Передача винт-гайка скольжения
TRANSMISSION SCREW-NUT SLIDING

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения и предназначено для использования в механизмах подачи тяжелых металлорежущих станков 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), принятая нами в качестве прототипа. 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.
Гидростатическая передача винт-гайка - прототип работает с меньшим износом, чем упомянутая ранее передача-аналог, однако она не всегда обеспечивает требуемую точность обработки на станках с ее применением. Причина этого в том, что насос в ней работает с постоянной скоростью и подает жидкость с постоянным давлением. Поскольку при перемещении гайки по винту, например, по некоторой координате X, ей приходится преодолевать силу сопротивления
р
р
где С, х, у, z - коэффициент и показатели степени, зависящие от обрабатываемого материала и материала инструмента; К - 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), то при разных S, t и V и постоянном давлении, создаваемом насосом, толщина слоя смазки в передаче тоже оказывается разной. Если он становится слишком мал, то на сопряженных поверхностях гайки и винта возникают задиры и повышенный износ, как в описанной выше передаче - аналоге. Во избежание указанного явления давление, создаваемое насосом, при проектировании станка выбирают с запасом. Но в таком случае при малых S, V и t толщина слоя смазки может оказаться слишком большой, что снижает жесткость передачи и, как следствие, точность обработки на станке с ее применением. В связи с этим возникает проблема повышения жесткости передачи-прототипа и увеличения точности обработки на станках с ее применением.
Решить сформулированную проблему можно путем стабилизации слоя смазки в передаче (сделать ее инвариантной по отношению к нагрузке). Технически указанное решение может быть осуществимо (и в предлагаемой передаче осуществляется) за счет того, что передача винт-гайка скольжения, состоящая из гидробака, дросселей, гидронасоса с приводом и переливного клапана, соединенного с выходным каналом насоса 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, отличается от прототипа тем, что она снабжена установленным на гайке датчиком силы, действующей на гайку в осевом направлении, сглаживающим фильтром, вход которого соединен с датчиком силы, блоком определения модуля сигнала, вход которого соединен с выходом фильтра, усилителем напряжения, вход которого соединен с выходом блока определения модуля, при этом привод насоса выполнен регулируемым и его управляющий вход связан с выходом усилителя.
Схема предлагаемой передачи винт-гайка скольжения показана на фиг.1. Она состоит из гидробака 1, дросселей 2, гидронасоса 3 с приводом и переливного клапана 4, соединенного с выходным каналом 5 насоса и гидробаком, содержит винт 6 с наружной трапецеидальной резьбой и охватывающую его гайку 7 с аналогичной внутренней резьбой, на боковых поверхностях которой выполнены карманы 8, соединенные через дроссели с каналом подачи масла от насоса, и диаметральные поверхности которой выполнены с отверстиями 9, соединенными с каналом 10 слива масла в гидробак. В канале слива имеется дроссель 11 для первоначальной регулировки смазки гайки, при этом привод гидронасоса соединен с его входным валом 13. Кроме того, передача снабжена установленным на гайке 7 датчиком силы 14 силы, действующей на гайку в осевом направлении, сглаживающим фильтром 15, вход которого соединен с датчиком 14 силы, блоком определения модуля сигнала 16, вход которого соединен с выходом фильтра 15, усилителем напряжения 17, вход которого соединен с выходом блока определения модуля 16, при этом привод 12 гидронасоса выполнен регулируемым и его управляющий вход связан с выходом усилителя 17.
х
х
х
х
х
х
При использовании предлагаемой передачи винт-гайка на металлорежущем станке или подобной машине она монтируется на нем так, чтобы датчик 14 располагался во взаимодействии с суппортом станка и сила Рпри работе станка действовала на гайку 7 в направлении, показанном на фиг.1 стрелкой. При вращении винта 6 и включенном приводе 12 насоса 3 жидкость от насоса будет подаваться к гайке 7 и в зазоре между поверхностью винта и гайкой образуется слой смазки. Если сила Р мала, толщина этого слоя будет такой, как настроена дросселем 11, давление, создаваемое насосом будет небольшим и достаточным для смазки передачи. Деформация слоя смазки при этом будет мала. Если Р возрастет, датчик 14 выдаст сигнал по величине превышающей предыдущий, этот сигнал освободится от флюктуаций фильтром 15. Так как фильтр 15, в зависимости от направления силы Р, может выдавать плюсовой или минусовой сигнал, последний, проходя через блок 16, будет всегда положительным, затем, будучи усиленным усилителем 17, поступит на привод 12 насоса, и, увеличив толщину слоя смазки, скорректирует хотя и небольшую, но, все же, возникшую его деформацию. Когда же сила Р возрастет, то толщина слоя смазки деформируется (уменьшится) больше, чем в предыдущем случае. Но сигнал от датчика 14 окажется больше, насос 3, приводимый во вращение приводом 12, начнет вращаться быстрее, давление на его выходе увеличится и толщина слоя смазки возрастет практически до первоначальной. В случае уменьшения Р, деформация слоя смазки тоже уменьшится, сигнал от датчика 14 тоже изменится в меньшую сторону, и насос свое выходное давление снизит. Толщина слоя смазки снова станет близка к первоначальной. Таким образом, в предлагаемой передаче винт-гайка скольжения при любых изменениях нагрузки толщина слоя смазки всегда будет более-менее одна и та же. Одной и той же будет оставаться и жесткость передачи, а значит, и точность обработки на станке, в котором предлагаемая передача применена. Иначе говоря, жесткость и точность окажутся стабилизированы. Настроив предварительно дросселем 11 необходимую и достаточную толщину слоя смазки, с помощью указанной стабилизации можно обеспечить технический результат предложения: повышение жесткости и точности передачи по сравнению с прототипом.