Korea Ever-Power · Руководство по применению инженерных решений
Червяк и червячное колесо для индексации поворотного стола ЧПУ
Пятиосевой обрабатывающий центр с ЧПУ обрабатывает лопатку турбины со скоростью вращения шпинделя 12 000 об/мин. Поворотный стол 4-й оси позиционирует заготовку лопатки с точностью до 10 угловых секунд — 0,003 градуса — и удерживает ее под действием силы резания 800 Н, в то время как охлаждающая жидкость подается в рабочую зону со скоростью 20 литров в минуту. Червячная передача внутри поворотного стола одновременно является прецизионным угловым позиционером, зажимным устройством для заготовки и механическим компонентом, устойчивым к воздействию охлаждающей жидкости. Это наиболее требовательное к точности применение червячной передачи в любой отрасли.
Поворотные столы с ЧПУ (4-я и 5-я оси) используют червячные передачи для точного углового позиционирования, непрерывной контурной обработки при одновременной многоосевой обработке и самоблокирующейся фиксации заготовки от сил резания. Таблица зависимости люфта от погрешности позиционирования количественно определяет, как люфт червячной передачи преобразуется в погрешность обработки в точке резания заготовки: e = R × B / 3438, где R — радиус заготовки в мм, а B — люфт в угловых минутах. Для заготовки радиусом 200 мм 1 угловая минута люфта приводит к погрешности позиционирования в 58 мкм, что превышает типичный допуск ЧПУ плюс-минус 25 мкм. Именно поэтому в поворотных столах с ЧПУ повсеместно используются предварительно нагруженные механизмы защиты от люфта (пружинное разъемное колесо или двухрядная система с регулировкой прокладок) для уменьшения эффективного люфта до менее 10 угловых секунд. Передаточное отношение 360:1 является стандартом для станков с ЧПУ — один градус на оборот червячной передачи — что позволяет напрямую считывать угловое положение с сервопривода без дополнительной электронной передачи. Для поворотных столов с ЧПУ производственного класса указан класс точности DIN 3974 от 3 до 5.
Почему в поворотных столах с ЧПУ используются червячные передачи?
Поворотный стол с ЧПУ выполняет одновременно три функции: позиционирует заготовку под точным углом, жестко удерживает заготовку во время резки и непрерывно вращается во время контурных операций (нарезание зубчатых колес, фрезерование кулачков, обработка лезвий). Червячная передача обеспечивает все три функции в одном механическом механизме — ни один другой тип зубчатой передачи не может сравниться с этим сочетанием.
Передаточное отношение 360:1 преобразует один полный оборот червячной передачи ровно в один градус поворота стола. Сервомотор с энкодером на 10 000 отсчетов обеспечивает 10 000 × 360 = 3 600 000 отсчетов на оборот стола — угловое разрешение 0,36 угловых секунд на отсчет. Механическая точность до ±10 угловых секунд достижима с червячными передачами класса DIN 3.
В процессе фрезерования сила резания стремится повернуть заготовку относительно заданного положения. Самоблокировка противодействует этой силе без отдельного гидравлического зажима — сила резания на радиусе заготовки создает обратный крутящий момент, который червячная передача поглощает благодаря своей необратимости.
При одновременной обработке по 4 осям стол непрерывно вращается, в то время как шпиндель перемещается по осям X/Y/Z — все оси синхронизируются контроллером ЧПУ. Червячная передача должна обеспечивать плавное вращение без люфта с переменной скоростью от 0,1 до 30 об/мин без ошибок передачи, которые могли бы привести к дефектам качества поверхности заготовки.
Таблица соответствия люфта и погрешности позиционирования — от угловых минут до микрон в точке резания.
Связь между люфтом червячной передачи и погрешностью обработки носит чисто геометрический характер: угловой люфт в центре стола создает линейную погрешность позиционирования на радиусе заготовки, которая увеличивается пропорционально расстоянию от центра вращения. Формула имеет вид e = R × B / 3438, где e — погрешность позиционирования в мм, R — радиус заготовки (расстояние от центра стола до точки резания) в мм, а B — люфт в угловых минутах.
