В различных исполнительных механизмах и станках часто используются шарико-винтовые передачи (ШВП), которые позволяют преобразовывать вращательное движение привода в возвратно-поступательное движение определенных узлов, например, каретки. Если говорить о точности позиционирования и эффективности рабочего механизма, то от качества и технических характеристик ШВП напрямую зависит успешность функционирования всего механизма.

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.

В сфере производства ШВП основными зарубежными компаниями являются Hiwin, Tbi Motion (Тайвань), KSK Precise Motion (Чехия), PMI Group, CNC, CHTR (Китай), THK, NSK (Япония), Steinmeyer, Bosch Rexroth (Германия), SKF (Швеция), Gewinde (Швейцария). Немецкие, японские и шведские компании выпускают технологичные ШВП для разнообразных задач: стандартизированные и заменяемые ШВП, высокоскоростные, для больших нагрузок, специальной конструкции с твердыми покрытиями и др. Цена на такие ШВП обычно в 2–2,5 раза выше, чем цены на российские аналоги.

Среди известных российских производителей ШВП следует выделить «Техникс», «Точмаш» (г. Санкт-Петербург), «Технический центр Н» (г. Ярославль), «Инмаш» (г. Стерлитамак), ПКФ «Станкосервис» (г. Рязань). Однако стоит понимать, что цена на ШВП зависит от множества факторов, таких как область применения, длина винта, класс точности, качество высокоуглеродистой стали, способ деформации и обработки канавок, вид фланца, диаметр шариков и другие характеристики.

Для увеличения срока службы ШВП используют типовые защиты от попадания пыли, опилок и агрессивных веществ на винт, такие как войлочные и резиновые уплотнители, гофрочехлы, сильфонные защиты ходового винта.

При заказе ШВП важно не запутаться в маркировке. Хотя различные бренды используют разные обозначения, принцип их составления одинаков. Например, для завода «Микрон» пример кодировки по схеме ОМВ 00 iAk-DxPRn-LxI-00-P3 говорит о типе гайки, числе рабочих контуров, типе фланца, расположении отверстий, диаметре и шаге резьбы, направлении и числе заходов резьбы, длине винта и длине резьбы, типе левой и правой присоединительных поверхностей винтов, а также о классе кинематической точности резьбы по ISO 3408.

Низкая цена на ШВП при заказе у некоторых китайских компаний может привести к экономии на количестве металла, качестве резьбы и шлифовки, толщине уплотнителей и прочих параметрах. Российские ШВП в два раза дороже китайских и на столько же дешевле европейских аналогов, однако возможность прямого контакта с производителем и поэтапного контроля при изготовлении деталей делает отечественное производство привлекательным для заказчика.

Стоимость шарико-винтовых передач: за стандартные и на заказ

В зависимости от метода изготовления, катание и шлифовка ШВП могут иметь значительные различия в цене. Однако, многие производители стандартных катанных ШВП устанавливают цены по умолчанию без указания метода обработки. Покупателям, которые заинтересованы в ШВП для высокоточного станка, следует обратить на это внимание.

В начале июня 2020 года, цены на стандартные и специальные ШВП имели следующий диапазон:

• 1П756ДФ3.18.000 (Россия), катанная, общая длина 1930 мм, длина резьбы 1020 мм — от 80 тысяч рублей;
• 1П756ДФ3.55.000 (Россия), катанная, для токарных станков, общая длина 885 мм, длина резьбы 674 мм — 90–100 тысяч рублей;
• СМ2116-311 СБ (Россия) для станков с ЧПУ, точность 20 мкм — 90–105 тысяч рублей;
• 6Р13Ф3-00.001 (Россия) для консольно-фрезерных станков, класс П3, общая длина 1596 мм, длина резьбы 1204 мм — 130–150 тысяч рублей;
• SFU-R3210 TECHNIX (Россия), диаметр винта 32 мм — от 69 рублей/см (в среднем 80–100 тысяч рублей за винт длиной от 1000 см);
• SFU-R2505 TECHNIX (Россия), диаметр винта 25 мм — от 33 рублей/см (в среднем 30–45 тысяч рублей за винт длиной от 1000 см);
• ШВП CNC (Китай) из серии SFU для станков с ЧПУ, длина винта 605 мм — 3–4 тысячи рублей, 800 мм — 4–5 тысяч рублей;
• ШВП Tbi OFUR2505T4-DGC5-500-P2 (Тайвань) с натягом, класс С5, длина 500 мм — 20–25 тысяч рублей;
• ШВП Tbi OFUR2505T4-DGC5-860-P2 (Тайвань) с натягом, класс С5, длина 800 мм — 28–32 тысячи рублей;
• ШВП Hiwin 1R25-10T3-FSI-1500-0.05 (Тайвань) с зазором, класс С7, длина 1500 мм — 18–22 тысячи рублей;
• ШВП Hiwin R20-05T3-FSI (Тайвань) с зазором, класс С7, длина 400 мм — 8–10 тысяч рублей.

Прецизионные ШВП отвечают за точность перемещения, важную особенность для стационарных станков и систем со следящим управлением и позиционированием. Изготовление специализированных ШВП требует ответственного подхода. Не стоит экономить на точности и эффективности своего производства, но и переплачивать за ноу-хау тоже незачем.

Материал не представляет собой публичную оферту. Цены актуальны на июнь 2020 года и представлены для ознакомления.

Фото: freepik.com