Korea Ever-Power · Руководство по применению инженерных решений
Червячные передачи и червячные колеса для приводов подачи фрезерных и токарных станков.
Фреза воздействует на стальную заготовку с тангенциальной силой резания 2000 Н. Компонент этой силы, направленный в сторону подачи (от 400 до 800 Н в зависимости от геометрии фрезы), толкает назад через ходовой винт, через червячную передачу и пытается ускорить стол, заставляя его двигаться к фрезе. Если привод подачи позволяет это ускорение, инструмент врезается глубже, сила увеличивается, и стол ускоряется еще больше — происходит самоподдерживающийся процесс, который деформирует инструменты и повреждает станки. Самоблокирующаяся червячная передача является механическим барьером, предотвращающим эту нестабильность направления подачи.
В приводах подачи фрезерных и токарных станков червячные передачи используются для двух одновременных функций: контролируемого снижения скорости подачи (преобразование скорости двигателя в медленное, устойчивое движение стола или каретки во время резания) и самоблокирующейся безопасности (предотвращение обратного вращения механизма подачи под действием сил резания и затягивания заготовки в инструмент). Анализ обратной связи по силе резания отслеживает, как тангенциальная, радиальная и осевая составляющие силы резания преобразуются в обратный крутящий момент в червячной передаче, и демонстрирует, что только самоблокирующаяся геометрия червяка (однозаходный, угол захода меньше угла трения) надежно поглощает этот крутящий момент при любых условиях резания. Точность скорости подачи зависит от погрешности захода червяка: погрешность захода в 10 мкм на оборот червяка приводит к периодическому изменению скорости подачи, которое проявляется в виде волнистости поверхности на частоте вращения червяка. Шлифованные червяки (Ra от 0,3 до 0,4 мкм, погрешность захода менее 5 мкм) обеспечивают стабильность подачи в пределах плюс-минус 1 процента; Шлифовальные червячные ленты (Ra 1,6 мкм, погрешность шага 15–25 мкм) создают отклонения в пределах ±3–5%, видимые как волнистость поверхности готовой детали.
Почему в приводах подачи фрезерных и токарных станков используются червячные передачи?
Привод подачи станка преобразует вращение двигателя в медленное, контролируемое линейное перемещение рабочего стола (фрезерование) или поперечного суппорта (токарный станок) во время обработки металла. Скорость подачи — обычно от 10 до 500 мм в минуту — определяет качество обработки поверхности, толщину стружки и срок службы инструмента. Пара червячных передач расположена между двигателем подачи и ходовым винтом, обеспечивая как снижение скорости, так и важную функцию самоблокировки для обеспечения безопасности.
В отличие от поворотного стола (артикул A22), где пара червячных передач обеспечивает позиционирование и удержание, пара приводных механизмов подачи перемещается непрерывно во время резки, что делает стабильность скорости подачи и поглощение силы резания основными параметрами спецификации.
Самоблокировка поглощает составляющую силы резания в направлении подачи, которая стремится ускорить движение заготовки к фрезе. Без самоблокировки обычное или попутное фрезерование может привести к самоподдерживающемуся ускорению подачи, которое повреждает инструмент, заготовку и шпиндель станка, потенциально травмируя оператора.
Скользящий контакт червяка и червячного колеса обеспечивает более плавное вращение, чем у прямозубых передач, что приводит к более плавной подаче с меньшими периодическими колебаниями. Плавность подачи напрямую определяет качество обработки поверхности: изменение подачи на 2% приводит к изменению толщины стружки на 2%, что проявляется в виде волнистости на обработанной поверхности.
Червячная передача с передаточным отношением 40:1 преобразует мощность двигателя 1450 об/мин в 36 об/мин на ходовом винте, обеспечивая скорость подачи 180 мм/мин через ходовой винт с шагом 5 мм. Это одноступенчатое передаточное отношение помещается в колонну или фартук станка, не увеличивая его габариты. Для прямозубых зубчатых передач требуется от 3 до 4 ступеней для достижения того же передаточного отношения.
