Korea Ever-Power · Руководство по применению инженерных решений
Червячные передачи и червячные колеса для приводов шлифовальных и полировальных станков
Станок для полировки оптических линз обеспечивает плоскостность поверхности 0,05 мкм — примерно одну тысячную толщины человеческого волоса. В таком масштабе каждый источник вибрации в станке оставляет свой след на обработанной поверхности. Пара червячных передач, приводящих в движение полировальный шпиндель, должна вносить менее 0,002 мм/с вибрации зацепления — на порядок тише, чем привод лифта премиум-класса, и на два порядка тише, чем стандартный промышленный редуктор.
Шлифовально-полировальные станки обеспечивают наилучшую чистоту поверхности в производстве — шероховатость Ra от 0,05 до 0,8 мкм — и любая вибрация от приводной системы непосредственно отражается на готовой поверхности в виде периодической волнистости или ухудшения шероховатости. Анализ влияния вибрации на качество поверхности позволяет количественно оценить, как амплитуда вибрации зацепления червячной передачи на частоте зацепления влияет на шероховатость поверхности: каждые 0,01 мм/с вибрации зацепления добавляют примерно от 0,02 до 0,05 мкм к значению Ra поверхности. Для плоскошлифовального станка с шероховатостью Ra 0,2 мкм допустимая вибрация червячной передачи составляет менее 0,02 мм/с — это достижимо только при использовании притертых или суперчистовых червяков с шероховатостью Ra 0,1–0,2 мкм и классом точности DIN 3–4. Для оптической полировки с шероховатостью Ra 0,05 мкм допустимая вибрация снижается до менее 0,005 мм/с — для этого требуются червячные передачи класса 2, которые притираются и проходят вибрационные испытания. Стабильность скорости в пределах плюс-минус 0,5% является обязательной, поскольку скорость съема материала шлифовального круга пропорциональна скорости вращения стола — изменение скорости на 1% приводит к изменению глубины резания на 1%, что превышает общий допуск на форму прецизионно шлифованных компонентов.
Почему шлифовальным и полировальным станкам необходимы приводы со сверхнизким уровнем вибрации?
Шлифовка и полировка принципиально отличаются от фрезерования и токарной обработки: глубина резания измеряется в микрометрах (от 1 до 20 мкм за проход), а не в миллиметрах. В этом масштабе различие между преднамеренным удалением материала и повреждением поверхности, вызванным вибрацией, размывается — смещение вибрации на 5 мкм в точке контакта удаляет 5 мкм материала на пике вибрации и ноль на впадине, создавая волнистость поверхности, равную амплитуде вибрации. Обработанная поверхность становится записью каждого источника вибрации в станке.
В типичном шлифовальном станке червячная передача является одним из 5-8 источников вибрации (другие источники включают подшипники шпинделя шлифовального круга, дисбаланс круга, гидравлический насос, насос охлаждающей жидкости и основание станка). Каждый источник должен оставаться в пределах выделенного ему вибрационного бюджета, чтобы суммарный уровень вибрации не превышал пороговое значение качества поверхности. Вклад червячной передачи обусловлен двумя механизмами: возбуждением на частоте зацепления (периодическое зацепление зубьев при вращении червяка) и ошибкой передачи (микроизменениями скорости вращения на выходе за один оборот входного вала из-за несовершенств геометрии зубьев).
Скользящее зацепление каждой витка червяка с зубом колеса создает периодическую силу с частотой зацепления (обороты червяка в минуту для однозаходного механизма). Эта сила возбуждает конструкцию машины. Более гладкие поверхности зубьев (меньшее Ra) уменьшают амплитуду возбуждения — основная причина, по которой для шлифовальных станков используются притертые червяки.
Несовершенства геометрии зубьев приводят к тому, что скорость вращения шнека немного увеличивается и уменьшается в течение каждого оборота — это микроизменение называется ошибкой передачи. Это изменение напрямую влияет на скорость вращения стола, что приводит к волнообразности поверхности заготовки в период вращения шнека. Классы DIN 3–4 минимизируют ошибку передачи.
