Механическая обработка концов шариковых винтов и опорные подшипники: часть, о которой большинство покупателей забывают

Решение о лиде создаёт проблему с оборотами, которую теперь нужно решить

В последней статье мы говорили о свинце 5 мм против 10 мм. Основной вывод был таков:

• Меньшее преимущество = больше тяги, выше обороты при той же скорости

• Большее преимущество = больше скорости на оборот, меньшее механическое преимущество

После выбора грифа вы знаете, какие обороты винта нужны для вашей целевой скорости. Теперь нужно убедиться, что винт действительно может работать на этих оборотах без вибраций, ударов и повреждения подшипников.

Вот тут и вступают в помощь поддержка и конечная обработка.

Винт диаметром 16 мм, работающий со скоростью 3000 об/мин на размахе 500 мм, обычно подходит для стандартных опор. Тот же винт, работающий на 3000 об/мин на пролёте 1500 мм, — это совсем другая ситуация. Критическая скорость падает, и опорные подшипники должны быть гораздо жёстче.

Итак, выбор свинца из предыдущей статьи ведёт напрямую к следующему: на каких оборотах вы действительно просите винт крутить винт, и сможет ли ваша опорная система с этим справиться?

Фиксированный конец против плавающего конца: что они на самом деле делают

Большинство узлов шариковых винтов используют одну из трёх опорных схем:

Фиксированный–плавающий

Один конец фиксирован. У него есть подшипники, способные выдерживать осевую нагрузку в обоих направлениях — обычно это пара угловых контактных подшипников или предварительно нагруженный подшипник. Другой конец плавает. Он может сдвигаться по оси внутри корпуса для теплового расширения.

Это наиболее распространённая схема для общих ЧПУ-осей.

Фиксированный–фиксированный

Оба конца фиксированы. Это обеспечивает более высокую жесткость и более высокую критическую скорость, но требует предварительного натяжения винта для компенсации теплового расширения. Если неправильно преднатягиваться, винт может прогнуться при нагреве.

Это используется на более длинных винтах или высокоточных станках.

Плавающий–Плавающий

Оба конца плавают. Винт расположен только у гайки. Это редко используется на станках, потому что нет ничего, что могло бы контролировать осевое положение винта. Вы можете увидеть это на простых механизмах передачи, где точность не имеет значения.

Важно понимать, что фиксированный конец несёт осевую нагрузку. Когда гайка толкает или тянет стол, реактивная сила проходит через винт и попадает в подшипники с фиксированным концом. Если подшипники недостаточно компактны или плохо закреплены, винт будет отклоняться под нагрузкой, и вы потеряете жёсткость.

Плавающий конец просто не даёт винту провисать и не вибрировать. Он не несёт осевой нагрузки. Но это всё равно важно для критической скорости и контроля вибраций.

Почему плавающий конец — это не просто «свободный» конец

Я видел, как клиенты воспринимают плавающий конец как второстепенное решение. Они используют простой радиальный подшипник или даже втулку и считают, что всё нормально.

На коротком, медленном винте, возможно, так и есть.

На длинном винте, работающем на умеренных и высоких оборотах, плавающий конец становится важным для контроля вибраций. Если в опоре с плавающим концом слишком много зазора, винт может закрутиться. Вибрация усиливается со скоростью, и в какой-то момент становится разрушительной.

Я видел винты, которые работали плавно на 1000 об/мин, но становились нестабильными на 2000 об/мин. Фиксированный конец работал нормально. Плавающий конец позволял слишком много двигаться.

Исправлением был не новый винт. Это была лучшая опора с плавающим концом с меньшим зазором и лучшей жёсткостью.

Поэтому, выбирая опорные подшипники, не смотрите только на неподвижный конец. Плавающий конец также должен быть согласован с длиной винта и скоростью работы.

BK/BF и EK/EF: что означают коды

Если вы смотрели на блоки опоры шариковых винтов, вы видели эти коды.

BKявляется блоком с фиксированным концом поддержки. Он содержит угловые контактные подшипники и предназначен для выдержки осевой нагрузки.

