Кульові гвинти пояснені: Практичний посібник для фахівців індустріальної автоматизації

1. Що таке a Шаровий винт ? Основи та принцип дії

2. 5 ключові компоненти складання кулькового гвинта

• Вісь шурупа : Обертове серце системи зі спіральним точним обробленим доріжкою кочення. Більшість виготовляються з високовуглецевої хромованої підшипникової сталі (SUJ2) або сплавної сталі (SCM440) — матеріали вибрані за міцністю. Після загартування (термообробки) та прецизійного шліфування вал досягає твердості HRC58-62 та шорсткості поверхні Ra ≤ 0,2 мкм. Це забезпечує плавне кочення куль і стійкість до зносу, навіть у високошвидкісних застосуваннях.
• Гайка : Частина, що рухається поступально, ідеально узгоджена з гвинтовим валом. Внутрішня доріжка кочення шліфується точно відповідно до паза гвинта, і має кріпильні отвори для приєднання до лінійних компонентів (наприклад, стіл верстата). Використання того самого матеріалу, що й для вала, забезпечує узгоджений знос і сумісність.
• Сталеві кульки : Дрібні компоненти, що зменшують тертя. Виготовлені з високоточного підшипникового сталі класу G10-G3 (із допуском діаметра лише ±0,001 мм), їх розмір і кількість безпосередньо впливають на величину навантаження, яке кульовий гвинт може витримати (вантажопідйомність), і на його жорсткість. Уявіть їх як «ролики», що забезпечують ефективність усієї системи.
• Система циркуляції (пристрій повернення) : «Регулювальник руху» для сталевих куль. Сприправляє повернення куль до початку доріжки кочення, щоб рух не зупинявся. Існує два основні типи — внутрішня та зовнішня циркуляція (ми розглянемо їх далі). Добре спроектована система циркуляції забезпечує низький рівень шуму та плавний рух.
• Устрійство герметизації : Захисний елемент. Встановлюється на кінцях та зовнішньому краї гайки, ущільнення запобігають проникненню пилу, стружки та охолоджувальної рідини в доріжку кочення — і утримують мастило всередині. Поширені типи включають контактні ущільнення (гумові або фетрові) для пилких середовищ та безконтактні лабіринтні ущільнення для високошвидкісних застосувань. Вибір правильного ущільнення є ключовим для тривалого терміну служби.

3. Поширені типи Шаруваті віси : Як вибрати правильний

3.1 За режимом циркуляції куль (внутрішня та зовнішня)

• Кульові гвини з внутрішньою циркуляцією : Кулі циркулюють всередині гайки через вбудований зворотний канал. Переваги: компактна конструкція (ідеальна для обмежених просторів), тихий хід (≤ 60 дБ) та здатність до високих швидкостей (до 3000 об/хв). Ідеальний вибір для високоточних застосувань, таких як обробні центри ЧПК та обладнання для упакування напівпровідників. Недоліги: складніші у виробництві, тому трохи дорожчі.
• Кульові гвини з зовнішньою циркуляцією кульки циркулюють поза гайкою через окрему поворотну трубку або направляючий паз. Переваги: простота виготовлення (нижча вартість), легке обслуговування, можливість додавання кількох контурів для збільшення вантажопідйомності. Недоліки: більші габарити гайки, шумніша робота та нижча максимальна швидкість (≤ 2000 об/хв). Ідеально підходить для загального обладнання автоматизації та важкої техніки, де точність не є пріоритетною.

3.2 За класом точності (що означають C1-C16?)