Если частота зацепления совпадает с резонансом конструкции станка (диапазон от 10 до 200 Гц), даже небольшие амплитуды возбуждения вызывают сильную вибрацию в точке контакта при шлифовании. Изменение скорости вращения червячного вала на 5–10 процентов может сместить частоту зацепления от резонанса — это регулировка настройки, не требующая изменения аппаратных параметров.
Анализ влияния вибрации на качество поверхности — от мм/с на сетке до мкм Ra на заготовке.
Зависимость между вибрацией зацепления червячной передачи и шероховатостью шлифованной поверхности зависит от амплитуды вибрации, пути передачи структурных изменений от корпуса шестерни к зоне шлифования и параметров процесса шлифования (скорость вращения шлифовального круга, глубина резания, охлаждающая жидкость). Передаточная функция варьируется в зависимости от конструкции станка, но эмпирические данные, полученные на ряде плоскошлифовальных и цилиндрических шлифовальных станков, показывают устойчивое эмпирическое правило: каждые 0,01 мм/с среднеквадратичного значения вибрации зацепления в корпусе червячной передачи вносят вклад примерно от 0,02 до 0,05 мкм в значение Ra поверхности заготовки.
Таблица показывает иерархию точности: зубчатый червяк с шероховатостью Ra 1,6 мкм вносит вклад в шероховатость поверхности от 0,16 до 0,75 мкм только за счет вибрации, что делает его непригодным для любых шлифовальных работ (он превысит весь допустимый диапазон шероховатости поверхности еще до того, как шлифовальный круг коснется заготовки). Шлифованные червяки с шероховатостью Ra 0,4 мкм подходят для промышленного бесцентрового и грубого шлифования поверхностей. Притертые червяки с шероховатостью Ra 0,2 мкм используются для прецизионного шлифования поверхностей и цилиндрических поверхностей. Суперфинишные червяки с шероховатостью Ra 0,1 мкм предназначены для оптической полировки и полупроводниковых процессов, где целевая шероховатость поверхности ниже 0,1 мкм.
Корейский производитель прецизионных шлифовальных станков получил жалобу от заказчика — производителя подшипников: шлифованные обоймы подшипников демонстрировали периодическую волнистость с частотой, не соответствующей частоте вращения шлифовального круга, головки или гидравлического насоса. Длина волны волнистости составляла 0,42 мм — что соответствует перемещению стола за один оборот червяка при заданной скорости подачи (передаточное число червячной передачи 30:1, шаг ходового винта 5 мм, один оборот червяка = 0,167 мм перемещения стола × 2,5 шлифовальных прохода за один оборот червяка при данной комбинации скоростей = 0,42 мм рисунка поверхности). Червячная передача была заменена во время недавнего капитального ремонта на червяк с шероховатостью Ra 0,35 мкм — соответствующий спецификации закупки «Ra ниже 0,4 мкм». Однако измерение вибрации показало 0,04 мм/с на частоте зацепления — на верхней границе допустимого диапазона для целевой чистоты поверхности обойм подшипников Ra 0,2 мкм. Оригинальный червяк, установленный на заводе, был притерт до Ra 0,18 мкм с вибрацией 0,012 мм/с. Решение: замененный червяк был притерт до Ra 0,15 мкм (дополнительные затраты 35 долларов США), вибрация снизилась до 0,008 мм/с, и периодическая волнистость исчезла. Вывод: в технических характеристиках червяков шлифовальных станков следует указывать предел вибрации на частоте зацепления (мм/с СКЗ) в дополнение к показателю чистоты поверхности Ra — поскольку два червяка с одинаковым Ra могут создавать разные уровни вибрации из-за различий в точности профиля зубьев, которые Ra не отражает.
Стабильность скорости — равномерное удаление материала на протяжении всего шлифовального прохода.
