Опоры ШВП BK, BF, FK и FF: как собрать совместимый комплект

Что держат опоры на концах ШВП

Если при реверсе стол сначала стоит, а затем трогается, причина может быть в опоре винта. Люфт в подшипниках, незатянутая стопорная гайка или подвижный корпус дают потерю перемещения даже при исправной гайке ШВП. Поэтому опоры подбирают вместе с винтом и проверяют при поиске ошибки позиционирования.

В распространённой схеме «фиксированная — поддерживающая» опоры выполняют разные задачи. BK и FK фиксируют винт в осевом направлении и воспринимают усилие, которое передаётся от гайки. BF и FF поддерживают противоположный конец радиально: удерживают его от поперечного смещения, сохраняя предусмотренную конструкцией возможность теплового удлинения.

BK/BF — корпусные опоры для установки на основание. FK/FF имеют фланцевую форму для монтажа в стенку или торцевую плиту. Буквы помогают определить назначение и компоновку, но не заменяют чертёж. Даже у одного производителя одинаковый номер в разных сериях не всегда означает одинаковые подшипники и нагрузки.

Сама шарико-винтовая передача преобразует вращение в поступательное движение. Корпус фиксированной опоры замыкает путь осевого усилия на станину. Если корпус или его крепление смещаются под нагрузкой, точность винта этого не компенсирует.

Какие подшипники стоят в BK, FK, BF и FF

В фиксированных опорах BK и FK рассматриваемого исполнения THK установлена согласованная пара радиально-упорных шариковых подшипников. Одиночный такой подшипник рассчитан на осевую нагрузку в одном направлении; встречная пара позволяет удерживать винт при тяге и толкании. Радиальную нагрузку она также воспринимает. Принцип работы пар объяснён в материале SKF о радиально-упорных подшипниках.

THK указывает для стандартных опор угол контакта 30°, расположение DF — «лицом к лицу» и предварительно отрегулированный преднатяг. В миниатюрных EK/FK типоразмеров 4, 5 и 6 применён угол 45°. Эти значения относятся к описанной продукции THK; переносить их на любую опору с буквами BK нельзя. См. конструкцию опор THK.

В поддерживающих BF и FF используют однорядный радиальный шариковый подшипник с глубокими дорожками. Например, для BF12/FF12 в таблице THK указан 6000ZZ. Обозначение ZZ означает защитные шайбы с двух сторон. Такой подшипник способен воспринимать и некоторую осевую нагрузку, но в данной схеме ему отведена роль радиальной поддержки. Делать из BF вторую фиксированную опору случайной затяжкой колец нельзя.

Слово «упорный» здесь требует аккуратности. Обычный упорный шариковый подшипник предназначен для осевого усилия и не заменяет радиальную опору вала. Радиально-упорный работает с сочетанием осевой и радиальной нагрузки. Поэтому конструкция BK — это не просто корпус с любым «подшипником на упор». Различие направлений нагрузки показано в каталоге подшипников SKF, разделе выбора типа подшипника.

Нагрузки и жёсткость: примеры из каталога THK

Ниже приведены характеристики конкретных опор THK. Обозначение «экв. 7001» воспроизводит указание производителя на эквивалентный тип подшипника. Это не разрешение заменить согласованную пару первым попавшимся подшипником с похожим номером.

Источник — таблица подшипников и характеристик THK, A15-322, страница 6 PDF. В каталоге THK Support Unit отдельно пояснено, что Permissible load означает допустимую статическую нагрузку.

Ca используют для расчёта ресурса подшипников. Его нельзя прочитать как «BK12 разрешено постоянно нагружать усилием 6,66 кН». Для выбора нужны обе проверки: допустимая нагрузка и ресурс на заданных оборотах и рабочем цикле. Кроме подшипников проверяют винт, стопорную гайку, корпус, крепёж и основание.

У поддерживающей стороны другая направленность характеристик. Для THK BF12/FF12 с 6000ZZ радиальная динамическая грузоподъёмность C составляет 4,55 кН, статическая C₀ — 1,96 кН. Эти величины нельзя складывать с осевой нагрузкой BK12: две опоры воспринимают разные составляющие усилия.

Жёсткость тоже имеет практический смысл. Если для предварительной оценки использовать 88 Н/мкм из строки BK12, то под осевой силой 1000 Н упругое смещение составит примерно 1000 / 88 = 11,4 мкм, или 0,0114 мм. Это оценка по каталожной жёсткости, а не обещание постоянной линейной характеристики. Податливость винта, гайки, кронштейнов и станины добавится к ней. Расчёт всей цепочки описан в разделе THK об осевой жёсткости.

Для сравнения производителей: в каталоге HIWIN для BK12/FK12 с 7001A указаны осевой Load Limit 2,1 кН и Ca 6,9 кН. Уже поэтому характеристику THK нельзя приписать опоре другого изготовителя только по названию BK12. Значения и смысл столбцов сверяют в документации выбранной серии.