• Висока точність (C1-C5) : Надзвичайно мала похибка ходу (від ≤ 0,003 мм/300 мм для класу C1). Використовується в застосунках, де важливий кожен мікрон — наприклад, у машинах для упаковки напівпровідників та позиціонувальних етапах оптичних приладів. Це найвищий рівень для завдань, що вимагають високої точності.
• Середня точність (C7-C10) : Найпопулярніший клас для промислового використання. Похибка ходу знаходиться в межах від 0,025 мм/300 мм (C7) до 0,050 мм/300 мм (C10). Цей клас забезпечує оптимальний баланс між точністю та вартістю, що робить його ідеальним для загального використання у верстатів з ЧПК, роботизованих маніпуляторів та лінійних модулів. Якщо ви не впевнені, який клас обрати, це безпечний вибір.
• Загальна точність (C16) : Похибка ходу до ≤ 0,100 мм/300 мм. Виготовлені за допомогою прокатки (швидко та дешево), ці гвинти призначені для застосувань з низькою точністю, наприклад, автоматичні двері, прості конвеєри або будь-які системи, де точне позиціювання не є критичним. Вони є вартісно ефективним рішенням для базового контролю руху.

3.3 За типом монтажу (Фіксований-Фіксований, Фіксований-Вільний, Фіксований-Підтримуваний)

• Фіксований-Фіксований : Обидва кінці закріплені за допомогою кутових контактних підшипників. Переваги: найвища жорсткість, здатність витримувати великі осьові навантаження та підтримка високих критичних швидкостей (без резонансу). Ідеальний для застосувань із довгим ходом та високою швидкістю, наприклад, великих інструльних верстатів із ЧПК або промислових роботів. Недоліги: потребує точного монтажу, щоб уникнути проблем з термічним розширенням.
• Закріплений-Вільний : Один кінець закріплений, інший вільний (без підшипника). Переваги: дуже простий монтаж, вільний кінець компенсує термічне розширення (коли гвинт нагрівається і розширюється). Недоліги: низька жорсткість, обмежена вантажопідйомність. Найкращий для короткохідних, низькошвидкісних застосувань, наприклад, у малих електронних пристроях або легких лінійних напрямних.
• Закріплений-Підтримуваний : Один кінець закріплений, інший підтримується глибокожолобковим кульковим підшипником. Переваги: забезпечує баланс між жорсткістю та простотою монтажу. Може витримувати помірні осьові навантаження та хід. Недоліги: не така висока жорсткість, як у випадку закріплення обох кінців. Ідеальний для середньохідних, середньошвидкісних модулів автоматизації — наприклад, роботів типу pick-and-place або упаковувального обладнання.

4. Ключові технічні показники для оцінки кульових гвинів

• Крок (P) : Відстань, на яку переміщується гайка при повному оберті гвинта (виміряється в мм). Крок визначає дві ключові речі: швидкість (лінійна швидкість = крок × швидкість обертання) та роздільну здатність позиціювання. Використовуйте дрібний крок (≤ 5 мм) для точного позиціювання (наприклад, у оптичному обладнанні) та грубий крок (≥ 20 мм) для високошвидкісних застосувань (наприклад, у лініях упаковування).
• Осьове навантаження : Максимальне осьове зусилля (у Ньютонах, Н), яке кульовий гвинт може витримати без пошкодження. Визначається розміром і кількістю сталевих куль, а також формою доріжки кочення. Перевантаження кульового гвинта призведе до передчасного зносу та втрати точності — тому завжди обирайте гвинт із вантажопідйомністю, що перевищує потреби вашої системи.
• Міцність : Наскільки добре шарико-гвинтова передача протидіє деформації під навантаженням. Осьова жорсткість є найважливішою для точності позиціонування — якщо гвинт прогинається або розтягується під навантаженням, ваше позиціонування буде неточним. Збільшити жорсткість можна шляхом вибору більшого діаметра гвинта, використанням закріплення типу «з фіксацією з обох кінців» або додаванням попереднього натягу (про попередній натяг ми поговоримо пізніше).
• Критична швидкість : Максимальна швидкість (в об/хв), з якою може обертатися гвинт без резонансу (сильного тремтіння). Якщо перевищити цю швидкість, гвинт почне вібрувати, що призведе до втрати точності і потенційно пошкодить систему. Критична швидкість залежить від діаметра, довжини гвинта та типу його встановлення — довші та тонші гвинти мають нижчі критичні швидкості.
• Ефективність передачі : Співвідношення вихідної потужності до вхідної. ККД шарико-гвинтових передач надзвичайно високий — 90–98 %, на відміну від 30–50 % у звичайних гвинтових передач. Високий ККД означає менші втрати енергії, що зменшує навантаження на двигун і економить енерговитрати.

