Направляющие всегда были важнейшими составляющими конструкций на предприятиях разного рода и направленности.Именно от них зависит, как работают механизмы, станки, измерительные приборы, роботы, а также насколько высок их уровень технического оснащения. Ведь все подвижные узлы в перечисленных выше системах движутся именно по направляющим.
Чаще всего направляющие можно увидеть в работе станков, поэтому целесообразнее будет рассмотреть их применение именно в этой среде.
В качестве начального примера возьмём оборудование для станков, осуществляющие резку металла. Здесь возможна установка двух видов направляющих систем. Первый – это
направляющие скольжения станочного оборудования, которые классифицируются по различным режимам трения, а именно граничным, гидродинамическим, аэростатическим, гидростатическим, смешанным. Второй вид получил название направляющих качения. Они могут различаться:
• типом тела качения (чаще всего это ролики или шарики); • конструктивными формами;
• по виду кинематики направляющие могут обладать или не обладать возвратом тел качения.
Возможны также случаи применения комбинированных направляющих, то есть скольжения и качения с разных сторон.
Среди покупателей наибольшую популярность приобрели направляющие скольжения, которые имеют смешанный режим трения. Общий объём смазки в такой системе не полностью разделяет касающиеся друг друга поверхности неподвижных и подвижных элементов. Полностью разделение возможно в трёх оставшихся типах этого вида направляющих. Преимущества подобной системы в простоте и компактном устройстве, такие направляющие обладают большой нагрузочной возможностью, жёсткостью, способностью демпфировать и, что немаловажно, порадуют невысокой стоимостью. Безусловно, направляющие скольжения со смешанным режимом трения имеют и отрицательные моменты. Сильное трение является ограничителем скорости перемещения узлов, это ведёт к активному износу направляющих частей. Если направляющие части работают на низких скоростях или часто трогаются с места, то для движений характерна скачкообразность, мешающая точному позиционированию узловых элементов.
Все эти недостатки частично можно исправить путём использования полимерных накладок. Это могут быть накладки из торсайта, наполненного фторопластом, тефлоном. Также помогут специальные «антискачковые» смазки. Однако производитель должен помнить,что использование этих средств не является 100% гарантией устранения всех недостатков.
Основные положительные черты гидродинамических и гидростатических направляющих заключаются в незначительном показателе трения и высоком уровне демпфирования. Всё это способствует плавности хода узлов, при этом направляющие не прилагают больших усилий для перемещения станков и, как результат, не изнашиваются. Правда в отличие от направляющих со смешанным режимом трения, гидростатические и гидродинамические типы способны производить избыточное тепло. Это приводит к нагреву смазки. Последние типы направляющих непросты в использовании и превышают смешанные по стоимости. Они окупаемы лишь с применением в тяжёлых и особо уникальных станках. Рассмотрим также аэростатические направляющие. Они обладают большей точностью движения и долговечностью. Но имеют ограничения по нагрузочной способности, для них также характерны периодические отказы в работе. Аэростаитческие направляющие применимы в координатно-измерительных системах, на алмазно-токарных станках и станках для работы с печатными платами – во всех устройствах, которые переносят небольшую нагрузку на направляющие.
Следующий тип, который будет изучен в статье – направляющие качения.
Их показатель трения чрезвычайно мал – 0,005. А значит оборудование плавно перемещается даже во время ускорения и при высоких скоростях. Их неоспоримые достоинства – это высокая степень нагрузки, точное перемещение, долговечность и жёсткость. Но с другой стороны, направляющие качения подвержены влиянию загрязнений, плохо противодействуют скачкам и при этом и стоят недёшево. Последнее часто является решающим фактором при выборе типа направляющей для станка.
Многие покупатели предпочитают устанавливать комбинированные направляющие. Они также имеют как свои преимущества, так и отрицательные моменты. Они объединили в себе свойства направляющих качения и скольжения. Трение от направляющей скольжения положительно влияет на демпфирование колебаний, а трение от направляющей качения устраняет переориентацию узлов на боковых гранях. При этом скорость комбинированного вида направляющих ограничена, и конструкцией не предусмотрено ускорение перемещения узлов.
