Тел:+86-13636560152

Ел. пошта:[email protected]

en EN
Усі категорії
\

Комплексний посібник з кулькового гвинта: визначення, класифікація, точність та технічні основи

2025-12-22 15:37:47
Як ключовий елемент передачі в промисловій автоматизації, верстатів з ЧПУ та прецизійного обладнання, кульові гвинти відомі своєю високою ефективністю, високою точністю та довгим терміном служби. Вони забезпечують перетворення обертального руху на поступальний із мінімальними втратами енергії, стаючи ключовим фактором точності та стабільності механічних систем. У цій статті системно розглянуто професійні знання про кульові гвинти з погляду визначення, конструктивного складу, наукової класифікації, градації точності, технічних характеристик і практичного вибору, що допоможе вам глибоко зрозуміти технічну сутність цього важливого компонента.

39.jpg

1. Точне визначення та основний принцип роботи Шаруваті віси

Кульковий гвинт (також відомий як гвинт із кульковим підшипником) — це механічний передавальний пристрій, який використовує високоточні сталеві кульки як рухомі елементи між гвинтовим валом та гайкою для перетворення обертального руху гвинта на поступальний рух гайки (або навпаки). Порівняно з традиційними трапецієвидними гвинтами, що ґрунтуються на ковзному тертя, тертя кочення між сталевими кульками та доріжкою кочення гвинта/гайки значно зменшує коефіцієнт тертя, забезпечуючи вищу ефективність передачі та точність позиціонування.
Основний принцип роботи: коли гвинтовий вал обертається під дією джерела живлення (наприклад, сервомотора), сталеві кульки в доріжці ковзання гайки котяться по гвинтовій канавці гвинта. Під обмеженням пристрою повернення (системи циркуляції кульок) кульки безперервно циркулюють між гвинтом і гайкою, уникнувши взаємного зіткнення та зносу. Під час кочення кульки приводять гайку до лінійного руху вздовж осі гвинта; навпаки, коли на гайку діє лінійна сила, вона може приводити гвинт до обертання, реалізуючи двонаправлене перетворення між обертальним і лінійним рухом.

2. Основний структурний склад Шаруваті віси

Повний комплект гвинтової передачі складається з п'яти ключових компонентів, кожен із яких безпосередньо впливає на передавальні характеристики та термін служби продукту. Раціональність конструктивного проектування є основою забезпечення високої точності та ефективності:
  • Вісь шурупа : Основний компонент із спіральним біговим доріжками, обробленим на поверхні, зазвичай виготовлений з високовуглецевої хромистої підшипникової сталі (SUJ2) або легованої конструкційної сталі (SCM440). Після гартування та відпуску, прецизійного шліфування та інших процесів має високу твердість (HRC58-62) та якість поверхні (Ra ≤ 0,2 мкм), що забезпечує плавне кочення кульок та зносостійкість.
  • Гайка : Комплектуюча деталь, яка парно працює з гвинтовим валом, із спіральним біговим доріжками, відповідними до гвинта всередині. Матеріал такий самий, як у гвинтового вала, а бігова доріжка проходить прецизійне шліфування для забезпечення узгодженості прилягання з гвинтом. На гайці також передбачено монтажний інтерфейс для підключення до лінійного рухомого елемента (наприклад, робочого столу).
  • Сталеві кульки : Кульки між гвинтом і гайкою, як правило, виготовлені з високоточного підшипникового сталевого кульового матеріалу (G10-G3) з діаметром, що має допуск ±0,001 мм. Розмір і кількість сталевих кульок безпосередньо визначають вантажопідйомність і жорсткість кульового гвинта.
  • Пристрій повернення (Система циркуляції кульок) : Ключовий компонент, що забезпечує безперервну циркуляцію сталевих кульок, який може бути розділений на внутрішню та зовнішню циркуляцію залежно від способу циркуляції. Його функція полягає в тому, щоб направити кульки, які дійшли до кінця гайки, назад до початку доріжки кочення, забезпечуючи безперебійність передачі руху. Конструкція пристрою повернення безпосередньо впливає на плавність ходу та рівень шуму кульового гвинта.
  • Устрійство герметизації : Встановлюється на обох кінцях гайки та зовнішньому колі гайки, використовується для запобігання потраплянню пилу, металевих стружок, різального матеріалу та інших забруднень у доріжку кочення, а також запобігає витіканню мастильної олії. Поширені форми ущільнень включають контактні ущільнення (наприклад, фетрові кільця, гумові ущільнення) та неконтактні ущільнення (наприклад, лабіринтові ущільнення), які вибираються залежно від умов роботи.

