Рекомендации по выбору станка с ЧПУ. Устройство фрезерного ЧПУ станка. Шарико-винтовые передачи (ШВП) Винты для чпу станка

«Был бы станок, а что на нем делать найдется», «Сделаем, посмотрим, что получится, тогда и увидим», «Просто интересно», «Ни лобзиком, ни напильником пилить не умею, вот, пусть станок и пилит», «Интересна сама проблема и процесс ее решения», «Хочу станок, чтобы напилить на нем много КИТ-ов и заработать много денег» и т.д. и т.п. Подобные побудительные мотивы для того, чтобы затеять постройку такого сложного и дорогого устройства, как станок ЧПУ, не серьезны, хотя и распространены.

Моя побудительная причина не совпала ни с одной из перечисленных. Я знал, что буду делать на станке – пилить бальзовые детали для своих самолетов. А почему на ЧПУ? А потому что устал руками и долго слишком. Например, вот фото консолей верхнего крыла и стабилизатора копии самолета И-5, спроектированные под станок ЧПУ и целиком на нем выпиленные.

Это моя первая модель, которая проектируется исключительно под ЧПУ. Нервюры – бальза 1,5 мм, все на шипах, 80% деталей – уникальные. Вручную такое делать – запаришься, да пожалуй, и не сделать. А представляете, грохнуть такую модель в первом полете? Или во втором? Поседеешь! А тут, взял и выпилил новое крылышко, или, там, стабилизатор….

Ну, хорошо. А станок-то зачем? Куда не плюнь – контора с лазерной резкой! Отдал файлы, получил детали, и не дорого. Да, это так, если штамповать КИТ-ы, но не в процессе разработки. Конторам нужны объемы, им не интересно резать 2-3 детали, они даже 10 деталей резать не будут, им подавай 10 стандартных листов. Да и не набегаешься к ним.

Спроектировать от и до, а потом с листа нарезать лазером, чтобы все идеально совпало, можно только простую модель, но не копию. Может кому-то это и удается, но не мне. Сконструировал узел, нарезал, склеил, покрутил в руках, исправил что не нравится, двинулся дальше – вот мой подход. А для этого станок должен стоять дома.

Читая форум, посвященный станкам ЧПУ на нашем сайте, я пришел к выводу, что желающих построить станок пруд пруди. Но если с электроникой и программами народ, в общем и целом, дружит, по крайней мере есть понимание, что и как делать, то с механической частью станка – труба. Задача статьи - ввести интересующихся в курс дела на примере проектирования конкретного станка. Хочется, чтобы вопросы на форумах были более осмысленными и основывались на реальных фактах, а не на домыслах. У меня нет задачи поучать и указывать, как именно ВАМ строить СВОЙ станок. Вы можете принять мои рекомендации к сведению, а можете проигнорировать, это ваше право.

В этой статье ни слова не будет сказано про электронику и программы. И не только по тому, что это тема отдельной статьи, которую, возможно, кто-нибудь напишет. Не хочу никого обидеть, но, по-моему, сегодня электроника – не проблема. В отличие от механики ее можно довольно легко купить в полном объеме – подключил и заработало, и стоимость ее составляет не более четверти всех затрат на станок. А вот механика приемлемого качества по приемлемой цене – проблема. Хочется, чтобы у людей кроме желания – хочу станок ЧПУ, было еще и понимание, что за этим стоит.

Задаем технические характеристики

Назначение

1. Как уже было сказано, станок нужен главным образом для фрезерования бальзовых пластин – вырезания из них деталей моделей самолетов. По этому материалу станок должен иметь максимальную производительность. Кроме бальзы будет фрезероваться строительная и авиационная фанера, дерево, пластик, стеклотекстолит и карбон. Точность станка по перечисленным материалам должна быть не хуже 0,1 мм на максимальной длине.
2. Кроме неметаллов станок должен хорошо резать алюминиевые сплавы фрезами диаметром до 3 мм с подачами 150…250 мм/мин, при заглублении до 2 мм. Точность при фрезеровании алюминиевых сплавов должна быть в районе 0,05 мм на площади 150х150 мм.
3. Фрезерование стали не предусматривается, кроме отдельных случаев, при этом скорость и точность не регламентируется.
4. Должна иметься возможность 3D фрезерования моделей и матриц из неметаллических материалов для выклейки и формования крыльев, капотов, фонарей и т.п.

Оптимально, малогабаритный настольный станок под перечисленные задачи должен иметь рамочную конструкцию.

Усилия резания и шаговый двигатель

Имеет место заблуждение, что при фрезеровании нужно давить на фрезу, чтобы она лучше резала. Это неправильно. Вспомните выпиливание лобзиком, чуть надавил - пилка сломалась. Скорость выпиливания зависит от того, как быстро вы будете совершать возвратно-поступательные движения лобзиком, и от остроты пилки. При фрезеровании тонкими фрезами наблюдается та же самая картина, задал неправильные режимы резания - фреза сломалась. Поэтому будем рассчитывать на острый качественный инструмент и оптимальные режимы резания. При этих условиях нагрузки на шпиндель и реакции в опорах ожидаются небольшие, в пределах нескольких килограммов.

Рассчитывать эти килограммы по формулам не обязательно. Вы легко и наглядно можете оценить максимально возможные усилия прямо голыми руками. Для этого возьмите тонкую концевую фрезу диаметром 1 мм и постарайтесь сломать ее в руках. Вы удивитесь, насколько легко вам это удастся. Фрезу диаметром 3 мм в руках сломать труднее, но все равно усилия эти не запредельны. Разрушение фрезы при превышении допустимых нагрузок и будет тем предохранителем, который убережет наш станок от критических напряжений и выхода из строя. Жесткость станка должна быть рассчитана на эти нагрузки желательно с двойным запасом.

Мощность шагового двигателя в основном нужна не для резания, а для преодоления сил трения в направляющих и винтовой паре, а силы эти зависят от качества изготовления, зазоров, перекосов и наличия смазки. Рассчитать эти силы можно, методики существуют, но чем меньше по размерам механизм, тем менее достоверные получаются результаты. Так что выбор двигателя для станка по мощности это такое же шаманство, как и выбор мотора для модели самолета с ДВС: потянет - не потянет, с запасом - на пределе, т.е. из опыта или на основе анализа прототипов.

Шаговых двигателей на рынке навалом. Выбрать подходящие из этого обилия не просто. Поэтому сориентируемся на те движки, которые чаще всего применяются в подобной технике – советские индукторные шаговые двигатели ДШИ-200-3 или ДШИ-200-2. Различаются они по мощности. Есть еще ДШИ-200-1, но он откровенно слаб. ДШИ-200 хорошие моторы, если повезет, то можно найти эти движки с индексом ОС (особая серия, военная приемка), качество их изготовления лучше, но и обычные вполне на уровне.

Вот технические характеристики двигателя ДШИ-200-3 (в скобках значения для ДШИ-200-2):

• Максимальный статический момент, нт - 0,84 (0,46).
• Единичный шаг, град - 1,8 (1,8).
• Погрешность обработки шага, % - 3 (3).
• Максимальная частота приемистости, Гц - 1000 (1000).
• Ток питания в фазе, А - 1,5(1,5).
• Напряжение питания, В – 30 (30)
• Потребляемая мощность, Вт - 16,7 (11,8).
• Масса, кг - 0,91 (0,54).

Точность

Часто путают разрешающую способность позиционирования и точность фрезерования. Разрешающая способность зависит от выбора шагового двигателя и вида трансмиссии. Например, шаговый двигатель ДШИ-200-3 при работе в оптимальном полушаговом режиме делает 400 шагов за оборот. Следовательно, если применить винтовую передачу с шагом винта 2 мм, то за один шаг рабочий орган передвинется на 2 / 400 = 0,005 мм, т.е. на 5 микрон. При шаге 3 мм – 3 / 400 = 0,0075 мм, т.е. дальше на 2.5 мкм, но зато и скорость будет на треть выше.

Если использовать передачу с зубчатым ремнем, картина получается такая. Минимально возможный (из конструктивных соображений) средний диаметр ведущего зубчатого колеса - 14 мм. Значит, за один оборот путь получается 3,14*14 = 43,96 мм, т.е. перемещение за 1 шаг будет 43,96 / 400 = 0,11 мм. Для бальзы приемлемо, со скрипом, конечно, но можно было бы смириться, если бы это было все. Но это, к сожалению, не все.

Для получения точности фрезерования, к значению разрешения следует приплюсовать технологические люфты в направляющих и трансмиссии, а так же значения перемещений вследствие упругих деформаций, обусловленных общей жесткостью станка. Люфты можно рассчитать, а вот с общей жесткостью сложнее. Рассчитать ее невозможно.

При серийном производстве вначале проектируется и изготавливается опытный образец (как правило, на основе прототипа, т.е. другого станка). Затем станок испытывают, производят тщательные замеры, и смотрят, отвечает его точность требованиям ТЗ или нет. Если не отвечает, то конструкцию анализируют, определяют проблемные места, где надо усиливают жесткость, проводят изменения в конструкторской документации и запускают установочную серию. Процесс повторяется уже на нескольких экземплярах. Такая процедура называется доводкой станка.

Любительская конструкция тоже в некотором роде опытный экземпляр, но, к сожалению, он же оказывается и окончательным. Это вынуждает при конструировании закладывать в силовую схему станка заведомо избыточную жесткость. Не надо этого бояться. Тут лучше перестраховаться. Стремление создать изящную и оригинальную конструкцию может сыграть с конструктором злую шутку. Станок может получиться не жестким, а второй попытки может и не быть - слишком дорого.