При всех положительных качествах комбинированный тип используется относительно редко. Наибольшей популярностью пользуется тип направляющих качения. Именно их можно чаще всего увидеть в функционировании современных станков, работающих с большими скоростями. Конструкции этого вида направляющих постоянно изменяются, улучшаются их качественные характеристики и функциональные особенности. 50-е года 20 века можно считать началом использования направляющих качения. Они заменили собой направляющие скольжения. Основная сфера применения новых направляющих была ограничена координатно-расточными, заточными, шлифовальными станками, для которых была важна дискретность 0,001 мм при перемещении узлов. Из-за многочисленных скачков такая дискретность была практически невозможна на других видах направляющих систем.
Первые станки с использованием направляющих качения представляли собой сочетания плоской и V-образной частей. По этим элементам перемещались ролики, опирающиеся на плоскости корпусных деталей из чугуна, прошедшего обработку. Так как чаще всего скорость движения узлов не превышала 2-3 м/мин, и нагрузки были небольшими, конструкции направляющих полностью подходили производителям. Со временем в компании «Кольб» вместе роликами стали использоваться шарики. Они двигались по профильным ланкам на поверхности стола и станины.
Чуть позже направляющие качения перестали использовать на таких типах станков, как фрезерный, горизонтально-расточный и пр. Всему виной их небольшая демпфирующая способность и дороговизна. До определенного момента производители не нуждались в высоких скоростях движения и чрезвычайно точном позиционировании. Ситуация изменилась, когда появилось оборудование, работающее с помощью программного обеспечения. Одновременно потребовалось увеличить силовые нагрузки и расширить функции станков. Так появились станки с ЧПУ и обрабатывающие центры с расширенным количеством функций, которые актуальны и сегодня.
Изменения в первую очередь коснулись скоростных показателей перемещений узлов. В начале развития технологии скорость составляла 10-15 м/мин, сегодня она уже может быть 100 м/мин на отдельных станках. Увеличился также коэффициент ускорения во время торможения и разгона. Коэффициент роста составил 0,5 м/с2-10-20 м/с2. Показатель точности позиционирования достиг 5 мкм в условиях дискретности перемещений равной 0,1 мкм максимум. Таких показателей можно достичь, работая с методами объемной и высокоскоростной обработки контуров. Изменилась и внутренняя составляющая станков. Они были дополнены высокодинамичными цифровыми приводами, оптоэлектронными измерительными системами и другими решениями. Такие системы станков получили названия «gantry» и «box in box».
Вместе с развитием станков ожидаемо было повышение внимания к направляющим, ведь они отвечали за возможность нагрузки, точность движения и скорость функционирования рабочей системы. Модификация направляющей скольжения в основном выражалась в использовании синтетических покрытий на основе торсайта, тефлона и фторопласта. Они устраняли скачки, снижали потери энергии в процессе трения, увеличивали узловую скорость. Причём работа над новыми проектами оказалась настолько успешной, что они активно используются и в наше время. При всех достоинствах коэффициент трения направляющих скольжения превалирует над коэффициентом трения других направляющих. По этой причине такой вид не может использоваться в ситуациях, когда необходима работа с высокими скоростями, предварительный натяг, жёсткость и точность. Эту проблему можно отнести ко всем типам направляющих скольжения. По сравнению с ними очевидные достоинства приобретает вид направляющих качения.
Направляющие качения также подверглись некоторым изменениям со временем. Они выражались в появлении стальных накладок, подпружиненных роликов, создающих преднатяг. Кроме того, линейный сепаратор был заменён на роликовые блоки, которые получили название «танкетки». «Танкетка» примыкает к подвижному узлу, опорой для роликов служит рабочая дорожка, и во время работы механизма «танкетки» отвечают за совершение возвратно-поступательных движений. Изобретение такого механизма существенно увеличило узловую скорость и убрало зазор между направляющими. При этом значительно увеличилась нагрузочная способность отдельных моделей. С роликовыми направляющими можно повысить скорость перемещения. Пожалуй, единственный существенный недостаток технологии – это ограничение точности до класса «П». Изменить ситуацию удалось лишь после усовершенствования направляющих качения.
Однако в дальнейшем разработчики выявили ряд трудностей, связанных с эксплуатацией подобных направляющих.