В таблице в одном ряду представлены данные по предварительно нагруженным червячным передачам с люфтом: при R = 200 мм со стандартным люфтом в 1 угловую минуту погрешность позиционирования составляет 58 мкм — более чем вдвое превышая типичный допуск обработки на станках с ЧПУ плюс-минус 25 мкм. Даже 0,5 угловых минуты (30 угловых секунд) дают погрешность 29 мкм на радиусе 200 мм — все еще выше допустимого предела. Только предварительно нагруженная конфигурация с люфтом 10 угловых секунд (0,15 угловых минут) остается в пределах допуска в 9 мкм. Универсальные промышленные червячные передачи с люфтом 5 угловых минут совершенно непригодны для индексации на станках с ЧПУ — погрешность на любом практическом радиусе заготовки превышает допуск на порядок.
Методы предварительной нагрузки для предотвращения люфта — как поворотные столы с ЧПУ обеспечивают люфт менее 10 угловых секунд
Стандартные червячные передачи не могут обеспечить требуемый для индексации на станках с ЧПУ люфт менее 10 угловых секунд только за счет производственных допусков — наименьший достижимый люфт в обычном цельном колесе составляет приблизительно от 15 до 30 угловых секунд при классе DIN 3. Для достижения люфта от 5 до 10 угловых секунд червячная передача должна быть механически предварительно нагружена таким образом, чтобы боковые поверхности зубьев одновременно контактировали с обеих сторон, исключая зону свободного хода, которая и представляет собой люфт.
Колесо разделено на две половины, каждая из которых входит в зацепление с червяком с противоположных сторон. Пружина между половинками раздвигает их, поддерживая одновременный контакт с обеих сторон. Эффективный люфт: от 3 до 8 угловых секунд. Преимущество: саморегулирующийся — пружина компенсирует тепловое расширение и незначительный износ. Недостаток: ограниченная крутящая способность (пружину необходимо преодолеть, прежде чем зубья начнут передавать полную нагрузку). Лучше всего подходит для: легких индексирующих столов (4-я ось на вертикальных обрабатывающих центрах, делительные головки).
На одном валу нарезаны две червячные резьбы с небольшим осевым смещением. Прокладки между корпусами подшипников червяка регулируют предварительную нагрузку, управляя осевым положением червяка относительно колеса. Эффективный люфт: от 5 до 15 угловых секунд. Преимущество: полная грузоподъемность (предварительная нагрузка механическая, а не ограничена пружиной). Недостаток: требуется повторная регулировка прокладок по мере износа колеса (каждые 2–4 года). Лучше всего подходит для: тяжелых 5-осевых столов, зубофрезерных станков и поворотных столов горизонтально-расточных станков.
Корейский производитель станков с ЧПУ приобрел сменные червячные передачи для 15 поворотных столов (комбинация 4-й/5-й осей), установленных на горизонтальных обрабатывающих центрах. Оригинальные передачи представляли собой предварительно нагруженные разъемные шестерни с эффективным люфтом 6 угловых секунд, класс DIN 4. Сменные передачи от другого поставщика были указаны как «класс DIN 4, без люфта», но оказались двухрядными шестернями с регулировкой прокладками, а не пружинными разъемными шестернями. После установки люфт составил 12 угловых секунд — в пределах допуска класса DIN 4, но вдвое больше исходных 6 угловых секунд. При типичном радиусе заготовки 150 мм погрешность позиционирования увеличилась с 4 мкм до 9 мкм — все еще в пределах допуска ±25 мкм для станков с ЧПУ общего назначения, но недостаточно для конкретного заказчика из аэрокосмической отрасли, которому требуется ±10 мкм для пазов в корне лопаток турбин. Производителю станков пришлось заново отрегулировать все 15 столов, чтобы добиться точности в 8 угловых секунд — 2 часа квалифицированной работы на каждый стол по ставке 85 долларов в час, что в сумме составило 2550 долларов незапланированных трудозатрат. Вывод: «защита от люфта» — это не единая спецификация — метод предварительной нагрузки (разъемный червяк или двухрядный червяк), эффективное значение люфта (в угловых секундах, а не просто «защита от люфта») и класс точности DIN должны быть указаны явно. Две пары устройств защиты от люфта класса DIN 4 от разных поставщиков могут давать разные значения люфта, поскольку «класс 4» определяет допуск геометрии зубьев, а не эффективность предварительной нагрузки.
