Ръководство за избор на стъпка на кълбест винт за инжекционно формоване | YOSO

При проектирането на кълбести винтове за напълно електрични машини за инжекционно формоване едно от най-важните решения е също така едно от най-често пренебрегваните: винтово стъпене стъпката — разстоянието, което гайката изминава при единична оборот на винтовия вал — директно определя връзката между скоростта на двигателя, линейната скорост и тласковата сила.

Изберете твърде фин ход и машината не може да постигне изисканите скорости на инжекция. Изберете твърде груб ход и ще загубите тягова сила и разрешение при позициониране. Правилният избор означава, че машината постига всички целеви показатели за производителност; неправилният избор води до намалена скорост, сила или точност.

Това ръководство обяснява как функционира ходът на кълбестия винт, компромисите, свързани с него, и как да изберете оптималния ход за всяка ос на машина за леене под налягане.

Какво е ходът на кълбестия винт?

The олово ходът на кълбестия винт е линейното разстояние, което гайката изминава при едно пълно завъртане на 360° на винтовия вал. Измерва се в милиметри на оборот (mm/rev).

Често срещани размери на хода за приложения в леенето под налягане включват:

• Фини ходове : 5 mm, 6 mm, 8 mm, 10 mm/rev
• Средни ходове : 16 mm, 20 mm, 25 mm/rev
• Високи ходове : 32 мм, 40 мм, 50 мм/об.
• Ултрависоки ходове : 63 мм, 80 мм, 100 мм/об.

Важно: Ходът ≠ стъпка Стъпката е разстоянието между съседните върхове на резбата. При едноходови винтове ходът е равен на стъпката. При многоходови винтове (двухходови, четириходови и др.) ходът = стъпка × брой ходове. Винтовете с висок ход почти винаги са многоходови конструкции, за да се запази подходящият размер на топчетата и носимостта.

Основният компромис: скорост срещу тяга

Ходът на винтовата предавка с топчета създава обратна зависимост между линейната скорост и силата на тяга, управлявана от основни механични принципи:

Линейна скорост = Об./мин. на винта × Ход

• Удвояването на хода удвоява линейната скорост при същите об./мин.
• Пример: 1500 об./мин. × 10 мм ход = 15 м/мин; 1500 об./мин. × 20 мм ход = 30 м/мин

Сила на тласък = Въртящ момент × 2π / Стъпка × Ефективност

• Удвояването на стъпката намалява наполовина силата на тласък при същия въртящ момент
• Пример: 10 Nm въртящ момент × 2π / 0,01 m × 90 % ефективност = ~5 650 N; при стъпка 20 mm → ~2 825 N

Това е основният компромис:

• Малка стъпка → висока сила на тласък, ниска скорост, висока разрешителна способност за позициониране
• Голяма стъпка → ниска сила на тласък, висока скорост, по-ниска разрешителна способност за позициониране

Задачата на инженера по проектиране е да избере стъпка, която удовлетворява както изискванията за скорост, така и изискванията за сила на тласък, като се има предвид наличният въртящ момент на мотора.

Избор на стъпка за ос на инжекционно формоване

Всеки ос на машината за инжекционно формоване има различни изисквания към скоростта и силата, затова всеки ос изисква различна стратегия за стъпка.

1. Ос за затваряне

Препоръчително: фин до среден стъпка (10–20 mm/обр)

Оста за затваряне изисква максимална тласкова сила и умерена скорост. Силата за затваряне на формата може да варира от 50 kN при малки машини до над 5 000 kN при големи машини с висока номинална мощност.

Защо фин до среден стъпка:

• Високата механична предимство генерира огромна сила за затваряне от разумния въртящ момент на мотора
• Скоростта е приемлива — ходовете за затваряне са относително бавни операции
• Фината резолюция позволява прецизно позициониране за защита на формата (затваряне с ниско налягане)

Типични примери:

• Малка машина (50–100T): стъпка 16 mm, диаметър на винта Ø40 mm
• Средна машина (200–350T): стъпка 20 mm, диаметър на винта Ø50–63 mm
• Голяма машина (500T+): стъпка 16–20 mm, винт с диаметър Ø80–100 mm (често с двойна винтова конструкция)

Основен аспект: Оста за затягане обикновено използва винтове с най-големия диаметър и най-малката стъпка спрямо диаметъра на вала, за да се максимизира капацитетът по осова сила.

2. Оста за инжекция

Препоръчително: средна до висока стъпка (20–40 mm/обр.)

Остата за инжекция изисква както висока скорост (за бързо запълване на тънкостенни изделия), така и значителна сила (за уплътняне и поддържане на налягането). Това е най-трудната ос за избор на стъпка, тъй като изисква едновременно екстремни стойности по спектъра скорост/сила.