Ложно понимаемая «доводка» станка - исправление ошибок в силовой схеме привинчиванием дополнительных уголков, косынок и ребер - результата не дает. Это то же самое, что лечить зубы таблетками – наступает временное облегчение, а потом становится еще хуже. Научить делать надежные, жесткие конструкции невозможно. Конструкцию надо чувствовать, это приходит с опытом точно так же, как водитель с опытом начинает чувствовать автомобиль.

Если вы хотите построить надежный и долговечный станок для повседневного использования, а не для демонстрации принципиальных возможностей, но опыта конструирования у вас недостаточно, не искушайте судьбу, возьмите за основу проверенный прототип, это сэкономит и нервы, и время, и деньги.

Если вы все же решили разработать конструкцию станка сами, придерживайтесь нескольких простых правил:

• Не экономьте на жесткости. В сомнительных случаях перестраховывайтесь. Придерживайтесь принципа равнопрочности и равножесткости.
• В силовом каркасе станка везде, где это только возможно, применяйте глухие и прессовые посадки или штифты, т.к. простое болтовое соединение жесткости не дает.
• Не забывайте о том, что в среднем, при кручении жесткость пропорциональна квадрату размеров сечения, а при изгибе - четвертой степени, т.е. при увеличении размеров сечения детали в два раза, ее жесткость увеличивается в шестнадцать раз.
• Не увлекайтесь оребрением. Монолитная алюминиевая деталь жестче, чем равная ей по прочности и весу стальная, но оребренная.

Но мы отвлеклись. Точность станка декларируется в техническом задании на конструирование исходя из задач, которые будут выполняться на станке. Вот и мы задекларировали точность в пределах 0,05 мм на рабочей площади фрезерования, ограниченной размерами 150х150 мм. Постараемся ее обеспечить. Когда станок будет готов, посмотрим, что реально получилось, а пока проведем некоторые оценки.

Первое. Привод с зубчатым ремнем не годится по разрешающей способности. Значит винт. С точки зрения разрешения, шаг винта 2 или 3 мм не принципиален, и тот и другой подходит. Кстати, еще одно распространенное заблуждение – чем меньше шаг винта, тем выше точность станка. Выше становится разрешение позиционирования, но не точность фрезерования.

Второе. Очевидно, наиболее нагруженные направляющие у станка по оси Х. Вес каретки Х ожидается в пределах 5 кг, ожидаемые усилия резания 2…3 кг. При таких нагрузках две цилиндрические направляющие диаметром 16 мм, длиной 700 мм, сделанные из заклеенной стали 40Х, будут иметь стрелу прогиба порядка 2-3 мкм. Пусть даже 5 мкм, все равно это вполне приемлемо.

Третье. Будем считать, что мы сумеем обеспечить жесткость корпусных деталей каретки Х такой, при которой не будет заметных деформаций от усилий резания. Тогда вся погрешность (порядка 0,04 мм) останется на люфты, в основном на люфты в винтовых парах и на погрешности изготовления ходовых винтов.

Весьма жесткие требования, по сути, это максимум, что можно получить от самодельного станка. Что касается всей площади фрезерования, то если мы уложимся в 0,1 мм на длине 700 мм, это будет просто супер.

В приводе с зубчатым ремнем накопленная ошибка винта отсутствует, но ремень только условно не тянется, на самом деле он тянется, поэтому точность фрезерования с ним невысока и редко бывает лучше 0,25…0,3 мм на длине 700 мм.

Скорость

У станка есть две скорости – скорость перемещения шпинделя во время фрезерования (подача) и скорость холостого хода (позиционирование). Первая задается по условиям резания и может меняться в широком диапазоне, вторая должна быть максимально возможной. Очевидно, что если максимально возможная скорость будет ниже, чем оптимальная подача при фрезеровании материала, на который станок рассчитан, производительность станка будет недостаточна.

Для бальзы оптимальные режимы фрезерования такие:

• Толщина листа от 1 до 2 мм – фреза диаметром 0,6 мм (0,8 мм); подача 600 мм/мин; скорость 40000…50000 об/мин.
• Толщина листа от 2 до 6 мм – фреза 0,8 мм; подача 500 мм/мин при той же скорости;

Для других материалов подачи меньше. Скорость зависит от шпинделя. Даже если сегодня у меня нет шпинделя на 50000 об/мин, возможно, он появится завтра, поэтому станок надо делать на подачи 500…600 мм/мин.

ДШИ-200-3 имеет частоту приемистости 1000 Гц, в полушаговом режиме это 150 об/мин, значит, максимальная подача с винтом шагом 3 мм будет 450 мм/мин. Немного не дотягивает до оптимального режима. С винтом шагом 2 мм подача будет и того меньше, всего 300 мм/мин, что явно не достаточно. При работе двигателя в обычном режиме максимальная скорость получается 900 мм/мин, но точность позиционирования падает до 0,015 мм. Для бальзы сгодится, для алюминия нет.

Размер рабочей области фрезерования

Как говорится, размер имеет значение, и не только в плане размещения заготовки оптимальной площади (100х1000 для бальзы, 300х500 для бальзовой фанеры). От размера рабочей плоскости фрезерования очень сильно зависит стоимость станка, особенно если применять винтовую передачу. Тут нужен компромисс. Для себя я нашел этот компромисс – 700х300х70 мм. У вас эти размеры могут быть другие.

Подшипники скольжения и направляющие

Для сравнительно точных малогабаритных станков типа того, который мы конструируем, альтернативу круглым стальным направляющим с подшипниками скольжения найти трудно. По крайней мере, в той ценовой категории, на которую мы рассчитываем.

В последнее время появилось большое количество шариковых линейных подшипников разных видов. Честно говоря, мне не понятны причины их растущей популярности. Кроме единственного достоинства – необычайной легкости хода (а значит, возможности применить менее мощные движки), у них сплошные недостатки. Главные из которых - невысокая точность и повышенные требования к среде, в которой они работают. Всевозможные конструктивные ухищрения для защиты таких подшипников от пыли, грязи и стружек спасают плохо. Кроме того, любая дополнительная деталь в подшипниковом узле, будь то манжета, скребок или щеточка, кроме увеличения стоимости вносит в узел элемент ненадежности.

По этим же причинам снимем с рассмотрения всевозможные конструктивные схемы, использующие рельсы и колесики в виде шариковых подшипников, как несерьезные для станка заданной точности, и вплотную рассмотрим опоры скольжения.

Подшипники скольжения имеют малые радиальные размеры и массу, изготовление их не требует специального оборудования, они могут нести большие нагрузки при больших скоростях. Но в нашем случае важно не это, важно другое их большое преимущество – они бесшумны и обладают высокой демпфирующей способностью при воздействии циклических и ударных нагрузок.

Материалы

При выборе материала для подшипников скольжения будем ориентироваться на доступные материалы, имеющие хорошие характеристики трения для наших условий эксплуатации. А условия эти следующие:

Скорость скольжения 0,2…5 м/с.

Вид трения – полусухое - поверхности направляющей и подшипника соприкасаются полностью или на участках большой протяженности. Разделительный масляный слой отсутствует. Масло находится на поверхностях только в виде адсорбированной пленки.

Смазка периодическая.

Для направляющих повышенной точности, как в нашем случае, особое внимание следует уделить плавности хода, которая зависит, прежде всего, от различия коэффициентов трения покоя и трения скольжения (как без смазки, так и при слабой смазке). Эта характеристика особенно важна для нас, т.к. применяем мы шаговый двигатель, и каретки по направляющим будут двигаться хоть мизерными, но рывками.

После несложных поисков получился вот такой список доступных и приемлемых по плавности хода (при слабой смазке) материалов с коэффициентами трения по стальному валу:

• Серый чугун – 0,15…0,2.
• Антифрикционный чугун – 0,12…0,15.
• Бронза – 0,1…0,15.
• Текстолит – 0,15…0,25.
• Полиамиды, капрон – 0,15…0,2.
• Нейлон – 0,1…0,2.
• Фторопласт без смазки – 0,04…0,06.
• Резина при смазке водой – 0,02…0,06.

В принципе, для подшипников можно использовать любой из вышеперечисленных материалов, кроме резины, которая приведена для сравнения, и чугуна, который отбросим как материал для домашнего станка экзотический. Прямо скажем, выбор не велик. По большому счету, он сводится к следующему – металл (бронза) или неметалл (любой из вышеперечисленных, кроме резины).

Про себя я уже давно выбрал бронзу – решение проверенное, можно сказать стандартное, широко применяемое, и не нуждающееся в подробных обоснованиях. Но для порядка рассмотрим и другие варианты.

Неметаллические подшипники

Ничего против неметаллических подшипников не имею. Если бы по каким-либо причинам мне была бы недоступна бронза (правда, сегодня трудно представить себе такие причины), я бы выбрал для подшипников текстолит . Текстолитовые подшипники изготавливают из многослойной шифонной ткани, пропитанной бакелитом и опрессованной под давлением приблизительно 1000 кг/см2, при 150…180 градусов. Они работают лучше, если слои расположены перпендикулярно поверхности трения. Текстолит можно обрабатывать твердосплавным инструментом при малых подачах и высоких скоростях резания с довольно жесткими допусками.

