Шаг и ход ШВП: что это такое

В конце 19-го столетия появились детали, конструкция которых была похожа на современные шарикоподшипники. Шарики были размещены внутри гаечной резьбы.

Если коротко — такая схема уменьшала силу трения. В результате появилась совершенно новая технология, которая сегодня используется во всех сферах промышленности — от производства бытовой техники до авиастроения. 

Технические проблемы в этих моделях инженерам не удавалось преодолеть несколько десятилетий — шарики элементарно «заклинивало». И только в 1960-е годы начался новый этап в разработке и использовании винтов ШВП. Сначала это было производство легковых автомобилей «Ford», а спустя десятилетие без подшипника не обходилось изготовление промышленных станков для всех сфер современной индустрии.

Основные отличия ШВП от аналогичных деталей:

• максимальная точность линейного перемещения во время выполнения технологической операции;
• возможность позиционирования до 1 мкм;
• КПД, составляющий 90-98%;
• длительный срок эксплуатации;
• компактность;
• люфт возможно не только минимизировать, но и устранить;
• сохранение всех рабочих качеств на высокой скорости перемещения.

Резьбовой вал выполняет роль винта, а шариковый узел — гайки. Изготовление шарикоподшипников предусматривает жёсткие допуски. Во многих промышленных станках нагрузка на винты быстро меняется. Результат — между гайкой и винтом возникает провисание, для предотвращения которого обычно используется преднатяг (предварительная нагрузка шарикового механизма).

Определение, применение, конструктивные особенности

ШВП — это высокоэффективная механическая передача, которая «умеет» превратить поступательное движение во вращательное, а вращательное — в поступательное. 

При этом она обеспечивает максимальную точность операций. Основные сферы применения:

• производство станков с ЧПУ;
• автопром;
• медицинская техника;
• металлургия;
• авиа- и ракетостроение;
• текстильная и пищевая индустрия;
• атомная промышленность.

Используется ШВП и в роботах промышленного назначения — эта технология позволяет им выполнять сложные задачи, включая сборку мелких деталей, и перемещать предметы с максимальной точностью.

Конструкция ШВП достаточно проста:

• винт;
• одна либо две гайки; 
• шарики.

Конкретные параметры зависят от области применения. Модели могут отличаться по шагу резьбы, наличию люфта, предельной рабочей температуре и целому ряду механических характеристик.

Шаг — оценивается в двух параметрах, теоретический и фактический. Первый вариант — это расчётное перемещение гайки, второй — реальный путь гайки за один оборот винта ВДОЛЬ ЕГО ОСИ. От шага зависит и точность, и скорость. При увеличении шага мы получаем высокую скорость, но теряем в точности, при этом возрастает крутящий момент.

Ход — это также движение гайки за один оборот винта, но ЛИНЕЙНОЕ.

Работа с профилем резьбы ориентирована на конкретные характеристики, которыми должно обладать изделие на выходе — учитывается шаг резьбы, диаметр шариков, жёсткость системы, необходимая скорость перемещения и ориентировочная грузоподъёмность.

Основные классы точности

И винты, и гайки изготавливаются с жёсткими допусками — это обеспечивает максимальную точность позиционирования и перемещения. Классификация достаточно сложна, но можно выделить два главных класса точности:

1. Обычный (нормальный). Класс С7-С10. Погрешность рассчитывается на отрезке 300 мм.
2. Прецизионный. Класс С0-С5. Такая конструкция дополнена сепаратором. Его задача — минимизировать трение шариков между собой, предотвратить их столкновение. Дополнительно он позволяет снизить колебания и уменьшить шум во время работы оборудования.

Существует и такая конструкция, в которой вращается не винт, а гайка. На практике используется редко, в первую очередь для станков, в которых не предусмотрена реечная передача.

Технология изготовления ШВП

Основные варианты: катаные и шлифованные. В первом случае применяют один из пяти методов накатки резьбы. Именно этот вариант наиболее распространён — стоимость изготовления при такой технологии демократична. Используется метод деформации в холодном состоянии заготовки. Основной недостаток — точность не столь высока, как у шлифованных моделей. 

Шлифованные характеризуются высокой точностью, используются для сложного оборудования. Такую резьбу наносят в процессе обработки, точный алгоритм которой зависит от материала и требуемых параметров, плюс термообработка и финишная достаточно сложная шлифовка.

Для винтов применяется легированная сталь с высоким процентом никеля и хрома. Следующие этапы — механическая обработка заготовки и строгий контроль на предмет обнаружения дефектов. Резьба может формироваться с использованием разных технологий:

• фрезерование — позволяет создавать несколько вариантов профилей;
• холодная накатка — повышает усталостную прочность;
• электроэрозионный метод — для сложных профилей и обработки закалённых металлов;
• прецизионное точение — обеспечивает максимальное качество поверхности;
• шлифование — используется после термообработки, позволяет получить геометрическую точность.

На практике чаще всего применяют метод накатки. Это пластическая деформация металла, способ эффективный и экономически выгодный. Усталостная прочность при такой обработке увеличивается от 15 до 30%. При этом скорость работы высока, а отходы практически отсутствуют по сравнению с другими технологиями.

Термическая обработка нужна для получения заданных механических характеристик, а финишное шлифование позволяет получить необходимые параметры точности и шероховатости поверхности. При изготовлении винтов может использоваться абразивная паста.