BFявляется блоком поддержки с плавающим концом. Он содержит радиальный подшипник и позволяет винту сдвигаться по оси.

EKиEFпохожи, но с другой формой крепежного фланца. EK фиксирован, EF плавает. Их часто используют на мелких винтах или там, где мало места.

Коды стандартизированы, но реальные размеры различаются в зависимости от производителя и серии. BK15 от одного поставщика может иметь не такое же расстояние между монтажными отверстинками, как у BK15 от другого.

Так что при заказе не просите просто «BK15». Попросите чертёж и убедитесь, что размеры совпадают с вашей обработкой концов винта и поверхностью монтажа.

Бывало, что клиенты заказывали блоки BK/BF, которые выглядели правильно в каталоге, но отверстия для крепления не совпадали с их существующим кронштейном. Это раздражающее открытие, когда машина уже не работает.

Конечная обработка: там, где винт соединяется с опорой

Конец шарикового винта обрабатывается так, чтобы вписываться в опорный подшипник. Эта обработка включает:

• Диаметр ухода, где находится подшипник

• Плечо, которое располагает подшипник по оси

• Резьбовая секция для гайки

• Иногда для передачи крутящего момента — ключ или плоский

• Общая длина обработанного участка

Если какие-либо из этих размеров неверны, подшипник не подойдёт должным образом. Если журнал слишком мал, подшипник будет иметь люфт. Если плечо не квадратное, подшипник наклонится. Если резьба неправильного шага, гайка затягивается неправильно.

Я видел винты, где концовая обработка выполнялась по другому стандарту, чем у опорного блока. Клиент должен был выработать адаптер или заказать новые блоки. Это простой и дополнительные расходы, которых можно было бы избежать, если бы проверили чертёж до производства.

Поэтому, когда вы заказываете шариковый винт, всегда проверяйте чертеж концевой механической обработки с чертежем опорного блока. Если вы меняете существующий винт, измерьте старый и отправьте эти размеры поставщику. Не думайте, что «SFU1605» автоматически идёт вместе с нужной вам конечной обработкой.

Критическая скорость: число, которое определяет, будет ли ваш винт крутиться

Критическая скорость — это обороты, при которых вращающийся вал становится динамически нестабильным. Ниже этой скорости винт работает плавно. Над ним вибрация быстро усиливается и может повредить винт, подшипники и гайку.

Критическая скорость зависит от:

• Диаметр винта

• Длина винта между опорами

• Расположение опор (фиксированное плавающее против фиксированно-фиксированное)

• Жёсткость подшипников

• Есть ли винт предварительно натянутой

Больший диаметр увеличивает критическую скорость. Более короткий размах увеличивает её. Фиксированная фиксированная схема повышает её по сравнению с фиксированным плавающим.

Если ваше приложение требует высоких оборотов — либо из-за выбора малого отрыва, либо потому, что нужна высокая линейная скорость — нужно проверить критическую скорость.

Если требуемые обороты превышают примерно 80% от рассчитанной критической скорости, я бы рассмотрел альтернативы:

• Больший диаметр

• Большее преимущество

• Более короткий размах

• Фиксированно-фиксированная поддержка

• Преднатяжение

Игнорирование критической скорости — одна из самых распространённых причин, почему шаровой винт выходит из строя на раннем этапе или не работает должным образом.

Выравнивание: тихий убийца производительности шариковых винтов

Я уже говорил об этом в других статьях, и это применимо и здесь: выравнивание важнее, чем многие думают.

Шариковый винт, не параллельный линейным направляющим, будет иметь неравномерное сопротивление при работе. Гайка вытягивается вбок. Ток мотора увеличивается. Винт и гайка изнашиваются быстрее.

Я видел машины, где винт был идеально прямым, подшипники высокого качества, а обработка концов правильной — но ось всё равно казалась тугой. Проблема была в том, что центральная линия винта и направляющая не были параллельны. Гайка боролась с направляющими на протяжении всего удара.

Проверить развал-сход — несложно. Закрепите винт и направляющие, затем проведите индикатор вдоль винта, двигая каретку. Если стрелка двигается более чем на несколько сотых долей миллиметра, у вас проблема.

