Конструкция и назначение шарико-винтовых передач для станков с ЧПУ

• Цена: $ 43.99 за 1 метр (SFU1605-1000)

Обзор на специфический товар: комплекта ШВП типа SFU1605-1000 в качестве элементов передач ЧПУ станка. В обзоре будет краткая информация о том, что такое ШВП и как ее применять Собственно говоря, при попытке рассчитать и построить любительский ЧПУ станок (фрезер) своими силами столкнулся с тем, что у нас либо дорогие комплектующие для станков, либо не совсем то, что нужно. А конкретно, была проблема с приобретением ходового винта или ШВП в качестве элементов передачи по осям станка.Существуют следующие типы передач для ЧПУ:

1. ременные применяются вместе с шестернями в основном для лазеров, так как у лазера легкая «головка»
2. зубчатые. Это прямозубые или косозубые зубчатые рейки и шестерни для перемещения по ним
3. ходовые винты бывают типа Т8 (в основном используются в 3Д принтерах и других малогабаритных станках), типа TRR, например TRR12-3 с POM-гайкой (пластиковой).
4. шарико-винтовые передачи — это винт и гайка к нему. В гайке есть специальные подшипники, которые перемещаются по каналу внутри гайки.

Как правило, выбирают с учетом нагруженности (масса передвигаемого портала/оси) и влиянию люфта. В ШВП люфт меньше за счет подшипников, они считаются точнее и предпочтительнее, но при этом достаточно дороги для самоделок. Цитата с Вики:

Винтовая передача — механическая передача, преобразующая вращательное движение в поступательное, или наоборот. В общем случае она состоит из винта и гайки….

один из основных типов: шариковинтовая передача качения (ШВП).Шарико-винтовая передача (далее ШВП) — это более надежный аналог ходового винта, но вместо латунной гайки (или пластиковой как для винтов типа TRR-12-3, как у меня на старом проекте) предназначена специальная гайка с шариками, которые входят в зацепление с винтом ШВП, выбирают весь люфт и одновременно снижают трение. Для самостоятельной сборки станка ЧПУ или 3Д принтера на ШВП потребуется винт ШВП, гайка к нему, муфта крепления к двигателю и подвесные подшипники. Вот небольшой рендер из интернета. Хорошо видно, как шарики распределены по винту. Аналогично Т8, винт ШВП имеет резьбу в несколько заходов. Для станка ЧПУ нужно было для оси Y два комплекта ШВП на 1000 мм, и для X оси: 600 мм. ШВП получил курьерской почтой. Это не дорогой вариант, учитывая вес посылки (около 8 кг). Упаковка представляет собой длинную узкую коробку, внутри картонной упаковки есть упаковка типа синтетического мешка, очень прочный материал. Аккуратно распаковываем. Внутри всем знакомая bubble-wrap, то есть пупырчатая пленка, которая защищает товар от механических воздействий. Убираем пленку. В посылке было три комплекта ШВП: винт+гайка, разного размера. Два комплекта предназначены для перемещения портала станка по оси Y, третий короткий комплект для оси X. Все комплекты завернуты в ингибиторную зеленую пленку, которая препятствует попаданию влаги. Плюс присутствует изрядное количество смазки на поверхности товара. В этом комплекте я доплачивал за оконцовку одного комплекта на 600 мм (так вышло дешевле). Оконцовку (machined) заказывал отдельно у этого же продавца (у него есть такая услуга в каталоге), стоило по 1 баксу за каждый конец винта. Хороший вариант для тех, кто берет винты в конкретный размер. Вот что представляет собой «оконцовка». Это обтачивание винта 16.05 мм до диаметра 12 мм для установки в подвесной подшипник, далее резьбовая часть для фиксации винта, затем обтачивание до 10мм для зажимания конца в эластичную муфту двигателя Посылка дошла в целости и сохранности, курьерская доставка это не почта России. Прикладывал линейку в разных местах, чтобы найти искривление. Не нашел, ШВП ровные. Остальное покажет установка и использование. Фото резьбовой части винтов Внешний вид комплектов И еще. Гайки пришли уже накрученные на винт… Шарики засыпаны внутри, есть смазка. Просите при заказе запасные шарики, хотя бы несколько. Далее начинаем проверять размеры винтов. Короткий на 600 мм. То есть в эти 600 входит резьбовая часть с обоих сторон. Реальный ход по осям станка получится меньше. Обратите внимание, что в лоте размер указан для винта ШВП вместе с резьбой и обточенными концами, то есть рабочий ход по ШВП будет меньше, чем ее длина! А конкретно на 65 мм меньше. Второй и третий винты ШВП на 1000 мм Диаметры резьбовой части соответственно 1605 посадочные места под подшипники BK12 и BF12 10 и 12 мм соответственно. И с другой стороны под подшипник. Диаметр самой гайки SFU1605 равен 28 мм. Если снять с гайки пластиковую заглушку, то можно обслужить ШВП, смазать или поменять шарики. Проверяю, что все в наличии)))) Собственно говоря, можно снять гайку, протереть ее, заново смазать ее, загрузить шарики обратно. Пластиковая крышка крепится потайным винтом под шестигранник 2.5 (его видно вверху). Для установки ШВП в станок потребуются подвесные подшипники типа BK12+BF12 (прямые) или FK12+FF12 (фланцевые), эластичная муфта 6.35*10mm для подключения к двигателю типа NEMA23 с одной стороны (6.35мм) и к концу ШВП с другой (10 мм). Внешний вид комплекта оси в сборе: подшипники BK12, BF12, стопорное кольцо, гайка для фиксации винта, держатель гайки SFU1605, муфта для двигателя и сам винт с гайкой. Размеры ШВП для тех, кто собирается приобрести или проектирует механику станка И отдельно для SFU1605 Внешний вид гайки SFU1605 Внешний вид подшипников BK12+BF12 (слева) и подшипников с фланцем FK12+FF12 (справа). Отличаются способом установки на раму.