Капрон и нейлон хорошо работают при недостаточной смазке или без смазки вообще. Но, как и все полиамиды плохо поддаются механической обработке. Капроновые и нейлоновые подшипники изготовляются пресс-литьем в металлических формах с точностью размеров в пределах нескольких сотых миллиметра. При изготовлении с нужными допусками на универсальном обрабатывающем оборудовании могут возникнуть проблемы – не возьмется никто.

Фторопласт (тефлон) отличный материал, но, к сожалению, не слишком хорош для изготовления подшипников вследствие мягкости, большого коэффициента линейного расширения, холодной ползучести (возникновение остаточных деформаций под длительным воздействием сравнительно небольших напряжений), и полной несмачиваемости маслом.

Все неметаллические подшипники применяют в сочетании с направляющими повышенной твердости (> HRC 50). При этом условии они обнаруживают высокую износостойкость. Требование повышенной твердости направляющих это не недостаток неметаллических подшипников, это данность. Кстати и для бронзовых втулок тоже неплохо подкалить направляющую.

Ресурс

Что касается ресурса подшипников, то здесь должны приниматься в расчет следующие соображения. Если мы приняли принцип равнопрочности и равножесткости, как основополагающую концепцию при конструировании, ничто не мешает принять такой же принцип по отношению к ресурсу основных узлов. Что я имею в виду? Основными узлами нашего станка являются ходовые винты с гайками и направляющие. Логично сделать их таким образом, чтобы ресурс винтовой пары был соизмерим с ресурсом подшипников скольжения. Т.е. установив подшипники один раз, они должны проработать все время, пока функционируют винты и гайки. По выходе винтовых пар из строя, станку потребуется капитальный ремонт, в этот момент можно и подшипники заменить. Делать замену раньше нецелесообразно, ставить подшипники, которые переживут не только винтовую пару, но и нас с вами – тоже.

Известно, что обычная винтовая пара со стальным ходовым винтом и бронзовой гайкой служит очень долго. При надлежащем выборе параметров и качественном изготовлении, такие узлы работают годами каждый день в три смены. Не думаю, что мой станок будет загружен подобным образом. Однако точно рассчитать ресурс невозможно. Можно прогнозировать, основываясь на опыте и знании предмета. Я думаю, что в данном случае винтовая пара послужит около 8 лет, даже с учетом того, что я буду пилить на станке КИТ-ы. За это время много воды утечет, и станок морально устареет, и технологии новые появятся, и стоимость производства возможно упадет. Может и ремонтировать смысла не будет.

Очевидно, что пара стальной винт – бронзовая гайка работает в куда более жестких условиях, чем стальная направляющая – бронзовый подшипник, а значит, теоретически подшипник будет иметь заведомо больший ресурс. Но если зазор, появляющийся в результате выработки резьбы в гайке регулируется, то зазор в бронзовой втулке подшипника - нет. Поэтому примем (не с потолка, а на основании анализа прототипов и с большой долей вероятности), что винт и бронзовый подшипник будут иметь примерно одинаковый ресурс.

Проживет ли столько же неметаллический подшипник? Не уверен. Может проживет, а может и нет. В принципе не смертельно, можно предусмотреть сменные вкладыши, но это удорожает подшипниковый узел, а кроме того, вложив большие деньги в изготовление станка, не хочется изначально закладывать геморрой с заменой подшипников.

Принимаем решение

Учитывая вышесказанное, при конструировании направляющих можно принять следующее техническое решение по реализации подшипникового узла:

• отверстия в корпусах под втулки сверлим с минимальными требованиями к допускам формы и расположения поверхностей (т.е. достаточно грубо);
• наглухо запрессовываем в корпусные детали бронзовые втулки подшипников скольжения с припуском по внутреннему диаметру;
• растачиваем втулки под направляющие в составе корпусов с расчетными допусками.

Уже сейчас можно сказать, что такое решение видится целесообразным, но все-таки рассмотрим и другие варианты.

Первое, что приходит на ум - зачем делать бронзовые втулки, а потом их запрессовывать и растачивать, когда на рынке полно готовых гильз подшипников скольжения, с куда более лучшими свойствами, чем чистая бронза, например, металлофторопластовые подшипники скольжения? Не проще ли их купить и точно так же запрессовать?

Разберемся. Металлофторопластовый подшипник представляет собой стальную гильзу с вакуумной пропиткой тефлоно-свинцовой композицией, диспергированной в жидкости пористого антифрикционного слоя из спечных бронзовых сплавов. Само по себе сочетание бронзы и фторопласта заманчиво и сулит значительные выгоды по свойствам. Так оно и есть. Металлофторопластовый подшипник при малых скоростях и сухом (!) трении допускает очень большие нагрузки (до 350 МПа) и сохраняет работоспособность в интервале температур от -20 до +280 градусов. Но, при нагрузках в пределах 0,1…10 МПа и скоростях скольжения 0,2…5 м/с (как у нас) коэффициент трения может изменяться от 0,1 до 0,2, т.е. быть в пределах обычных подшипниковых материалов при граничной смазке. Получается то же самое, что ставить литые диски на колеса ушастого Запорожца – можно, конечно, только смысла нет.

Тогда может быть, мы выиграем в точностях, упростим механическую обработку и тем самым сэкономим? Тоже нет. Если в первом случае мы точно растачиваем бронзовую втулку, то во втором, точно растачивать придется посадочное место под гильзу в корпусе, т.е. дорогую операцию на хорошем расточном станке мы не исключаем. Мало того, в расчет размерных цепей включаются допуска несоосности, биения, некруглости и др. самой покупной гильзы, которые придется учитывать, при условии, что допуска эти известны и достоверны, т.е. это хорошие дорогие подшипники, а не гильзы неизвестного происхождения – 3 рубля за мешок. В итоге, все это точности нашему станку никак не добавляет, скорее наоборот.

Стоимость бронзовой втулки, которая представляет собой просто кусок трубы - 50 рублей, а хорошего металлофторопластового подшипника – порядка $10. Подшипников этих нужно 12 штук. Посчитайте сами, сколько мы переплачиваем, практически ничего не приобретая. То же самое можно сказать относительно других возможных вариантов покупных подшипников скольжения – переплачиваем, а выгода не очевидна.

Ну, а если бронзы нет? А вот это, извините, полная фигня. Если вы имеете доступ к приличному станочному парку и затеяли дорогой проект, то не найти кусок бронзы для двенадцати небольших втулок и четырех ходовых гаек, просто смешно!

Из чего делать и как?

До сих пор мы все время говорили: «сталь», «бронза»…. А какая сталь и какая бронза, конкретно?

При наших требованиях к износостойкости (каждый день в три смены работать не будем) и невысоких требованиях к стабильности сил трения, выбор марок стали и бронзы, а также термообработка стальных направляющих существенного значения не имеют. Поэтому, если мне позвонят с завода и спросят: «Такой бронзы (стали), которую вы записали в чертеже, у нас нет. Можно мы сделаем замену на…?». Я сразу и без тени сомнения отвечу: «Можно! Лишь бы это была действительно бронза, а сталь была со средним содержанием углерода. Например, стали 30, 40 или 45».

Но в чертеже все-таки надо что-то записать, и записать надо наилучший вариант. Ухудшить всегда успеется. Для втулок подшипников скольжения хорошо подходят оловянные фосфористые (БрОФ10-1) и цинковые (БрОЦС5-7-12, БрОЦС6-6-3) бронзы. Безоловянные бронзы (БрАЖ9-4, БрС30) лучше работают с гладко обработанными закаленными направляющими, поэтому в любом случае направляющие надо закалить до твердости 40…50 HRC и отполировать с шероховатостью Ra 0,63.Мало ли из чего в итоге нарежут втулки. Внутреннюю поверхность втулок полировать не надо, но шероховатость у нее должна быть не хуже Ra1,25.

Не будем забывать о том, что у нас кроме подшипниковых втулок есть еще бронзовые ходовые гайки. Там требования к материалу пожестче, но для нашего случая не намного. Имеет смысл унифицировать материал для ходовых гаек и втулок скольжения.

Что касается геометрии и зазоров, то тут вольностей лучше не допускать. Для обеспечения работоспособности нашего изделия при заданных точностях максимальный гарантированный зазор между втулкой и направляющей (диаметр 16 мм) должен быть порядка 0,034 мм, что соответствует ходовой посадке по 7-му квалитету (Н8/f7).

На практике, при штучном (не серийном) изготовлении поступают так. Сначала растачивают, запрессованные в корпусах втулки, с нужными допусками формы и расположения поверхностей, затем точно измеряют получившиеся отверстия, и только затем шлифуют направляющие до размера, обеспечивающего необходимый зазор. Потом все это дело маркируют, чтобы в дальнейшем не перепутать какие корпуса, по каким направляющим скользят.

Кроме зазора важный параметр подшипниковой втулки – ее длина. Вернее не длина, как таковая, а отношение длины к диаметру (l/d). Известно, что несущая способность подшипника пропорциональна квадрату отношения l/d. Учитывая положительное и отрицательное влияние l/d на несущую способность, чаще всего придерживаются средних значений l/d=0,8…1,2. При диаметре направляющей 16 мм диапазон длин втулок - 12,8…19.2 мм. Однако в нашей конструкции несущая способность подшипника заботит мало, нагрузки у нас небольшие. Больше заботит чувствительность втулки к перекосам. Очевидно, чем меньше отношение l/d, тем меньше эта чувствительность. Поэтому длину втулки лучше выбрать ближе к 13 мм, чем к 20.

