Kulskruv linjär glid för CNC-verktygsmaskiner: hur X-, Y- och Z-axelkraven skiljer sig

När CNC-maskintillverkare köper kulskruvar och linjära styrningar för en ny maskin, är standardmetoden att tillämpa samma specifikation över alla axlar - samma diameter, samma ledning, samma muttertyp. Det förenklar upphandlingen, minskar antalet artikelnummer att hantera och känns konservativt.

I praktiken är det ofta fel tillvägagångssätt.

X-, Y- och Z-axlarna i en CNC-maskin arbetar under fundamentalt olika förhållanden. X-axeln täcker det längsta slaget vid högsta hastighet. Y-axeln bär den kombinerade vikten av spindelenheten och rör sig under kontinuerliga tvärskärande belastningar. Z-axeln arbetar vertikalt mot gravitationen, måste hålla position när strömmen bryts och kräver en kortare, styvare skruv än de horisontella axlarna. Att använda samma kulskruvsspecifikation för alla tre innebär att antingen över-specificera två axlar för att skydda den tredje, eller under-specificera den mest krävande axeln för att spara kostnader för de andra.

Den här artikeln tar upp vad varje axel faktiskt kräver av en kulskruvslinjär slid, hur man matchar skruvserien och leder till varje uppsättning villkor, och var OEM-maskinbyggare oftast har fel specifikationer.

Varför varje CNC-axel har olika krav på kulskruvar

En linjär glidplatta med kulskruv är inte bara en drivmekanism. Det är en av nyckelkomponenterna som påverkar hur exakt axelpositionen är, hur snabbt den kan röra sig, hur mycket dragkraft den kan generera och hur länge den varar under maskinens arbetscykel. Var och en av dessa parametrar ställs in av axelgeometrin och belastningsförhållandena - inte av en enda universell specifikation.

Tre faktorer varierar avsevärt mellan CNC-axlar och driver kulskruvspecifikationen direkt:

X-axel: Långt slag, hög hastighet, maximal reseeffektivitet

På de flesta CNC-routrar, portalmaskiner och bearbetningscentra är X-axeln den primära traversaxeln - den som är ansvarig för att täcka maskinens hela arbetsbredd i snabbtransport mellan skärningar. Den har vanligtvis det längsta slaglängden, kör med högsta hastighet och arbetar med relativt lätta belastningar under snabba rörelser.

Vad X-axeln kräver av en kulskruvslinjär glidbana

Hastighet först.X-axelns snabbgångshastighet bestämmer minsta avledning. För en servomotor som körs med 3 000 RPM är ledningen som krävs för att uppnå 30 m/min eller 500 mm/s: 500 mm/s × 60 ÷ 3 000 RPM=10mm. För att uppnå 60 m/min på samma motor behövs en 20 mm ledning. De flesta CNC-överfräsar X-axlar kör ledningar mellan 10 mm och 20 mm beroende på maskinstorlek och hastighetskrav. När hastighetskravet går utöver vad en 20 mm ledning SFU kan leverera vid motorns maximala varvtal, är SFE stora-ledningsserien - med ledningar på 25 mm, 32 mm, 40 mm och över - rätt steg upp.

Axeldiameter för kritisk hastighet.På en X-axel med 2 000 mm slag, kan skruvaxelns ostödda längd nå 2 200–2 400 mm mellan stödlagren. Vid denna längd kan en axel med en diameter på 20 mm begränsas av kritisk hastighet långt innan den når det erforderliga snabbgångsvarvtalet, beroende på stödkonfiguration, säkerhetsfaktor och skruvstruktur. I många CNC-axlar med långa-slag väljs skruvar med diametern 32 mm eller 40 mm i första hand för att hålla den kritiska hastigheten över driftsintervallet -, inte för att belastningen kräver det.

