Полное руководство по ходовым винтам: определение, типы, преимущества и применение

В области механической трансмиссии и управления линейным движением ходовые винты играют важнейшую роль в качестве основного компонента для преобразования вращательного движения в линейное.

Они широко используются в промышленной автоматизации, робототехнике, медицинском оборудовании и даже в бытовой технике. Ходовые винты незаменимы как в высокотехнологичных, так и в повседневных приложениях: от точного позиционирования в станках с ЧПУ до плавной работы систем домашней автоматизации.

1.0Что такое ходовой винт? Принцип действия, конструкция и основные определения

Ходовой винт (также известный как ходовой винт) — это механическое устройство, преобразующее вращательное движение в поступательное посредством прямого резьбового зацепления. Его основная функция — преобразование крутящего момента в осевое усилие или тягу без использования шарикоподшипников. Вместо этого движение передается посредством прямого резьбового контакта между валом винта и гайкой.

Режимы работы:

• Неподвижный вал, вращающаяся гайка: Двигатель или ручной привод вращают гайку вдоль неподвижного винтового вала, преобразуя крутящий момент в линейное перемещение.
• Фиксированная гайка, вращающийся вал: Гайка удерживается на месте, пока вращается вал винта, создавая линейное перемещение гайки вдоль оси вала.

2.0Как производятся ходовые винты? Основное оборудование и процессы

Технология изготовления ходового винта напрямую определяет его точность, прочность и долговечность. Наиболее важным этапом является нарезание резьбы, выбор метода зависит от объёма производства и требований к точности.

2.1Накатка резьбы: основной выбор для крупносерийного производства

Накатка резьбы — основной метод холодной штамповки ходовых винтов. При этом материал выдавливается механическим давлением, а не срезается. Это улучшает качество поверхности и прочность за счёт упрочнения.

Основное оборудование включает в себя:

• 2-х роликовый резьбонакатной станок: Наиболее распространённая конфигурация, использующая два штампа для сжатия цилиндрической заготовки. Подходит для стандартных однозаходных и двухзаходных резьб (например, трапецеидальных, Acme). Высокая эффективность и низкая стоимость, идеально подходит для среднесерийного производства.
• 3-плунжерный резьбонакатной станок: Использует три плашки, расположенные с шагом 120°, для равномерного радиального давления. Обеспечивает более высокую точность (ISO 4H/5g), лучшую округлость и возможность нарезания многозаходной резьбы (например, четырёхзаходной). Часто используется в прецизионных ходовых винтах для медицинского оборудования и станков, а также для винтов большего диаметра.
• Прецизионный резьбонакатной станок с ЧПУ: Интегрированное ЧПУ-управление подачей, глубиной и скоростью штампа. Возможность изготовления сложных профилей (например, зубчатой или специальной резьбы) с жёсткими допусками до 0,01 мм. Незаменим для аэрокосмической, полупроводниковой и других высокотехнологичных применений, обеспечивая как мелкосерийную настройку, так и массовое производство.

2.2Нарезание резьбы: прецизионная альтернатива для специальных применений

При мелкосерийном производстве, сложной резьбе (глубокая или нестандартного профиля) или труднообрабатываемых материалах, таких как титан или керамика, предпочтительным является нарезание резьбы.

Вихревой резьбофрезерный станок: Использует высокоскоростную угловую фрезу, соответствующую углу наклона винта. Резьба нарезается за один проход с превосходным контролем шага, глубины и чистоты обработки. Подходит для высокоточных ходовых винтов (класс точности IT3–IT5). Однако этот метод медленнее и дороже накатки.

2.3Вторичные процессы

После формирования резьбы требуется несколько дополнительных этапов:

• Обработка поверхности: Цинкование для защиты от коррозии углеродистой стали, пассивация нержавеющей стали или покрытие ПТФЭ для износостойкости.
• Точная проверка: Измерение диаметра шага резьбы с помощью микрометров или точности шага резьбы с помощью лазерных измерительных приборов.
• Сборка: Регулировка зазора между винтом и гайкой для обеспечения надлежащей посадки и производительности.