И последнее замечание. Что делать если не получается выполнить все приведенные в этой главе рекомендации? Бросить это дело и не париться? Ну, почему же, просто надо быть готовым к тому, что в итоге качество изделия (станка) пострадает. Только и всего. А вдруг не пострадает? Пострадает, пострадает, вопрос в том насколько? А вот это с точностью никто не скажет. Вопрос типа: «А что будет, если бронзу заменить латунью, или вообще сделать пару скольжения - сталь по стали?» - не имеет смысла. Попробуйте, сделайте, потом расскажете. Ясно одно – будет хуже. Кстати, в неответственных направляющих невысокой точности пара скольжения сталь–сталь допускается, при этом детали пары должны иметь разную твердость, например, направляющая закаленная, а втулка, наоборот, отпущенная.

Ходовые винты и гайки

Практически, тут могут быть только два варианта – классический стальной ходовой винт с бронзовой гайкой, снабженной устройством компенсации люфта, или шариковинтовая передача (ШВП).

Винтовая передача с трением скольжения

Почти все общие соображения, высказанные в предыдущей главе касательно выбора материалов для направляющих и подшипников скольжения, справедливы и для винтовой передачи с трением скольжения, повторяться нет смысла. Рассмотрим еще одно важное свойство винтовой пары, которое может иметь большое значение применительно к нашему случаю, а именно – демпфирующую способность винтовой передачи трения скольжения.

Шаговым двигателям свойственен нежелательный эффект, называемый резонансом. Эффект проявляется в виде внезапного падения момента на некоторых скоростях. Это может привести к пропуску шагов и потере синхронности. Эффект проявляется в том случае, если частота шагов совпадает с собственной резонансной частотой ротора. Борьбу с этим эффектом можно вести по двум направлениям. Электронными методами, например переходом на микрошаговый режим работы двигателя (или на уровне алгоритма работы драйвера), и организацией механического демпфирования.

Обидно, сделав или купив контроллер и построив станок, нарваться на явление резонанса. Поэтому нужно заранее позаботиться о том, чтобы при разгоне и торможении двигателя безболезненно пройти резонансную частоту. Переход на микрошаговый режим не всегда приемлем из-за резкой потери скорости и момента на валу. Да, если и приемлем, никогда не вредно иметь в виду механическое демпфирование.

Резонансная частота вычисляется по формуле F 0 = (N*T H /(J R +J L)) 0.5 /4*pi,

• F0 – резонансная частота,
• N – число полных шагов на оборот,
• TH – момент удержания для используемого способа управления и тока фаз,
• JR – момент инерции ротора,
• JL – момент инерции нагрузки.

Из формулы видно, что резонанс в большой степени зависит от подключенной к двигателю нагрузки. Очевидно, что при жестком креплении ходового винта к валу двигателя суммарный момент инерции системы существенно возрастет, что сдвигает резонанс в область более низких частот, на которых хорошо проявляются демпфирующие свойства вязкого трения в витках ходовой резьбы. Выбирая число витков, и регулируя в резьбе зазор (натяг) можно добиться устранения симптомов резонанса.

Вот тут многое зависит от материала гайки. Нужна хорошая адсорбция масла к материалу. Например, фторопластовая гайка не может служить демпфером из-за полной несмачиваемости маслом. Капрон, в этом смысле, ведет себя лучше, но тоже не слишком хорошо. Из неметаллов лучше всего подходит текстолит, который с маслом дружит. Бронза хороша со всех сторон.

Ходовой винт

Ходовые винты рассчитывают на прочность износостойкость и устойчивость. Прочность и КПД нас интересует мало. Износостойкость интересует в плане определения среднего давления на рабочих поверхностях резьбы и выбора высоты витка. А вот, исходя из расчета на устойчивость, мы должны определить диаметр винта при заданной длине и выбранной схеме закрепления винта в опорах. Схему эту тоже надо выбрать.

Не буду тут надувать щеки, делать умный вид и утомлять вас расчетами по хитрым формулам. Тем более что сам я, хотя и умею это делать, давно уже такие вещи не рассчитываю. Наш станок это не домкрат с упорной грузовой резьбой на заданную многотонную нагрузку, а точный механический прибор. Выбор геометрических параметров винта можно, и нужно, производить на основе анализа прототипов. Если вы проанализируете (анализировать нужно промышленное оборудование, а не самоделки) большое количество аналогичных станков и приборов схожей схемы, то обнаружите следующее:

• Опоры винта: один конец закреплен жестко, другой опирается прямо на шаговый двигатель.
• Минимальный диаметр винта: 12 мм при длине до 700 мм, 16 мм при длине до 1200 мм.
• Профиль резьбы: трапециидальный или ленточный (с прямоугольным профилем).
• При шаге 3 мм высота профиля резьбы 1,5 мм.

Можно провести расчеты конкретно для нашего станка и убедиться в этом, но время жалко. При конструировании основное внимание нужно уделить материалам и технологии что в данном случае гораздо важнее. Дальше будут изложены технические требования к винтам. К их выполнению следует стремиться, но сделать это не всегда возможно и довольно дорого. Тут необходимо искать компромиссы. Чем можно поступиться, а чем нельзя вопрос сложный и решается каждым конструктором по-разному, в соответствии со своими предпочтениями. Не настаивая на своем мнении, приведу основные требования, как это должно быть на самом деле.

Для термически необработанных ходовых винтов нормальной и повышенной точности лучшим материалом является горячекатаная сталь А40Г. Применяют также сталь 45 и 40Х улучшенную. В этом случае материал направляющих можно унифицировать с материалом винта.

В случае окончательной обработки винта резцом применяют сталь У10А, которую отжигают на твердость 197 НВ.

Для закаливаемых и шлифуемых по профилю резьбы винтов применяют сталь марок 40ХГ и 65Г, которая обладает высокой износостойкостью. Этот вариант для домашнего станка слишком крутой, а вот ШВП, кстати, только так и делают.

Допускаемые отклонения винтов:

1. Наибольшая допускаемая накопленная ошибка шага, мкм:
   • в пределах одного шага - ±3…6;
   • на длине 25 мм – 5…9;
   • на длине 100 мм – 6…12;
   • на длине 300 мм – 9…18;
   • на каждые 300 мм длины добавляется – 3…5;
   • на всей длине винта, не более – 20…40.
2. Допуски на наружный, средний и внутренний диаметры резьбы устанавливают не более соответствующих допусков на трапециидальную резьбу по ГОСТ 9484-81, с полем допуска 7Н по ГОСТ 9562-81.
3. Для обеспечения точности винтов по шагу и для предохранения резьбы от быстрой потери точности в результате местного износа, отклонение на овальность среднего диаметра резьбы при шаге 3 мм должно быть 5…7 мкм.
4. Биение наружного диаметра винта при проверке в центрах при длине до 1 метра – 40…80 мкм.
5. Если наружный диаметр винта служит технологической базой для нарезания резьбы (а почти всегда так и бывает), то допуск на наружный диаметр назначают по h5.

Нетрудно догадаться, что от отклонений по п.1 впрямую зависит точность станка. Если бы мы передвигали каретки вручную по нониусам, то так бы оно и было, но в нашем случае жить легче, потому что в станке ЧПУ накопленную ошибку можно компенсировать программно.

Если бы мы затеяли трапециидальную резьбу, то к уже изложенным требованиям следовало бы добавить кучу важных, но сложновыполнимых требований к углам профиля резьбы. Но стоимость ходового винта и так высока, чтобы изготавливать специальный инструмент для нарезания трапециидальной резьбы (а он именно изготавливается для каждого конкретного случая). При штучном изготовлении без подготовки специальной оснастки вполне сгодится ленточная резьба с прямоугольным профилем.

И все же, чем лучше трапециидальная резьба по сравнению с ленточной? Только одним – лучшей износостойкостью, т.к. рабочая поверхность витка у трапециидальной резьбы больше, а давление на этой поверхности, соответственно, меньше. Выбор между трапециидальной и ленточной резьбой – вопрос компромисса между долговечностью и стоимостью. Если вы готовы заплатить приличные деньги (сопоставимые со стоимостью ШВП) за долговечность, выбирайте трапециидальную резьбу. Я лично, не готов.

Предвижу вопрос из серии: «А что будет, если…?». Что будет, если взять хороший пруток и нарезать на нем метрическую резьбу с треугольным профилем? Отвечаю – будет хуже. На диаметре 12 мм стандартно режется метрическая резьба с шагом 1,75. Высота профиля у нее 1,137 мм, что недостаточно по износоустойчивости. Ближайшая резьба, подходящая по высоте профиля (1,624) имеет шаг 2,5 и режется на диаметре 18 мм. Получается приличная дубина. Но самое главное, требования к винту по пунктам 1-5 остаются те же. Выигрыш в стоимости изготовления если и будет, то небольшой.

Кстати, стоимость изготовления винта растет в геометрической прогрессии от его длины. Связано это с технологией нарезания резьбы и применением специальной оснастки. Например, для изготовления винта длиной до 500 мм требуется один люнет, а для винта 700 мм уже два. Люнеты под конкретный винт нужно дорабатывать, стоимость доработки и другой необходимой оснастки, как вы понимаете, входит в стоимость винта. Если бы мы делали 50 винтов, или связались с производством, где эти винты делают серийно, было бы дешевле, а так…. Вот почему я с самого начала заложил в станке рабочее поле по Х - 700 мм, а не 1000. Дорого и не везде сделают.

