Люфт на станке с ЧПУ: как убрать его в ШВП, рейке, каретках и подшипниках

Сначала определите узел

Лечение зависит от узла, а лечить «люфт вообще» бессмысленно. Если вы ещё не нашли место, начните с проверки индикатором: ось двигают шагами по 0,1 и 0,01 мм, а наконечник упирают в подвижную часть. Эту процедуру разбирает статья про овалы, люфты и вибрацию, и повторять её здесь не нужно. Достаточно запомнить, что покачивание рукой не отличает зазор в гайке от зазора в шпинделе или в рейке.

Для привода на ШВП полезна проверка от производителя. В руководстве HIWIN по шарико-винтовым парам описаны четыре замера относительного движения при вращении винта вручную при выключенном питании:

1. Осевое биение торца винта, наконечник индикатора упирается в шарик, приклеенный в центровое отверстие. Если опора и гайка стоят правильно, смещение не больше 0,003 мм.
2. Движение корпуса подшипников относительно посадочного места.
3. Движение корпуса гайки относительно стола.
4. Движение корпуса гайки относительно фланца самой гайки.

Любая стрелка, которая не стоит на нуле на втором, третьем или четвёртом шаге, указывает на ослабленный крепёж или недостаточно жёсткое посадочное место, а не на износ самой гайки. Так «люфт ШВП» нередко оказывается ослабленным корпусом опоры, а не износом гайки.

Ниже узлы идут по убыванию частоты, с которой их называют операторы, сталкивавшиеся с люфтом.

Гайка ШВП

Зазор между шариками и дорожками снимают преднатягом. HIWIN описывает три способа: двойная гайка с проставкой между двумя половинами, одинарная гайка с шариками увеличенного диаметра и одинарная гайка со смещением шага (offset). Для двойной гайки проставка толще номинала раздвигает гайки (растяжение), тоньше стягивает их (сжатие). Подбор проставки в мастерской практически невыполним, потому что толщина считается сотыми долями миллиметра.

Общий предел для станков с ЧПУ HIWIN называет так: преднатяг не выше 8 % от C. Цифры не стоит переносить «на глаз» на дешёвый винт: у них нет паспорта, и узнать, какой преднатяг заложен, можно только измерением момента проворачивания. Для оценки используют формулу из руководства: момент холостого вращения равен коэффициенту Kp (от 0,1 до 0,3), умноженному на преднатяг и на шаг и делённому на 2π. Например, при динамической нагрузке гайки 8 кН (порядок для винта 1605), преднатяге 3 % (240 Н), шаге 5 мм и Kp 0,2 момент выходит около 38 Н·мм, то есть чуть меньше 0,04 Н·м. Если гайка проворачивается заметно тяжелее, она, вероятно, перетянута. Если винт крутится от лёгкого щелчка пальцами, преднатяга нет.

Опора винта

Второе место, где ищут «люфт ШВП», это подшипники в опорных блоках. Осевой зазор в опоре даёт то же самое, что зазор в гайке: при смене направления ось не двигается, а индикатор показывает ход. Операторы, которые с этим сталкивались, советуют три шага.

1. Подтяните гайку-фиксатор на торце винта и стопорную гайку, предварительно очистив резьбу. Часто всё заканчивается на этом.
2. Если подтяжка не помогает, замените подшипники. В фиксированной опоре работают упорные подшипники, а не радиальные: пара радиально-упорных подшипников, поставленных «лицом к лицу» с гайкой преднатяга, снимает зазор в обе стороны.
3. Проверьте посадочные места: несоосные гнёзда под подшипники винта дают ступеньку на финальных проходах, и никакая подтяжка их не исправит.

В свободной опоре осевой зазор допустим, потому что она только поддерживает винт. Если свободная опора заклинила от смещения, винт нагревается и гудит.

Зубчатая рейка и шестерня

Зазор в зацеплении виден как заезд на углах, вертикальные полоски на торце и поломка тонких фрез. Прежде чем двигать шестерню, операторы советуют проверить два соседних узла: шпонку малой шестерни и осевой люфт колеса на валу редуктора. Нередко стучит именно шпонка.

Затем шестерню прижимают к рейке. Конструкции бывают разные: на эксцентрике, на салазках с регулировочными винтами, на подпружиненной каретке, но правила регулировки у них общие.