Анализ обратной связи по усилию резания — как силы резания пытаются вернуть подачу в исходное положение.
В процессе металлообработки на заготовку в точке резания действуют три ортогональные составляющие силы. Для червячной передачи критически важной является составляющая, совпадающая с направлением подачи, поскольку она стремится обеспечить обратный ход механизма подачи через ходовой винт.
В таблице ниже показана цепочка сил от параметров резания до момента обратного вращения для трех распространенных сценариев обработки — демонстрируется, почему самоблокировка необходима и почему обычные (не самоблокирующиеся) зубчатые передачи небезопасны для подачи при фрезеровании.
Анализ показывает, что даже при интенсивном фрезеровании с тангенциальной силой 5000 Н обратный крутящий момент на червячной передаче составляет всего 10 Н·м — что находится в пределах возможностей самоблокировки любой стандартной однозаходной пары (которая выдерживает обратные крутящие моменты до полной номинальной выходной мощности, обычно от 50 до 500 Н·м для размеров подачи станка). Червячная передача поглощает всю силу резания в направлении подачи без каких-либо деформаций. Но последствия обратного отказа серьезны: заготовка ускоряется и врезается в резец с полной скоростью шага ходового винта, вызывая столкновение, которое может сломать инструмент, повредить шпиндель и травмировать оператора. Запас самоблокировки не является предельным — он рассчитан на то, чтобы быть подавляющим.
Точность скорости подачи — как ошибка шага червяка приводит к неровностям поверхности.
Скорость подачи определяет толщину стружки и, следовательно, качество поверхности: идеально постоянная скорость подачи обеспечивает идеально однородную стружку, что приводит к гладкой поверхности. Переменная скорость подачи приводит к переменной толщине стружки, что приводит к волнистой поверхности с периодом, соответствующим частоте изменения.
Ошибка в работе червячного механизма приводит к периодическим колебаниям подачи корма. Если суммарная погрешность хода червяка составляет 15 мкм за один оборот, то скорость подачи изменяется на 15 мкм за оборот. При передаточном отношении 40:1 и шаге винта 5 мм один оборот червяка перемещает стол на 0,125 мм. Погрешность в 15 мкм на протяжении 0,125 мм соответствует мгновенному изменению подачи на 12%, что приводит к изменению толщины стружки на 12%, проявляющемуся в виде периодической волнистости с длиной волны 0,125 мм на обработанной поверхности. Для чистовой обработки, где шероховатость поверхности Ra должна быть ниже 1,6 мкм, такая волнистость недопустима.
Шлифованные червячные передачи с погрешностью шага менее 5 мкм за оборот снижают вариативность подачи до менее 4 процентов — в пределах допустимого диапазона для общей обработки (шероховатость поверхности Ra от 1,6 до 3,2 мкм). Для прецизионной чистовой обработки (Ra ниже 0,8 мкм) используются притертые червячные передачи с погрешностью шага менее 2 мкм. Погрешность шага не совпадает с качеством поверхности: червячная передача может иметь гладкую поверхность с Ra 0,4 мкм, но низкую точность шага (погрешность более 10 мкм) из-за геометрических погрешностей зубофрезерного станка. Погрешность шага должна быть подтверждена прямым измерением на специальном приборе для измерения шага, а не выведена из значения шероховатости поверхности.