Valsad C7 är vanligtvis den korrekta precisionsgraden.För träbearbetningsöverfräsar och allmänna tillverkningsmaskiner är rullade C7-kulskruvar ofta tillräckliga när den erforderliga positioneringsnoggrannheten är måttlig. Maskinens slutliga noggrannhet beror också på montering, glapp, termisk expansion, styrstyvhet och kontrollkompensation - skruvkvaliteten är en faktor bland flera.

Y-axel: medelhög slaglängd, kombinerad belastning, strukturell styvhet

I många CNC-routrar och maskiner i portaltyp- bär Y-axeln spindelmotorn, Z--axelenheten och ofta portaltvärbalken eller sadeln. Den rör sig vinkelrätt mot X-axeln, vanligtvis med lägre hastighet än X men under betydligt högre belastning - eftersom massan av allt som är monterat på Y-vagnen ökar den axiella kraft som krävs under acceleration och retardation.

Vad Y-axeln kräver av en kulskruvslinjär slid

Högre dragkraftskrav än X.Om Z--axelenheten och spindeln tillsammans väger 80 kg och maskinen accelererar med 0,3 g, måste Y-axeln generera 80 × 9,8 × 0.3=235N dragkraft bara för acceleration - innan någon skärkraft läggs till. Kulskruven bör dimensioneras för motsvarande axiell belastning, inklusive accelerationskraft och skärkraftskomponenter i skruvriktningen, med en tillräcklig Ca-säkerhetsmarginal.

Momentbelastningshantering.När spindeln skär vid en punkt förskjuten från Y-axelns mittlinje skapar reaktionskraften en momentbelastning på Y-vagnen. Detta moment bärs av de linjära styrningarna, inte kulskruven. Momentlaster från förskjutna skärkrafter bör beräknas separat för de linjära styrningarna och vagnblocken - styrningsspecifikationen, inklusive rälsbredd, antal block och förspänningsklass, måste matchas till det maximala moment som Y-axelns geometri kan generera. Under-specificering av Y--axelstyrningarna samtidigt som kulskruven specificeras är ett vanligt konstruktionsfel som orsakar för tidigt styrslitage och förlust av noggrannhet.

Medium ledning för balanserad hastighet och dragkraft.Y-axeln behöver inte X-axelns stora ledning eftersom den täcker ett kortare slag vid lägre snabb hastighet. En 10 mm ledning ger en rimlig balans mellan hastighet och dragkraft för de flesta CNC-fräsar och Y-axlar för bearbetningscenter. På tunga-maskiner som flyttar sadelvikter över 200 kg kan en 5 mm ledning med en skruv med större diameter behövas för att ge tillräcklig dragkraft vid motorns nominella vridmoment.

Z-axel: kort slag, vertikal belastning, rygg-drivrisk

Z-axeln är den mest mekaniskt distinkta av de tre. Den rör sig vertikalt, bär en konstant nedåtgående belastning, spindelvikten arbetar hela tiden över ett kort slag och måste hålla positionen tillförlitligt när servodrivningen är urladdad-. Dessa krav pekar på en kulskruvsspecifikation som är motsatsen till X-axeln i nästan alla avseenden.

Vad Z-axeln kräver av en kulskruv linjär glid

Liten ledning för lägre rygg-drifttendens och högre dragkraft.En mindre avledning ger motorn mer mekanisk fördel och minskar tendensen hos Z-axeln att backa-driva under spindelns vikt. En kulskruv ska dock inte behandlas som en själv-låsande mekanism - kulskruvar har hög mekanisk effektivitet, vilket innebär att de är mer känsliga för bakåtdrivning- än traditionella blyskruvar. Huruvida en given Z-axel kommer att backa-drivningen beror på ledningen, belastningen, skruveffektiviteten, smörjtillståndet och om servodrivningen bibehåller hållmomentet när den står stilla.

En 5 mm ledning är standard för CNC Z-axlar. Den ger tillräckligt med dragkraft från motorns nominella vridmoment och håller Dm·N-värdet inom driftområdet vid de inblandade varvtalen. Men ledningen ensam garanterar inte att spindeln inte kommer att sjunka när strömmen bryts.