Ходовая гайка

Обычно гайки изготавливают из бронзы марок БрО10Ф1 и БрО6Ц6С3. Если вы найдете такую бронзу, то будет очень хорошо, но отнюдь не смертельно, если вы примените любую другую. Вообще все, что мы говорили о материалах для втулок скольжения, справедливо и для ходовых гаек.

Допускаемые отклонения гаек:

1. П. 2 для винтов относится и к гайкам.
2. Для разрезной гайки наружный диаметр резьбы назначают из условий обеспечения прилегания гайки к винту по профилю, поэтому его задают большим на 0,5 мм, чем по ГОСТ 9484-81. Внутренний диаметр назначают из условий необходимого зазора, поэтому его задают большим на 0,5 мм, чем по тому же ГОСТ-у.
3. В тех случаях, когда внутренний диаметр гайки служит технологической базой для окончательной обработки корпуса гайки (сами понимаете, так оно и бывает), внутренний диаметр гайки выполняют по Н6.
4. Допускаемые отклонения профиля и шага не регламентируются, а ограничиваются величиной допуска на средний диаметр.

Наличие зазоров между резьбами винтовой пары является причиной возникновения мертвого хода. Его устранение достигается конструктивными мерами – за счет стягивания разрезной гайки винтом, пружиной или цанговым зажимом. Проще всего сделать разрезную гайку со стяжкой ее винтом/

Как поступить?

Помните, что мы говорили про направляющие и подшипники скольжения: «На практике поступают так. Сначала растачивают втулки, и только потом шлифуют направляющие до размера, обеспечивающего необходимый зазор». Так вот, с ходовыми винтами и гайками все происходит с точностью до наоборот – сначала делают винты, а потом по ним точат гайки.

Это обстоятельство сулит большую выгоду. Винты практически не изнашиваются (именно так на производстве капитально ремонтируют станки – делают новые гайки к старым винтам), значит, вы можете принести на завод подходящий ходовой винт, и вам по нему сделают гайку. Подходящие винты можно купить, можно снять со старых станков и приборов, найти на свалке, наконец. Это сильно удешевит производство вашего станка, т.к. стоимость ходовых винтов составляет больше половины всех затрат на изготовление механики.

Как всегда бывает, у такого решения есть не только плюсы. Покупные (найденные) винты уже имеют разделанные концы, которые диктуют совершенно определенную конструкцию опор, возможно, вам не выгодную, а так же применение тех подшипников, которые подходят к винту, а не тех, которые хотелось бы поставить вам. Часто появляется необходимость в изготовлении для опор дополнительных деталей, которые добавляют стоимость, и которые не потребовались бы, будь конструкция винтов и гаек ваша. Это реальный минус.

В последнее время появилось много фирм (включая зарубежные), которые продают готовые винтовые пары. В принципе, стоимость покупки и изготовления отличаются не сильно, но возникает проблема с концами. Часто эти фирмы готовы изготовить для вас винты нужной длины и с разделкой концов, которую вы сами нарисуете, но цена при этом вырастет в 1,5…2 раза. В любом случае, изготавливать свои ходовые винты или купить готовые, решать вам.

Если вы не уверены в том, что вам удастся изготовить качественные винтовые пары, и вы решили в своем станке применить покупные или вообще «левые» винты, то будет правильно сначала их купить или найти, а уж потом приниматься за конструирование станка. Точнее за конструктивное оформление, потому что конструировать в нем особо нечего.

ШВП

В шариковинтовой передаче трение скольжения заменено трением качения. Это позволяет значительно повысить КПД механизма до 95…98%, а также на порядок увеличить его ресурс. Именно этим объясняется широкое применение ШВП в машиностроении.

Точность ШВП ниже точности винтовых передач с трением скольжения. Объясняется это просто. В обычной винтовой передаче в контакте находятся всего две детали и технологический зазор (мертвый ход) регулируется, а в ШВП, кроме тех же самых двух деталей (винт и гайка) в работу включается третья деталь – шарик, вернее куча шариков, и регулировать мертвый ход проблематично. Но это не значит, что ШВП не точная. Она точная, только технологически точность эта дается не просто. Скажем так, если сравнивать ШВП и винтовую передачу с трением скольжения одинаковой точности, то ШВП получается существенно дороже.

Я не плохо отношусь к ШВП и не ратую исключительно за классический винт с гайкой. Наоборот, мне нравятся ШВП, сам мечтаю сделать с ними станок. Но. Кроме того, что это надежно, красиво, дорого и вообще круто, это ко многому обязывает. Странно видеть ШВП рядом с направляющими из трубок для штор и капроновыми подшипниками, просверленными дрелью. И наоборот, хорошие направляющие с модными металлофторопластовыми подшипниками смотрятся рядом с резьбовой шпилькой, купленной на рынке, и шестигранной гайкой за 3 рубля не менее странно.

Уж если применять ШВП, то совместно с хорошими направляющими, качественными гильзами подшипников скольжения, добротными переходными муфтами для подсоединения ШВП к двигателю, да и остальные детали станка должны быть на уровне. Иначе смысла нет. А это уже совсем другая ценовая категория.

Конструкция станка

1. Придумать сложный механизм с кучей деталей не трудно. Тут много ума не надо. Трудно придумать механизм простой и технологичный, но который выполняет те же функции, что и сложный. Почему трудно придумать оригинальный велосипед? Потому что в нем уже все придумано, давно! Возникает вопрос, а надо ли заниматься изобретательством и конструкторской эквилибристикой? Станок нужен для дела, а не для демонстрации воспаленного воображения конструктора. Поэтому, не мудрствуя лукаво, пороемся в Интернете и подберем готовую конструктивную схему станка, отвечающую нашим требованиям.
2. Детали станка должны иметь простую геометрическую форму с минимальным количеством фрезерных операций. Кроме того, деталей этих должно быть мало. Мы и так потратим кучу денег на направляющие и ходовые винты с гайками, чтобы разоряться еще и на филигранных, кружевных корпусных деталях.
3. Никакой сварки. Это лишние деньги, а кроме того, потом все равно придется отжигать сваренный узел в печи, чтобы снять остаточные напряжения, и ставить на станок для механической обработки.
4. Материал всех корпусных деталей – сплав Д16Т. Жесткость будем набирать большими монолитными сечениями, т.к. для придания необходимой жесткости одна толстая деталь дешевле, чем три тонких скрепленных вместе.
5. Как можно меньше крепежных деталей. Нарезание резьбы тоже стоит денег.
6. Неплохо было бы заложить в конструкцию возможность модернизации. Например, при необходимости изменять рабочее поле станка с минимальными доработками.

Поиски в Интернете дали результат. Мне понравился австрийско-немецкий станок Step-Four (Каретка Z.

Каретка Y это уже два бруска с подшипниками и отверстиями для направляющих Z. Направляющие должны вставляться в отверстия по плотной (переходной) посадке и фиксироваться установочными винтами. Фиксация винтами нужна больше для успокоения души, чем для реального крепления. Направляющие должны сидеть в отверстиях как вкопанные. В нижнем бруске имеется отверстие для подшипникового узла ходового винта, а в верхнем – посадочное место для шагового двигателя.

Каретка Х – две стенки, имеющие такие же конструктивные элементы, что и бруски каретки Y. Толщина стенок 15 мм. Меньше никак нельзя, иначе направляющие будут плохо держаться. В нижней части стенок привинчиваются корпуса подшипников скольжения для перемещения каретки по направляющим, расположенным в раме.

Ходовая часть в сборе.

Осталось прикрутить готовую ходовую часть станка к прочному и жесткому основанию за уголки балок. Основанием может служить, например кусок ламинированной доски, применяемой для изготовления столешниц кухонной мебели, или просто письменный стол. Балки рамы сами займут нужное положение. Главное им не мешать.

Заметьте, изменяя длину направляющих можно легко сделать станок с любыми (в разумных пределах) размерами рабочей плоскости фрезерования, не меняя корпусные детали.

Трансмиссия

Можно приступать к установке винтов.

Как мы уже говорили, один конец винта висит прямо на шаговом двигателе, а другой опирается на подшипниковый узел, состоящий из двух радиально-упорных подшипников, которые не дают перемещаться винту вдоль оси. Один подшипник обеспечивает упор в одну сторону, другой – в другую. Натяг в подшипниках создается колпачковой гайкой через втулки, стоящие между подшипниками. Узел подшипников, а значит, и весь винт фиксируется в корпусе установочным винтом через отверстие во внешнем кольце.

Подшипники могут быть любые. Я применил с габаритными размерами 6х15х5. По идее, тут должен стоять радиально-упорный сдвоенный подшипник (серия 176 ГОСТ 8995-75), но найти его трудно. Даже простые радиально-упорные подшипники на рынке кучами не лежат, а уж сдвоенных и вовсе нет. Можно поставить обыкновенные радиальные подшипники. Осевые усилия и скорости у нас не большие, а если через некоторое время захрустят, то заменить их легко, не надо даже ничего разбирать.

На ось мотора винт насажен через втулку с клеммными зажимами.

Передача момента с приводного винта координаты Х на неприводной осуществляется специальным пластиковым зубчатым ремнем.

