Передача винт-гайка скольжения
TRANSMISSION SCREW-NUT SLIDING

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения и предназначено для использования в механизмах подачи тяжелых металлорежущих станков с ЧПУ и подобных им технологических машин.
В настоящее время передачи, аналогичные предлагаемой, известны. К ним относится, в частности, передача винт-гайка скольжения, описанная на сайте studref.com и изображенная на нем на рис. 92, а. Указанная передача состоит из винта с наружной трапецеидальной резьбой и охватывающей его гайки с такой же внутренней резьбой. В процессе использования передачи винт устанавливают на станке параллельно направляющим и соединяют с приводом. Гайку соединяют с суппортом станка, перемещаемым по направляющим. На суппорте закрепляют режущий инструмент, которым ведут обработку заготовки. С помощью привода винта создают движение подачи суппорта с инструментом, причем для увеличения подачи увеличивают скорость вращения винта, а для уменьшения подачи эту скорость снижают. Чем больше скорость, тем больше подача, но с ростом подачи увеличивается и сила сопротивления движению суппорта, а значит, и сила сопротивления движению гайки по винту. При больших подачах (они обычно обусловлены требованиями к производительности обработки) сила сопротивления может быть настолько велика, что в сопряжении поверхностей винта и гайки возникают задиры, и происходит повышенный износ. Для снижения износа передачу периодически смазывают, но этого не всегда достаточно.
Отмеченного недостатка в значительной степени лишена гидростатическая передача винт-гайка скольжения, описанная в книге «Станочное оборудование автоматизированного производства. В 2-х томах, Т. 1. - М.: Изд-во Станкин, 1993» (стр. 316-317, рис. 5.135, 5.136, б). Насколько можно судить из описания этой передачи и иллюстраций, она содержит гидробак, дроссели, нереверсивный гидронасос и переливной клапан, соединенный с выходным каналом гидронасоса и гидробаком. Винт так же, как и у аналога, рассмотренного выше, имеет наружную трапецеидальную резьбу, а гайка имеет подобную резьбу и охватывает винт. На боковой поверхности резьбы в гайке выполнены карманы, соединенные через дроссели с каналом подачи масла от гидронасоса. Диаметральные поверхности резьбы в гайке выполнены с отверстиями, соединенными с каналом слива масла в гидробак. Как следует из упомянутого описания и иллюстраций, приведенных в книге «Станочное оборудование автоматизированного производства. В 2-томах, Т. 1. - М.: Изд-во Станкин, 1993», гидронасос имеет свой привод, поэтому независимо от того, в каком направлении (в прямом или обратном) вращается винт (в каком направлении совершается подача при использовании передачи в механизме подачи станка) насос, вращаясь все время в одну сторону, подает масло в карманы, имеющиеся в резьбе гайки, масло попадает в зазор между поверхностями гайки и винта, постоянно смазывает эти поверхности и через отверстия, соединенные с каналом слива масла, поступает в гидробак.
х
Гидростатическая передача винт-гайка скольжения работает с меньшим износом, чем упомянутая ранее передача-аналог, однако при больших подачах и она изнашивается относительно быстро. Это вызвано известной зависимостью силы сопротивления перемещению Р гайки от подачи S
x
p
p
x
y
z
P=10⋅C⋅t⋅S⋅V⋅K,
р
p
х
х
х
где С, х, у, z - коэффициент и показатели степени, зависящие от обрабатываемого материала и материала инструмента; K - коэффициент, учитывающий условия обработки; t и V - глубина и скорость резания; S - подача («Справочник технолого-машиностроителя. В 2-х томах. Т. 2, 1986», стр. 271-275). Но, как отмечалось, подача при обработке на металлорежущем станке или подобной технологической машине увеличивается с ростом скорости вращения винта, поэтому с увеличением скорости вращения увеличивается Р, а это, в свою очередь, уменьшает толщину слоя смазки в передаче со стороны действия силы. Если при достаточно малых Р в передаче с обеих сторон резьбы имеет место жидкостное трение, то при больших Р со стороны ее действия оно может стать в резьбе смешанным (полусухим) или даже сухим. Это означает, что при увеличении скорости вращения винта толщину слоя смазки в передаче требуется восстанавливать. Осуществить это можно путем увеличения поступления масла от насоса. На этом основано устройство и работа гидростатической передачи винт-гайка скольжения, защищенной патентом РФ на изобретение №2767381, МПК F16H 25/20, авторов Я.Л. Либермана и К.В. Тулеповой, принятой нами за прототип.
Передача винт-гайка скольжения - прототип содержит гидробак, дроссели, гидронасос и переливной клапан, соединенный с выходным каналом последнего и гидробаком, винт с наружной трапецеидальной резьбой, на боковых поверхностях которой выполнены карманы, соединенные через дроссели с каналом подачи масла от насоса, и диаметральные поверхности которой выполнены с отверстиями, соединенными с каналом слива масла в гидробак, при этом она снабжена регулируемым дополнительным дросселем, включенным в канал слива масла, и редуктором мультипликатором, гидронасос выполнен шестеренным реверсивным, а винт через редуктор-мультипликатор кинематически связан с его приводным валом.