Гайка ШВП крепится через специальный корпус-переходник. Держатель для гайки SFU1605, алюминиевый Для монтажа на одну ось (у меня по две на ось для Y стоит) потребуется:

• 1 x винт SFU1605-1000mm;
• 1 x подшипник BK12;
• 1 х подшипник BF12;
• 1 x муфта двигателя 6.35x10mm
• 1 x стопорное кольцо
• 1 x гайка.

В сборе это выглядит следующим образом: Через отверстия на подшипнике крепим на профиль/раму станка. Для подшипников FK12/FF12 все аналогично, только крепить из надо фланцем к отверстию под ШВП. Смысл не меняется. Теперь немного видео, поясняющего принцип работы ШВП. Обратите внимание на перемещение шариков (по встроенному каналу внутри гайки). А вот так происходит накатка резьбы на винты ШВП Обработка концов винта ШВП (то, что я называл «machined»). У нас за такую операцию просят 600….1000р, в Китае $1. Следующие фотографии дают общее представление о использовании ШВП в конструкции станка ЧПУ. Вот фото самодельного станка, в котором ШВП зафиксированна неподвижно, а вращается гайка с помощью ременного привода и шестерни В итоге, ШВП является более дорогим и надежным вариантом передач для станков, подходит для перемещения тяжелых порталов с высокой точностью. В зависимости от веса и конструкции станка можно применять SFU1205, SFU1605/1610, SFU2005/ 2010 или еще более массивную SFU2505/2510. Надеюсь, информация была полезная для вас. Ссылка на магазин CNA Mechanical Parts Ссылка на более дешевый вариант — ШВП SFU1204 Ссылка на демократичный по стоимости вариант TRR-12-3 с пластиковой гайкойГлавная > Технологии > Шарико-винтовая передача движения

Для передачи усилия и движения могут применяться самые различные шарико-винтовые передачи. Наибольшее распространение получила шарико-винтовая передача. Она обеспечивает линейное передвижение привода, которое преобразует вращение в поступательное движение. Среди особенностей этого процесса можно отметить крайне малое трение, так как оно приводит к износу материала и существенному снижению КПД, нагреву трущихся элементов. Рассмотрим особенности этого процесса подробнее.