Защо средна до висока стъпка:

• Трябва да се постигнат скорости на инжекция от 100–300 mm/s за тънкостенни и опаковъчни приложения
• Също така трябва да се генерират 50–200 kN инжекционна сила за уплътняне
• Средните стъпки осигуряват най-добрия баланс между двете изисквания

Типични примери:

• Универсални машини (100–200T): стъпка 20–25 mm, винт с диаметър Ø40–50 mm
• Високоскоростно опакетиране: стъпка 32–40 mm, диаметър на винта Ø50–63 mm
• Прецисионно / оптично: стъпка 16–20 mm, диаметър на винта Ø32–40 mm (предпочита се разрешение пред скорост)

Основен аспект: При високоскоростна инжекция стъпката често е ограничителният фактор за максималната скорост на инжекция. Ако изискваната скорост надвишава тази, която стандартната стъпка може да осигури при максималните обороти на мотора, е необходим винт с по-голяма стъпка — но само ако моторът притежава достатъчен въртящ момент, за да поддържа силата на инжекция при тази стъпка.

3. Оста за изхвърляне

Препоръчително: средна стъпка (10–20 mm/обр.)

Изхвърлянето изисква умерена скорост и относително ниска сила в сравнение със стягането или инжекцията.

Защо средна стъпка:

• Силите при изхвърляне обикновено са 5–20 % от силата на стягане
• Скоростта е важна за времето на цикъла, но не е толкова критична като скоростта на инжекция
• Достатъчно финото разрешение за прецизно позициониране на изхвърлящите пинове

Типични примери:

• Малка машина: стъпка 10 mm, диаметър на винта Ø20–25 mm
• Средна машина: 16 mm ход, винт с диаметър Ø32–40 mm
• Голяма машина: 20 mm ход, винт с диаметър Ø40–50 mm

4. Преместване на инжекционната единица / допир на дюзата

Препоръчително: среден до висок ход (20–32 mm/обр.)

Докосването на дюзата е ос с ниско усилие и умерена скорост. По-високите ходове работят добре тук, защото изискванията към усилието са минимални.

Защо по-висок ход:

• Ниското изискване към усилието означава, че механичната предимство не е критично
• По-бързото придвижване намалява времето за цикъл
• По-грубото разрешение е приемливо за контакт с дюзата

Как да се изчисли правилният ход

Процесът за избор на ход включва проверка както на изискванията към скоростта, така и на изискванията към усилието спрямо наличния двигател.

Стъпка 1: Определяне на необходимата линейна скорост Изчислете максималната линейна скорост, която оста трябва да постигне:

• Оста за инжекция: скорост на инжекция (mm/s) × 60 = mm/min
• Оста за стягане: скорост на затваряне на формата (mm/s) × 60 = mm/min

Стъпка 2: Изчисляване на необходимите об/мин на винта Об/мин = необходима линейна скорост (mm/min) ÷ ход (mm/обр)

Проверете дали тези об/мин са в рамките на номиналната скорост на мотора И критичната скорост на винта и DN-рейтинга му.

Стъпка 3: Изчисляване на необходимия въртящ момент на мотора Въртящ момент (Nm) = тласкова сила (N) × ход (m/обр) ÷ (2π × ефективност)

Където ефективността обикновено е 0,85–0,95 за топлоходни винтове.

Проверете дали този въртящ момент е в границите на непрекъснатия и пиковия въртящ момент, определени за мотора.

Стъпка 4: Потвърждаване на разрешението за позициониране Минимално стъпало на движение = Ход ÷ (Разрешение на енкодера на мотора × Предавателно отношение)

Уверете се, че това е по-точно от изискваната точност за позициониране в приложението.

Винтове с множество начални нишки: Голям ход без намаляване на товароподемността

Често срещано заблуждение е, че винтовете с голям ход имат по-ниска товароподемност. Това не е задължително вярно благодарение на конструкцията на винтовете с множество начални нишки .

Едноначален срещу многоначален винт:

• Едноначален : Една непрекъсната нишка. Ход = стъпка.
• 2-старт : Две успоредни нишки. Стъпка = 2 × разстояние между нишките.
• 4-старт : Четири успоредни нишки. Стъпка = 4 × разстояние между нишките.

Многостартовите винтове постигат висока стъпка, запазвайки разумно разстояние между нишките. Това означава:

• Размерът на топчетата остава същият → носимата товарна способност остава същата
• Размерът на гайката остава същият → запазва се взаимозаменимостта
• Променя се само стъпката → увеличава се скоростната способност

Например винт с диаметър Ø40 mm е наличен в следните изпълнения:

• 40-5 (едностартов, стъпка 5 mm) — високо тегловно усилие, ниска скорост
• 40-10 (2 старта, 10 mm ход) — средна тяга, средна скорост
• 40-20 (4 старта, 20 mm ход) — по-ниска тяга, висока скорост

Всички използват еднакъв диаметър на топчетата и имат подобни динамични номинални товари, но версията с 20 mm ход осигурява 4 пъти по-висока линейна скорост при същата оборотна скорост.

