Руководство по выбору шага шарико-винтовой пары для машин литья под давлением | YOSO

При выборе шариковых винтов для полностью электрических машин для литья под давлением одно из наиболее важных решений одновременно является и одним из самых часто упускаемых из виду: шаг винта . Шаг — это расстояние, на которое перемещается гайка за один полный оборот вала винта — напрямую определяет соотношение между частотой вращения двигателя, линейной скоростью и толкающим усилием.

Выберите слишком мелкий шаг — и машина не достигнет требуемой скорости впрыска. Выберите слишком крупный шаг — и вы потеряете толкающее усилие и разрешение позиционирования. Правильный выбор обеспечивает достижение всех целевых показателей производительности; ошибочный выбор приводит к снижению скорости, усилия или точности.

В этом руководстве объясняется принцип работы шага шарикового винта, связанные с ним компромиссы и методика выбора оптимального шага для каждой оси машины для литья под давлением.

Что такое шаг шарикового винта?

Трубы свинец ход винта с шариковым элементом — это линейное расстояние, на которое перемещается гайка при одном полном повороте вала винта на 360°. Он измеряется в миллиметрах на оборот (мм/об).

Распространённые значения хода для применения в литье под давлением включают:

• Мелкий ход : 5 мм, 6 мм, 8 мм, 10 мм/об
• Средний ход : 16 мм, 20 мм, 25 мм/об
• Большой ход : 32 мм, 40 мм, 50 мм/об
• Сверхбольшой ход : 63 мм, 80 мм, 100 мм/об

Важно: шаг резьбы ≠ ход Шаг резьбы — это расстояние между соседними вершинами резьбы. Для однозаходных винтов ход равен шагу. Для многозаходных винтов (двухзаходных, четырёхзаходных и т. д.) ход = шаг × количество заходов. Шариковые винты с большим ходом почти всегда выполняются по многозаходной схеме, чтобы сохранить подходящий размер шариков и грузоподъёмность.

Основной компромисс: скорость против тягового усилия

Ход шарикового винта определяет обратную зависимость между линейной скоростью и тяговым усилием, подчиняющуюся базовым принципам механики:

Линейная скорость = частота вращения винта × ход

• Удвоение хода удваивает линейную скорость при той же частоте вращения
• Пример: 1500 об/мин × 10 мм хода = 15 м/мин; 1500 об/мин × 20 мм хода = 30 м/мин

Тяговое усилие = крутящий момент × 2π / ход × КПД

• Удвоение хода уменьшает тяговое усилие вдвое при том же крутящем моменте
• Пример: крутящий момент 10 Н·м × 2π / 0,01 м × КПД 90 % ≈ 5650 Н; при ходе 20 мм → ≈ 2825 Н

Это основной компромисс:

• Мелкий шаг → высокая сила тяги, низкая скорость, высокое разрешение позиционирования
• Крупный шаг → низкая сила тяги, высокая скорость, более низкое разрешение позиционирования

Задача инженера-конструктора — подобрать шаг, удовлетворяющий как требованию к скорости, так и требованию к силе тяги при имеющемся крутящем моменте двигателя.

Выбор шага для оси литьевой машины

Каждая ось литьевой машины имеет различные требования к скорости и силе, поэтому для каждой оси требуется своя стратегия выбора шага.

1. Ось зажима

Рекомендуется: мелкий или средний шаг (10–20 мм/об)

Ось зажима требует максимальной силы тяги и умеренной скорости. Сила закрытия пресс-формы может варьироваться от 50 кН на небольших машинах до более чем 5000 кН на крупнотоннажных машинах.

Почему шаг винта — мелкий или средний:

• Высокое механическое преимущество создаёт огромную силу зажима при разумном крутящем моменте двигателя
• Скорость приемлема — ходы зажима относительно медленные операции
• Мелкий шаг обеспечивает точное позиционирование для защиты пресс-формы (закрытие с низким давлением)

Типичные примеры:

• Небольшая машина (50–100 т): шаг 16 мм, диаметр винта Ø40 мм
• Средняя машина (200–350 т): шаг 20 мм, диаметр винта Ø50–63 мм
• Крупная машина (500 т и выше): шаг 16–20 мм, диаметр винта Ø80–100 мм (часто применяется конструкция с двумя винтами)

Важный аспект: Оси зажима обычно используют винты наибольшего диаметра с наиболее мелким шагом относительно диаметра вала, что максимизирует грузоподъёмность по оси тяги.

2. Ось впрыска

Рекомендуется: средний или высокий шаг (20–40 мм/об)

Ось впрыска требует как высокой скорости (для быстрого заполнения тонкостенных изделий), так и значительного усилия (для уплотнения и удержания давления). Это наиболее сложная ось при выборе шага, поскольку она одновременно предъявляет противоположные требования к скорости и усилию.