Как ранее было отмечено, шарико-винтовая пара применяется для передачи усилия и преобразования вращения в поступательное движение. Устройство характеризуется наличием нескольких элементов:

1. Стержень с винтовыми канавками.
2. Гайка с подходящей резьбой и размером.

Наибольшее распространение получили варианты исполнения, характеризующиеся резьбой с полукруглым профилем. Шариковые винтовые пары довольно просты в исполнении, что определяет их надежность и длительный срок эксплуатации.

Устройство шарико-винтовой передачи

Винтовая пара характеризуется довольно простой конструкцией, которая работает следующим образом

1. На момент вращения гайки шарики перекатываются по созданным каналам.
2. Шарики способны поступательно перемещать гайку, выталкивая из резьбы. При этом есть перепускной канал, за счет которого происходит возращение шариков в исходное положение.
3. Перемещение шарика происходит по замкнутому контуру, который находится внутри гайки.
4. Наибольшее распространение получили варианты исполнения шарико винтовые передач, в которых канал возврата соединяется два соседних витка.

Встречаются самые различные варианты исполнения рассматриваемой конструкции. Они выбираются в зависимости от условий эксплуатации и предназначения. Примером можно назвать то, что в станкостроительстве используется шариковая винтовая передача с трехконтурной гайкой. Для этого создается специальный вкладыш, для которого создается окно овальной формы. Для снижения трения и повышения показателя КПД применяются сразу три вкладыша, размещаемые под углом 120 градусов относительно друг друга.

Схема ШВП

Современные станки и иное оборудование характеризуется высокой производительностью и универсальностью в применении. Как правило, усилие создается двигателем, который совершает вращательное движение. Для того чтобы преобразовать вращение в возвратно поступательное движение применяется винтовая передача. Обычное сочетание винта и гайки характеризуется менее высоким КПД, чем новые скоростные конструкции.

Быстроходная шариковая винтовая передача характеризуется следующими особенностями:

1. При изготовлении применяется материал, который характеризуется высокой износостойкостью. Слишком сильный износ приводит к потери точности.
2. Специальная шарико винтовая передача обеспечивает быстрое перемещение гайки.

Чаще всего скоростные ШВП устанавливаются на станки с ЧПУ. За счет их применения обеспечивается быстрое перемещение исполнительных органов.

При изготовлении шарико винтовой передачи могут применяться самые различные технологии. В зависимости от их особенностей выделяют следующие виды конструкций:

1. 1. Катанные получаются при применении метода холодной катки. Как правило, подобная технология характеризуется меньшими затратами при ее применении. За счет этого соотношение цены и качества максимально высокое, то точность получаемых изделий низкая.
   2. Шлифованные – прецизионные изделия, которые после нарезания резьбы и закалки подвергаются шлифованию. За счет этого обеспечивается высокая степень гладкости. Большинство изделий из этой группы характеризуется повышенной точностью. Однако, процесс закалки и шлифования определяет существенное повышение стоимости изделия.

Виды шарико-винтовой передачи

1. Провести классификацию также можно по конструктивным особенностям:

1. При изготовлении стандартной шарико винтовой пары применяются стандарты DIN.
2. Прецизионные получают путем применения технологии шлифования. Конструкция может состоять из одной или двух гаек, которые предварительно натягивают.
3. Есть варианты исполнения, полученные шлифованием, с сепаратором. Подобная конструкция характеризуется наличием конструкции, за счет которой обеспечивается возврат шариков в начальное положение.
4. Шарико винтовая передача с вращающейся гайкой имеет встроенный подшипник, который обеспечивает точное перемещение подвижного элемента.
5. В рассматриваемую категорию также включается шлицевой вал с втулками шарикового типа. Подобная шарико винтовая конструкция характеризуется компактностью и простотой монтажа.
6. Вариант исполнения консольного типа. Применяется в случае, когда требуется компактная передача.