Помимо вибрации, зубчатая передача должна обеспечивать стабильную выходную скорость, поскольку скорость съема материала при шлифовании прямо пропорциональна скорости подачи стола. Если подача изменяется на 2 процента во время прохода поперечной подачи, глубина резания изменяется на 2 процента, что приводит к погрешности формы, которая может превышать общий допуск на прецизионно шлифованные компоненты. Стабильность скорости в пределах плюс-минус 0,5 процента требует геометрии зубьев класса DIN 4 или выше с погрешностью передачи менее 5 угловых секунд от пика до пика — тот же класс точности, что и в спецификации для поворотных столов с ЧПУ (статья A22), но по другой функциональной причине: точность позиционирования против стабильности подачи.
Три корпуса червячных передач шлифовально-полировального станка
Пример 1 — Корейский прецизионный плоскошлифовальный станок: мишень Ra 0,2 мкм, обработка подшипниковых колец.
Корейский производитель плоскошлифовальных станков указал червячные передачи для продольной подачи стола прецизионного плоскошлифовального станка, используемого для чистовой обработки подшипниковых колец. Целевая шероховатость поверхности: Ra 0,2 мкм. Размер стола: 600 × 300 мм. Скорость подачи: от 1 до 15 м/мин (гидравлическое возвратно-поступательное движение с червячной передачей в качестве индексатора поперечной подачи). Червячная передача для индексатора поперечной подачи: однозаходная, модуль 1,5, межосевое расстояние 30 мм, передаточное отношение 30:1, притирка Ra 0,15 мкм, класс точности DIN 4. Вибрация на частоте зацепления: 0,008 мм/с² среднеквадратичного значения (подтверждено акселерометром во время заводских приемочных испытаний). Вклад вибрации зубчатой передачи в Ra: приблизительно 0,02 мкм — составляет 10 процентов от требуемого значения 0,2 мкм. Материал: червяк из цементированной стали 18CrNiMo7-6, твердость по Роквеллу 60, центробежно отлитый круг из фосфористой бронзы. Смазка: шпиндельное масло ISO VG 32 (используется также для направляющих стола). Стоимость пары: 185 долларов США. Шлифовальный станок стабильно обеспечивал шероховатость подшипниковых колец Ra 0,15 мкм — в пределах целевого значения 0,2 мкм.
Случай 2 — Японский станок для полировки оптических линз: Ra 0,05 мкм, сверхточная обработка червячного механизма, испытания на вибрацию.
Японский производитель оптического оборудования заказал червячную передачу для привода шпинделя автоматизированного станка для полировки линз, используемого в производстве оптики для камер и микроскопов. Целевая плоскостность поверхности: 0,05 мкм (четверть длины волны видимого света). Червячная передача приводила в движение полировальный шпиндель со скоростью от 15 до 60 об/мин с передаточным отношением 40:1. Вибрационный баланс привода: менее 0,003 мм/с² среднеквадратичного значения на частоте зацепления. Червячная передача: однозаходная, модуль 1, межосевое расстояние 25 мм, передаточное отношение 40:1, сверхчистовая обработка Ra 0,08 мкм, класс точности DIN 2. Каждая пара проходила индивидуальные вибрационные испытания на специальном испытательном стенде в целевом диапазоне скоростей — пары, превышающие 0,003 мм/с, были отбракованы (приблизительно 15% отбраковки, что отражает крайний допуск). Материал: азотированный червяк из стали 31CrMoV9, твердость поверхности HRC 62, центробежно отлитая оловянная бронза с добавлением сурьмы (превосходные характеристики приработки, минимальная начальная вибрация). Стоимость за пару: 680 долларов США (включая индивидуальный сертификат вибрационных испытаний). Просмотреть червячная передача с низким уровнем вибрации варианты для прецизионной шлифовки и оптической полировки.
Пример 3 — Вьетнамская бесцентровая шлифовальная машина: Ra 0,8 мкм, шлифованный шнековый механизм, объем производства.