Почему средний или высокий шаг:

• Необходимо достичь скоростей впрыска 100–300 мм/с для тонкостенных изделий и упаковочных применений
• Также требуется создавать усилие впрыска 50–200 кН для уплотнения
• Средние значения шага обеспечивают наилучший баланс между этими двумя требованиями

Типичные примеры:

• Универсальные машины (100–200 т): шаг 20–25 мм, диаметр шнека 40–50 мм
• Высокоскоростные упаковочные машины: шаг 32–40 мм, диаметр шнека 50–63 мм
• Прецизионные / оптические машины: шаг 16–20 мм, диаметр шнека 32–40 мм (приоритет — разрешение, а не скорость)

Важный аспект: При высокоскоростном впрыске часто именно шаг резьбы является ограничивающим фактором для максимальной скорости впрыска. Если требуемая скорость превышает ту, которую стандартный шаг резьбы может обеспечить при максимальных оборотах двигателя, требуется винт с большим шагом — но только в том случае, если двигатель обладает достаточным крутящим моментом для поддержания силы впрыска при таком шаге.

3. Ось выталкивания

Рекомендуется: средний шаг (10–20 мм/оборот)

Для выталкивания требуются умеренная скорость и относительно небольшое усилие по сравнению с зажимным усилием или усилием впрыска.

Почему средний шаг:

• Усилия выталкивания обычно составляют 5–20 % от зажимного усилия
• Скорость важна для продолжительности цикла, но не столь критична, как скорость впрыска
• Достаточное разрешение для точного позиционирования выталкивающих штифтов

Типичные примеры:

• Малые машины: шаг 10 мм, диаметр винта 20–25 мм
• Средние машины: шаг 16 мм, диаметр винта 32–40 мм
• Крупные машины: шаг 20 мм, диаметр винта 40–50 мм

4. Перемещение узла впрыска / касание сопла

Рекомендуемый диапазон: средний или высокий шаг (20–32 мм/оборот)

Касание сопла — это ось с низким усилием и умеренной скоростью. Более высокие значения шага здесь работают хорошо, поскольку требования к усилию минимальны.

Почему выбирают более высокий шаг:

• Низкие требования к усилию означают, что механическое преимущество не является критичным
• Более высокая скорость перемещения сокращает цикл обработки
• Грубое разрешение допустимо при контакте сопла

Как рассчитать подходящий шаг

Процесс выбора шага включает проверку как требований к скорости, так и к усилию относительно возможностей доступного двигателя.

Шаг 1: Определите требуемую линейную скорость Рассчитайте максимальную линейную скорость, которую должна обеспечить ось:

• Ось впрыска: скорость впрыска (мм/с) × 60 = мм/мин
• Ось зажима: скорость закрытия пресс-формы (мм/с) × 60 = мм/мин

Шаг 2: рассчитайте требуемую частоту вращения шнека (об/мин) Частота вращения (об/мин) = требуемая линейная скорость (мм/мин) ÷ шаг (мм/об)

Убедитесь, что данная частота вращения находится в пределах номинальной скорости двигателя, а также критической скорости шнека и его рейтинга DN.

Шаг 3: рассчитайте требуемый крутящий момент двигателя Крутящий момент (Н·м) = сила тяги (Н) × шаг (м/об) ÷ (2π × КПД)

Значение КПД обычно составляет 0,85–0,95 для шарико-винтовых пар.

Убедитесь, что данный крутящий момент находится в пределах номинального и пикового значений крутящего момента двигателя.

Шаг 4: проверьте разрешение позиционирования Минимальное приращение перемещения = Шаг ÷ (Разрешение энкодера двигателя × Передаточное отношение)

Убедитесь, что это значение точнее требуемой точности позиционирования для данной задачи.

Винты с несколькими заходами: большой шаг без потери грузоподъёмности

Распространённое заблуждение заключается в том, что винты с большим шагом обладают меньшей грузоподъёмностью. Это необязательно верно благодаря конструкции винтов с несколькими заходами .

Один заход против нескольких заходов:

• Один заход : одна непрерывная резьба. Шаг = шагу резьбы.
• два захода : две параллельные резьбы. Шаг = 2 × шаг резьбы.
• 4-заходный : Четыре параллельные резьбовые витка. Ход = 4 × шаг.

Многозаходные винты обеспечивают большой ход при сохранении разумного значения шага (расстояния между соседними витками). Это означает следующее:

• Размер шариков остаётся неизменным → грузоподъёмность остаётся неизменной
• Размер гайки остаётся неизменным → обеспечивается взаимозаменяемость
• Изменяется только ход → повышается скорость перемещения

Например, винт Ø40 мм доступен в следующих исполнениях:

• 40-5 (однозаходный, ход 5 мм) — высокая тяговая сила, низкая скорость
• 40-10 (двухзаходный, ход 10 мм) — средняя тяговая сила, средняя скорость
• 40-20 (четырёхзаходный, ход 20 мм) — пониженная тяговая сила, высокая скорость

Все используют одинаковый диаметр шариков и имеют схожие динамические грузоподъёмности, однако версия с шагом 20 мм обеспечивает в 4 раза большую линейную скорость при одинаковой частоте вращения.