Корейский производитель фрезерных станков с поворотным механизмом получил жалобы на периодическую волнистость поверхности по оси Y (поперечная подача) во время торцевого фрезерования. Волнистость проявлялась в виде регулярного рисунка с длиной волны приблизительно 0,13 мм — что соответствует перемещению стола за один оборот червяка (0,125 мм номинально при используемой скорости подачи). Проверка червяка выявила суммарную погрешность хода в 18 мкм за один оборот — в пределах стандартного допуска поставщика, но приводя к изменению подачи на 14%. По оси X (продольная подача) волнистости не наблюдалось — погрешность хода червяка на нем составляла 4 мкм (из другой производственной партии с более жестким контролем процесса). Оба червяка имели одинаковый номер детали от одного и того же поставщика — погрешность хода не контролировалась в производственной спецификации, контролировались только размеры резьбы и качество поверхности. Решение: производитель станков добавил в заказ на закупку спецификацию погрешности хода — максимальная суммарная погрешность 6 мкм за оборот, подтвержденная сертификатом проверки. Поставщик внедрил 100-процентное тестирование на содержание свинца с помощью оптического прибора для проверки свинца, что обошлось дополнительно в 1,80 доллара США за каждый шнековый привод. Жалобы на неровность поверхности свелись к нулю в течение следующих 12 месяцев производства. Вывод: шероховатость поверхности Ra и точность измерения свинца — независимые параметры; указание только значения Ra не гарантирует точность подачи. Добавьте максимальную погрешность измерения свинца за оборот в спецификацию при покупке любого шнекового привода.
Три корпуса червячных передач с приводом подачи станка
Пример 1 — Корейский производитель фрезерных станков с поворотным коленом: 3-осевая подача с электроприводом, самоблокирующаяся система безопасности, имеющая критически важное значение.
Корейский производитель вертикальных фрезерных станков с поворотным коленом указал червячные передачи для приводных устройств осей X, Y и Z. Размер стола: 1300 × 300 мм. Ходовой винт: шаг 5 мм, трапецеидальная резьба. Мощность двигателя на ось: 0,37 кВт, 1450 об/мин. Червячная передача: однозаходная, модуль 2, межосевое расстояние 40 мм, передаточное отношение 40:1. Выходная скорость на ходовом винте: 36 об/мин, максимальная скорость подачи 180 мм/мин. Самоблокировка: обязательна на всех трех осях — ось Z (вертикальное колено) несет вес стола, тисков и заготовки (до 300 кг в сумме), и отказ самоблокировки приведет к падению колена под действием силы тяжести. Погрешность хода: менее 6 мкм на оборот (шлифованный червяк, Ra 0,4 мкм). Материал: закаленный червяк из 20CrMnTi с твердостью HRC 58, колесо из фосфористой бронзы CuSn12Ni. Смазка: машинное масло ISO VG 68, используется также в коленном направляющем механизме. Стоимость пары: 42 доллара США. Стоимость комплекта для 3 осей: 126 долларов США за фрезерный станок. Годовой объем производства: 1200 фрезерных станков (3600 комплектов червячных передач). Стоимость 42 доллара США за пару обусловлена наиболее важным элементом безопасности фрезерного станка — самоблокировка по оси Z может привести к падению стола весом 300 кг на руки оператора.
Пример 2 — Японский токарный станок с ЧПУ: поперечная подача, сервопривод, критически важна чистота поверхности.
Японский производитель токарных станков с ЧПУ заказал червячную передачу для поперечной подачи (по оси X) токарного станка, предназначенного для обработки автомобильных валов. Поперечная подача определяла допуск на диаметр готовой детали (плюс-минус 10 мкм) и шероховатость поверхности (требуется Ra 0,8 мкм для поверхностей подшипников). Ходовой винт: шариковый винт с шагом 6 мм (высокая эффективность для сервоуправления ЧПУ). Червячная передача: однозаходная, модуль 1,5, межосевое расстояние 30 мм, передаточное отношение 30:1, шлифовка Ra 0,3 мкм, погрешность хода менее 3 мкм на оборот. Класс точности DIN 5. Двигатель: сервопривод переменного тока мощностью 1 кВт с энкодером на 131 072 деления. Выходной крутящий момент на червячном колесе: 35 Н·м (достаточно для компенсации трения поперечного суппорта и обратной связи по силе резания). Изменение скорости подачи материала: менее 1% при всех скоростях подачи — обеспечивает волнистость поверхности менее 0,1 мкм от пика до впадины (невидима при заданном значении Ra 0,8 мкм). Стоимость за пару: 125 долларов США. Просмотреть червячная передача для станка Варианты, разработанные для приводов подачи токарных и фрезерных станков с ЧПУ.
