Почему ваш шариковый винт вибрирует на высокой скорости (и почему обычно дело не в винте)

Винт — это лишь половина сборки.

Покупая шариковый винт, вы приобретаете не готовую приводную систему. Вы покупаете один компонент. Ему еще предстоит:

• Обработка торцов для установки опорных подшипников.

• Опорная стойка с жестким креплением, способная выдерживать осевую нагрузку.

• Опора с плавающим концом, способная выдерживать высокую скорость.

• Монтажная поверхность, обеспечивающая выравнивание всех элементов.

• Соединение, которое не вызывает биения

Если какой-либо из этих элементов неисправен, винт даст вам об этом знать. Обычно это происходит на высокой скорости и, как правило, таким образом, что создается впечатление, будто проблема именно в винте.

Однако шариковый винт — довольно простой механический элемент. Если он прямой и концы правильно обработаны, он будет вращаться плавно — при условии, что опоры и крепление соответствуют требованиям.

Проблемы начинаются с опор и креплений.

Фиксированный конец против плавающего конца: две разные задачи.

Мне кажется, названия вводят людей в заблуждение. «Фиксированный» и «плавающий» звучат как две разные вещи. Это не так. Они выполняют совершенно разные функции.

Осевая нагрузка приходится на неподвижный конец. Когда гайка толкает стол, усилие передается обратно через винт в подшипники неподвижного конца. Эти подшипники должны выдерживать полную осевую нагрузку оси в обоих направлениях, а также предварительную нагрузку, предусмотренную в их конструкции.

Плавающий конец практически не влияет на нагрузку. Он просто удерживает свободный конец винта в нужном положении, чтобы тот не провисал и не дергался. Он позволяет винту скользить вдоль оси при нагреве, предотвращая деформацию винта из-за теплового расширения.

Поэтому, когда кто-то говорит мне, что его винт вибрирует на высокой скорости, я не смотрю сначала на неподвижный конец. Я смотрю на плавающий конец. Именно он контролирует вибрацию, и именно его характеристики часто недооценивают.

Дешевый подшипник с плавающим концом и слишком большим внутренним зазором позволит винту смещаться. На низкой скорости это незаметно. На высокой скорости он становится источником вибрации.

Критическая скорость — это не рекомендация.

У каждого шарикового винта есть скорость, выше которой он становится динамически неустойчивым. Ниже этой скорости он вращается плавно. Выше неё он начинает биться скачками.

Эта скорость зависит от:

• Диаметр винта

• Длина без опоры между опорами

• Соглашение о поддержке

• Предварительно ли натянут винт

• Насколько жёсткими являются концевые опоры

Винт диаметром 16 мм с расстоянием между опорами 500 мм может нормально работать при 3000 об/мин. Тот же винт с расстоянием между опорами 1200 мм может начать деформироваться при 1500 об/мин.

Вот почему я всегда запрашиваю длину без опор, а не общую длину. Общая длина включает в себя обработку торцов и все, что выступает за пределы опор. Длина без опор — это то, что действительно имеет значение для критической скорости.

Если требуемая частота вращения превышает примерно 80% от расчетной критической скорости, вы находитесь в опасной зоне. В этом случае у вас есть несколько вариантов:

• Используйте винт большего диаметра.

• Используйте провод большего диаметра, чтобы для достижения той же линейной скорости требовалось меньшее количество оборотов в минуту.

• Сократите длину незакрепленной части, приблизив опоры друг к другу.

• Используйте жестко закрепленную конструкцию с предварительным натяжением.

• Снизьте целевую скорость

Игнорирование этого расчета приводит к тому, что винт отлично работает на верстаке, но разваливается в процессе обработки на станке.

Торцевая обработка: деталь, которая должна соответствовать

Вот что часто застает людей врасплох. Конец шарикового винта имеет нестандартную форму. Он обрабатывается для соответствия конкретному опорному подшипнику. Эта обработка включает в себя:

• Диаметр шейки вала, на которой установлен подшипник.

• Выступ, на который опирается подшипник

• Резьбовая часть для контргайки

• Иногда это замочная скважина или плоскость.

• Общая длина обработанной секции

Если вы закажете винт с обработанным концом для BK12, а затем попытаетесь установить его в блок BK15, он не подойдет. Шейка будет неправильного размера. Буртик не будет плотно прилегать. Контргайка не накрутится.

У меня были клиенты, которые заказывали винты и опорные блоки у разных поставщиков, предполагая, что стандартные размеры подойдут. Иногда подходят, иногда нет. В таких случаях клиент остаётся с винтом, который невозможно установить без доработки.

Решение простое: всегда сверяйте чертеж обработки торца с чертежом опорного блока, прежде чем запускать винт в производство. Если вы заменяете существующий винт, измерьте старый и пришлите эти размеры. Не думайте, что номер модели говорит сам за себя.

Проблемы с выравниванием выглядят как проблемы с винтами.

Я уже писала об этом раньше, но стоит повторить, потому что эта тема поднимается очень часто.

Если шариковый винт не параллелен линейным направляющим, гайка смещается вбок во время движения. Это создает неравномерное сопротивление. Ток двигателя возрастает. Винт и гайка изнашиваются быстрее. На высоких скоростях это также может вызывать вибрацию.

Многие в таких случаях винят винт. Заказывают новый, устанавливают его, и проблема возвращается. Потому что проблема была не в винте, а в неправильной центровке.