Вьетнамский производитель станков заказал червячные передачи для привода регулирующего колеса бесцентрового шлифовального станка, производящего стальные штифты и валы. Целевая шероховатость поверхности: Ra 0,8 мкм (промышленный класс). Скорость вращения регулирующего колеса: от 10 до 40 об/мин. Двигатель: 0,75 кВт с частотно-регулируемым приводом. Передаточное отношение: 25:1. Выходной крутящий момент: 45 Н·м. Смягченная целевая шероховатость Ra 0,8 мкм позволила получить шлифованный червяк с шероховатостью Ra 0,4 мкм — вклад вибрации приблизительно 0,1 мкм составил всего 12 процентов от запланированного значения 0,8 мкм. Притирка поверхности не потребовалась и увеличила бы стоимость пары на 40 процентов без заметного улучшения качества при таком уровне допуска. Червячная передача: однозаходная, модуль 2, межосевое расстояние 40 мм, класс точности DIN 6. Материал: закаленный червяк из углеродистой стали, колесо из фосфористой бронзы. Защита от охлаждающей жидкости: уплотнение из EPDM IP55 с защитой от брызг (охлаждающая жидкость для бесцентрового шлифования направляется в зону шлифования, а не в привод). Стоимость за пару: 52 доллара США. Годовой объем производства: 200 бесцентровых шлифовальных станков (200 пар в год). Спецификация показывает, что качество червячной передачи шлифовального станка должно соответствовать технологическому целевому показателю — сверхточная обработка червяка для бесцентрового шлифовального станка с шероховатостью Ra 0,8 мкм приводит к потере 70 процентов дополнительных затрат на чистовую обработку.
Часто задаваемые вопросы
В: Как измерить вклад вибрации червячной передачи на существующем шлифовальном станке?
Установите акселерометр на корпус червячной передачи и измерьте спектр вибрации во время работы подачи стола (шлифовальный круг не режет — изолируйте вибрацию привода от вибрации процесса). Определите пик на частоте зацепления червяка (однозаходный режим: пик на частоте вращения червяка в Гц). Сравните амплитуду этого пика (в мм/с СКЗ) с таблицей зависимости вибрации от качества поверхности, чтобы оценить вклад Ra. Если пик превышает допустимый уровень для вашей целевой чистоты поверхности, либо замените червяк на червяк с более тонкой обработкой, либо отрегулируйте скорость вращения червяка на 5–10 процентов, чтобы сместить частоту зацепления от любого структурного резонанса.
В: Влияет ли материал червячной передачи на вибрацию?
Да, материал шлифовального круга оказывает существенное влияние. Бронзовые круги гасят вибрацию зацепления за счет внутреннего демпфирования материала (бронза обладает большей демпфирующей способностью, чем сталь). Круги из полиоксиметилена (ПОМ) и нейлона с модифицированной углеродной структурой (МЦН) обеспечивают еще большее демпфирование — в 3–5 раз больше, чем бронзовые, — но ограничены очень малыми нагрузками (ниже 20 Н·м). Для прецизионных шлифовальных станков с умеренным крутящим моментом (20–80 Н·м) бронза является стандартом. Для сверхточной оптической полировки с очень малым крутящим моментом (ниже 10 Н·м) круги из ПОМ могут обеспечить дополнительное снижение шума на 2–4 дБ(А) и заметно меньшую вибрацию, но за счет сокращения срока службы круга и снижения точности позиционирования из-за пластической нестабильности размеров.
В: Может ли трение охлаждающей жидкости повредить червячную передачу?
Охлаждающая жидкость для шлифовки (обычно водорастворимая смазочно-охлаждающая жидкость с концентрацией от 3 до 8 процентов) обладает умеренной коррозионной активностью и содержит абразивную стружку (частицы измельченного металла). Если охлаждающая жидкость попадает в корпус червячной передачи через изношенные уплотнения, возникают две проблемы: содержание воды эмульгирует шпиндельное масло (снижая смазку), а частицы стружки действуют как притирочная паста на поверхностях зубьев шестерни (ускоряя износ и увеличивая люфт). Результат становится измеримым в течение нескольких месяцев — увеличивается вибрация и ухудшается качество поверхности. Стандартной защитой являются уплотнения из EPDM (устойчивые к водорастворимой охлаждающей жидкости) и принудительная продувка воздухом на входе в вал. Эффективность уплотнений контролируется анализом масла каждые 6 месяцев (содержание воды ниже 0,05 процента, количество частиц ниже ISO 18/16/13).