Сочетание этих процессов позволяет получить готовый ходовой винт с требуемыми эксплуатационными характеристиками.

3.0Распространенные типы резьбы ходового винта: трапецеидальная, квадратная, упорная и другие

Производительность и область применения ходового винта во многом зависят от конструкции его резьбы. Различные геометрии резьбы влияют на эффективность, грузоподъёмность и технологичность. Ниже приведены наиболее распространённые типы резьбы, используемые в промышленности:

3.1Трапецеидальная резьба (Acme Thread): промышленный стандарт

Резьба Acme с трапецеидальным профилем 29° является наиболее распространённым типом резьбы ходового винта в промышленности. Она отличается широкой базой, что обеспечивает высокую структурную прочность.

• Преимущества: Проще в изготовлении по сравнению с другими формами резьбы (можно использовать многоточечный инструмент), обладает высокой износостойкостью, подходит для средних и больших нагрузок, а компенсирующие гайки могут компенсировать износ, продлевая срок службы.
• Ограничения: Менее эффективна, чем квадратная резьба, с немного более высокими потерями на трение.
• Приложения: Верстачные тиски, зажимы, штоки клапанов, прецизионные приводы, токарные станки и другое общепромышленное оборудование. Идеально подходит для случаев, когда важны экономичность и долговечность.

Примечание: Метрическая трапецеидальная резьба (профиль 30°) по принципу действия аналогична резьбе Acme, но соответствует стандартам ISO. Она распространена в Европе и широко применяется в станках с ЧПУ и робототехнике.

3.2Квадратная резьба: высокоэффективный выбор

Квадратная резьба имеет боковые поверхности, перпендикулярные оси винта, образующие угол 90°. Уменьшенная площадь контакта минимизирует потери на трение.

• Преимущества: Самая высокая эффективность среди всех типов резьбы. Обеспечивает большую грузоподъёмность при том же размере или снижает требования к двигателю при той же нагрузке. Не создаёт радиального давления, что делает её пригодной для точной передачи движения.
• Ограничения: Сложность изготовления (требуется одноточечная резка), высокая стоимость, пониженная прочность корня и ограниченная грузоподъемность.
• Приложения: Винтовые домкраты, прецизионные станки и тиски, где требуются высокая эффективность и точность, но не требуются экстремальные осевые нагрузки.

3.3Упорная резьба: рассчитана на большие односторонние нагрузки

Упорная резьба (асимметричный трапециевидный профиль) оптимизирована для высоких осевых нагрузок в одном направлении. Её несущая грань имеет пологий угол наклона 7°, в то время как противоположная грань имеет более крутой угол 45°, что обеспечивает высокую прочность на сдвиг.

• Преимущества: Эффективность сопоставима с квадратной резьбой, почти в два раза прочнее квадратной резьбы, способна выдерживать экстремальные однонаправленные силы.
• Ограничения: Плохая работа при обратных нагрузках; непригодна для двунаправленного движения.
• Приложения: Большие винтовые прессы, мощные подъемные домкраты, вертикальные приводы и машины для литья под давлением, где требуется однонаправленная передача мощности.

3.4Метрическая трапецеидальная резьба (Tr): международный стандарт

Метрическая трапецеидальная резьба имеет тот же принцип работы, что и резьба Acme, но имеет угол наклона профиля 30° и соответствует метрическим стандартам ISO, что делает ее широко распространенной в международном машиностроении.

• Преимущества: Высокая степень стандартизации, совместимость с мировыми компонентами и четко определенные правила производства/испытаний.
• Ограничения: Немного меньшая грузоподъемность по сравнению с резьбой Acme, но достаточная для большинства промышленных нужд.
• Приложения: Станки с ЧПУ, промышленные роботы, лабораторное оборудование и системы передачи энергии общего назначения.