Значение DN: скрытое ограничение

При выборе шага для высокоскоростных применений необходимо также проверить Значение DN — произведение диаметра винта (D, мм) на частоту вращения (N, об/мин). Значение DN характеризует скорость движения шариков внутри гайки и имеет максимальный предел, определяемый конструкцией винта и смазкой.

Значение DN: скрытое ограничение

При выборе шага для высокоскоростных применений необходимо также проверить Значение DN — произведение диаметра винта (D, мм) на частоту вращения (N, об/мин). Значение DN характеризует скорость движения шариков внутри гайки и имеет максимальный предел, определяемый конструкцией винта и смазкой.

Типичные пределы DN:

• Стандартные прецизионно шлифованные винты: ~70 000–100 000 DN
• Оптимизированные для высокой скорости винты: ~120 000–160 000 DN
• Специальные конструкции сверхвысокой скорости: до 220 000 DN

Почему это важно при выборе шага: Если требуется линейная скорость 30 м/мин при шаге 10 мм, то частота вращения составит 3000 об/мин. Для винта диаметром Ø40 мм значение DN = 40 × 3000 = 120 000 — что может превысить допустимый предел для данного винта.

При шаге 20 мм для достижения той же линейной скорости 30 м/мин требуется всего 1500 об/мин. Значение DN = 40 × 1500 = 60 000 — находится в пределах допустимых значений.

Главное наблюдение: Винты с большим шагом работают при меньшей частоте вращения при одинаковой линейной скорости, что снижает значение DN и увеличивает срок службы. Именно поэтому винты с большим шагом предпочитают в высокоскоростных системах литья под давлением.

Распространённые ошибки при выборе шага

Ошибка 1: выбор шага только исходя из требуемой скорости Многие инженеры подбирают шаг исключительно для достижения заданной скорости, но забывают проверить развиваемое тяговое усилие. В результате получается машина, которая перемещается быстро, но не способна создать достаточное давление впрыска или силу зажима. Всегда проверяйте как скорость, так и усилие.

Ошибка 2: чрезмерное увеличение шага «для надёжности» Шаг, превышающий необходимый, означает:

• Снижение механического выигрыша → требуется более крупный и дорогостоящий двигатель
• Более грубое разрешение позиционирования → может не соответствовать требованиям точности
• Более высокая инерция, отражённая на двигатель → сложности при настройке

Ошибка 3: Игнорирование критической скорости Длинные винты с большим шагом могут работать выше критической скорости при максимальных оборотах, вызывая опасную вибрацию. Всегда рассчитывайте критическую скорость для выбранного диаметра, длины и конфигурации опор.

Ошибка 4: Забывание об ускорении Оси литья под давлением быстро ускоряются и замедляются. Момент, требуемый для ускорения, суммируется с моментом, необходимым для тягового усилия. Если шаг слишком мелкий, двигатель может не обеспечить достаточный момент для быстрого ускорения, даже если стационарное усилие находится в норме.

Сводная таблица выбора шага

таблица

Оси	Типичный диапазон шага	Диапазон диаметров винта	Приоритетный
Зажим	10–20 мм/об	ø40–100 мм	Тяговое усилие > скорость
Впрыск (общий)	20–25 мм/об	ø32–50 мм	Сбалансированная скорость и усилие
Впрыск (высокоскоростной)	32–40 мм/об	ø40–63 мм	Скорость > усилие
Впрыск (точный)	16–20 мм/об	ø32–40 мм	Разрешение > скорость
Извлекатель	10–20 мм/об	ø20–50 мм	Сбалансированный
Контакт сопла	20–32 мм/об	ø20–32 мм	Скорость > усилие

Заключение

Шаг шарикового винта — базовый параметр, определяющий характеристики производительности каждой оси полностью электрической машины для литья под давлением. Он служит рычагом, позволяющим обменивать скорость на усилие, и поиск оптимального баланса между ними имеет решающее значение.

Ключевые выводы:

• Оси зажима : Мелкий шаг для максимального толкающего усилия
• Оси впрыска : Средний шаг для сбалансированных скорости и усилия; крупный шаг — для машин тонкостенного литья и высокоскоростных машин
• Оси выталкивания средние ходы для умеренной скорости и усилия
• Многозаходная конструкция обеспечивает большой ход без потери грузоподъёмности
• Значение DN часто предпочтительны большие ходы для высокоскоростных применений (меньшее число оборотов в минуту = меньшее значение DN)

Тщательно подбирая ход в соответствии с конкретными требованиями каждой оси к скорости, усилию и точности, производители станков и инженеры по модернизации могут оптимизировать производительность, минимизировать размеры и стоимость двигателя, а также максимально продлить срок службы сборки шарикового винта.