Технические характеристики трех корпусов с червячными передачами для поворотных столов с ЧПУ
Пример 1 — Корейский поворотный стол с 4-й осью: Ø250 мм, разъемное колесо, автомобильные детали.
Корейский производитель станков с ЧПУ заказал червячные передачи для поворотного стола 4-й оси диаметром 250 мм, предназначенного для обработки автомобильных компонентов (алюминий и сталь, радиус заготовки до 125 мм). Требуемая точность позиционирования: ±15 угловых секунд. Повторяемость: ±5 угловых секунд. Червячная передача: однозаходная, модуль 1,5, диаметр колеса 180 мм, передаточное отношение 360:1, класс точности DIN 4. Предварительная нагрузка: подпружиненное разъемное колесо. Эффективный люфт: 6 угловых секунд. Погрешность позиционирования при R = 125 мм: 125 × 0,1 / 3438 = 3,6 мкм — в пределах допуска обработки ±25 мкм. Червяк: закаленная и шлифованная сталь 20CrMnTi, Ra 0,2 мкм, HRC 58–62. Колесо: центробежно отлитая фосфористая бронза CuSn12Ni. Смазка: шпиндельное масло ISO VG 68 (используется также в подшипниках стола), циркулирует через центральную систему смазки станка. Двигатель: сервопривод переменного тока 1,5 кВт с абсолютным энкодером на 131 072 деления. Стоимость одного червячного редуктора: 680 долларов США. Годовой объем производства: 400 столов (16 000 комплектов червячных редукторов в год по всей линейке продукции).
Вариант 2 — Японский 5-осевой поворотный стол: Ø400 мм, двухшнековый привод, допуски, соответствующие аэрокосмическим стандартам.
Японский производитель 5-осевых обрабатывающих центров заказал червячные передачи для оси А (наклон) и оси С (вращение) 400-мм поворотного стола, предназначенного для обработки компонентов из титана и инконеля в аэрокосмической отрасли. Точность позиционирования: ± 8 угловых секунд. Аэрокосмическое применение требовало усилий резания до 2500 Н при радиусе заготовки 180 мм, что создавало крутящий момент 450 Н·м на столе. Подпружиненная конструкция с разъемным колесом не могла справиться с этим крутящим моментом (предварительная нагрузка пружины была ограничена примерно 150 Н·м). Спецификация: двухрядный червяк с регулировкой прокладкой. Модуль 2, диаметр колеса 280 мм, передаточное число 360:1, класс DIN 3. Эффективный люфт после регулировки прокладкой: 5 угловых секунд. Погрешность позиционирования при R = 180 мм: 180 × 0,083 / 3438 = 4,4 мкм — в пределах аэрокосмического допуска ±10 мкм с запасом в 56%. Червяк: цементированный 18CrNiMo7-6, шлифовка Ra 0,15 мкм, твердость по Роквеллу 60–63. Колесо: центробежно отлитая оловянная бронза с добавлением никеля (повышенная усталостная прочность для тяжелых условий аэрокосмической резки). Защита от охлаждающей жидкости: лабиринтное уплотнение и продувка воздухом на входе в червячный вал для предотвращения попадания охлаждающей жидкости. Стоимость одной пары червячных передач (ось A или C): 2400 долларов США. прецизионный червячный редуктор варианты применения для поворотных столов и станков с ЧПУ.
Вариант 3 — Вьетнамская ручная делительная головка: передаточное отношение 40:1, без предварительной нагрузки, для учебных и производственных целей.
