Исполнительные механизмы и станки в настоящее время используют шарико-винтовые передачи для преобразования вращательного движения привода в прямолинейное движение узлов, таких как каретки. Как правило, качество и технические характеристики ШВП напрямую влияют на точность выполнения задач и эффективность работы механизма. Поэтому выбор качественных ШВП является одним из основных аспектов при создании любого устройства, где требуется преобразование вращения в поступательное движение.

Всё о ШВП: типы и особенности применения

Шарико-винтовые пары (ШВП) представляют собой конструкцию, состоящую из гайки и винта с криволинейным профилем, имеющего резьбовые канавки, в которых находятся шарики для качения. ШВП используются там, где необходимо преобразовать вращательное движение в линейное. Они нашли применение в различных сферах, таких как металлургия, машиностроение, авиация, автомобильная отрасль, текстильная и пищевая промышленность.

С развитием DIY-технологий на основе ШВП создаются линейные модули, которые включают в себя корпус из металлического профиля, сервоприводы, элементы измерения и автоматики. Эти модули со ШВП являются основой для будущих станков с ЧПУ и 3D-принтеров.

Преимущества шарико-винтовых пар:

• Отсутствие потерь на трение скольжения;
• Высокий КПД преобразования (от 90% и выше);
• Высокая точность позиционирования и осевая жесткость;
• Хорошие динамические показатели при малой мощности и крутящем моменте привода;
• Относительно небольшие габариты.

Технические характеристики ШВП зависят от области их применения. Класс точности определяется шагом резьбы, геометрическими допусками, гладкостью поверхности, наличием люфта, начальным моментом и допустимой рабочей температурой.

По назначению и условиям работы ШВП делятся на два типа: с зазором и с натягом.

ШВП с зазором имеют малую точность из-за осевого люфта и применяются там, где перемещение измеряется отдельно, независимо от угла поворота винта. Такие ШВП используются в приводах дверей, вентилей, заслонок, в транспортных задачах, в станочных механизмах и литьевых машинах. ШВП с зазором называют транспортными, класс точности которых соответствует стандарту ISO 3408 — Т1, Т3 и Т5 (8-12 мкм). Для улучшения показателей ШВП с зазором создают преднатяг в механической системе. Преднатяг увеличивает диаметр шариков относительно винтовой канавки или применяют сдвоенную гайку. Это помогает снизить совокупную вибрацию на стержне и стабилизировать положение оси гайки относительно оси винта.

ШВП с натягом (прецизионные) используют для высокоточных задач, где мертвый ход недопустим: в робототехнике, станках с ЧПУ, координатных столах и контрольно-измерительном оборудовании. В таких ШВП гайка прочно связана с рабочим узлом (суппортом). Жесткая зависимость между поворотом винта и движением гайки позволяет снизить динамические нагрузки на стержень.

По способу изготовления ШВП делятся на катанные и шлифованные.

Катанные ШВП изготавливают методом холодной прокатки. Резьба выдавливается валками на поверхности винта. Из-за зернистой структуры катанные ШВП используются как транспортные, с меньшей плавностью и точностью перемещения.

Шлифованные ШВП винтовые канавки подвергаются закаливанию и многоступенчатой шлифовке, что позволяет использовать их в высокоточном оборудовании и маркировать как прецизионные. Классы точности ШВП от П1 до П5 (6-8 мкм).

Известен способ прецизионной накатки, который комбинирует оба метода обработки резьбы. У таких винтов гладкая поверхность, как у шлифованных ШВП, при меньших затратах на производство.

Стандартные ШВП выпускаются с диаметром винта 16-125 мм, длиной до 3000 мм и шагом резьбы от 1,5 до 50 мм. Для специфических задач изготавливаются ШВП нестандартного типа, длиной до 6000 мм.

Производители ШВП

ШВП производят многие мировые компании, включая Hiwin, Tbi Motion (Тайвань), KSK Precise Motion (Чехия), PMI Group, CNC, CHTR (Китай), THK, NSK (Япония), Steinmeyer, Bosch Rexroth (Германия), «Микрон» (Украина), SBC (Корея), SKF (Швеция), Gewinde (Швейцария).

Японские, немецкие и шведские производители предлагают высокотехнологичные ШВП для широкого спектра задач, включая стандартизированные и заменяемые ШВП, высокоскоростные, для больших нагрузок, специальной конструкции с твердыми покрытиями и т.д. Однако стоимость таких изделий, как правило, в 2-2,5 раза превышает цены на российские аналоги.

