Передача винт-гайка качения является основным видом тягового устройства для станков с числовым управлением. Механизмы винт-гайка качения устанавливают на токарные станки с ЧПУ для привода подач суппортов; на портальные фрезерные станки с ЧПУ для перемещения столов и траверс. Винт-гайка качения находят применение почти во всех станков малых и средних размеров, а также некоторых тяжёлых станков. Другой областью широкого применения этих механизмов является привод подач обычных станков, не оснащённых системами числового управления, таких как фрезерные, токарные, расточные, сверлильные, шлифовальные, зубообрабатывающие, резьбообрабатывающие, агрегатные станки, автоматические линии, копировальные станки и т. д. Причиной этому является высокая жёсткость и беззазорность соединения винт-гайка, что снижает вибрации и существенно уменьшает износ и поломки режущего инструмента, повышая чистоту и точность обработки. Иногда передачи винт-гайка качения применяют в приводе главного движения станков с возвратно-поступательным движением, в частности, в протяжных (при небольшой силе протягивания).
Основными преимуществами механизмов винт-гайка качения являются:
- возможность передачи больших усилий;
- низкие потери на трение; КПД этих механизмов составляет 0,9-0,95 по сравнению с 0,2-0,4 для передач винт-гайка скольжения;
- малый крутящий момент на ходовом винте вследствие высокого КПД;
- возможность полного устранения зазора в механизме и создания натяга, обеспечивающего высокую жесткость;
- почти полная независимость силы трения от скорости и весьма малое трение покоя, что способствует обеспечению устойчивости (равномерности) движения;
- высокая точность за счёт создания предварительного натяга;
- малая изнашиваемость, а следовательно, длительное сохранение точности;
- малое тепловыделение, что снижает температурные деформации винта и повышает точность обработки;
- высокая чувствительность к микроперемещениям.
К недостаткам передач винт-гайка качения следует отнести отсутствие самоторможения, сложность изготовления, высокую стоимость, несколько пониженное демпфирование, а также необходимость надёжной защиты от стружки и пыли.
Минимальный диаметр винтов 6-8 мм, максимальный 120-150 мм; длина достигает 10-12 м; статическая грузоподъемная сила более 1000 кН (шариковые), 2000-3000 кН (роликовые); динамическая грузоподъемная сила более 200 кН (шариковые), 300-520 кН (роликовые).
Шариковая передача состоит из винта 1 (рис. 1, а), гайки 2, комплекта шариков 3, расположенных в винтовых канавках винта и гайки, канала 4 для возврата шариков. Как и в шарикоподшипниках, шарики имеют линейную скорость в два раза меньшую, чем винт (рис. 1, б). Канал возврата, соединяющий первый и последний (или промежуточный) витки гайки, обеспечивает возможность непрерывной циркуляции тел качения.
Рис. 1. Передача винт-гайка качения (а): 1 - винт, 2 - гайка, 3 - шарики, 4 - канал возврата; кинематическое соотношение скоростей (б): vв - скорость винта; vо - скорость центров шариков
Получили распространение следующие профили резьбы винта и гайки: полукруглый (рис. 2, а), арочный с двухточечным контактом (рис. 2, б), арочный с четырёхточечным контактом (рис. 2, в). Профиль резьбы задают в нормальном сечении, перпендикулярном винтовой линии, проходящей через центры шариков. По примеру шарикоподшипников соотношение радиусов шарика и желоба для полукруглого и арочного с двухточечным контактом профилей r1/r2=0,95÷0,97. Для арочного профиля с четырёхточечным контактом r1/r2=0,83÷0,87 из-за резкого возрастания сил трения при увеличении натяга. Угол контакта α в большинстве случаев равен 45°. При малых углах контакта передача имеет низкую осевую жёсткость и нагрузочную способность, так как даже незначительная осевая нагрузка вызывает большие радиальные силы.
Рис. 2. Профили резьбы винта и гайки шариковых винтовых пар
С увеличением угла контакта повышается нагрузочная способность и жёсткость передачи, а также снижаются потери на трение. Широкое распространение в станкостроении получили профили с двухточечным контактом. Применение таких профилей обеспечивает наименьшее изнашивание передачи, хотя конструкция гайки для создания натяга в этом случае должна быть выполнена из двух частей. Четырёхточечный контакт позволяет осуществить передачу без зазора или с натягом путём подбора шариков по диаметру. Арочный профиль с двухточечным контактом более удобен для измерения, чем полукруглый, и обеспечивает при зазоре в несколько микрометров точное положение шариков при входе их в рабочую зону, что повышает плавность работы передачи.
Конструктивные исполнения устройств возврата шариков могут быть сведены к двум основным группам.