• Максимальные нагрузки по чугуну были ограничены до 20-30. Поэтому чтобы нагрузочная способность находилась на высоком уровне, необходимо перемещать тела качения по закалённым поверхностям из стали. • Точность перемещения зависит от качества обработки плоскостей направляющих планки. Тогда будет сохранён преднатяг на всех этапах движения узла. • При использовании «танкеток» не должны иметь место перекосы в преднатяге, иначе систему может заклинить.
• Установка такого оборудования требует большого количества времени и особых навыков от профессионалов.
Чуть позже направляющие качения были усовершенствованы, и появился новый класс систем – рельсовые. Тела качения в них перемещаются по рельсам, которые крепятся на узле. Предварительно обрабатывать нужно лишь 2 верхние плоскости в направляющих. Сама же плоскость с рельсами имеет упорный бурт. Один элемент рельсов считается базовым, второй размещен «на параллельность». При этом разработчик решил важные технологические трудности, перечисленные выше в статье.
Именно такой класс направляющих сегодня пользуется особой популярностью. Он подходит для центров обработки, работающих со значительными скоростями и требующих точности, а также роботизированных систем.
a-eng.ru
Направляющие качения конструируют незамкнутыми и замкнутыми (рис. 46). Незамкнутые направляющие (рис. 46, а) применяют только для горизонтального перемещения, при этом натяг в вертикальной плоскости создается массой узла, а в горизонтальной - специальными устройствами.
Конструктивно они проще замкнутых, но не могут воспринимать больших опрокидывающих моментов. Замкнутые направляющие (рис. 46, б) воспринимают большие моменты, натяг в обеих плоскостях создается специальными регулирующими устройствами (на рисунке роликовые опоры условно показаны прямоугольниками).
Рис. 46. Направляющие качения
Обычно роликовые опоры встраивают в узлы с предварительным натягом. Предварительный натяг в замкнутых направляющих создают двумя способами: пригонкой размеров или регулировочными устройствами. Первый способ прост конструктивно и дает высокую жесткость, однако он имеет недостатки - невозможно регулировать натяг в процессе эксплуатации и сложно подгонять требуемый натяг при первоначальной сборке. Второй способ при усложнении конструкции, увеличении размеров и меньшей жесткости лишен данного недостатка.
Рис. 47. Основные типы устройств для регулирования предварительного натяга: а - пружинами и винтами; б - пружинами; в - простым клином; г - двумя встречно расположенными клиньями; д - подвижной планкой и винтами; е -шаровой опорой
Для создания натяга с помощью регулировочных устройств одну роликовую опору закрепляют в корпусе неподвижно, а противоположную с помощью регулировочного устройства можно перемещать в процессе монтажа (рис. 47). На основании исследований, выполненных в ЭНИМСе, даны рекомендации по выбору типа регулировочного устройства. В конструкциях, где необходима самоустановка опор, рекомендуется применять устройства с пружинами (рис. 47, б) или /-винтами с шариковыми опорами (рис. 47, е), а в конструкциях, где самоустановка необязательна, но важна высокая жесткость - регулировочные устройства с клиньями (рис. 47, в и г).
Рис. 48. Комбинированные направляющие качения-скольжения: 1 - станина; 2 - прижимная планка; 3 - накладная направляющая станины; 4 - роликовая опора; 5 - подвижный стол; 6 - направляющая скольжения стола; 7 пружины
В станках применяют три основных вида комбинированных направляющих качения-скольжения:
В станках с ЧПУ всех типов широко применяют направляющие, приведенные на рис 48, а. В направляющих тяжелых станков для разгрузки подвижных узлов используют направляющие, приведенные на рис. 48, е.
Под опоры качения устанавливают стальные накладные направляющие, закаленные до высокой твердости.
Чаще применяют так называемое «узкое» боковое направление, когда устройство от боковых смещений подвижного органа замыкается на одной направляющей. Примеры узкого бокового направления см. на рис. 46 и 48. Узкое боковое направление в сравнении с «широким» облегчает изготовление и контроль направляющих, уменьшает влияние на точность температурных деформаций.