Вот простой способ проверить. Установите винт и направляющие, затем проведите индикатором часового типа вдоль винта, перемещая каретку от одного конца до другого. Если стрелка смещается более чем на несколько сотых миллиметра, значит, винт не параллелен направляющим.

Это особенно важно при замене винта в уже установленном станке. Старый винт был выровнен относительно старых направляющих. Новый винт, даже если он идентичен по размерам, может не располагаться в том же положении. Всегда проверяйте выравнивание после установки.

Плавающий конец должен действительно плавать.

Эту деталь постоянно упускают из виду.

Плавающий конец предназначен для того, чтобы винт мог скользить вдоль оси при нагреве. Именно так он предотвращает деформацию винта при расширении.

Но если подшипник слишком плотно вставлен в корпус или если в месте посадки есть посторонние предметы, он не будет скользить. Тогда винт ведет себя так, как будто он закреплен с обоих концов. При нагревании он деформируется. Предварительное натяжение изменяется. Трение увеличивается. Начинается вибрация.

Поэтому при установке плавающей концевой опоры убедитесь, что подшипник действительно может скользить. Он должен двигаться плавно, но без чрезмерного люфта. Небольшое количество смазки на скользящей поверхности поможет. И если он кажется тугим, не прилагайте чрезмерных усилий. Выясните причину заедания, прежде чем затягивать все болты.

Я видел, как это происходило на станках, которые собирались в чистой комнате, а затем перемещались в цех. Разница температур была достаточной, чтобы винт расширился, и из-за того, что плавающий конец застрял, винт деформировался. Клиент потратил два дня на поиск неисправности сервопривода, прежде чем понял, в чем проблема.

Тепловое расширение — это не теория.

Многие считают, что тепловое расширение имеет значение только в высокоточных лабораториях. Это не так. Оно важно для любой машины, работающей в течение нескольких часов подряд.

Сталь расширяется примерно на 11–13 микрометров на метр на градус Цельсия. Для винта длиной 1000 мм повышение температуры на 5 °C добавляет примерно 0,06 мм длины. Этого достаточно, чтобы изменить предварительное натяжение, сместить положение стола и вызвать изгиб винта, если он ограничен с обоих концов.

На высокоточном станке с ЧПУ это проблема. На универсальном фрезерном станке, возможно, это терпимо. Но на любом станке, где положение имеет значение с течением времени, тепловое расширение должно быть учтено при проектировании.

Вот для чего и существует плавающий конец. Он позволяет винту увеличиваться в размере, не борясь сам с собой. И именно поэтому не стоит просто прикрутить плавающий конец болтами и забыть о нем.

Что проверить перед заказом

Если вы заказываете шариковый винт с обработкой торца и опорными блоками, вот что я бы отправил поставщику:

• Диаметр и шаг винта

• Общая длина

• Длина без опоры между опорами

• Конструкция с неподвижным и плавающим концом

• Опорная блочная модель или чертеж

• Чертеж торцевой обработки

• Детали соединения

• Ориентация крепления

• Максимальная рабочая скорость

• Ускорение

• Нагрузка и сила резания

• Рабочий цикл

Это дает поставщику достаточно информации для проверки критической скорости, подтверждения качества конечной обработки и обеспечения соответствия опорных блоков требованиям конкретного применения.

Если поставщик просто принимает ваш заказ и присылает цену, не спрашивая об этих моментах, вы покупаете деталь, а не решение. И когда что-то не подойдёт или не будет работать должным образом, вам придётся самим разбираться в проблеме.

Краткий контрольный список перед установкой

Прежде чем всё закрепить болтами, проведите следующие проверки:

• Убедитесь, что результат обработки торца соответствует опорному блоку.

• Убедитесь, что подшипники с неподвижным концом правильно предварительно нагружены.

• Убедитесь, что подшипник с плавающим концом может свободно перемещаться в осевом направлении.

• Убедитесь, что винт параллелен направляющим рельсам.

• Проверьте муфту на биение и соосность.

• Убедитесь, что контргайка затянута и подшипник установлен на место.

• Поверните винт вручную и нащупайте места, где он заклинило.

• Сначала проедьте на низкой скорости и прислушайтесь к необычным шумам.

Если на низкой скорости что-то не так, на высокой скорости это не улучшится. Остановитесь и разберитесь, в чем проблема, прежде чем запускать станок.

Заключительная мысль

Вибрация шарикового винта на высокой скорости почти никогда не является дефектом. Обычно это проблема с опорой, соосностью или критической скоростью вращения.

Сам винт представляет собой довольно простую деталь. Он прямой, имеет ход и концы, обработанные для установки в определенные подшипники. Если эти подшипники подходят, если соосность хорошая и если скорость находится в критическом диапазоне скоростей винта, он будет вращаться плавно.

Но если неисправен хотя бы один из этих элементов, вину сваливают на винт. И заказ нового винта ничего не исправит.

Поэтому, прежде чем закручивать винт, проверьте опоры. Проверьте соосность. Проверьте критическую скорость. Убедитесь, что плавающий конец действительно плавает.

Именно эти факторы определяют, будет ли винт вращаться плавно или развалится.

А если вы не уверены, отправьте подробную информацию о приложении своему поставщику. Несколько минут проверки перед заказом обойдутся гораздо дешевле, чем обнаружение проблемы после сборки оборудования.