Стойност DN: скритото ограничение

При избор на ход за високоскоростни приложения трябва също така да проверите Стойността DN — произведението от диаметъра на винта (D, mm) и ъгловата скорост (N, об/мин). Стойността DN е мярка за скоростта, с която се движат топчетата вътре в гайката, и има максимален лимит, определен от конструкцията на винта и смазката.

Стойност DN: скритото ограничение

При избор на ход за високоскоростни приложения трябва също така да проверите Стойността DN — произведението от диаметъра на винта (D, mm) и ъгловата скорост (N, об/мин). Стойността DN е мярка за скоростта, с която се движат топчетата вътре в гайката, и има максимален лимит, определен от конструкцията на винта и смазката.

Типични граници на стойността DN:

• Стандартни прецизно шлифовани винтове: ~70 000–100 000 DN
• Винтове, оптимизирани за висока скорост: ~120 000–160 000 DN
• Специални проекти за ултрависока скорост: до 220 000 DN

Защо това има значение при избора на ходов винт: Ако се нуждаете от линейна скорост 30 м/мин при ход 10 мм, това означава 3000 об/мин. За винт с диаметър Ø40 мм DN = 40 × 3000 = 120 000 — което може да надвишава номиналната стойност за винта.

При ход 20 мм за същата линейна скорост от 30 м/мин са необходими само 1500 об/мин. DN = 40 × 1500 = 60 000 — добре в рамките на допустимите граници.

Ключово наблюдение: Винтовете с по-голям ход работят при по-ниски об/мин при една и съща линейна скорост, което намалява стойността на DN и удължава експлоатационния срок. Това е основната причина, поради която винтовете с голям ход се предпочитат за високоскоростни инжекционни приложения.

Често срещани грешки при избора на ход

Грешка 1: Избор на ход само според скоростта Много инженери подбират хода, за да постигнат целевата скорост, но забравят да проверят тяговата сила. Резултатът е машина, която се движи бързо, но не може да генерира достатъчно инжекционно налягане или сила за затваряне. Винаги проверявайте както скоростта, така и силата.

Грешка 2: Избор на прекалено голям ход „просто за сигурност“ По-голям ход от необходимия означава:

• По-ниско механично предимство → необходим е по-голям и по-скъп двигател
• По-груба разрешителна способност за позициониране → може да не отговаря на изискванията за прецизност
• По-висока инерция, отразена към двигателя → предизвиква трудности при настройка

Грешка 3: Игнориране на критичната скорост Дълги винтове с висок ход могат да работят над критичната скорост при максималната оборотна скорост, което предизвиква опасни вибрации. Винаги изчислявайте критичната скорост за избраните диаметър, дължина и конфигурация на подпора.

Грешка 4: Забравяне на ускорението Оси за инжекционно формоване ускоряват и забавят бързо. Въртящият момент, необходим за ускорението, се прибавя към въртящия момент, необходим за тласковата сила. Ако ходът е твърде малък, двигателят може да няма достатъчен въртящ момент за бързо ускорение, дори ако постоянната сила е подходяща.

Бърза справочна таблица за избор на ход

таблица

Оси	Типичен диапазон на хода	Диапазон на диаметъра на винта	Приоритет
Затягане	10–20 mm/обр.	ø40–100 мм	Тягова сила > скорост
Инжекция (общи случаи)	20–25 мм/об.	ø32–50 мм	Балансирана скорост и сила
Инжекция (високоскоростна)	32–40 мм/об.	ø40–63 мм	Скорост > сила
Инжекция (точност)	16–20 мм/обр.	ø32–40 мм	Разделителна способност > скорост
Изхвърлвател	10–20 mm/обр.	ø20–50 мм	Балансиран
Докосване на дюзата	20–32 мм/обр.	ø20–32 мм	Скорост > сила

Заключение

Стъпката на топкожилковия винт е основен параметър, който определя характеристиките на производителността на всяка ос на напълно електрична машина за инжекционно формоване. Тя представлява механизъм, чрез който се извършва компромис между скорост и сила — а намирането на правилния баланс е от съществено значение.

Основни изводи:

• Оси за стягане : Фина стъпка за максимална тяга
• Инжекционни оси : Средна стъпка за балансирана скорост и сила; голяма стъпка за машини за тънки стени / високоскоростни машини
• Оси за ежектор : Средни стъпки за умерена скорост и сила
• Многозаходен дизайн постига висока стъпка, без да се жертва носимостта
• Стойността DN често предпочита по-високи стъпки за приложения с висока скорост (по-ниски об/мин = по-ниско DN)

Чрез внимателно подбиране на стъпката според конкретните изисквания към скоростта, силата и прецизността за всяка ос, производителите на машини и инженерите за модернизация могат да оптимизират производителността, да минимизират размера и разходите за двигателя и да максимизират срока на експлоатация на асансьорната топка.