Сам зубчатый ремень и шестеренки покупные. Ремень на такой длине практически не тянется и ему необходимо обеспечить хороший натяг. Надежно ли это? Надежно. А можно поставить по оси Х два шаговика, по одному на каждый винт? Не знаю, не пробовал. Думаю, будут проблемы с синхронизацией. А ремень - дешево и сердито.

Последний штрих. Ставим кронштейн для шпинделя.

Вот и все. Можно цеплять электронику, ставить шпиндель и запускать станок. Все должно работать. И работает, надо сказать! Принципиально больше ничего не нужно. Ах да, концевые выключатели надо поставить, но можно и не ставить. Это опция, станок прекрасно работает и без концевых выключателей.

Считаем корпусные (кроме направляющих и ходовых винтов) детали, которые надо заказывать на заводе - 14 штук! Плюс 2 уголка, плюс две детали для кронштейна шпинделя. Итого: 18 деталей. А по номенклатуре и того меньше, всего 8. Очень хороший результат!

Придаем «товарный» вид

Глядя на фото прототипа с сайта, видим, что там станочек солидный, а у нас какой-то скелетистый и дохлый!

Щас, сделаем!

Установим снизу рамы швеллеры – основания (толщина 5 мм) и закроем ходовые винты швеллером – кожухом (толщина 2 мм).

Установим траверзы, тоже из швеллеров. Таким образом, с одного конца закроем ременную передачу, а с другого на траверзу можно установить разъемы от шаговиков.

На каретке Х установим кожух, защищающий ходовой винт Y, а к нему привинтим желоб, в котором будет лежать кабель от каретки Z. Такой же желоб привинтим к раме со стороны приводов.

Придадут ли все эти кожухи нашему станку жесткости? Безусловно, придадут, но не шибко много. Усиливать конструкцию и придавать ей общую жесткость подобным способом нельзя. Силовая схема станка должна работать сама по себе и без этих подпорок. Но зато теперь станок можно легко переносить с места на место, а не держать его привинченным к письменному столу.

Поставим крышечки, выпилим (для пробы) на новом станке коробочки, чтобы спрятать в них переходные колодки для проводов от шаговиков. И, последний штрих, установим гусеницы для кабелей.

Я не являюсь большим специалистом в области металлообработки и конструирования конкретно металлообрабатывающих станков, поэтому возможно, где-то оказался неправ или неточен, знающие товарищи меня поправят. Кроме того, за многие годы реального конструирования в приборостроении и машиностроении у меня сложились определенные стереотипы в подходах к проектированию деталей машин (выбор конструктивных баз, особенности назначения допусков и посадок, адаптация конструкции под конкретное заводское оборудование и пр.), возможно, вас эти подходы не устроят, поэтому здесь их и не привожу. Но при проектировании данного станка я опирался именно на те общие соображения, которые изложил в статье. И станок этот работает! Как задумано! Прослужит ли он 8 лет – не знаю, время покажет, но, имея конструкторскую документацию, я могу изготовить не только запчасти, но еще парочку таких же станков. Если понадобится.

1. В.И.Анурьев. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3-х томах. Москва. «Машиностроение». 2001.
2. И.Я.Левин. Справочник конструктора точных приборов. Москва. ОБОРОНГИЗ. 1962.
3. Ф.Л.Литвин. Проектирование механизмов и деталей приборов. Ленинград. «Машиностроение». 1973.
4. П.И.Орлов. Основы конструирования. В 3-х томах. Москва. «Машиностроение». 1977.
5. Справочник. Приборные шариковые подшипники. Москва. «Машиностроение». 1981.
6. Справочник металлиста. В 5 томах. Под ред. Б.Л.Богуславского. Москва. «Машиностроение». 1978.

Шарико-винтовая пара – передача типа «винт-гайка», преобразовывающая вращательное движение винта, передаваемое ему валом шагового двигателя или сервопривода, в поступательное движение гайки, закрепленной на/в столе или шпиндельной коробке. Изначально предназначена для применения в высокоточном оборудовании, но по факту выступает основой для построения кинематических схем управляемых осей в 90% создаваемых сегодня станков с ЧПУ независимо от требований к точности.

Преимущества ШВП перед остальными видами передач:

• высокая точность линейных перемещений;
• КПД доходит до 98%;
• продолжительный ресурс работы;
• в ШВП, в отличие от зубчатых пар, создается преднатяг по требуемому классу;
• возможность использования двигателей меньшей мощности за счет того, что ШВП не требует приложения повышенного усилия для перевода стола или шпиндельной коробки из состояния покоя в состояние движения.

Недостатки: боятся грязи и пыли, ограничения по длине (из-за опасности провисания винта, что ведет к деформации узлов крепления и ускоренному износу гайки), повышенная чувствительность к вибрациям.

Классификация ШВП

Шарико-винтовые передачи классифицируются по нескольким признакам.

Технология изготовления ходового винта. На катаных винтах канавка наносится холодной прокаткой. Этот способ дешевле, но он подходит только для изделий среднего класса точности. На шлифованных винтах канавка нарезается до термообработки, и после шлифуется. Получается дороже, но точнее.

Тип гайки. Бывают фланцевые и круглые, внутри каждого типа разделяются на одинарные и двойные.

Тип механизма возврата шариков. Наружная рециркуляция – шарики возвращаются в рабочую зону по трубке, размещенной снаружи корпуса гайки. Цикл возврата – от 1,5 до 5,5 оборота винта. Внутренняя рециркуляция – переходы для шариков вырезаны на внутреннем профиле гайки на каждом витке. Цикл возврата – один оборот. Концевая система возврата – шарик проходит полный путь по всем виткам, находящимся внутри гайки. Используется в передачах с крупным шагом винта.

Шаг винта – базовый критерий выбора передачи для решения конкретных задач. ШВП с мелким шагом применяются в низкоскоростных станках, они характеризуются высоким ресурсом и высокой нагрузочной способностью. Увеличение шага ведет к снижению способности воспринимать высокие нагрузки, но повышает скорость перемещения.

При выборе фрезерного станка(CNC Router) с чпу определитесь:

1. с каким материалом Вы собираетесь работать. От этого зависят требования к жесткости конструкции фрезерного станка и её типу.

Например, ЧПУ станок из фанеры позволит обрабатывать лишь дерево(в том числе фанеру) и пластики(в том числе композитные материалы - пластик с фольгой).

На фрезерном станке из алюминия можно обрабатывать уже и заготовки цветных металлов, при этом увеличится и скорость обработки изделий из дерева.

Для обработки стали фрезерные станки из алюминия не пригодны, здесь уже нужны массивные станки с литой станиной из чугуна, при этом и обработка цветных металлов на таких фрезерных станках будет с большей эффективностью.

2. с размером заготовок и размером рабочего поля фрезерного станка. Это определяет требования к механике станка с ЧПУ.

При выборе станка уделите внимание изучению механики станка, от её выбора зависят возможности станка, а заменить её без существенной переделки конструкции невозможно!

Механика фрезерного ЧПУ станка из фанеры и алюминия зачастую одинаковая. Подробнее ниже по тексту.

Но чем больше размер рабочего поля станка тем более жесткие и дорогие направляющие линейного перемещения потребуются для его сборки.

При выборе станков для решения задач изготовления высоких деталей, с большими перепадами высот, существует распространенное заблуждение в том, что достаточно выбрать станок с большим рабочим ходом по оси Z. Но даже при большом ходе по оси Z, невозможно изготовить деталь с крутыми склонами, если высота детали больше рабочей длины фрезы, то есть более 50мм.

Рассмотрим устройство фрезерного станка и варианты выбора на примере станков с чпу серии Моделист.

A) Выбор конструкции CNC станка

Существует два варианта построения CNC станков:

1) конструкции с подвижным столом , рисунок 1.
2) конструкция с подвижным порталом , рисунок 2.

Рисунок 1 Фрезерный станок с подвижным столом

Преимущества конструкции станка с подвижным столом - это простота реализации, большая жесткость станка ввиду того, что портал неподвижен и закреплен к раме (основанию) станка.

Недостаток - большие размеры, по сравнению с конструкцией с подвижным порталом, и невозможность обработки тяжелых деталей в связи с тем, что подвижный стол несет на себе деталь. Данная конструкция вполне подходит для обработки дерева и пластиков, то есть легких материалов.

рисунок 2 Фрезерный станок с подвижным порталом(портальный станок)

Преимущества конструкциифрезерного станка с подвижным порталом:

Жесткий стол, выдерживающий большой вес заготовки,

Неограниченная длина заготовки,

Компактность,

Возможность исполнения станка без стола (например, для установки поворотной оси).

Недостатки:

Меньшая жесткость конструкции.

Необходимость применения более жестких (и дорогих) направляющих (ввиду того, что портал "висит" на направляющих, а не закреплен на жесткой станине станка, как в конструкции с подвижным столом).

B) Выбор механики Фрезерного станка с ЧПУ

Механика представлена (см. цифры на рис.1, рис.2 и рис.3):

3 - держателями направляющих

4 - линейными подшипниками или втулками скольжения

5 - опорными подшипниками (для крепления ходовых винтов)

6 - ходовыми винтами

10 - муфтой соединения вала ходового винта с валом шаговых двигателей (ШД)

12 - ходовой гайкой

рисунок 3

Выбор системы линейного перемещения фрезерного станка (направляющие - линейные подшипники, ходовой винт - ходовая гайка).