Это особенно важно, когда вы меняете винт на существующей машине. Старый винт, возможно, был выровнен по старым рельсам. Новый винт с немного другой обработкой концов может не сидеть в том же положении. Всегда перепроверяйте развал-сход после установки.

Тепловое расширение: почему существует плавающий конец

Когда шариковый винт запускается, он нагревается. Трение в подшипниках, гайке и самом винте создаёт тепло. Винт расширяется. На винте 1000 мм повышение температуры на 5°C может добавить примерно 0,06 мм длины. Звучит не так уж много, но с точки зрения точности это важно.

Если оба конца фиксированы, расширяющему винту некуда деться. Он кланяется. Это меняет преднагрузку, увеличивает трение и может вызывать вибрацию.

Вот почему существует плавающий конец. Он позволяет винту расти без прогиба.

Но плавающий конец должен действительно плавать на плаву. Если подшипник слишком плотно вдавлен в корпус или если внутри есть мусор, он не скользит. Потом винт ведёт себя так, будто зафиксирован с обоих концов, и всё равно возникает проблема с изгибом.

Поэтому, когда устанавливаете опору с плавающим концом, проверьте, может ли подшипник сдвигаться по оси. Он должен двигаться плавно, но без чрезмерной игры. Немного смазки на скользящей поверхности помогает.

Что отправить поставщику перед заказом

Если вы заказываете шариковый винт с торцевой обработкой и опорными блоками, не отправляйте просто номер модели.

Отправьте это:

• Диаметр винта и вывод

• Общая длина

• Длина путешествия

• Фиксированное и плавающее расположение конца

• Модель или чертёж блока поддержки

• Конечный механический чертеж

• Детали соединения моторов (муфта, шкив и т.д.)

• Ориентация крепления

• Максимальная скорость

• Ускорение

• Нагрузка и резущая сила

• Срок службы

Хороший поставщик проверит конечную обработку с опорным блоком и подтвердит критическую скорость для вашего применения. Если они не просят эти детали, значит, они просто продают вам часть, а не решают вашу проблему.

Клиенты присылали мне эскиз на салфетке и фото старого винта. Этого достаточно, чтобы с ними работать. Недостаточно «SFU1605, 1000 мм, цитата, пожалуйста».

Быстрый чек-лист перед установкой

Когда у вас есть винт и опоры, прежде чем всё прикручивать болтами:

• Убедитесь, что конечная обработка совпадает с опорным блоком

• Проверьте, правильно ли подшипники с фиксированным концом предварительно нагружены

• Проверьте, может ли подшипник с плавающим концом сдвигаться по оси

• Убедитесь, что винт параллелен направляющим планкам

• Проверьте выравнивание муфты

• Убедитесь, что гайка затянута и подшипник установлен

• Поверните винт вручную и пощупайте узкие места

• Сначала бегите на низкой скорости и прислушивайтесь к необычным шумам

Если что-то кажется неправильным, остановитесь и разберитесь. Шариковый винт, который работает плавно вручную, обычно работает плавно под давлением. Винт, который кажется туго или грубым вручную, не сможет волшебным образом починить себя при подключении мотора.

Последняя мысль: винт — это лишь часть системы

Выбор правильного диаметра и свинца важен. Но шариковый винт не работает сам по себе. Нужна правильная обработка концов, согласованные опорные подшипники, правильное выравнивание и крепежная конструкция, которая не изгибается.

Я видел, как хороший винт плохо работает из-за неправильного плавающего конца. Я видел, как высокоточный винт выходил из строя на раннем этапе, потому что развал-схождение было неправильно. Я видел машину, которая не могла достичь своей максимальной скорости, потому что критическая скорость никогда не была проверена.

Ни одна из этих проблем не была решена покупкой более дорогого винта.

Так что перед тем как заказывать, посмотрите на всю сборку. Винт, опоры, обработка концов, крепление, выравнивание. Если что-то из них ошибочно, машина не будет работать так, как вы ожидаете.

Если не уверены, отправьте поставщику чертёж и детали заявки. Несколько минут проверки до заказа гораздо дешевле, чем обнаружить проблему после сборки машины.