Для предотвращения неравномерного распределения нагрузок и преждевременного выхода роликовых опор из строя необходимо тщательно выверить при монтаже их положение. Разновысотность опор, установленных в одной плоскости, не должна превышать 3 мкм. Выверку и контроль положения опоры производят по торцевой плоскости М (см. рис. 44), которая должна быть строго параллельна направлению перемещения узла. Перекос опор в продольной плоскости должен быть не более 10-12 мкм на длине 100 мм, а в поперечном - 3 мкм. Превышение каждого из этих значений в 2 раза сокращает допускаемую нагрузку на опору так же в 2 раза.
Смазку в жидком или пластичном виде нужно подавать периодически в канал возврата роликов или на направляющие. Для защиты от загрязнения применяют скребки, телескопические щитки или раздвижные меха.
www.metalcutting.ru
Направляющие обеспечивают правильность траектории движения рабочего органа и восприятие внешних сил. Основными требованиями являются точность перемещения, долговечность, жесткость, демпфирование в направлении, перпендикулярном поверхности скольжения, малые силы трения. Важным является также благоприятное расположение направляющих в рабочем пространстве, защита от стружки, близость точки приложения тягового устройства к центру тяжести. Направляющие являются слабым местом станка, и к их выбору нужно подходить с особой тщательностью, учитывая нагрузки, скорость скольжения, размеры, точность.
В табл. 3.8 приведены конструктивные схемы направляющих прямолинейного движения с различным трением. Основные геометрические формы направляющих выполнены на базе прямоугольника (схемы 1 - 3), срезанного треугольника (схемы 4-6) и круга (схемы 7 - 9). Наиболее распространенными являются прямоугольные направляющие ввиду простоты конструкции и высокой точности.
В направляющих скольжения применяют базирование (в вертикальной плоскости) как по одной узкой грани (схема 1, I)), так и симметрично по поверхностям двух граней направляющих (схема 1, II).
В направляющих качения применяют геометрическое (схема 2,1) и силовое (схема II) замыкание. Последнее используют при больших перемещениях для уменьшения влияния погрешностей изготовления на натяг в опорах (5... 10 мкм).
Гидростатические направляющие (схемы 3), как правило, имеют конструкцию, аналогичную направляющим скольжения с той лишь разницей, что на рабочей поверхности направляющих салазок предусматривают карманы (по меньшей мере по два на каждой), в которые масло подается под давлением. Наиболее простыми являются разомкнутые (схема II) направляющие, однако для повышения жесткости часто применяют замкнутые (схема I).
Гидродинамические направляющие применяют в направляющих главного движения при скорости скольжения порядка 1 м/с (продольно-обрабатывающие станки). Их несущая способность обусловлена затягиванием движущимся столом масла в клинообразные обнижения, выполненные на поверхности направляющих. Направляющие, в основе геометрической формы которых лежит треугольник, используют реже из-за сложности изготовления. Они обеспечивают хорошую жесткость (схема 4, Г), компактность (схема II). В направляющих по схеме II типа «ласточкин хвост» α = 55°.
Направляющие качения (схема 5) требуют устройств для создания предварительного натяга, который образуется перемещением планки 1 (схема I) или за счет эксцентрика 1 с эксцентриситетом е (схема II). V-образные гидростатические разомкнутые направляющие чаще всего используют в столах продольнообрабатывающих станков (схема б, II). Замкнутые направляющие (схема I) из-за сложности и отсутствия преимуществ перед прямоугольными применяются редко. Эпизодически применяют также направляющие, формы которых выполнены на базе круга. Это связано с невысокой жесткостью самих направляющих или большими размерами сечений направляющих (для получения требуемой жесткости).
В направляющих скольжения и гидростатических используют две цилиндрические направляющие (схемы 7 и 9) или их сочетание с плоской. Направляющие качения, как правило, имеют каналы возврата 1 шариков (схемы 8) для обеспечения большой длины перемещения.
В комбинированных направляющих (схемы 10) опоры качения устанавливают в направлении, определяющем точность (схема 10,1 для токарного станка), а направляющие скольжения - перпендикулярно главным составляющим сил резания. На схеме 10, II показан фрагмент направляющих стойки многоцелевого станка, на одной из которых установлены и опоры качения 1, и антифрикционные планки 2. В последнее время стали применять направляющие типа ГНК (Япония) (схема III). За счет благоприятного контакта шариков 1 с направляющей (площадка в форме эллипса) обеспечивается высокая жесткость. Установка направляющих на салазках показана на схеме IV.