3.5Резьба шарико-винтовой передачи: высокая точность, низкое трение

В шарико-винтовых передачах используется почти полукруглый профиль резьбы, позволяющий телам качения (шарикам) циркулировать между гайкой и валом винта. Такая конструкция преобразует трение скольжения в трение качения, что обеспечивает чрезвычайно высокий КПД — часто выше 90%.

• Преимущества: Очень низкое трение, длительный срок службы, исключительная точность и возможность позиционирования с микрометрической точностью.
• Ограничения: Сложный производственный процесс, высокая стоимость и строгие требования к смазке и герметизации.
• Приложения: Станки с ЧПУ, полупроводниковое оборудование, робототехника, аэрокосмические системы и другие области применения, требующие точности и повторяемости.

4.0Преимущества и недостатки ходовых винтов: баланс стоимости, производительности и области применения

4.1Основные преимущества ходовых винтов

• Экономическая эффективность: Более низкие производственные затраты по сравнению с шариковыми винтовыми передачами делают их идеальными для бюджетных применений с легкими и средними нагрузками.
• Возможность самоблокировки: Многие типы ходовых винтов (например, трапецеидальная и квадратная резьба) по своей природе являются самоблокирующимися и удерживают положение без дополнительных тормозов, что особенно полезно в вертикальных системах.
• Высокая грузоподъемность: В пределах номинальных значений ходовые винты способны выдерживать значительные осевые нагрузки. Конфигурации с бронзовой гайкой выдерживают нагрузку в несколько тонн.
• Низкие эксплуатационные расходы: Простая конструкция, состоящая всего из трёх основных частей (вал, гайка, резьба). Некоторые самосмазывающиеся конструкции не требуют дополнительной смазки в течение всего срока службы.
• Экологическая устойчивость: Отсутствие тел качения делает их менее чувствительными к пыли и мусору, что делает их пригодными для эксплуатации в суровых условиях.
• Тихая и плавная работа: Скользящий резьбовой контакт создает минимальную вибрацию и шум, что делает их пригодными для чувствительных к шуму приложений, таких как медицинские приборы или домашняя автоматика.

4.2Ограничения ходовых винтов

• Более низкая эффективность: Скользящий контакт приводит к потерям на трение, при этом КПД обычно ниже 40% (оптимизированные конструкции могут достигать ~50%). Не подходит для непрерывной передачи мощности.
• Более быстрый износ: Постоянный скользящий контакт ускоряет износ резьбы. Гайки с квадратной резьбой требуют периодической замены, в то время как для гаек с трапецеидальной резьбой можно использовать разрезные гайки для компенсации износа, но срок службы всё равно сокращается.
• Ограничения скорости: Ограничено критической скоростью; её превышение вызывает чрезмерную вибрацию вала. Рабочие скорости обычно ограничены критической скоростью 80%, что ограничивает возможность применения в высокоскоростных условиях.
• Неэффективность крутящего момента: Высокий коэффициент трения делает их непригодными для применений, требующих передачи очень большого крутящего момента.

5.0Часто задаваемые вопросы о ходовых винтах: изгиб, обратный ход и смазка

5.1Могут ли погнуться ходовые винты? Как минимизировать риск

Ходовые винты могут изгибаться при определенных условиях, в основном под воздействием длины и нагрузки:

• Длина винта: Более длинные винты более склонны к изгибу из-за меньшей жесткости.
• Соответствие нагрузке: Использование винта в пределах его номинальной нагрузки и соблюдение рекомендаций производителя (таких как точность выравнивания и метод крепления) помогает предотвратить изгиб.
• Рекомендации по дизайну: Всегда рассчитывайте пиковые и непрерывные нагрузки, необходимые приводу, чтобы гарантировать, что грузоподъемность винта соответствует области применения, снижая риск изгиба с самого начала.