При использовании передачи винт-гайки - прототипа в механизме подачи металлорежущего станка или иной технологической машины, ее предварительно настраивают регулируемым дросселем, а затем ее работа осуществляется следующим образом.
Если подача рабочего органа станка, перемещаемого гайкой не происходит, винт не вращается, гайка не двигается, насос не работает, и масло в карманы не нагнетается. В зоне сопряжения винта и гайки имеется некоторый слой смазки, обусловленный предшествующей работой передачи.
х
При вращении винта насос тоже вращается, причем поскольку он реверсивный, то независимо от направления вращения винта и соединенного с ним вала насос нагнетает масло все время через канал в карманы. Чем быстрее вращается винт, то есть чем больше подача рабочего органа (суппорта с инструментом) станка, тем больше сила Р сопротивления перемещению гайки. Но приводной вал насоса тоже в таком случае вращается быстрее, и смазка поступает в сопряжение винта и гайки более интенсивно. Чем меньше подача и чем медленнее вращается винт, тем меньше масла подает насос в карманы гайки, тем предотвращается излишнее поступление масла через отверстия и канал слива масла через отверстия и канал слива возвращается в гидробак.
Таким образом, имеет место некоторая стабилизация толщины масляного слоя в передаче, что, в определенной степени снижает вероятность превращения жидкостного трения в полусухое или сухое, сокращает износ передачи и повышает ее долговечность.
х
Вместе с тем, передача - прототип имеет и существенный недостаток. Перед эксплуатацией она предварительно настраивается регулируемым дросселем, а дальше ее настройка остается постоянной. Между тем при использовании передачи - прототипа на станке с ЧПУ, на котором обычно обрабатываются детали сложного профиля, настройка регулируемого дросселя не должна оставаться предварительно заданной и постоянной. Это обусловлено тем, что при обработке деталей сложного профиля (фасонных) на станках с ЧПУ происходит непрерывное изменение скорости резания V и глубины резания t. Из-за этого непрерывно изменяется и сила Р. Получается, что при одних V и t, передача-прототип смазывается удовлетворительно, а при других V и t может происходить недопустимое уменьшение толщины соя смазки в ней, и она окажется менее износоустойчивой и долговечной, чем предполагалось. Возникает проблема, связанная с указанным явлением, то есть проблема не всегда достаточной износостойкости и долговечности передачи.
Разрешить сформировавшуюся проблему можно путем автоматического управления дополнительным дросселем в функции переменных V и t. Однако, какова должна быть при этом взаимосвязь этих переменных? Ответить на этот вопрос можно, опираясь на известное соотношение, характеризующее расход жидкости через дроссель,
где
Q - указанный расход жидкости,
μ - коэффициент расхода,
А - площадь проходного сечения дросселя,
1
P - давление жидкости на входе дросселя,
2
Р - давление жидкости на выходе дросселя,
ρ - плотность жидкости.
2
1
В рассматриваемом случае Р - давление на выходе дросселя, направленном в гидробак. Оно значительно меньше P, и практически можно считать, что
1
Величина P пропорциональна давлению на выходе насоса и приближенно может быть выражена как
1
1
н
2
2
P≈K⋅Р≈K⋅n,
1
2
где K и K - коэффициенты пропорциональности, n - частота вращения насоса. Отсюда
3
где K - коэффициент пропорциональности, учитывающий μ, ρ и упомянутые выше приближения.
4
4
Таким образом, расход смазочной жидкости через рассматриваемую передачу винт-гайка практически пропорционален частоте вращения насоса n. Но n в передаче - прототипе пропорционально подаче S, т.е. n=K⋅S, где K - коэффициент, учитывающий шаг винта и передаточное отношение редуктора-мультипликатора. Это дает право считать, что
3
4
Q=A⋅S⋅K⋅K,
что и использовано в прототипе. Но с другой стороны, как отмечалось выше,
x
p
x
y
z
p
P=10⋅C⋅t⋅S⋅V⋅K,
Величины х, у, z обычно близки к единице, и с учетом этого допустимо предполагать, что
5
р
p
где K - некоторый коэффициент, учитывающий 10⋅С⋅K и приравнивание х, у, z единице. Если теперь, принимая это во внимание, площадь проходного сечения дросселя представить как
6
А=t⋅V⋅K,
6
Где K - еще один коэффициент пропорциональности, то получится
3
4
6
Q=t⋅S⋅V⋅K⋅K⋅K,
- выражение, конгруэнтное (*).
