7. Ходовые винты и гайки

В металлорежущих станках наиболее распространенными исполнительными механизмами подач прямолинейного перемещения являются передачи винт—гайка. В универсальных станках широ­кое применение получила передача винт—гайка скольжения (рис. 29) с трапецеидальным профилем резьбы (а), а для точных перемещений — с прямоугольным профилем (б). Трапецеидаль­ный профиль более технологичен и обеспечивает удобство регули­ровки зазоров в передаче. Основные технические требования пе­редач винт—гайка: точность резьбы соединяемых деталей; отсут­ствие зазора между поверхностями соприкосновения резьб; отсут­ствие осевых смещений винта и гайки во время работы передачи.

Отраслевым стандартом ОСТ Н33-2-74 установлены шесть классов точности ходовых винтов скольжения: 0, 1, 2, 3, 4, 5, кото­рые расположены в порядке понижения точности. Стандарт дает следующие рекомендации по выбору классов точности ходовых винтов:

а) станки класса С и винтовые пары к ним — 0 класс;

б) резьбошлифовальные, червячно-шлифовальные, координатно-расточные, зубофрезерные, зубо- и круглошлифовальные стан­ки классов А, В, П — 1 и 2-й классы;

в) токарно-винторезные, универсально-фрезерные станки клас­сов В и П и затыловочные класса Н — 3-й класс:

Рис. 29. Передача винт-гайка скольжения

г) горизонтально- и координатно-расточные, токарно-карусельные, фрезерные, долбежные и строгальные станки классов П и Н — 4-й класс;

д) горизонтально-расточные станки класса Н — 5-й класс.

Для обеспечения высокой износостойкости пару винт—гайка скольжения рассчитывают на допускаемое давление, которое для точных винтов равно 2...3 МПа, а для обычных—до 8...12 МПа. Кроме того, механизм винтовой передачи рассчитывается на проч­ность, жесткость и устойчивость ходового винта.

Передача винт—гайка скольжения, обладая определенными достоинствами и прежде всего простотой конструкции, имеет ряд су­щественных недостатков: невысокую точность позиционирования перемещаемых узлов из-за зазоров в паре; низкий КПД (0,2...0,4) вследствие значительного трения; малые скорости перемещения; невысокую износостойкость и др. Поэтому в современных станках все более широкое применение находят передачи винт—гайка ка­чения, которые лишены многих недостатков, присущих передачам винт—гайка скольжения.

Передачи винт—гайка качения могут работать в широком диа­пазоне температур и скоростей и обеспечивают хорошую равномерность движения, высокий КПД (0,9...0,95), удобны в эксплуа­тации и не требуют циркулярной системы смазки. Типовая переда­ча винт—гайка качения (рис. 30) состоит из винта 1, гайки 2, комплекта шариков 3 и устройства 4, служащего для возврата (циркуляции) шариков. При вращении винта шарики катятся по впадинам канавок ходового винта и гайки, перемещаясь в направ­лении канала устройства 4, которое соединяет начало и конец вит­ков резьбы гайки. Существуют различные устройства возврата шариков, наиболее распространенные: канал возврата шариков представляет собой изогнутую трубку (рис. 30); канал возврата шариков фрезеруется непосредственно в гайке с наружной ее сто­роны, а сверху закрывается крышкой; канал возврата сверлится вдоль гайки и соединяется с началом и концом витков резьбы до­полнительными каналами, расположенными в торцовых шайбах; канал возврата шариков выполнен в специальных вкладышах, ко­торые вставляются в окна гайки и соединяют соседние витки. С целью облегчения циркуляции шариков, особенно в случае длин­ных гаек, они могут быть снабжены несколькими устройствами возврата шариков.

Рис. 30. Переда­ча винт—гайка качения

Рис. 31. Регулировка натяга в передаче винт—гайка качения

Для устранения зазоров и повышения осевой жесткости в передачах винт—гайка качения создается предварительный натяг посредством сближения или раздвижения гаек. Существуют раз­личные способы регулировки натяга. Наиболее простой, но менее точный — регулировка с помощью набора тонких прокладок (ком­пенсаторов), устанавливаемых между гайками. Широкое распро­странение получила конструкция, в которой гайки снабжены зуб­чатыми венцами. Венцы гаек входят во внутренние зубцы стакана. Число зубьев на одной гайке отличается от числа зубьев на другой на единицу, например 100 и 101. Число зубьев на венцах стакана также имеет соответствующие значения — 100 и 101. Регулировка натяга обеспечивается поворотом одной из гаек относительно дру­гой в процессе вывода ее из зацепления со стаканом. Эта конструк­ция позволяет производить весьма тонкую регулировку осевого перемещения гаек. Так, при приведенных выше значениях чисел зубьев и шаге резьбы 10 мм перестановка гайки на один зуб будет соответствовать относительному осевому перемещению гаек порядка 1 мкм.

На рис. 31 приведена конструкция, позволяющая производить регулировку натяга в передаче винт—гайка качения непосредственно на станке. Обе гайки 1 и 4 посажены в корпусе 2 на общую шпонку 3 и имеют возможность осевого перемещения. Натяг и стопорение осуществляются гайками 5 и 6.

Расчет шариковой передачи винт—гайка проводится так же, как и подшипников качения, на контактную усталость. При этом ориентировочные значения расчетной долговечности можно при­нимать 510³…10⁴ ч.

Кроме расчета на контактную усталость винты проверяют на устойчивость от действия осевой силы Р_о Критическое значение осевой силы Р_о.кр зависит от модуля упругости материала винта; момента инерции сечения винта, приведенной длины винта, коэффициент запаса, способа закрепления концов винта.

Другим параметром, определяющим работоспособность пере­дач винт—гайка качения, является осевая жесткость.

В ряде случаев для точных передач винт—гайка качения необ­ходимо производить расчеты нa нагрев от внутренних и внешних источников теплоты.

Для перемещения продольных столов тяжелых станков и в приводах подач крупногабаритных станков с ЧПУ применяют гид­ростатические червячно-реечные передачи и гидростатические пе­редачи винт—гайка. Достоинства гидростатических передач: высо­кий КПД (0,95...0,99); отсутствие износа и люфта; плавность пере­мещения; высокая жесткость.

На рис. 32 приведена схема гидростатической червячно-реечной передачи, состоящей из рейки 3, червяка 4, упорных подшипников скольжения 1 и 8, имеющих маслораспределители 2. Смаз­ка к карманам 7 червяка 4 подается через систему каналов 5, 6, 9, выполненных в его корпусе. Принципиальная схема подачи смазки имеет тот же вид, что на рис. 28.

Рис. 32. Схема гидростатической червячно-реечной

передачи