Motorbroms eller motvikt är ofta nödvändigt.För vertikala CNC-axlar bör en motorbroms eller motvikt övervägas när okontrollerad sänkning kan skapa en säkerhets-, verktygs- eller arbetsstyckerisk. Som en praktisk referens bör Z--axelspindelenheter runt 15–20 kg eller högre normalt kontrolleras för broms- eller motviktskrav - men den faktiska tröskeln beror på ledning, skruveffektivitet, friktion och drivbeteende och bör utvärderas för varje design snarare än tillämpas som en fast regel.

Kort axel betyder styvhet, inte kritisk hastighet.AZ-axelskruvaxeln är vanligtvis 300–600 mm lång. Vid denna längd är kritisk hastighet vanligtvis inte den begränsande faktorn även vid små diametrar. Valet av diameter styrs av lastkapacitet, Ca och axelavböjning under spindelvikten. En axel med 16 mm eller 20 mm diameter täcker de flesta CNC-överfräsars Z-axlar; bearbetningscentra med tyngre spindlar kan behöva 25 mm.

Dubbelmutter för precisionsbearbetning.På CNC-bearbetningscentra där Z-axeln styr skärdjupet, påverkar spel i Z-axeln direkt ytfinish och dimensionsnoggrannhet. En DFU-dubbel-mutterdesign hjälper till att minimera axiellt spel och förbättra styvheten. På CNC-routrar där djuptoleransen är ±0,1 mm räcker det med en standard SFU-enkel-mutter Z-axel.

Kompakt linjär styrning för utrymmesbegränsningar.Z-axeln har vanligtvis det mest begränsade installationsutrymmet. En smal linjär styrning, som HDR15 eller HDR20 från DLYs HD-serie, med två block är typiskt. Styrningen måste vara dimensionerad för att bära den kombinerade vikten av spindeln plus vagn plus eventuellt verktyg i spindeln, med en tillräcklig dynamisk belastningsmarginal.

Vanliga specifikationsfel av Axis

X, Y, Z-axelspecifikation Sammanfattning

Inköp av kulskruvar och linjära styrningar för CNC-axlar

För OEM CNC-maskintillverkare som köper komponenter i volym är det praktiska övervägandet efter specifikationen konsekvens över batcher. En skruv som uppfyller Ca och blynoggrannhet på den första ordern måste uppfylla samma specifikation på den tionde ordern. Variation mellan batcher - i kuldiameter, förspänning eller ledningsfel - ger maskiner som presterar annorlunda trots att de använder samma artikelnummer, vilket skapar kvalitetskontroll och problem efter-försäljning.

DLY tillverkarSFU enkel-mutterochDFU dubbel-mutterkulskruvar i diametrar från 12 mm till 80 mm, med ledningar från 4 mm till 20 mm, i C7 valsade och C5/C3 markprecisionskvaliteter. För hög-X-axelapplikationer som kräver ledningar över 20 mm,SFE stora-leadseriertäcker kablar på 25 mm, 32 mm, 40 mm, 50 mm och 64 mm. Linjära styrbanor finns tillgängliga i HD-serien, HDR15 till HDR65, för allmänna CNC-tillämpningar, ED-serien, EDR15 till EDR30, för applikationer med låg-profil och{11}}höghastighet, och RD-rullserien, RDR15 till RDR65, för hög-krav på belastning, hög{14}15}}hög{14}}rigiditet. Alla serier är tillgängliga i standard- och högnoggrannhetsgrader och stödjer batchorder med ledtidsbekräftelse vid förfrågningsstadiet.

Bekräfta din CNC-axelspecifikation innan du beställer

Om du specificerar kulskruvar och linjära styrningar för en ny CNC-maskindesign, eller byter ut komponenter på en befintlig maskin, kan DLYs ingenjörsteam granska dina axelparametrar och bekräfta rätt skruvserie, diameter, ledning och styrspecifikation för varje axel.

Batchprissättning och ledtid bekräftas samtidigt som den tekniska specifikationen.