Подобная классификация учитывается при выборе требуемой конструкции.

При выборе шарико-винтовой передачи учитываются ее основные характеристики. Как правило, они следующие:

1. Протяженность стержня. Характеристики ШВП для оборудования с ЧПУ характеризуются максимальной длиной около 2-х метров. Это связано с тем, что слишком длинное изделие может деформироваться при точечном воздействии.
2. Линейное скоростное передвижение – основной показатель, который стоит учитывать.
3. Диаметр и шаг винта также можно назвать важными показателями. Именно они определяют то, какая нагрузка может оказываться.
4. Точность изделия, которая варьирует в пределе от С1 до С10.

Технические характеристики ШВП

Можно встретить также табличную информацию, которая применяется для определения основных характеристик.

Выбор ШВП можно провести в процессе разбора конструкции и эскизного проектирования. Перед установкой винтореечной шариковой передачи проводится расчет:

1. Величины хода стола.
2. Необходимое усилие, которое должно быть на винте.
3. Выбирается наиболее подходящая длина винта.
4. Точность определяет, нужно ли проводить установку шарико винтовой передачи, полученного путем шлифования или холодного проката.
5. Определяются конструктивные особенности гайки: возврат шариков в исходное положение, нужен ли подшипник, какой должна быть гайка. Примером можно назвать то, что конструкция с одинарной гайкой обходится намного дешевле, но вариант исполнения с двойной более износостойкий.
6. Уточняется, должен ли надежно фиксироваться свободный конец.
7. Определяется то, как шарико винтовая передача соединяется с корпусом.

Шарико-винтовая передача перед установкой

После выбора подходящего варианта исполнения шарико-винтовой передачи проводится ее установка. Крепление может проводится при применении винтов и заклепок или путем сварки.

Основные характеристики определяют широкое распространение ШВП. Примером можно различные узлы автомобилей и станки. Более наглядным применением ШВП можно назвать нижеприведенные случаи:

1. Изготовление привода станков ЧПУ. Современные варианты исполнения обладают несколькими линейными приводами. Примером можно назвать случай, когда станок Tornos имеет 14 управляемых осей.
2. КАМАЗ и некоторые другие автопроизводители применяют подобную рейку при изготовлении рулевого механизма. За счет этого упрощается процесс изменения положения тяжелых колес, которые отягощены грязью.
3. При производстве принтера и другого типографического оборудования устанавливается подобная рейка.

Шарико-винтовая передача на станке с ЧПУ

Как ранее было отмечено, в качестве основного источника усилия устанавливается двигатель. Вращение преобразуется рейкой в возвратно-поступательное движение, которое весьма распространено.

Преимуществ у ШВП довольно много. Подобная конструкция характеризуется следующими достоинствами:

1. Низкий коэффициент трения, который достигается за счет применения шариков.
2. Более высокое значение КПД. Если сравнивать другие аналоги, которые могут передавать поступательное движение, то они существенно уступают. У многих вариантов исполнения ШВП имеет показатель КПД на уровне 90%.
3. Скольжение отсутствует по причине применения канавок с шариками. За счет этого также существенно повышается длительность эксплуатации.
4. Простота обслуживания и ремонта. При необходимости можно быстро добавить масло в зону хода винта. Смазывающее вещество равномерно распределяется по поверхности, за счет чего повышается эксплуатационный срок.
5. Высокая скорость перемещения, которую можно достигнуть за счет использования специальных вариантов исполнения ШВП.
6. Сниженное требование к приводу по показателю мощности. Это связано с низким сопротивлением хода винта.

Однако есть и несколько существенных недостатков, которые должны учитываться при выборе привода. Примером можно назвать высокую вероятность обратного хода при установке винта под большим углом или вертикально. Этот недостаток связан с тем, что трение минимальное.