В качестве направляющих могут использоваться:

1) роликовые направляющие качения , рисунок 4,5

Рисунок 4

Рисунок 5

Этот тип направляющих попал в конструкции любительских лазеров и станков из мебельной промышленности,рисунок 6

Недостаток - низкая нагрузочная способность и низкий ресурс, поскольку изначально не предназначены для использования в станках с большим количеством перемещений и высокими нагрузками, невысокая прочность алюминиевого профиля направляющих приводит к развалу, рисунок 5 и как следствие неустранимый люфт, что делает непригодным дальнейшей использование станка.

Ещё один вариант роликовых направляющих, рисунок 7, также не пригодный для высоких нагрузок и потому используется только в лазерных станках.

Рисунок 7

2) круглые направляющие , представляют собой стальной вал изготовленный из высококачественной износоустойчивой подшипниковой стали со шлифованной поверхностью, с поверхностной закалкой и жестким хромированием, показаны под цифрой 2 на рисунке 2.

Это оптимальное решение для любительских конструкций, т.к. цилиндрические направляющие имеют достаточную жесткость для обработки мягких материалов при небольших размерах станка с чпу при относительно низкой стоимости. Ниже представлена таблица выбора диаметра цилиндрических направляющих в зависимости от максимальной длины и минимальной величины прогиба.

Некоторые китайские производители дешёвых станков устанавливаю направляющие не достаточного диаметра, что ведет к снижению точности, например, при использовании на станке из алюминия на рабочей длине 400мм направляющих диаметром 16мм приведет к прогибу в центре под собственным весом на 0,3..0,5мм(зависит от веса портала).

При правильном выборе диаметра вала, конструкция станков с их использованием получается достаточно прочная, большой вес валов придает конструкции хорошую устойчивость, общую жесткость конструкции. На станках размером более метра применение круглых направляющих требует значительного увеличения диаметра для сохранения минимального прогиба, что делает применение круглых направляющих неоправданно дорогим и тяжелым решением.

Длина по оси	Станок из фанеры	Станок из алюминия для работ по дереву	Станок из алюминия для работ по алюминию
200мм	12	12	16	12
300мм	16	16	20	16
400мм	16	20	20	16
600мм	20	25	30	16
900мм	25	30	35	16

3) профильные рельсовые направляющие
На смену полированным валам на станках большого габарита приходят профильные направляющие. Использование опоры по всей длине направляющей позволяет использовать направляющие значительно меньших диаметров. Но использование данного вида направляющих накладывает высокие требования к жесткости несущей рамы станка, поскольку станины из листового дюраля или листовой стали сами по себе не являются жесткими. Малый диаметр рельсовых направляющих требует использования в конструкции станка толстостенной стальной проф трубы или конструкционного алюминиевого профиля большого сечения для получения необходимой жесткости и несущей способности рамы станка.
Использование особой формы профильного рельса позволяет получить лучшую износоустойчивость в сравнении с другими типами направляющих.

Рисунок 8

4) Цилиндрические направляющие на опоре
Цилиндрические направляющие на опоре являются более дешевым аналогом профильных направляющих.
Также как и профильные требуют использования в раме станка не листовых материалов, а проф трубы большого сечения.

Преимущества - отсутствие прогиба и отсутствие эффекта рессор. Цена вдвое выше, чем у цилиндрических направляющих. Их использование оправдано при длине перемещения выше 500мм.

рисунок 9 Цилиндрические направляющие на опоре

Перемещение можно выполнить как на втулках (трение скольжения) - рис.10 слева, так и с использованием линейных подшипников (трение качения) - рис. 10 справа.

рисунок 10 Втулки и линейные подшипники

Недостаток втулок скольжения - износ втулок, приводящий к появлению люфтов, и повышенное усилие на преодоление трения скольжения, требующее применения более мощных и дорогих шаговых двигателей (ШД). Их преимущество - низкая цена.

В последнее время цена на линейные подшипники настолько снизилась, что их выбор экономически целесообразен даже в недорогих хоббийных конструкциях. Преимущество линейных подшипников в меньшем коэффициенте трения по сравнению с втулками скольжения, а, соответственно, большая часть мощности шаговых моторов идет на полезные перемещения, а не на борьбу с трением, что делает возможным применение моторов меньшей мощности.

Для преобразования вращательного движения в поступательное на ЧПУ станке необходимо применение винтовой передачи (ходового винта ). За счет вращения винта, гайка движется поступательно. В фрезерно-гравировальных станках может применяться винтовые передачи скольжения и винтовые передачи качения .

Недостаток винтовой передачи скольжения - довольно большое трение, ограничивающее её использование при больших оборотах и приводящее к износу гайки.

Винтовые передачи скольжения:

1) метрический винт. Достоинство метрического винта - низкая цена. Недостатки - низкая точность, малый шаг и низкая скорость перемещения. Максимальная скорость перемещения винта (velocity mm`s per min) исходя из максимальных оборотов ШД (600об/мин). Лучшие драйвера сохранят момент вплоть до 900об/м. При такой скорости вращения можно получить линейное перемещение:

Для винта М8 (шаг резьбы 1,25мм) - не более 750мм/мин,

Для винта М10 (шаг резьбы 1,5мм) - 900мм/мин,

Для винта М12 (шаг резьбы 1,75мм) - 1050мм/мин,

Для винта М14 (шаг резьбы 2,00мм) - 1200мм/мин.

При максимальных оборотах у мотора останется порядка 30-40% от его первоначально указанного момента, и данный режим используется исключительно для холостых перемещений.

При работе на такой низкой подаче повышенные расход на фрезы, уже через несколько часов работы на фрезах образуется нагар.

2) трапецеидальный винт . В двадцатом веке занимал лидирующее положение в станках для металлообработки, до появления ШВП. Достоинство - высокая точность, большой шаг резьбы, а следовательно, и высокая скорость перемещения. Следует обращать на вид обработки, чем более гладкая и ровная поверхность винта тем больший срок службы у передачи винт-гайка. Катанные винты имеют преимущество перед нарезными винтами. Недостатки трапецеидальной передачи винт-гайка - достаточно высокая цена в сравнении с метрическим винтом, трение скольжение требует применения шаговых двигателей достаточно большой мощности. Основное распространение получили винты TR10x2 (диаметр 10мм, шаг резьбы 2мм), TR12x3 (диаметр 12мм, шаг резьбы 3мм) и TR16x4 (диаметр 16мм, шаг резьбы 4мм). В станках маркировка такой передачи TR10x2,TR12x3,TR12x4,TR16x4

Винтовые передачи качения:

Шарико-винтовая передача (ШВП). В Шарико-винтовой передаче трение скольжения заменено на трение качения. Для достижения этого в ШВП винт и гайка разделены шариками, которые катаются в углублениях резьбы винта. Рециркуляция шариков обеспечена с помощью возвратных каналов, которые идут параллельно оси винта.

Рисунок 12

ШВП обеспечивает возможность работы при больших нагрузках, хорошую плавность хода, значительно увеличенный ресурс(долговечность) за счет уменьшения трения и смазки, увеличенный коэффициент полезного действия(до 90%) за счет меньшего трения. Она способна работать на больших скоростях, обеспечивает выокую точность позиционирования, высокую жёсткость и отсутствие люфта. То есть станки с использованием ШВП обладают значительно большим ресурсом, но имеют более высокую цену. В станках имеют маркировку SFU1605, SFU1610, SFU2005, SFU2010, где SFU -одинарная гайка, DFU - двойная гайка, первые две цифры - диаметр винта, вторые две - шаг резьбы.

Ходовой винт фрезерного станка может крепиться следующим образом:

1) Конструкция с одним опорным подшипником. Крепление осуществляется с одной стороны винта гайкой к опорному подшипнику. Вторая сторона винта через жесткую муфту крепится к валу шагового двигателя. Достоинства - простота конструкции, недостаток - повышенная нагрузка на подшипник шагового двигателя.

2) Конструкция с двумя опорными подшипниками в распор. В конструкции используется два опорных подшипника во внутренних сторонах портала. Недостаток конструкции - более сложная реализация по сравнению с вариантом 1). Достоинство - меньшие вибрации, если винт не идеально ровный.

3) Конструкция с двумя опорными подшипниками в натяг. В конструкции используется два опорных подшипника на внешних сторонах портала. Достоинства - не деформируется винт, в отличие от второго варианта. Недостаток - более сложная реализация конструкции, по сравнению с первым и вторым вариантом.

Ходовые гайки бывают:

Бронзовые безлюфтовые. Достоинство таких гаек - долговечность. Недостатки - сложны в изготовлении (как следствие - высокая цена) и имеют большой коэффициент трения в сравнении с с гайками из капролона.

Капролоновые безлюфтовые. В настоящее время капролон получил широкое распространение и все чаще заменяет метал в профессиональных конструкциях. Ходовая гайка из графитонаполненного капролона имеет значительно меньший коэффициент трения по сравнению с той же бронзой.

рисунок 14 Ходовая гайка из графитонаполненного капролона

В гайке шарико-винтовой пары (ШВП) трение скольжения заменено на трение качения. Достоинства - низкое трение, возможность работы на высоких скоростях вращения. Недостаток - высокая цена.

Выбор соединительной муфты

1) соединение с использованием жесткой муфты. Достоинства: жесткие муфты передают больший крутящий момент с вала на вал, нет люфта при больших нагрузках. Недостатки: требуют точной установки, так как эта муфта не компенсирует несоосность и перекос валов.