• Прижимать нужно до исчезновения зазора по лёгкому покачиванию, а не до заметного сопротивления. Перетяг греет двигатель и быстро изнашивает рейку. Одни операторы боятся, что мотор перегрузится, другие уверяют, что ничего не случится. Небольшой натяг нормален, сильный не нужен.
• Проверять нужно в нескольких точках хода, а не в одном месте. Шаг рейки и её установка по длине неоднородны, и в начале, середине и конце хода зазор разный. Если на одном конце шестерню клинит, а на другом люфт, рейка поставлена неровно: ищите стык и регулируйте прилегание рейки к станине.
• Для ответственных осей выбирают косозубую рейку и две шестерни с предварительным закручиванием друг относительно друга (anti-backlash). Такая пара выбирает зазор в обе стороны.

Рейка в любом исполнении даёт больше люфта, чем винт, и этот минус ложится на сам выбор привода. Подробнее об этом написано в материале про шаговый двигатель или серво.

Рельсовые каретки

Рельсовая каретка не «разбалтывается» от подтяжки болтов. Её зазор определяет класс преднатяга, и он задан при изготовлении. По каталогу HIWIN для линейных направляющих:

Для типоразмеров до HG20 производитель рекомендует не брать преднатяг выше ZA, потому что у малого типоразмера тяжёлый преднатяг сокращает ресурс. Следовательно, если каретка на малом фрезере стучит, а в паспорте стоит Z0, это не поломка, а свойство выбранного класса. Лечится заменой кареток на ZA, а не затяжкой.

Что делать с признаками износа.

• Выпавший шарик. Даже один шарик в каретке даёт стук и хруст в одном месте хода, и такую каретку меняют целиком, а рельс и вторую каретку заодно осматривают на износ дорожки.
• Хруст при движении без признаков зазора. Проверьте грязь в уплотнениях, засохшую смазку и перекос рельса. Каретку при этом не разбирают.
• Каретки разных серий на одном рельсе ставить нельзя, даже если посадка совпадает.

Типоразмер рельса серийного станка указан в характеристиках модели. Например, у Wattsan Mini 0404, A1 и M1 малых форматов направляющие HIWIN 20 мм, а у серии M3 HIWIN 25 мм. На такой раме люфт редко происходит из-за самих кареток, зато часто из-за ослабленного крепления рельса и корпуса подшипников.

Круглые валы и линейные подшипники

На станках с круглыми валами люфт даёт износ линейных подшипников. Практики сходятся во мнении, что менять нужно подшипники, а не вал, и меняют их попарно по оси. Разрезные подшипники нельзя стягивать болтом по самой обойме: их зажимают кронштейном, иначе зазор появится снова. Вал осматривают на задиры и выработанную канавку: если она есть, вал меняют вместе с подшипниками.

Редуктор, муфта, шкив

Остаются узлы между двигателем и винтом.

• Муфта. Люфт в кулачковой муфте и в муфте с одним зажимным винтом проверяют вручную: ротор двигателя должен вращаться вместе с винтом без «свободного хода». Метка маркером на двигателе и винте покажет проскальзывание.
• Шкив. Шкив, проворачивающийся на валу, дает накопленную ошибку. Ставят шпонку и фиксируют шкив стопорным винтом на лыске.
• Редуктор. Радиальные подшипники в редукторе изнашиваются первыми, и люфт проявляется на выходе.
• Ремень. Натяжка ремня люфт не убирает: ремень натягивают, чтобы он не проскальзывал и не перескакивал зубья, а не чтобы выбрать зазор.

Что не стоит делать

Как не допустить возвращения люфта

Люфт растёт, когда узел сух, грязен или перегружен. Профилактика короткая.

1. Смазывайте рельсы, винт и рейку по паспорту. Липкая смазка собирает пыль и стружку, поэтому в пыльном цехе выбирают тонкую и чаще убирают старую.
2. Держите уплотнения кареток целыми, а гусеницу и защитные гармошки закрытыми от пыли МДФ.
3. Регулярно подтягивайте крепёж опор и рейки: сервисные службы рекомендуют плановый осмотр станка раз в 4–6 месяцев.
4. Проверяйте люфт индикатором при каждом ТО и записывайте значения: так видно, как быстро он растёт.

Когда нужен инженер

Если люфт не уходит после смазки, подтяжки опоры и замены подшипников, а гайка ШВП не поддаётся замене в одиночку, нужен инженер с оборудованием для замера. У продавцов с собственным сервисом, вроде Lasercut, диагностику и ремонт делают и для станков, купленных у других поставщиков, по условиям пусконаладки и сервиса.