5. Покроковий посібник з вибору правильного Шаровий винт

1. Уточніть вимоги до вашого застосування : Почніть з того, що запишіть свої основні потреби: яка потрібна точність позиціонування? Яке навантаження буде сприймати кульовий гвинт? Яка максимальна швидкість? Яка довжина ходу? Відповідь на ці запитання допоможе звузити варіанти вибору (наприклад, висока точність = клас C1-C5; велике навантаження = гвинт більшого діаметра).
2. Виберіть тип циркуляції : Оберіть внутрішню циркуляцію, якщо потрібні висока швидкість, низький рівень шуму або компактна конструкція (наприклад, обробні центри ЧПУ). Оберіть зовнішню циркуляцію, якщо важлива економія, простота обслуговування або є місце для більшої гайки (наприклад, загальне обладнання автоматизації).
3. Підберіть клас точності : Ультраточність (C1-C5) для напівпровідників, оптики або медичного обладнання. Середня точність (C7-C10) для більшості верстатів з ЧПУ, роботів та лінійних модулів. Загальна точність (C16) для недорогих завдань із низькою точністю, таких як автоматичні двері чи конвеєри.
4. Враховуйте робоче середовище : Якщо ваша система працює в запилених, вологих або агресивних середовищах (наприклад, у цеху з металообробки), обирайте кульові гвинти з поліпшеними ущільненнями та антикорозійною обробкою (нікелюванням або хромуванням). Для високотемпературних умов (наприклад, поблизу печей) використовуйте матеріали та мастила, стійкі до високих температур.
5. Визначте необхідність попереднього натягу : Попередній натяг усуває люфт (зазор) між гвинтом і гайкою, підвищуючи жорсткість і точність позиціонування. Використовуйте кульові гвинти з попереднім натягом (подвійна гайка, зсув або попередній натяг ходу) у застосунках, таких як обробка на верстатах з ЧПУ або 3D-друк. Відмовтесь від попереднього натягу для загальних завдань задля економії — непідтягнуті кульові гвинти цілком придатні для більшості базових систем рухового керування.

6. Поради щодо обслуговування для подовження терміну служби кульового гвинта

• Регулярне змащення : Мастило зменшує тертя та знос. Використовуйте мастильне масло для високошвидкісних застосувань (він краще тече на високих швидкостях) та густе мастило для низькошвидкісних, важконавантажених завдань (він довше залишається у місці). Наносіть кожні 200–500 годин роботи — встановіть нагадування, щоб не пропустити цей важливий крок.
• Тримайте чистим і герметичним : Регулярно перевіряйте ущільнення на пошкодження — замінюйте їх, якщо вони потріскані або зношені. Періодично протирайте гвинтовий вал та гайку, щоб видалити пил та брухт. У важких умовах (наприклад, у деревообробці чи металообробці) додайте телескопічний захисний ковпак, щоб запобігти проникненню забруднень.
• Регулярно перевіряйте точність : Використовуйте індикатор годинникового типу (для базових перевірок) або лазерний інтерферометр (для точних вимірювань), щоб перевірити точність позиціювання та похибку ходу. Якщо ви помітили зниження точності — наприклад, деталі виходять за межі допусків — час налаштувати або замінити кульовий гвинт.
• Уникайте перевантаження та надмірної швидкості : Дотримуйтесь номінального навантаження та обмежень швидкості кульового гвинта. Перевантаження може зігнути гвинт або пошкодити доріжку кочення; надмірна швидкість призводить до резонансу та вібрації. Якщо ваша система потребує більшої потужності, оновіться на більший кульовий гвинт — не перевантажуйте менший за його межі.