Пример 3 — Вьетнамский радиально-сверлильный станок: механическая подача шпинделя, экономичность, приемлемое качество зубофрезерования.
Вьетнамский производитель станков выбрал червячную передачу для привода шпинделя радиально-сверлильного станка. Применение в сверлильном станке было менее требовательным, чем в фрезеровании: сверление создает осевую осевую силу (вдавливая сверло в заготовку), а не боковую силу подачи — поэтому риск обратного вращения был низким (осевая сила действует вдоль оси шпинделя, которая механически поддерживается втулкой шпинделя независимо от типа червячной передачи). Для удержания положения шпинделя по-прежнему предусматривалась самоблокировка (предотвращающая опускание сверлильной головки под действием силы тяжести при остановке двигателя подачи). Червячная передача: однозаходная, модуль 2, межосевое расстояние 35 мм, передаточное отношение 20:1. Червяк зубчатый, Ra 1,2 мкм, погрешность хода приблизительно 15 мкм — приемлемо для сверления, где не имеет значения волнистость поверхности (качество отверстия определяется геометрией сверла, а не изменением подачи). Материал: закаленный червяк из углеродистой стали, литой из фосфористой бронзы круг. Стоимость за пару: 18 долларов США. Данный случай демонстрирует, что не для всех операций подачи станков необходимы зубчатые шнеки — сверление, расточка и нарезание резьбы — это процессы, зависящие от скорости подачи, где зубчатые шнеки, стоимость которых в 3-5 раз ниже, обеспечивают эквивалентные функциональные результаты.
Часто задаваемые вопросы
В: Почему фрезерование в шахматном порядке без самоблокировки опаснее, чем обычное фрезерование?
При фрезеровании попутным (нисходящим) способом зубья фрезы сначала входят в зацепление с максимальной толщиной стружки, а затем выходят при нулевой толщине. Начальное зацепление создает сильную составляющую, которая тянет заготовку в направлении подачи — к фрезе. Если привод подачи допускает обратное вращение, эта сила притяжения ускоряет стол, что увеличивает глубину зацепления, а это, в свою очередь, увеличивает силу притяжения — положительная обратная связь, которая заканчивается сильным ударом в течение миллисекунд. При обычном (восходящем) фрезеровании зубья входят в зацепление при нулевой толщине и выходят при максимальной — сила отталкивает заготовку от фрезы, что является самокорректирующим, а не самоусиливающим процессом. Самоблокирующиеся червячные передачи делают фрезерование попутным безопасным на ручных фрезерных станках — без них фрезерование попутным способом запрещено на станках с неблокирующими приводами подачи.
В: Можно ли использовать шариковые винты вместо червячных передач для подачи в станках с ЧПУ?
В современных станках с ЧПУ повсеместно используются шариковые винты для осей подачи, поскольку они обеспечивают более высокую эффективность (более 90% против 40-50% для червячных передач), меньшее трение и нулевой люфт при предварительно затянутых гайках. Шариковые винты не являются самоблокирующимися — функцию удержания положения обеспечивают серводвигатель и контроллер ЧПУ электронным способом. В системах подачи ЧПУ червячная передача обычно используется в качестве редуктора между серводвигателем и шариковым винтом, когда диапазон скоростей двигателя превышает критическую скорость шарикового винта, а не в качестве основного механизма подачи. В ручных станках (фрезерные станки, токарные станки) сохраняются приводы подачи с червячной передачей, поскольку в них отсутствуют серводвигатели и контроллеры, обеспечивающие электронное удержание положения — самоблокирующаяся червячная передача является механизмом безопасности, заменяющим электронное сервоуправление.
В: Как проверить точность шага червячного механизма подачи?