Рассматриваемую шарико-винтовую передачу не рекомендуется использовать при создании ручных подач. Кроме этого, негативным фактором можно назвать высокую стоимость изделия, так как оно состоит из нескольких точных элементов. Для обеспечения низкой степени износа поверхность подвергается закалке, за счет чего стоимость изделия также повышается.

Винтовая передача относится к разряду механических. Основное предназначение этой операции — преобразование вращательного движения в поступательное или наоборот. Данный вид передачи состоит всего из двух элементов — винта и гайки.

Описание устройства

Как уже было сказано, механизм винтовой передачи применяется для преобразования движения. Наиболее распространенными примерами использования данной системы стали такие приспособления, как домкраты, прессы, металлорежущие станки, прокатные станы, грузоподъемное оборудование и т. д. Также стоит отметить, что все это примеры преобразования вращательного движения в поступательное. Но для обратной процедуры это приспособление используется очень редко. К примеру, механизм перемещения пленки фотоаппарата работает по обратному принципу преобразования движения.

Существует несколько преимуществ этой системы: бесшумная работа, плавное зацепление, простота конструкции, возможность получения большой силы.

Однако имеется и ряд недостатков: довольно часто винтовая передача заедает, а ее коэффициент полезного действия, то есть КПД, низкий.

Устройство и виды

В настоящее время имеется два основных устройства системы. Первый ее тип содержит неподвижную гайку и подвижный винт, а второй тип, наоборот, имеет подвижную гайку и неподвижный винт. К первой категории устройств можно отнести винтовой домкрат, а вторая группа используется, например, в ходовых винтах станков и в других устройствах.

Существует также несколько видов винтовых передач:

• Система скольжения.
• Система качения, характеризующаяся тем, что гайка имеет канавки, в которые помещаются шарики.
• Планетарные роликовые передачи, считающиеся довольно перспективными, так как отличаются высокой точностью и жесткостью.
• Волновой вид передачи, он отличается довольно малыми поступательными движениями.
• Гидростатическая винтовая передача, характеризующаяся малой степенью трения, малым износом и довольно высокой точностью.

Резьба и расчет

Кроме того, что существует несколько видов системы, имеется также несколько типов резьбы для гайки и винта. Если необходимо обеспечить наименьшее трение между деталями, то используется прямоугольный вид. Однако тут очень важно отметить, что технологичность этого типа соединения довольно низкая. Другими словами, нарезать такую резьбу на резьбофрезерном станке невозможно. Если сравнивать прочность прямоугольной и трапецеидальной резьбы, то первая значительно проигрывает. Из-за этого распространение и использование прямоугольной резьбы в винтовой передаче сильно ограничено.

По этим причинам, основным типом, который используется для устройства передаточных винтов, стала трапецеидальная резьба. У того типа имеется три вида шага — мелкий, средний, крупный. Наибольшую популярность заслужила система со средним шагом.

Расчет винтовой передачи сводится к расчету передаточного соотношения. Формула выглядит следующим образом: U=C/L=pd/pK. С — это длина окружности, L — ход винта, p — шаг винта, K — число заходов винта.

Шарико-винтовая передача (ШВП)

ШВП — эта одна из разновидностей линейного привода, которая также служит для того, чтобы преобразовывать вращательное движение в поступательное. Однако здесь есть отличие, которое заключается в том, что этот тип системы характеризуется очень малым трением.

Роль винта в таких системах исполняет вал, который обычно выполнен из очень прочной стали. На своей поверхности это устройство имеет беговые дорожки со специфичной формой. Именно такое приспособление способно взаимодействовать с гайкой. Однако их работа осуществляется не напрямую, как это происходит в обычной винтовой передаче, а через маленькие шарики. Здесь используется принцип трения качения.

Данный принцип взаимодействия обеспечивает очень высокие показатели коэффициента полезного действия (КПД), а также высокие перегрузочные характеристики.