1(1eb4a4e8b6).png

3. Наукова класифікація кулькових гвинтів

Кулькові гвинти можна поділити на різні типи за кількома професійними критеріями. Уточнення критеріїв класифікації допомагає точно підібрати продукт до конкретного сценарію застосування. Основні методи класифікації в галузі є такими:

3.1 Класифікація за способом циркуляції кульок

Це найпоширеніший метод класифікації, який базується на способі циркуляції кульок у гайці:
  • Кульковий гвинт із внутрішньою циркуляцією кульки циркулюють всередині гайки. Пристрій повернення — це зворотний канал, виконаний всередині гайки (зазвичай дугоподібна канавка або наскрізний отвір). Кульки входять у зворотний канал з кінця доріжки кочення та повертаються до початкового кінця. Переваги: компактна конструкція, невеликий об’єм гайки, висока плавність руху, низький рівень шуму (зазвичай ≤ 60 дБ), підходить для високошвидкісної роботи (максимальна швидкість до 3000 об/хв). Недоліки: складна технологія обробки та відносно висока вартість. Поширений у верстатах з ЧПУ, прецизійному електронному обладнанні та інших високоточних сценаріях.
  • Зовнішній оббіг кулькового гвинта сталеві кульки циркулюють поза гайкою. Пристрій повернення — це сталева трубка або пластиковий направляючий жолоб, встановлений на зовнішній поверхні гайки. Сталеві кульки виходять із доріжки кочення гайки, потрапляють у повернення трубки й повертаються до іншого кінця гайки. Переваги: проста технологія обробки, низька вартість, легке обслуговування та можливість проектування з кількома колами для збільшення кількості сталевих кульок і підвищення несучої здатності. Недоліки: великий об’єм гайки, відносно високий рівень шуму під час роботи, обмежена максимальна швидкість (звичайно ≤ 2000 об/хв). Підходить для загального обладнання автоматизації, важкої техніки та інших сценаріїв із низькими вимогами до швидкості та шуму.

3.2 Класифікація за профілем гвинтової канавки

Поділяється за поперечним перерізом спіральної доріжки кочення на гвинті та гайці, що впливає на стан контакту між сталевою кулькою та доріжкою кочення:
  • Кульовий гвинт із дугою канавкою : Поперечний переріз доріжки кочення має форму дуги з радіусом, трохи більшим за радіус сталевої кульки (зазвичай 1,02–1,05 від радіуса сталевої кульки). Переваги: гарна стабільність контакту, висока здатність витримувати радіальні навантаження та моменти опрокидження, висока жорсткість. Недоліки: контактна площа між сталевою кулькою та доріжкою кочення невелика, тому вантажопідйомність порівняно обмежена. Призначено для сценаріїв високоточного позиціонування з малими навантаженнями.
  • Гвинт кульковий з пазом у формі готичної арки перетин доріжки кочення має форму готичної арки (складається з двох дуг з протилежними радіусами). Переваги: стальна кулька контактує з доріжкою кочення в двох точках, що дозволяє сприймати як осьові, так і радіальні навантаження, а несуча здатність становить 1,5–2 рази більше, ніж у випадку дугової канавки. Недоліки: високі вимоги до точності обробки, чутливість контактного стану до помилок монтажу. Застосовується в сценаріях важких навантажень і високої жорсткості, таких як важкі верстати з ЧПК та гідравлічні преси.

3.3 Класифікація за точністю ходу

Поділяється залежно від похибки ходу (відхилення фактичного ходу від теоретичного), що є основним показником, який характеризує точність позиціонування кульово-гвинтової передачі. Стандарти класифікації посилаються на міжнародні стандарти (ISO 3408) та національні стандарти (GB/T 17587.1-2017):
  • Точнісний клас C1-C5 (Висока точність) : Похибка ходу мала (похибка класу C1 ≤ 0,003 мм/300 мм, похибка класу C5 ≤ 0,012 мм/300 мм), висока точність повторюваного позиціонування (≤ 0,005 мм). Після прецизійного шліфування та тонкого регулювання підходить для ультраточного обладнання, такого як наприклад, машини для упаковки напівпровідників, оптичні позиціонери, прецизійні обробні центри ЧПУ.
  • Прецизійний клас C7-C10 (середня точність) : Похибка ходу є помірною (клас C7 ≤ 0,025 мм/300 мм, клас C10 ≤ 0,050 мм/300 мм), забезпечує баланс між точністю та вартістю. Найбільш поширений клас у промисловій автоматизації, підходить для загального використання у верстатів з ЧПУ, лінійних модулів, роботизованих маніпуляторів та іншого обладнання.
  • Прецизійний клас C16 (загальна точність) : Похибка ходу порівняно велика (≤ 0,100 мм/300 мм), обробка виконується методом накатування, висока ефективність виробництва та низька вартість. Підходить для передавання в умовах низької точності, таких як звичайні конвеєри, механізми автоматичних дверей та прості підйомні платформи.