5.2Могут ли ходовые винты обеспечивать обратный ход? Эффективность как ключевой фактор

Обратный ход возникает, когда нагрузка заставляет винт вращаться, что приводит к непреднамеренному движению. Происходит ли это, зависит от эффективности винта:

• Низкая эффективность (<40%): В большинстве случаев обратный ход невозможен в нормальных условиях без внешней вибрации. Именно поэтому многие ходовые винты являются самотормозящимися.
• Высокая эффективность (>40%): Винты с оптимизированной резьбой или винты, работающие в условиях повышенной вибрации, могут испытывать обратный ход. В таких случаях рекомендуется использовать дополнительный тормозной или стопорный механизм.

5.3Нужна ли смазка ходовым винтам? Рекомендации по техническому обслуживанию

Требования к смазке различаются в зависимости от конструкции и условий эксплуатации:

Самосмазывающиеся винты: Некоторые ходовые винты в электроприводах предварительно смазаны и не требуют дополнительной смазки в течение всего срока службы при условии их эксплуатации в номинальных условиях.

Тяжелые или суровые условия: В условиях высоких нагрузок, скоростей или запыленности/влажности необходима периодическая смазка.

Избегайте использования загрязненной смазки, которая ускоряет износ.

Рассмотрите возможность использования смазочных материалов с сухой пленкой или повторного нанесения тонкого слоя чистой смазки после технического обслуживания.

Бронзовые гайки: Несмотря на то, что бронзовые гайки обладают естественной самосмазывающейся способностью, для обеспечения плавной работы и продления срока службы им все же требуется легкая смазка.

6.0Выбор материала для ходовых винтов: от углеродистой стали до пластика

Выбор материала зависит от требований к применению, таких как нагрузка, окружающая среда, точность и стоимость. Ниже приведены распространённые материалы и их характеристики:

Примечание: В некоторых случаях ходовые винты усовершенствованы с помощью поверхностных покрытий (например, на основе ПТФЭ) для повышения долговечности в суровых условиях и снижения потребности в смазке.

6.1Применение ходовых винтов: от промышленности до повседневного линейного перемещения

Благодаря таким преимуществам, как экономичность, самоблокировка и адаптивность к различным условиям, ходовые винты широко используются во многих областях. Ходовые винты применяются везде, где требуется плавное и контролируемое линейное движение:

6.2Промышленное применение:

• Станки: Позиционирование рабочих столов и подачи инструмента на токарных станках, станках с ЧПУ и фрезерных станках.
• Автоматизация и робототехника: Шарнирные приводы промышленных роботов, проталкивание материалов на автоматизированных производственных линиях.
• Тяжелая техника: Передача усилия в винтовых прессах и домкратах; зажимные механизмы в приспособлениях и тисках.
• Точное изготовление: Высокоточное позиционирование в 3D-принтерах, гравировальных станках и системах быстрого прототипирования.

6.3Потребительские и повседневные приложения:

• Бытовая техника: Линейные приводы в регулируемых по высоте столах, моторах для штор и интеллектуальных замках.
• Офисное оборудование: Подача бумаги и позиционирование объектива в принтерах и сканерах.
• Транспорт: Линейные приводы для регулировки сидений автомобиля и управления люком в крыше.

6.4Медицинское применение:

• Медицинское диагностическое оборудование: Позиционирование кровати пациента в рентгеновских, МРТ и КТ-сканнерах.
• Малоинвазивная хирургия: Точные микродвижения в автоматизированных хирургических инструментах.
• Доставка лекарств: Механизмы дозирования в прецизионных устройствах для введения лекарственных средств.

Примечание: Ходовые винты могут быть изготовлены с диаметром всего 0,5 мм или даже меньше, чтобы соответствовать требованиям миниатюризации в медицине и других специализированных областях.