В: Почему помимо качества поверхности (Ra) для червячного вала указывается также вибрация (мм/с)?
Показатель Ra измеряет среднюю шероховатость поверхности резьбы червяка — он указывает на степень гладкости поверхности на микрогеометрическом уровне. Вибрация (мм/с на частоте зацепления) измеряет динамическое возбуждение, которое создает пара червячных передач во время вращения — она показывает, насколько сильно пара вибрирует на станке. Два червяка с одинаковыми значениями Ra могут создавать разные уровни вибрации, поскольку вибрация также зависит от точности профиля зубьев, точности шага и концентричности — параметров, которые Ra не отражает. Для шлифовальных работ параметр вибрации более непосредственно связан с качеством готовой поверхности, чем только значение Ra червяка. Указывайте оба параметра: Ra для контроля качества производства, вибрацию для функциональной проверки.
В: Каков типичный срок службы червячной передачи шлифовального станка?
Шлифовальные станки работают от 2000 до 4000 часов в год с прерывистой подачей (червячная передача работает во время поперечных индексирующих ходов, а не непрерывно). При такой нагрузке и небольших крутящих моментах, характерных для шлифования (от 10 до 80 Н·м), срок службы бронзового шлифовального круга составляет от 8 до 15 лет. Фактором, ограничивающим срок службы, является вибрационная деградация, а не люфт — по мере износа круга изменяется характер контакта и увеличивается возбуждение зацепления. Когда вибрация на частоте зацепления возрастает вдвое по сравнению с первоначальным значением, качество поверхности начинает ухудшаться. Замену круга следует планировать при удвоении вибрации — обычно при достижении 60–70 процентов механического срока службы, ограниченного люфтом.
Шлифовальные и полировальные станки работают на самом высоком уровне точности в производстве, и червячная передача, приводящая в движение подачу стола или шпиндель, является одним из немногих компонентов, вибрационный след которого можно непосредственно измерить на поверхности готовой заготовки. Анализ зависимости вибрации от качества поверхности (каждая вибрация зацепления 0,01 мм/с добавляет от 0,02 до 0,05 мкм к шероховатости поверхности Ra) позволяет количественно оценить, почему зубчатые червяки непригодны для шлифовки, шлифованные червяки используются для промышленной шлифовки, притертые червяки — для прецизионной шлифовки, а червяки с суперчистовой обработкой — для оптической полировки. Предел вибрации на частоте зацепления (мм/с RMS) должен быть указан наряду с шероховатостью поверхности червяка (Ra мкм) — поскольку одна только Ra не позволяет предсказать вибрационные характеристики. Для производителей шлифовальных станков спецификация червячной передачи определяет наилучшую возможную чистоту поверхности, которую может обеспечить станок — это компонент, определяющий возможности, а не просто элемент привода.
Для производителей шлифовальных и полировальных станков наш инженерный отдел предоставляет червячные передачи с индивидуальными сертификатами вибрационных испытаний для высокоточных применений. Стандартный каталог прецизионные червячные передачи Включает в себя шлифованные, притертые и суперфинишные конфигурации с точностью от 2 до 6 класса DIN. Отправьте Технические характеристики шлифовального привода с заданными параметрами шероховатости поверхности, диапазоном скорости вращения стола и вибрационным балансом.
Выбираете червячные передачи для шлифовальных или полировальных станков?
Укажите требуемую шероховатость поверхности (Ra), скорость вращения стола или шпинделя, вибрационный баланс (если известен) и тип шлифовки (поверхностная, цилиндрическая, бесцентровая, оптическая). Мы порекомендуем класс чистоты поверхности, класс DIN и предоставим индивидуальные сертификаты вибрационных испытаний для высокоточных применений.
Редактор: Cxm