Прототип реализует из этого выражения зависимость Q от S. Что касается зависимости Q от t и V, то она теперь, хотя и приблизительно, не достаточно ясна и в дополнение к прототипу технически осуществима (и в предполагаемом изобретении осуществляется) за счет того, что передача винт-гайка скольжения, состоящая из гидробака, дросселей, реверсивного шестеренного гидронасоса и переливного клапана, соединенного с выходным каналом последнего и гидробаком, содержащая винт с наружной трапецеидальной резьбой и охватывающую его гайку с аналогичной внутренней резьбой, на боковых поверхностях которой выполнены карманы, соединенные через дроссели с каналом подачи масла от насоса, и диаметральные поверхности которой выполнены с отверстиями, соединенными с каналом слива масла в гидробак, включающая регулируемый дополнительный дроссель, установленный в канале слива масла, и редуктор-мультипликатор, через который винт кинематически связан с приводным валом гидронасоса, отличается от прототипа тем, что она дополнительно снабжена трехвходовым блоком умножения сигналов напряжения, первым, вторым и третьим преобразователями код-напряжения, выходы которых соединены со входами блока умножения, при этом дополнительный дроссель выполнен электроуправляемым, и его управляющий вход соединен с выходом блока умножения.
На фиг. 1 показана схема предлагаемой передачи винт-гайка скольжения. Передача содержит гидробак 1, дроссели 2, гидронасос 3 и переливной клапан 4, соединенный с выходным каналом 5 последнего и гидробаком 1. Она состоит из винта 6 с наружной трапецеидальной резьбой и охватывающей его гайки 7 с аналогичной внутренней резьбой, на боковых поверхностях которой выполенены карманы 8, соединенные через дроссели 2 с каналом 5 подачи масла от насоса, и диаметральные поверхности которой выполнены с отверстиями 9, соединенными с каналом 10 слива масла в гидробак. При этом она снабжена регулируемым дополнительным дросселем 11, включенным в канал 10 слива масла, и редуктором-мультипликатором 12, гидронасос 3 выполнен шестеренным реверсивным, а винт 6 через редуктор-мультипликатор 12 кинематически связан с его приводным валом 13.
Реверсивный шестеренный насос - это такой шестеренный насос, который при прямом или обратном направлении вращения входного вала качает жидкость в одном и том же направлении. К таким насосам относится, в частности, защищенный патентом РФ на полезную модель №194585 «Реверсивный шестеренный насос» авторов Либермана Я.Л. и Чибирова А.Б.
Этот насос обеспечивает более равномерное нагнетание масла в карманы 8 гайки, чем, например, плунжерный насос, и потому создает в сопряжении винта и гайки более стабильную смазку.
Кроме перечисленных элементов, предлагаемая передача винт-гайка содержит трехвходовый блок умножения электрических сигналов 14, первый 15, второй 16 и третий 17 преобразователи код - напряжение, выходы которых соединены со входами блока 14, при этом дополнительный дроссель 11 выполнен электроуправляемым, и его управляющий вход соединен с выходом блока умножения 14.
3
4
6
При использовании предлагаемой передачи винт-гайка в механизме подачи металлорежущего станка с ЧПУ ее так же, как и прототип предварительно настраивают, но делают это несколько иначе. Начинают это с ввода в преобразователь 15 кода некоторого коэффициента пропорциональности К обобщающего произведение K*K*K. Затем в преобразователь 16 и 17, соответственно, вводят кодированные значения наименьших скорости резания V и глубины резания t, с которыми возможна обработка на станке. После этого винту 6 придают вращение наименьшей подачи S рабочего органа станка с помощью гайки 7. Насос 3 при этом нагнетает смазочную жидкость (масло) в карманы 8 гайки, снижая трение в паре винт-гайка. В соответствии с сигналом, поступающими от блока 14, дроссель 11 обеспечивает наименьший расход жидкости Q через пару винт-гайка. После этого наладчик станка, производя обработку пробной детали на станке, с принятыми S, V и t, проверяет достаточность смазки передачи и при необходимости увеличивает код коэффициента K. Далее наладчик, принимая наибольшие при обработке на станке значения S, V и t, вводит коды V и t в преобразователи 16 и 17 и проверяет качество смазки передачи еще раз, но при обработке пробной детали уже с этими параметрами режима резания. При необходимости он также корректирует код коэффициента К.
После настройки передача может эксплуатироваться на станке с ЧПУ при обработке разных деталей, в том числе фасонных, с изменяющимися S, V и t, для чего привод винта и преобразователи 15, 16 и 17 должны управляться системой ЧПУ станка в следящем режиме. При этом, если нагрузка на передачу в процессе работы станка будет возрастать, расход Q смазки станка будет увеличиваться, если уменьшается, то снижаться. Это приведет к стабилизации износа предлагаемой передачи винт-гайка скольжения и повышение ее эксплуатационной надежности и долговечности за счет уменьшения среднего износа.
х
Снижение указанного износа и повышение долговечности передачи при использовании ее на станках с ЧПУ является техническим результатом предложения. Следует также отметить. Что дополнительным техническим результатом предложения является повышение точности передачи, поскольку слишком большая смазка, не зависящая от Р, снижает ее жесткость, а стабилизация смазки жесткость стабилизирует.