3.4 Класифікація за формою встановлення

Поділяється залежно від способу кріплення двох кінців гвинтового валу, що впливає на жорсткість і хід кульового гвинта:
  • Тип із жорстким закріпленням обох кінців : Обидва кінці гвинта закріплені кутовими радіально-упорними кульковими підшипниками. Переваги: найвища жорсткість, здатність витримувати великі осьові навантаження та моменти опрокидження, висока критична швидкість; підходить для довгих ходів, високошвидкісних режимів та високожорстких сценаріїв (наприклад, великоформатні верстати з ЧПУ).
  • Тип із жорстким закріпленням одного кінця та вільним іншим : Один кінець гвинта жорстко закріплений, а інший — вільний (без обмеження підшипником). Переваги: проста установка, можливість компенсації теплового розширення та стискання гвинта під час роботи. Недоліки: низька жорсткість, обмежена несуча здатність; підходить для коротких ходів та низьких швидкостей (наприклад, невелике електронне обладнання).
  • Тип із жорстким закріпленням одного кінця та підтримкою іншого один кінець гвинта зафіксовано, а інший підтримується радіальним шарикопідшипником з глибокими борознами. Переваги: забезпечує баланс жорсткості та простоти монтажу, може сприймати певне осьове навантаження, підходить для середніх ходів та середніх швидкостей (наприклад, загальні автоматизовані модулі).

4. Основні технічні показники кульових гвинтів

Розуміння основних технічних показників є ключем до оцінки продуктивності кульових гвинтів та вибору продуктів. Основні технічні показники включають такі аспекти:
  • Крок (P) лінійна відстань, на яку гайка переміщується вздовж осі при повному оберті гвинта (360°), у міліметрах (мм). Крок безпосередньо визначає швидкість передачі (лінійна швидкість = крок × частота обертання) та роздільну здатність позиціонування. Поширені значення кроку: 5 мм, 10 мм, 20 мм тощо. Малі кроки (≤ 5 мм) підходять для високоточного позиціонування, великі кроки (≥ 20 мм) — для швидкісної передачі.
  • Точність кроку : Як зазначалося раніше, поділяється на класи C1-C16, що є основним показником точності позиціонування. Під час вибору необхідно підбирати клас точності залежно від реальних вимог до позиціонування обладнання.
  • Осьове навантаження : Максимальне осьове зусилля, яке може витримувати кульовий гвинт під час роботи, у Ньютонах (N). Визначається розміром кульок, кількістю кульок і профілем доріжки кочення. Перевищення вантажопідйомності призведе до передчасного зносу та зниження точності.
  • Міцність : Здатність чинити опір деформації під навантаженням, включаючи осьову та радіальну жорсткість. Осьова жорсткість особливо важлива для точності позиціонування, її можна покращити за рахунок збільшення діаметра гвинта, вибору раціональної форми монтажу або попереднього натягу.
  • Критична швидкість : Максимальна кутова швидкість, при якій гвинт не викликає резонансу під час роботи, у обертах на хвилину (rpm). Перевищення критичної швидкості призведе до сильного вібрування гвинта, що вплине на стабільність передачі. Критична швидкість залежить від діаметра, довжини та способу монтажу гвинта.
  • Ефективність передачі : Співвідношення вихідної потужності до вхідної, яке для кульових гвинтів може досягати 90%–98% (для трапецієвидних гвинтів — лише 30%–50%). Висока ефективність означає менші втрати енергії, що сприяє економії енергії та зниженню навантаження приводного двигуна.

