

Исходные данные: Винт ШВП диаметром 25 мм (d₁ ≈ 21 мм), длина между опорами 1000 мм, схема Fixed-Supported (λ = 3.927).

Максимальная рабочая скорость: 8775 × 0.8 = 7020 об/мин

DN-значение гайки ШВП

DN-значение — произведение номинального диаметра винта ШВП (мм) на частоту вращения (об/мин). Характеризует окружную скорость шариков и определяет предельную скорость для данного типа гайки ШВП.

Предельные DN-значения для различных конструкций гаек ШВП:

• DN до 70 000: стандартные гайки ШВП с наружным трубчатым возвратом (SFU, DFU, BNF)
• DN до 100 000: гайки ШВП с внутренним дефлектором (FSI, BIF, DIK)
• DN до 130 000: гайки ШВП с технологией Caged Ball (SBN-V)
• DN до 160 000: высокоскоростные гайки ШВП (FSC Super S, HTF-SRC)
• DN до 220 000: сверхскоростные гайки ШВП (FST Super T)

Пример проверки по DN-значению

Задача: Проверить возможность работы гайки ШВП HIWIN SFU2510 на скорости 3000 об/мин.

Расчёт: DN = 25 × 3000 = 75 000

Вывод: DN-значение 75 000 превышает предел 70 000 для серии SFU. Необходимо выбрать серию FSI или FSC с DN до 100 000–160 000, либо снизить скорость вращения до 2800 об/мин (DN = 70 000).

Осевая жёсткость шарико-винтовой передачи

Осевая жёсткость ШВП — отношение осевой нагрузки к осевому смещению гайки относительно винта. Общая жёсткость системы складывается из жёсткости винта, гайки и опорных подшипников.

Жёсткость винта ШВП зависит от площади сечения, длины и схемы крепления:

Для схемы Fixed-Fixed жёсткость винта ШВП в 4 раза выше, чем для Fixed-Free.

Сборка гайки ШВП: как собрать, если рассыпались шарики

Одна из частых проблем при обслуживании шарико-винтовых передач — случайное высыпание шариков из гайки ШВП при снятии её с винта. Ниже приведена методика правильной сборки гайки ШВП.

Почему рассыпаются шарики из гайки ШВП

Шарики в гайке ШВП удерживаются только за счёт контакта с канавкой винта. При снятии гайки ШВП с винта без специальных мер шарики выпадают из рабочей зоны и могут рассыпаться.

Когда возможно высыпание шариков:

• Снятие гайки ШВП с винта без использования технологической втулки
• Повреждение или отсутствие уплотнений гайки ШВП
• Транспортировка гайки ШВП отдельно от винта

Как правильно снимать гайку ШВП с винта

Для безопасного снятия гайки ШВП используется технологическая втулка — пластиковая или металлическая трубка с наружным диаметром, равным диаметру винта ШВП. Втулка устанавливается на конец винта, и гайка ШВП накручивается на неё, сохраняя шарики в рабочем положении.

Сборка гайки ШВП, если рассыпались шарики

Инструменты и материалы:

• Консистентная смазка (литиевая или специальная для ШВП)
• Пинцет или тонкая отвёртка
• Чистая ветошь
• Технологическая втулка или винт ШВП
• Шарики соответствующего диаметра (все одного размера!)

Порядок сборки гайки ШВП:

1. Очистите гайку ШВП и шарики от грязи. Убедитесь, что все шарики целы и имеют одинаковый размер.
2. Нанесите смазку на внутреннюю канавку гайки ШВП. Смазка будет удерживать шарики при сборке.
3. Установите гайку ШВП вертикально или наденьте на технологическую втулку.
4. Вставляйте шарики по одному в канавку гайки ШВП с помощью пинцета. Шарики должны заполнить весь контур циркуляции.
5. Проверьте заполнение: все шарики должны свободно перемещаться по контуру при лёгком проворачивании.
6. Накрутите гайку ШВП на винт медленно и плавно, без перекосов. При правильной сборке гайка должна вращаться легко.

Сколько шариков должно быть в гайке ШВП

Количество шариков зависит от типоразмера и модели гайки ШВП. Ориентировочные значения для распространённых моделей:

• SFU1204: около 30–35 шариков (диаметр зависит от серии — проверьте по каталогу производителя)
• SFU1605: около 40–50 шариков диаметром 3.175 мм (по HIWIN R16-05K4)
• SFU2005: около 50–60 шариков диаметром 3.175 мм
• SFU2505: около 60–70 шариков диаметром 3.175 мм
• SFU3210: около 50–60 шариков диаметром 3.969 мм (по HIWIN R32-10K5)

Точное количество указано в каталоге производителя или может быть определено подсчётом при разборке исправной гайки ШВП аналогичной модели.