Применение и развитие ШВП

Шарико-винтовая передача чаще всего используется в такой отрасли, как авиастроение, в ракетостроении для перемещения рулевых поверхностей, в транспортных средствах. Наиболее широкий спектр использования такой системы можно наблюдать в прецизионном машиностроении, в частности, в станках с ЧПУ.

История создания такого винта является довольно необычной, так как самый первый наиболее точный шариковый винт был получен при использовании низкоточного обычного винта. Устройство имело следующий вид: на винт была смонтирована небольшая конструкция из нескольких гаек, натянутых пружиной, после чего она была притерта по всей длине.

Появилась возможность усреднить погрешности шага и винта, и гайки, при помощи перемещения элементов по основе, а также при помощи смены направления натяжения.

Использование ШВП

Чтобы добиться длительного срока службы шариковой винтовой передачи, необходимо следовать правилам эксплуатации этой системы. Чтобы она смогла на должном уровне сохранить все свои показатели, в том числе и точность, очень важно следить за чистотой рабочего пространства устройства. На работающую пару не должны попадать такие абразивные частицы, как пыль, стружка и т.д.

Чаще всего такие проблемы решается тем, что на винт с гайкой устанавливают гофрозащиту из резиновых или полимерных материалов. Это полностью исключает возможность загрязнения. Если система работает в открытом режиме, то эту задачу можно решить и другим путем. В таких случаях монтируется компрессор, который под высоким давлением подает очищенный воздух на работающую пару.

Так как система работает по принципу трения качения, то появляется возможность предварительного натяга, которая позволяет убрать ненужный люфт передачи. Люфт — это зазор, который образуется между вращательным и поступательным движением в тот момент, когда оно меняет свое направление.

Качества передачи

Как и у любой другой системы, у этой имеются свои преимущества и недостатки.

К минусам устройства относят то, что имеется шанс на обратную передачу, если угол работы ШВП слишком большой. Это возникает из-за того, что трение слишком мало, а потому гайка не блокируется при подъеме. Она передает линейное усилие в крутящий момент. К тому же использовать такие системы передачи на ручных приспособлениях не рекомендуется.

К преимуществам относится то, что низкий процент трения обуславливает низкую диссипацию, что, в свою очередь, сильно повышает КПД всей системы. По этому показателю ШВП превосходит любой другой аналог передачи, которая занимается преобразованием вращательного движения в поступательное. Максимальный показатель коэффициента полезного действия для наиболее распространенных ШВП превышает 90%. Для сравнения скажем, что самые близкие к ним метрические или винтовые зубчатые передачи имеют КПД максимум 50%.

Из-за того, что скольжение в шарико-винтовой передаче практически отсутствует, это положительно сказывается на увеличении срока службы ШВП и на экономичности, так как время на простой при ремонте, смазке или замене деталей, существенно снижается. Поэтому такие устройства наиболее выгодные.

Изготовление и точность

Наиболее высокоточные винты для ШВП можно получить только в процессе шлифовки материала. Есть и другой способ получения винта — это накатка. Стоимость будет значительно ниже, чем при шлифовке, но при этом погрешность изделия будет составлять около 50 микрон на 300 мм хода. Заметим, что наиболее высокоточные шлифованные детали характеризуются погрешностью в 1-3 микрона на 300 мм, а некоторые еще меньше. Чтобы получить заготовку для будущего винта, материал должен пройти процесс грубой механической обработки, после этого он закаляется и шлифуется до необходимого состояния.

Инструментальный вид ШВП чаще всего имеет точность до 250 нм на сантиметр. Чтобы изготовить такие изделия, необходимо пройти процесс фрезеровки и шлифовки. Осуществлять эти операции необходимо на очень высокоточном оборудовании. Исходным сырьем для таких винтов является инвар или инварные сплавы.

Используемые источники:

• https://mysku.ru/blog/aliexpress/53475.html
• https://stankiexpert.ru/tehnologii/shariko-vintovaya-peredacha-dvizheniya.html
• https://fb.ru/article/355750/shariko-vintovaya-peredacha-raschet-vintovoy-peredachi