5. Практичний посібник з вибору кульових гвинтів

Правильний вибір кульових гвинтів безпосередньо впливає на продуктивність, термін служби та вартість обладнання. Необхідно всебічно врахувати такі фактори та уникати сліпої погоні за високою точністю або низькою вартістю:
  1. Уточніть вимоги до застосування : По-перше, визначте основні вимоги до обладнання, включаючи точність позиціонування (визначення класу точності), вантажопідйомність (визначення діаметра гвинта та кроку), швидкість руху (визначення кроку та критичної швидкості) та хід (визначення довжини гвинта та форми монтажу).
  2. Виберіть відповідний тип циркуляції : Для високошвидкісних, низькопродуктивних за шумом та з обмеженим простором сценаріїв вибирайте кульові гвинти з внутрішньою циркуляцією; для загального навантаження та низької вартості — кульові гвинти з зовнішньою циркуляцією.
  3. Підберіть клас точності : Для ультраточного обладнання, такого як напівпровідникові та оптичні прилади, вибирайте високоточні класи C1–C5; для загальних верстатів з ЧПК та автоматизованого обладнання — середньоточні класи C7–C10; для передачі з низькою точністю — загальноточні класи C16.
  4. Визначте форму монтажу : Для довгих ходів і високих вимог до жорсткості обирайте тип із закріпленням з обох кінців; для коротких ходів і простоти монтажу — тип із закріпленням на одному кінці; для середніх ходів, коли потрібний баланс між жорсткістю та простотою встановлення, — тип із підтримкою на одному кінці.
  5. Враховуйте умови робочого середовища : У запилених, вологих або агресивних середовищах обирайте кульові гвинти з удосконаленими пристроями ущільнення (наприклад, лабіринтові ущільнення) та протикорозійною обробкою поверхні (наприклад, нікелювання, хромування); у високотемпературних умовах — матеріали та мастила, стійкі до високих температур.
  6. Звертайте увагу на вимоги до попереднього натягу : У сценаріях, де потрібна висока жорсткість і відсутність люфту (наприклад, у CNC-обробних центрах), обирайте кульові гвинти з попереднім натягом (поширені методи: попередній натяг подвійною гайкою, зсувний натяг, натяг за ходом); у загальних випадках можна обрати гвинти без попереднього натягу, щоб знизити вартість.

6. Поради щодо щоденного обслуговування та продовження терміну служби

Правильне щоденне обслуговування ефективно подовжує термін служби кулькових гвинтів і зберігає їхню точність. Основні моменти обслуговування такі:
  • Регулярне змащення : Регулярно слід додавати мастило або жирову мастику, щоб зменшити тертя між кульками та доріжками кочення. Тип мастила варто підбирати залежно від робочої швидкості та температури (у випадку високої швидкості використовують мастильне масло, при низькій швидкості та великому навантаженні — жирову мастику). Рекомендується здійснювати змащування кожні 200–500 годин роботи.
  • Герметизація та запобігання запиленню : Періодично перевіряйте ущільнювальні пристрої, щоб переконатися у їхньому цілісному стані та ефективності. Вчасно очищайте поверхню гвинта та гайки, щоб запобігти потраплянню забруднень у доріжку кочення. У разі важких умов експлуатації можна встановити додаткові захисні кришки (наприклад, телескопічні).
  • Періодична перевірка точності : Використовуйте інструменти, такі як індикатори годинникового типу та лазерні інтерферометри, щоб регулярно перевіряти точність позиціонування та похибку кроку шарико-гвинтової передачі. Якщо точність виходить за допустимий діапазон, своєчасно відрегулюйте або замініть шарико-гвинтову передачу.
  • Уникайте перегрузки під час експлуатації : Суворо контролюйте навантаження та швидкість у межах номінального діапазону шарико-гвинтової передачі, щоб уникнути передчасного зносу або пошкодження через перевантаження та надмірну швидкість.

Висновок

Кулькові гвинти, як «точкове ядро» механічної передачі, відіграють незамінну роль у промисловій автоматизації та високоточному обладнанні. Від чіткого визначення та структурного складу до наукової класифікації та градації точності — кожне з ланок відображає професійний технічний зміст. Під час вибору та застосування кулькових гвинтів необхідно всебічно враховувати вимоги застосування, робоче середовище та витратні фактори, а також підбирати продукти з відповідними характеристиками й продуктивністю. У той же час стандартизований повсякденний догляд забезпечує тривалу стабільну роботу кулькових гвинтів.
Для інженерів та технічного персоналу, який займається механічним проектуванням та автоматизацією, глибоке розуміння знань про кульові гвинти є основою для підвищення продуктивності обладнання та зниження рівня несправностей. З постійним розвитком промислової автоматизації кульові гвинти будуть рухатися до вищої точності, вищої швидкості та кращої екологічної адаптивності, забезпечуючи потужнішу підтримку для інтелектуального оновлення виробничої галузі.

b7118ec7a5028268671670d4cbba1c92.png

Попередній :Приводи високоточних рейок: основа передачі розумного виробництва

Наступний :

Зміст

Авторське право © Jingpeng Machinery&Equipment (Shanghai) Co., Ltd. Всі права захищені.