Вьетнамский дистрибьютор станков заказал червячные передачи для ручных делительных головок, продаваемых профессиональным учебным заведениям и небольшим мастерским. Делительная головка устанавливается на стол фрезерного станка и перемещает заготовку с фиксированным угловым шагом для нарезания зубьев шестерни, шестигранных плоских поверхностей и равномерно расположенных отверстий. Передаточное отношение: 40:1 (9 градусов на оборот червяка — стандартное делительное отношение, обеспечивающее распространенные деления: 40 оборотов для полного вращения, 20 оборотов для 180 градусов, 10 оборотов для 90 градусов). Без предварительной нагрузки (стандартное цельное колесо с люфтом от 2 до 3 угловых минут). Погрешность позиционирования при R = 50 мм: 50 × 2,5 / 3438 = 36 мкм. Это было приемлемо для типичного допуска плюс-минус 0,1 мм (100 мкм) при ручной обработке в цехе — направление движения маховика оператора (всегда с одного и того же направления) эффективно исключает люфт в позиционировании. Червячный механизм: углеродистая сталь, зубофрезерование Ra 0,8 мкм, закалка HRC 55. Колесо: литая из фосфористой бронзы. Стоимость пары: 32 доллара США. Этот случай демонстрирует, что не для всех операций индексации станков требуется защита от люфта — ручное управление с постоянным направлением движения исключает эффект люфта, который возникает только при двунаправленном позиционировании с ЧПУ.
Часто задаваемые вопросы
В: Почему стандартное передаточное отношение для поворотных столов с ЧПУ составляет 360:1?
При передаточном отношении 360:1 один полный оборот червяка поворачивает стол ровно на один градус, что упрощает считывание угловых показаний с сервопривода: количество делений энкодера на градус равно разрешению энкодера на один оборот. Электронное передаточное отношение контроллера ЧПУ составляет 1:1, что исключает ошибки округления в контуре позиционирования. В некоторых специализированных приложениях используется передаточное отношение 90:1 (для высокоскоростной непрерывной контурной обработки) или 720:1 (для сверхвысокого углового разрешения), но 360:1 является стандартом для универсальных индексирующих столов, поскольку обеспечивает наилучший баланс между угловым разрешением, скоростью обработки и механической эффективностью.
В: Как нагрев при механической обработке влияет на точность червячной передачи?
В процессе обработки тепло передается от заготовки и шпинделя к корпусу стола, повышая температуру стола на 5–20 градусов Цельсия во время длительных циклов резания. Это тепловое расширение увеличивает диаметр колеса и смещает межосевое расстояние, увеличивая люфт примерно на 2–5 угловых секунд на каждые 10 градусов Цельсия повышения температуры. Для предварительно нагруженных пар тепловое расширение может либо увеличить предварительную нагрузку (снижая эффективность и увеличивая нагрузку на двигатель), либо уменьшить ее (увеличивая люфт) в зависимости от того, что расширяется больше: колесо или корпус. Подпружиненные разъемные колеса самокомпенсируют тепловое расширение; двухрядные колеса с регулировкой прокладками этого не делают — они требуют термостабилизации (цикла прогрева перед прецизионной обработкой) или активной термокомпенсации в контроллере ЧПУ. Для обработки в аэрокосмической отрасли с требованиями к точности в пределах ±8 угловых секунд стандартной практикой является 30-минутный цикл прогрева перед обработкой первой заготовки.
В: Как предотвратить попадание охлаждающей жидкости в корпус червячной передачи?
При обработке на станках с ЧПУ используется охлаждающая жидкость под высоким давлением (от 10 до 70 бар), которая заливает рабочую зону и разбрызгивается на поворотный стол. Три стратегии герметизации защищают червячную передачу: лабиринтное уплотнение в месте соприкосновения корпуса стола и корпуса (бесконтактное, без износа); принудительная продувка воздухом (сжатый воздух под давлением от 0,1 до 0,3 бар непрерывно подается через лабиринт, предотвращая попадание охлаждающей жидкости); и дренажные каналы, которые отводят любую охлаждающую жидкость, проходящую через лабиринт, от корпуса редуктора до того, как она достигнет сальника. В высококачественных станках с ЧПУ используются все три метода. Если охлаждающая жидкость попадает в масляную систему, она эмульгирует шпиндельное масло и вызывает ускоренный износ контактных поверхностей червяка и колеса — измеримый как увеличение люфта на 5–10 угловых секунд в течение 6 месяцев. Регулярный анализ масла (содержание воды ниже 0,05%) контролирует эффективность герметизации.
В: Каков типичный срок службы червячной передачи поворотного стола с ЧПУ?