К первой группе относятся механизмы, в которых шарики при возврате не выводятся каналом возврата из контактирования с поверхностью винта, а лишь направляются из впадины одного витка во впадину соседнего, куда они попадают, переваливаясь через выступ резьбы винта (рис. 3, а); канал возврата шариков, соединяющий два соседних витка резьбы, выполняют в специальном вкладыше, который вставляется в окно гайки; в большинстве случаев в гайке делают три, четыре и шесть окон, расположенных соответственно под углом 120°, 90°, 60°; вкладыши и окна могут иметь различную форму (продолговатую, круглую и т. д.).
Рис. 3. Устройство возврата шариков: а - первой группы: 1 - корпус; 2, 3 - полугайки; 4 - вкладыш; 5 - уплотнение; 6 - винт для регулирования натяга; 7 - ходовой винт; б - второй группы: 1, 2 - полугайки; 3 - прокладка; 4 - шпонка; 5 - канал возврата; 6 - ходовой винт
Ко второй группе относятся механизмы, в которых шарики при возврате выводятся отражателями из контактирования с поверхностью винта и направляются по каналу возврата, расположенному в теле гайки (см рис. 2, а); в качестве каналов возврата используют изогнутые трубки, профрезерованные снаружи или с торцов гайки пазы, просверленные осевые отверстия и т. д.
При двухточечном контакте тел качения все способы устранения зазора и создания натяга сводятся к изменению взаимного расположения двух гаек. Возможны два основных случая регулирования натяга:
- регулируется относительное осевое расположение гаек при неизменном угловом положении (рис. 3, б);
- регулируется угловое взаимное расположение гаек при неизменном осевом положении (рис. 3, а).
Сила натяга может создаваться за счёт деформирования контактирующих рабочих тел и деформирования пружин. В станках применяют первый способ, так как передача в этом случае воспринимает большие осевые нагрузки в обе стороны и обеспечивает высокую жёсткость.
Основными требованиями, предъявляемыми к устройствам регулирования натяга, являются: возможность малых перемещений гаек в корпусе в осевом или угловом направлении без разборки узлов станка и надёжная фиксация гаек после регулировки натяга.
В конструкции, приведённой на рис. 4, гайки снабжены зубчатыми венцами, входящими в соответствующие внутренние зубчатые венцы съёмных колец, укреплённых на торцах корпуса. Число зубьев венцов различается на единицу, благодаря чему при повороте гаек в одну сторону на один зуб осевое перемещение их профилей резьбы может составить 1 мкм. В приведенной на рис. 3, б конструкции натяг регулируют за счёт изменения толщины прокладки, расположенной между гайками и состоящей из двух частей. Неизменное угловое положение гаек фиксируется двумя шпонками. В конструкции показанной на рис. 3, а предусмотрен поворот одной из гаек на небольшой угол винтами, расположенными во фланце корпуса.
Рис. 4. Привод подач станка с числовым управлением: 1 - двигатель; 2 - кронштейн; 3 - соединительная муфта (сильфон); 4 - шариковый винт; 5 - шариковая гайка; 6 - суппорт; 7 - защитная гармошка
Для обеспечения работоспособности и точности передачи к материалам винта и гайки предъявляют следующие требования: твёрдость рабочих поверхностей должна быть не ниже HRC 58-60; упрочнённый слой при применении закалки с нагревом ТВЧ, азотирования, цементации должен иметь определённую толщину, чтобы обеспечивать восприятие контактных напряжений без продавливания; постоянство размеров и формы винта при эксплуатации.
Высокая твёрдость рабочих поверхностей винта и гайки и качественная сборка передачи гарантируют их высокие износостойкость и долговечность. В отечественной практике для изготовления винтов применяют сталь 8ХФ с закалкой с нагревом ТВЧ по профилю резьбы (до HRC 58-62), глубина закалки 1,5-2 мм; для гаек - инструментальные стали 9ХС, ШХ15 (твёрдость в тех же пределах).
Расчёт тягового устройства привода подач станка с числовым управлением (см. рис. 4) следует начинать с анализа технологического процесса и выявления составляющих сил резания, действующих на каждой операции. Затем необходимо определить силы тяги в приводе (для каждой оси координат), выделить из них максимальные, промежуточные и минимальные по величине.
Для привода подач токарного станка по оси Z (оси шпинделя) выделяют, например, следующие основные силы: нагрузку при более тяжелых условиях обработки (черновом точении), которую принимают с некоторым запасом на случай отклонений от нормальных условий работы; нагрузку при наиболее часто встречающихся условиях обработки (получистовом и чистовом точении); нагрузку при быстром обратном ходе суппорта после обработки. Одновременно с нагрузками следует определить также время их действия, исходя из расчётного срока эксплуатации станка и статистических данных обработки деталей.