2) соединение с использованием сильфонной (разрезной) муфты. Преимуществом использование сильфонной муфты является то, что ее использование позволяет компенсировать несоосность установки ходового вала и оси шагового двигателя до 0,2мм и перекос до 2,5 градусов, в следствии чего меньшая нагрузка на подшипник шагового двигателя и больший ресурс шагового двигателя. Она также позволяет гасить возникающие вибрации.

3) соединение с использованием кулачковой муфты. Достоинства: позволяет гасить возникающие вибрации, передают больший крутящий момент с вала на вал, в сравнении с разрезной. Недостатки: меньшая компенсация несоосности, несоосность установки ходового вала и оси шагового двигателя до 0,1мм и перекос до 1,0 градуса.

C) Выбор электроники

Электроника представлена (см. рис. 1 и 2):

7 - контроллером шаговых двигателей

8 - блоком питания контроллера ШД

11 - шаговыми двигателями

Существуют 4х-проводные, 6-ти проводные и 8-ми проводные шаговые двигатели . Всех их можно использовать. В большинстве современных контролеров подключение осуществляется по четырех проводной схеме. Остальные проводники не используются.

При выборе станка важно чтоб шаговый двигатель был достаточной мощности для перемещения рабочего инструмента без потери шагов, то есть без пропусков. Чем больше шаг резьбы винта тем более мощные потребуются моторы. Обычно чем больше ток двигателя тем больше и его крутящий момент(мощность).

Многие моторы имеют 8 выводов для каждой полуобмотки в отдельности - это позволяет подключить мотор с последовательно соединенными обмотками либо параллельно. При параллельно соединенных обмотках вам потребуется драйвер на в два раза больший ток, чем при последовательно соединенных обмотках, но при этом будет достаточно в два раза меньшего напряжения.

При последовательном наоборот - для достижения номинального момента потребуется в два раза меньший ток, но для достижения максимальных оборотов - в два раза большее напряжение.

Величина перемещения за один шаг, обычно, 1,8 градуса.

Для 1,8 получается 200 шагов на один полный оборот. Соответственно для вычисления величины количество шагов на мм («Шагов на мм» (Step per mm) ) пользуемся формулой: кол-во шагов на оборот / шаг винта. Для винта с шагом 2мм получим: 200/2=100 шагов/мм.

Выбор контроллера

1) DSP контроллеры. Достоинства - возможность выбора портов (LPT , USB, Ethernet) и независимость частот сигналов STEP и DIR от работы операционной системы. Недостатки - высокая цена (от 10 000 руб.).

2) Контроллеры от китайских производителей для любительских станков. Достоинства - низкая цена (от 2500 руб.). Недостаток - повышенные требования к стабильности работы операционной системы, требует соблюдения определенных правил настройки, предпочтительно использование выделенного компьютера, доступны только версии LPT.

3) Любительские конструкции контроллеров на дискретных элементах. Низкая цена китайских контроллеров вытесняет любительские конструкции.

Наибольшее распространение в любительских конструкциях станков получили китайские контроллеры.

Выбор блока питания

Для двигателей Nema17 необходим блок питания не менее 150Вт

Для двигателей Nema23 необходим блок питания не менее 200Вт

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

Ходовой винт - это важная деталь, которая используется в качестве преобразователя движения. Он изменяет вращательное движение в поступательно-прямолинейное перемещение. Для этого он снабжается специальной гайкой. Кроме этого, он обеспечивает перемещение с заданной точностью.

Показатели качества винта

Винт, как очень важная деталь, должен соответствовать множеству требований. Для того чтобы его можно было использовать, к примеру, в настольных тисках, он должен подходить по таким параметрам, как: диаметральный размер, точность профиля и точность шага резьбы, соотношение резьбы винта с его опорными шейками, износостойкость, толщина нитки резьбы. Также важно отметить, что в зависимости от степени точности перемещения, которую обеспечивают винты, их можно разделить на несколько классов точности от 0 до 4. К примеру, ходовые винты металлорежущих станков должны соответствовать классу точности от 0 до 3. 4 класс точности не подходит для использования в таком оборудовании.

Материал для заготовки ходового винта

В качестве заготовки для производства винта используют обычный пруток, который отрезается от сортового металла. Однако здесь важно отметить, что к материалу, служащему заготовкой, предъявляются некоторые требования. Металл должен обладать хорошей стойкость к износу, хорошей обрабатываемостью, а также обладать состоянием стабильного равновесия в условиях внутреннего напряжения, которое возникает после обработки. Это очень важно, так как данное свойство поможет избежать деформации ходового винта при его дальнейшем использовании.

Для производства этой детали со средним классом точности (2-й или 3-й), к которой не будут предъявляться требования повышенной устойчивости к температуре, используют сталь А40Г, являющуюся среднеуглеродистой, с добавками серы и стали 45 с дополнением свинца. Такой сплав улучшает возможность обработки винта, а также уменьшает шероховатость поверхности материала.

Профиль винта

Существует три профиля винта, которые используются при производстве ходового винта токарного станка или любого другого. Профиль может быть трапецеидальным, прямоугольным или треугольным. Наиболее распространенным типом считается трапецеидальная резьба. К ее преимуществам можно отнести то, что она выше по точности, чем прямоугольная. Кроме этого, используя разрезную гайку, можно регулировать осевые зазоры трапецеидальным винтом, которые возникают из-за износа оборудования.

Здесь важно также отметить, что нарезание, как и шлифовка трапецеидальной резьбы на винт, гораздо проще, чем прямоугольной. Но при этом нужно понимать, что точностные характеристики прямоугольной резьбы выше, чем у трапецеидальных. Это значит, что если стоит задача создать винт с наилучшей регулировкой по точности, то придется все же нарезать прямоугольную резьбу. Трапецеидальные винты не подходят для проведения очень точных операций.

Обработка винта

Основными деталями, на которых базируется винт в станке, стали опорные шейки и буртики. Исполнительной поверхностью у винта считается его резьба. Наибольшая точность в настольных тисках и любых других станках, имеющих такой винт, должна быть обеспечена между исполнительной поверхностью детали, а также основной базирующей поверхностью. Технологической базой при производстве ходового винта считается его По этой причине, для того чтобы избежать деформации, обработку всех этих поверхностей осуществляют с использованием Применение этой детали определяет специфику обработки ходового винта.

Здесь также важно отметить, что винт с разным классом точности, обрабатывается до различных величин. Детали, которые будут принадлежать к 0,1 и 2 классу точности обрабатывают до 5-го квалитета. Винты, принадлежащие к 3-му классу точности, проходят обработку до 6-го квалитета. Винты, относящиеся к 4-й категории, обрабатываются также до 6-го квалитета, но при этом у них имеется поле допуска по наружному диаметру.

Центровка и нарезание резьбы

Для того чтобы получить приемлемого качества винт, необходимо осуществить еще несколько операций. Одной из них стала центровка детали, которая проходит на токарном станке. Ходовой винт, а точнее, заготовка для этой детали центрируется на указанном оборудовании и здесь же ей подрезают торцы. Кроме этого, проводится операция по шлифовке заготовки. Для этого применяют бесцентрошлифовальные или круглошлифовальные станки в центрах. Здесь важно добавить, что шлифовка в центрах осуществляется только для винтов 0,1 и 2 класса точности.

Далее, прежде чем приступить к нарезке резьбы, заготовку необходимо подвергнуть правке. Здесь нужно отметить, что этой операции подвергают только винты с 3-м и 4-м классом точности. После этого их поверхность дополнительно шлифуется. В качестве оборудования для нарезания резьбы на ходовом винте используют токарно-винторезный станок.

Описание гайки винта

Гайка ходового винта предназначается для того, чтобы обеспечить точные установочные перемещения. В некоторых редких случаях их могут производить из такого материала, как антифрикционный чугун. Этот элемент должен обеспечивать постоянное зацепление с витками винта, а также выступать в роли компенсирующей детали. Компенсировать придется зазор, который неизбежно возникнет при износе винта. К примеру, гайки для ходовых винтов, использующихся в токарных станках, изготавливаются сдвоенными. Это необходимо для того, чтобы убрать зазор, который может возникнуть либо вследствие производства и сборки станка, либо в результате износа его деталей.

Особенность винта с гайкой сдвоенного типа в том, что она обладает неподвижной и подвижной частью. Подвижная часть, которая является правой, может перемещаться вдоль оси неподвижной части. Именно это передвижение и будет компенсировать зазор. Производство гайки осуществляется лишь для винтов нулевого, 1-го и 2-го класса точности. Для их изготовления используют оловянистую бронзу.

Из чего изготавливают гайки и их износ?

Наиболее распространенными материалами для производства этого вида деталей стали алюминиево-железистые бронзы, по нормам станкостроения МТ 31-2. Кроме этого материала, может также использоваться антифрикционный чугун, как заменитель для неответственных

Здесь важно добавить, что гайка изнашивается намного быстрее, чем непосредственно ходовой винт. Для этого есть несколько причин:

• резьба гайки плохо защищена от любого вида загрязнений, а также ее довольно трудно очищать от этих ненужных элементов;
• часто случается так, что этот элемент изначально плохо смазывается и это сильно сказывается на сроке службы;
• при зацеплении гайки с винтом получается так, что у второго элемента работают одновременно все витки, а вот у винта лишь те, что находятся в сцепке с гайкой.

По этим причинам винты с гайкой должны проверяться чаще, поскольку износ гайки наступает довольно быстро.