7.0Ходовые винты против шариковых винтов: выбор правильного компонента линейного перемещения

Как ходовые винты, так и шариковые винтовые передачи преобразуют вращательное движение в поступательное, но их конструкция и характеристики существенно различаются. Выбор должен основываться на требованиях к применению:

8.0Как правильно выбрать ходовой винт? Основные параметры и советы по выбору

Выбор ходового винта должен основываться на требованиях области применения, при этом особое внимание следует уделять следующим критическим параметрам, чтобы гарантировать соответствие производительности потребностям системы:

8.1Грузоподъемность: соответствие пиковым и непрерывным нагрузкам

• Пиковая нагрузка: Мгновенная сила при внезапном ускорении или замедлении (может превышать постоянную нагрузку до 5 раз).
• Непрерывная нагрузка: Средняя нагрузка (среднеквадратичное значение), действующая на гайку с течением времени, которая напрямую определяет срок службы винта L10.
• Материальные рекомендацииПластиковые гайки обычно выдерживают нагрузку до 150 кг, а бронзовые — несколько тонн. Всегда выбирайте гайки, исходя из фактической нагрузки.

8.2Скорость: работайте в критическом диапазоне скоростей

Максимальная рабочая скорость ограничена критической скоростью винта (превышение которой вызывает чрезмерную вибрацию вала и создает угрозу безопасности).

Рекомендуемая рабочая скорость: ≤ 80% от критической скорости. Более низкие рабочие скорости помогают уменьшить тепловыделение и устраняют необходимость в сокращении рабочих циклов.

8.3Коэффициент давления-скорости (значение PV): предотвращение повреждений от перегрева

Коэффициент PV представляет собой произведение поверхностного давления на скорость скольжения на границе раздела гайка-винт и имеет решающее значение для сборок полимерных ходовых винтов.

Более высокие нагрузки требуют снижения скорости, чтобы избежать нагрева от трения и необратимых повреждений.

Более высокие скорости требуют меньших нагрузок, чтобы гарантировать, что фактическое значение PV остается ниже предела PV материала, что продлевает срок службы.

8.4Экологическая совместимость: учитывайте рейтинг IP и материалы

Для суровых условий (пыль, влага, коррозия) рекомендуются винты из нержавеющей стали или винты с покрытием ПТФЭ, с учетом степени защиты IP (пыле- и водонепроницаемость).

Для чистых сред (медицина, электроника) пластиковые или алюминиевые винты обеспечивают преимущество в виде снижения веса и бесшумной работы.

8.5Тип резьбы: соответствие эффективности и направлению нагрузки

• Квадратная резьба для высокоэффективных применений.
• Упорная резьба для однонаправленных больших нагрузок.
• Трапецеидальная резьба общепромышленного назначения.

9.0Заключение

• Устоявшаяся технология
  Ходовые винты представляют собой проверенное решение для линейного перемещения, на производительность которого существенно влияют такие производственные технологии, как прецизионная накатка резьбы на станках с ЧПУ и накатка резьбы с использованием трех плашек.
• Факторы, влияющие на выбор
  Выбор правильного винта требует оценки стоимости, требований к нагрузке, требований к точности и условий окружающей среды.
• Лучшие приложения
  • Идеально подходит для: средних и легких грузов, движения с низкой скоростью, вертикального позиционирования и проектов с ограниченным бюджетом.
  • Менее подходит для: высокоскоростных, высокоточных или непрерывных применений, где шарико-винтовые передачи или другие современные системы могут оказаться более подходящими.

 

 Ссылки

www.iqsdirectory.com/articles/ball-screw/lead-screws.html

www.progressiveautomations.com/blogs/how-to/lead-screw-questions-asked-answered

ractory.com/lead-screws/

kiwimotion.co.uk/technical-articles/ball-screws/ball-screw-vs-lead-screw/

blog.igus.ca/2021/06/03/what-is-a-lead-screw/