Среди российских производителей ШВП можно выделить такие компании, как «Техникс», «Точмаш» (г. Санкт-Петербург), «Технический центр Н» (г. Ярославль), «Инмаш» (г. Стерлитамак) и ПКФ «Станкосервис» (г. Рязань).

Важно понимать, что стоимость ШВП зависит от многих факторов, включая область применения, длину винта, класс точности, качество высокоуглеродистой стали, способ деформации и обработки канавок, вид фланца, диаметр шариков и другие характеристики.

Для повышения долговечности ШВП обычно применяют типовые защиты от попадания пыли, опилок и агрессивных веществ на винт, такие как войлочные и резиновые уплотнители, гофрочехлы и сильфонные защиты ходового винта.

При изготовлении ШВП по чертежам цена определяется по себестоимости производства на 1 мм винта. Поэтому при заказе у некоторых китайских компаний, например, может быть низкая цена, но это грозит экономией на всем подряд, включая количестве металла, качестве резьбы и шлифовки, толщине уплотнителей и других параметрах. Российские ШВП стоят в два раза дороже китайских, но при этом стоят в два раза дешевле европейских аналогов. Кроме того, возможность прямого контакта с производителем и поэтапного контроля при изготовлении делает отечественное производство привлекательным для заказчика.

При заказе ШВП важно не запутаться в маркировке. Хотя различные бренды используют разные обозначения, принцип их составления одинаков. Например, завод «Микрон» использует кодировку по схеме ОМВ 00 iAk-DxPRn-LxI-00-P3. Здесь ОМВ 00 обозначает тип гайки, i обозначает число рабочих контуров (1-6), A обозначает тип фланца, k обозначает расположение отверстий, D обозначает диаметр резьбы, P обозначает шаг резьбы, R обозначает направление резьбы (R - правое, L - левое), n обозначает число заходов резьбы (1-3), L обозначает длину винта, I обозначает длину резьбы, 00 обозначает тип левой и правой присоединительных поверхностей винтов, а Р3 обозначает класс кинематической точности резьбы по ISO 3408.

Стандартные и индивидуальные шарико-винтовые передачи (ШВП), как уже было сказано выше, имеют значительное различие в цене, обусловленное сложностью изготовления. В каталогах многих производителей цена на катанную ШВП установлена по умолчанию, не указывая метод ее обработки. При покупке ШВП для высокоточного станка следует обратить на это внимание.

На начало июня 2020 года цены на стандартные и специальные ШВП выглядят следующим образом:

• 1П756ДФ3.18.000, общая длина 1930 мм, длина резьбы 1020 мм, катанная, производства России - от 80 тысяч рублей;
• 1П756ДФ3.55.000, общая длина 885 мм, длина резьбы 674 мм, катанная, производства России - от 90 до 100 тысяч рублей;
• СМ2116-311 СБ, точность 20 мкм, для станков с ЧПУ, производства России - от 90 до 105 тысяч рублей;
• 6Р13Ф3-00.001, общая длина 1596 мм, длина резьбы 1204 мм, класс П3, для консольно-фрезерных станков, производства России - от 130 до 150 тысяч рублей;
• SFU-R3210 TECHNIX, диаметр винта 32 мм, производства России - от 69 рублей/см (в среднем от 80 до 100 тысяч рублей за винт длиной от 1000 см);
• SFU-R2505 TECHNIX, диаметр винта 25 мм, производства России - от 33 рублей/см (в среднем от 30 до 45 тысяч рублей за винт длиной от 1000 см);
• ШВП CNC из серии SFU, длина винта 605 мм - от 3 до 4 тысяч рублей, 800 мм - от 4 до 5 тысяч рублей, производства Китая;
• ШВП Tbi OFUR2505T4-DGC5-500-P2, класс С5, с натягом, длина 500 мм - от 20 до 25 тысяч рублей, длина 800 мм - от 28 до 32 тысяч рублей, производства Тайваня;
• ШВП Hiwin 1R25-10T3-FSI-1500-0.05, класс С7, с зазором, длина 1500 мм - от 18 до 22 тысяч рублей, производства Тайваня;
• ШВП Hiwin R20-05T3-FSI, класс С7, с зазором, длина 400 мм - от 8 до 10 тысяч рублей, производства Тайваня.

Точность перемещения зависит от качества ШВП, что имеет особенно большое значение для стационарных станков и систем позиционирования с контролем позиции. Изготовление специальных передач требует ответственного подхода. Не стоит экономить на точности и эффективности своего производства, но и переплата за ноу-хау также не имеет смысла.

Информация о ценах приведена для ознакомления и актуальна на июнь 2020 года. Данный материал не является публичной офертой.

Фото: freepik.com