Глубокий реверс-инжиниринг: Полная реконструкция и оптимизация производства сверхпрецизионных шарико-винтовых пар для токарных станков с ЧПУ Mori Seiki серии SL

Аннотация

1. Анализ режимов разрушения и снятие базовых параметров

После 15–20 лет эксплуатации оригинальные ШВП (обычно THK BNFN или NSK W series) на станках Mori Seiki SL демонстрируют следующие доминирующие виды разрушения:

• Выкрашивание/отслоение дорожек качения — усталостное выкрашивание (fatigue spalling) от повторяющихся знакопеременных нагрузок.
• Коррозионный износ проникновение СОЖ и деградация смазки → питтинг и ржавчина на дорожках качения, главная причина резкий рост ошибки шага и люфта.
• Заклинивание гайки потеря смазки или деградация/перегрузка преднатяга → сильное трение шариков о дорожки.

1.1 Установление цифрового базового уровня характеристик

До разборки необходимо зафиксировать полный динамический baseline, он станет целевыми характеристиками восстановления:

• Тестирование точности: беспроводной балбар Renishaw QC20-W для геометрической и позиционной точности. Типичные данные станков SL возрастом 15–20 лет на ходе 800 мм: накопленная ошибка шага 0,038–0,085 мм; осевой люфт 0,045–0,120 мм.
• Документация сборки: зафиксировать оригинальную маркировку THK/NSK, момент преднатяга пар упорно-радиальных подшипников (обычно спаренные angular-contact thrust bearings), геометрические соотношения между корпусом гайки и опорами подшипников.

2. Высокоточное геометрическое измерение и моделирование

Ключевая сложность изготовления ШВП на заказ, точное восстановление геометрии готической дорожки качения и допусков опорных шеек подшипников.

2.1 Структурированное световое 3D-сканирование и обработка облака точек

• Основной инструмент: структурированный синий свет Zeiss ATOS Triple Scan III (объёмная точность ±0,008 мм) для полноформатного бесконтактного сканирования.
• Дополнительные измерения: лазерный сканер Hexagon Absolute Arm RS6 для труднодоступных шеек и торцевых элементов.

2.2 Извлечение критических геометрических параметров

Параметрическое твердотельное моделирование в Geomagic Design X. Самая сложная часть реверс-инжиниринга, вывод невидимых ключевых параметров:

• Геометрия готической дорожки: серия SL использует настоящую готическую (ogival) дорожку. Радиус кривизны дорожки и угол контакта (обычно 45° или 50°) определяют жёсткость преднатяга и грузоподъёмность, их необходимо точно подогнать по сечениям облака точек.
• Шаг и класс точности: типичные шаги 10 или 12 мм. Целевая точность, эквивалент C3 (ошибка шага E ≤ 0,006 мм/300 мм) для возврата двунаправленной повторяемости на уровне микрометров.
• Допуски шеек подшипников: диаметр шейки и биение заплечика в пределах ±0,002 мм для правильного натяга с внутренними кольцами подшипников и сохранения соосности вращения.

3. Оптимизация материала, термообработки и конструкции преднатяга

3.1 Модернизация материала и термообработки

Оригинальные винты THK/NSK, обычно индукционно закалённая легированная сталь SCM415 или аналог.

• Материал: 60CrMoV14-6 (DIN 1.7931) либо отечественный 9Cr18MoV.
• Термообработка: двухчастотная индукционная закалка до твёрдости поверхности 60–63 HRC, эффективная глубина закалённого слоя ≥ 1,2 мм.
• Криогенная обработка: глубокое охлаждение до –120 °C после закалки для долгосрочной размерной стабильности под нагрузкой и температурными циклами.

3.2 Перерасчёт преднатяга и жёсткости

Преднатяг, основной механизм устранения люфта и максимизации жёсткости системы.

• Конструкция: ось X обычно фиксированная с двух сторон (fixed-fixed) с двойной гайкой.
• Расчёт: внутренние скрипты Python + ANSYS Mechanical для определения оптимального преднатяга по максимальной силе резания (SL-250 типичная осевая нагрузка ~8500 Н) и целевой жёсткости (≥ 450 Н/мкм).
• Реализация: метод преднатяга с калиброванными прокладками (shim-offset) толщиной 0,03–0,05 мм для создания контролируемого осевого смещения между двумя гайками → нулевой люфт и жёсткость 420–480 Н/мкм.

3.3 Проверка методом конечных элементов (FEA)

Полная симуляция сборки в ANSYS Mechanical:

• Статический анализ: аварийная нагрузка 12 кН → максимальные напряжения фон Мизеса < 680 МПа (коэффициент запаса > 2,1).
• Модальный анализ: первая собственная частота > 165 Гц (значительно выше полосы сервопривода).

4. Производство и маршрут сверхпрецизионной обработки

Производство прецизионных ШВП требует строжайшей последовательности:

1. Подготовка заготовки: черновое точение → отжиг для снятия напряжений.
2. Получистовая нарезка резьбы: высокоскоростное вихревое фрезерование на Leistritz Polymat 100.
3. Ключевые прецизионные операции:
   • Двухчастотная индукционная закалка + криообработка.
   • Шлифовка резьбы на станке Matrix 70 CNC с непрерывной правкой алмазным роликом.
   • Бесцентровое шлифование или твердоточное точение шеек подшипников до биения ≤ 0,002 мм относительно дорожек.
4. Суперфиниширование: дорожки доводятся до Ra 0,08–0,12 мкм.

5. Финальная валидация характеристик и инженерные преимущества

5.1 Контроль качества и метрология

Каждая заказная ШВП проходит 100 % контроль:

• Полноразмерный КИМ: Zeiss PRISMO, более 500 точек измерения на один шаг резьбы.
• Сертификация точности: ошибка шага ≤ 0,006 мм/300 мм (эквивалент C3).
• Допуск профиля: погрешность формы дорожки ≤ ±0,002 мм.
• Динамические испытания: 100 % динамическая балансировка + тесты вибрации и шума.

5.2 Реальные результаты (SL-250MC 2002 г., ось X 40 мм × 12 мм × 1050 мм)

Вывод: Благодаря системному реверс-инжинирингу и самым современным технологиям производства мы не просто «заменяем» снятые с производства детали, мы полностью реконструируем и модернизируем всю систему передачи. Наши заказные шарико-винтовые пары стабильно превосходят заводские характеристики OEM конца 1990-х – начала 2000-х годов по жёсткости, точности и ресурсу.