Что означает точность опоры в цифрах

У опор нужно различать класс подшипника, геометрию корпуса и фактическую точность установленного узла. P5 не означает погрешность 5 мкм. Это класс точности подшипника с отдельными нормами на размеры и вращение. Он также не равен классу C5 винта.

HIWIN выпускает стандартные опоры уровней C3, C5 и C7. В каталоге B03TE03-1907 указаны следующие допуски положения оси относительно баз корпуса:

У C3 и C5 предусмотрен преднатяг; для C7 его наличие нужно уточнять по исполнению. Таблица относится к размерам b и h на чертеже, а не к точности перемещения станка. Источник чисел и различий HIWIN — каталог Support Unit, печатные страницы 4–5.

Практический пример: если высота оси одной опоры отклонилась на +0,02 мм, а другой на −0,02 мм, разница составляет 0,04 мм ещё до учёта основания. Поэтому две новые опоры одной номинальной высоты не гарантируют соосность после затяжки. В сборке измеряют положение винта и согласуют его с гайкой и направляющими.

Преднатяг уменьшает свободное осевое перемещение в подшипниковой паре. Упругая деформация под рабочей нагрузкой при этом остаётся. Отдельно проверяется зазор между винтом и гайкой ШВП: точная опора не устраняет износ гайки. Погрешность хода самого винта разобрана в статье о классах точности ШВП.

Почему BK12 и BF12 требуют разных посадок

Число 12 в обозначении BK12 относится к номинальному отверстию фиксированной опоры. У парной поддерживающей BF12 фактическое отверстие может быть меньше: в рассмотренных исполнениях с 6000ZZ оно составляет 10 мм. Поэтому у одного винта посадки на противоположных концах могут быть 12 и 10 мм. Диаметр рабочей резьбы — ещё один, отдельный размер.

Чертёж концов должен задать диаметры и длины посадок, упорные торцы, резьбу под стопорную гайку, канавку под кольцо и участок под муфту. Отдельно сверяют высоту оси, базирование корпуса и крепёж. При ремонте эти размеры удобно собрать по инструкции по замерам старой ШВП.

Если винт упирается в фаску или радиус раньше, чем торец внутреннего кольца садится на плечо, затяжка гайки не исправит посадку. Если корпус опоры притягивают к основанию с перекосом, вращение станет туже. В обоих случаях проблема может проявиться как нагрев или нестабильное усилие вращения уже после сборки.

Как проверить, достаточно ли опоры для нагрузки

Возьмём условную вертикальную ось без противовеса: масса движущегося узла 300 кг, ускорение вверх 2 м/с². Вес даёт около 2,94 кН, разгон — ещё 0,60 кН. Получается 3,54 кН без учёта сопротивления движению и технологического усилия.

Для THK BK12 из таблицы это уже больше допустимых статических 3,25 кН. Такую опору нельзя принять по аргументу «динамическая грузоподъёмность 6,66 кН, значит хватит». Нужен другой рассчитанный узел или изменение нагрузки. Поддерживающая BF12 не заберёт половину осевого усилия в схеме с одним фиксированным концом.

Для горизонтальной оси вес подвижного узла воспринимают прежде всего направляющие. Винт и его фиксированная опора передают усилия разгона, сопротивления движению и обработки вдоль оси. Поэтому одинаковая масса по-разному нагружает опоры в горизонтальной и вертикальной компоновке. Общий порядок расчёта — в руководстве по выбору ШВП.

Что проверить при сборке

Фиксированная сторона задаёт осевое положение винта. На поддерживающей стороне нужно сохранить предусмотренное чертежом перемещение при нагреве. У узла с подшипником, закреплённым на валу стопорным кольцом, свободу обычно обеспечивает посадка наружного кольца в корпусе. Нельзя считать, что тепловое удлинение должен поглотить внутренний зазор подшипника. Дополнительная крышка, шайба или тугая посадка могут изменить работу всей схемы.

Корпуса и кронштейн гайки сначала согласуют по положению, проверяя плавность перемещения по всему ходу. Затем контролируют индикатором биение конца винта и осевое перемещение, выполняют окончательное крепление по инструкции производителя. Готовую преднатянутую пару не разбирают ради «улучшения» затяжки. Порядок проверки приведён в инструкции THK, страницы 8–9 PDF.

Если после затяжки появились тугой участок или заметный нагрев, проверяют соосность, посадочные торцы, положение гайки и крепление опор. Увеличение момента двигателя лишь позволяет вращать неправильно собранный узел. Для замены опор полезно зафиксировать результаты измерений до разборки: где возникает осевое перемещение, при каком направлении нагрузки и на каком участке хода.