Точность шага резьбы измеряется с помощью специализированного прибора для измерения шага резьбы (например, прибора для проверки шага резьбы Mahr или Klingelnberg), который отслеживает спиральную траекторию резьбы червяка и сравнивает ее с теоретической спиралью. Результатом является диаграмма отклонения шага резьбы, показывающая суммарную погрешность в мкм за оборот. Максимальная суммарная погрешность за один оборот является параметром спецификации для червяков с приводом подачи. Это измерение невозможно выполнить с помощью стандартных метрологических инструментов (микрометры, координатно-измерительные машины не отслеживают спиральную траекторию). Если у вашего поставщика червяков нет прибора для проверки шага резьбы, попросите отправить червяки в стороннюю метрологическую лабораторию для проверки шага резьбы — стоимость тестирования (от 5 до 15 долларов США за червяк) незначительна по сравнению с производственной стоимостью станков, которая зависит от точности подачи.
В: Каков типичный срок службы червячной передачи подачи станка?
Червячные передачи с ручной подачей на станках работают с перерывами — обычно от 500 до 1500 часов в год фактической работы в режиме подачи (станок выполняет циклы резания, а не непрерывную подачу). При такой нагрузке бронзовое колесо служит от 8 до 15 лет. Закаленный стальной червяк служит весь срок службы станка (от 20 до 30 лет). Фактором, ограничивающим срок службы, обычно является увеличение люфта, ухудшающее качество обработки поверхности — замену колеса следует планировать, когда люфт превышает 3–5 угловых минут (измеряется как зазор в направлении подачи на столе). Червячные передачи с ЧПУ в производственных условиях работают от 2000 до 4000 часов в год и могут нуждаться в замене колеса каждые 5–8 лет.
В: Используется ли когда-нибудь двухзаходный червячный механизм в приводах подачи станков?
Нет — и это абсолютное правило для систем подачи станков. Червяк с двумя заходами теряет самоблокировку, что означает, что сила резания может вызывать обратный поток подачи. Это не компромисс в производительности — это угроза безопасности. Преимущество двух заходов в эффективности (более высокая эффективность двигателя подачи, меньшее тепловыделение) не компенсирует потерю функции безопасности. Каждая пара червячных передач для подачи станка должна быть однозаходной, одноохватной, с углом захода меньше угла трения. В мировых стандартах безопасности станков нет исключений.
В приводах подачи фрезерных и токарных станков червячные передачи используются в качестве одновременных редукторов скорости и предохранительных устройств — свойство самоблокировки предотвращает обратное вращение механизма подачи подающими силами и возникновение заклинивания инструмента, что повреждает станки и создает опасность для операторов. Анализ обратной связи по силе резания показывает, как тангенциальная сила резания преобразуется в обратный крутящий момент в червячной передаче, демонстрируя, что запас самоблокировки рассчитан на то, чтобы быть недостаточным, а значительным. Точность скорости подачи зависит от погрешности шага червяка — параметра спецификации, не зависящего от качества поверхности Ra, который должен быть проверен с помощью специального измерения шага. Шлифованные червяки с погрешностью шага менее 5 мкм обеспечивают качество поверхности, подходящее для прецизионной обработки; зубчатые червяки с погрешностью шага 15+ мкм подходят только для сверления и черновой обработки, где изменение подачи не влияет на качество детали.
Для производителей станков наш инженерный отдел предлагает червячные передачи с приводом подачи, имеющие сертификаты, подтверждающие точность шага. Стандартный каталог прецизионные червячные передачи Включает конфигурации привода подачи для зубофрезерных и шлифованных станков с межосевым расстоянием от 30 до 80 мм, а также документацию по погрешности шага. Предоставьте... спецификация подачи станка с учетом типа оси, шага ходового винта, максимальной силы резания и требований к качеству поверхности.
Выбираете червячные передачи для приводов подачи станка?
Укажите тип станка, ось, шаг ходового винта, максимальную силу резания, целевое качество поверхности, а также тип обработки (ручная (с самоблокировкой) или с ЧПУ (сервоуправляемая). Мы рассчитаем момент обратного вращения и порекомендуем правильную спецификацию червячной передачи с проверкой точности хода.
Редактор: Cxm