В производственных условиях поворотные столы с ЧПУ обычно работают от 2000 до 4000 часов в год с периодическим индексированием. Срок службы бронзового колеса составляет от 5 до 10 лет для общей обработки (сталь и алюминий) и от 3 до 6 лет для обработки в условиях тяжелой аэрокосмической отрасли (титан, инконель — более высокие силы резания создают более высокое контактное напряжение на зубьях червячной передачи). Стальной червяк служит от 10 до 20 лет. Фактором, ограничивающим срок службы, является увеличение люфта сверх допустимого допуска обработки — это контролируется ежегодной проверкой точности с помощью лазерного интерферометра или прецизионного многоугольника. Замену колеса следует планировать, когда люфт превышает удвоенное значение первоначальной предварительной нагрузки (например, заменить, когда первоначальный люфт в 6 угловых секунд увеличивается до 12 угловых секунд).
В: Может ли двигатель с прямым приводом заменить червячную передачу в поворотных столах с ЧПУ?
Двигатели с прямым приводом (DDT) используются в высокоскоростных 5-осевых столах, где требуется непрерывная контурная обработка со скоростью выше 50 об/мин. DDT полностью исключает проблему люфта, поскольку отсутствует зубчатая передача. Однако DDT не имеет самоблокировки — для удержания стола во время резки требуется отдельный гидравлический зажим, что увеличивает стоимость и сложность. Кроме того, DDT имеет более низкую плотность крутящего момента, чем червячная передача на низких скоростях — стол с DDT шириной 400 мм стоит в 3–5 раз дороже, чем эквивалентный стол с червячной передачей. Для большинства видов производственной обработки на станках с ЧПУ (индексирование плюс контурная обработка на средней скорости ниже 30 об/мин) червячная передача остается более экономически выгодной, чем DDT. DDT предпочтительнее только для высокоскоростной непрерывной 5-осевой обработки сложных поверхностей произвольной формы, где скорость контурной обработки превышает практический предел червячной передачи.
Червячные передачи для поворотных столов с ЧПУ обеспечивают высочайший уровень точности среди всех применений в этой серии из 30 статей — люфт менее 10 угловых секунд, класс точности DIN от 3 до 5 и погрешности позиционирования, измеряемые в нескольких микронах в точке резания заготовки. Таблица отношения люфта к погрешности позиционирования (e = R × B / 3438) наглядно демонстрирует, почему стандартные промышленные червячные передачи не подходят для индексации на станках с ЧПУ: при типичном радиусе заготовки даже люфт в 1 угловую минуту превышает допуски обработки на станках с ЧПУ в 2–3 раза. Для производственных столов с ЧПУ обязательны предварительно нагруженные механизмы предотвращения люфта (пружинное разъемное колесо для легких нагрузок, двухрядное колесо с регулировкой прокладками для тяжелых нагрузок). Передаточное отношение 360:1 является стандартным, поскольку оно обеспечивает угловое разрешение в целых градусах от сервоэнкодера. Для производителей станков, выбирающих червячные передачи для поворотных столов, ключевыми параметрами являются люфт (в угловых секундах, а не в угловых минутах), класс точности DIN, метод предварительной нагрузки и стратегия герметизации охлаждающей жидкости.
Для производителей станков с ЧПУ и компаний, занимающихся восстановлением поворотных столов, наш инженерный отдел предлагает прецизионные червячные передачи классов DIN от 3 до 6 с предварительно нагруженными конфигурациями, предотвращающими люфт. Стандартный каталог прецизионные червячные передачи Включает передаточные числа 360:1 и 40:1 для колес диаметром от 80 до 280 мм с возможностью использования разъемных и дуплексных колес. Предоставьте спецификацию привода стола ЧПУ с указанием диаметра стола, точности позиционирования (угловые секунды), максимального радиуса заготовки, силы резания и типа охлаждающей жидкости.
Выбираете червячные передачи для поворотных столов с ЧПУ?
Укажите диаметр стола, требуемую точность (в угловых секундах), максимальный радиус заготовки и усилие резания, тип охлаждающей жидкости, а также необходимость использования разъемного или двухстороннего предварительного натяжения. Мы рассчитаем погрешность позиционирования на радиусе заготовки и порекомендуем класс DIN и спецификацию предварительного натяжения.
Редактор: Cxm