В связи с тем, что твердость направляющих оказывает решающее влияние на износостойкость (например, закалка направляющих скольжения до твердости 56...63 HRC снижает износ в 2-3 раза), часто применяют привертные закаленные направляющие в виде планок (рис. 3.37), отличающиеся толщиной (I- VI и VII, VIII) и способами крепления (I - VIII). Наибольшее распространение находят массивные планки (I- VI), так как обеспечивают большую точность и жесткость. Повышения износостойкости добиваются: выбором материала направляющих подвижной детали (бронза, лланки из наполненного фторопласта, композиционный пастообразный материал на основе эпоксидных смол толщиной 3...5 мм и др.); снижением шероховатости скользящих поверхностей (для станков класса П, В Ra - 0,32...0,63 мкм); защитой направляющих от попадания грязи и стружки; ограничением удельных давлений (максимальные давления для станков средних размеров не должны превышать 2,5...3 МПа).
На рис. 3.38 показаны направляющие скольжения токарного станка с ЧПУ. Для повышения износостойкости направляющие как продольного 1, так и поперечного 3 перемещения армированы антифрикционным материалом. Установка требуемого для перемещения зазора 10... 15 мкм производится клином 4. Винт 2 продольной подачи смонтирован снаружи направляющих, что упрощает сборку и обслуживание. Направляющие скольжения фрезерного станка с ЧПУ (рис. 3.39) выполнены в виде привертных каленых планок 2 и 5. Регулирование зазора в направляющих производится клиньями 1 и 3, а винт 4 подачи расположен близко к центру тяжести стола 6. Особенностями направляющих качения суппорта карусельно-шлифовальных станков являются: жесткая установка (на клиновую поверхность) накладных планок 1 (рис. 3.40), расположение винта подачи 3 в середине между опорами качения 2 и 4 (близко к центру тяжести системы), что уменьшает момент, снижает контактные деформации и повышает точность; разгрузка горизонтальных направляющих от веса суппорта с помощью тарельчатых пружин 5, что повышает долговечность, снижает нагрузки на опоры качения.
При установке опор качения 1,2 в направляющих ползуна 3 натяг в опорах осуществляется клиньями 4 (рис. 3.41). На рис. 3.42 показаны направляющие качения стола многоцелевого станка с массивными привертными планками 1 и 2.
В гидростатических замкнутых направляющих стола 1 продольно-фрезерного станка с ЧПУ в качестве системы питания используется многопоточный насос (рис. 3.43). Особенностями такой конструкции являются: применение плавающих опор 2, что снижает влияние деформаций и погрешностей обработки на работоспособность; система сбора масла в виде корыт 3; использование в качестве привода подач гидростатической червячно-реечной передачи 4.
Особенностью гидростатических направляющих стола горизонтальнорасточного станка с ЧПУ является конструкция планок 1 (рис. 3.44), которые обеспечивает повышенную жесткость (за счет уступа 2) крепления планки.
Благодаря этому в процессе эксплуатации рабочий зазор в направляющих выдерживается в заданных пределах.
Комбинированные направляющие столов фрезерных станков показаны на рис. 3.45: на рис. 3.45, а вертикальные направляющие выполнены на роликовых опорах 1 и 3, а горизонтальные 4 и 5 - как направляющие скольжения из антифрикционных планок. Замыкание горизонтальной направляющей 4 осуществляется опорой качения 2; на рис. 3.45, б стол 1 перемещается по горизонтальным направляющим 2, а центрирование в вертикальной плоскости производится опорами качения 3 и 4.
В комбинированных вертикальных направляющих стойки основные нагрузки воспринимаются направляющими скольжения 1 (рис. 3.46), а исключение перекоса при перемещении и уменьшение сил трения осуществляется опорами качения 2-4. Винт 5 привода вертикального перемещения располагается вблизи базовых направляющих. В конструкции комбинированных направляющих стола многоцелевого станка для выборки зазора в направляющих скольжения 1 предусмотрено устройство 2 с тарельчатыми пружинами (рис. 3.47).
Особенностью конструкции с круговыми направляющими 1 скольжения стола 2 зубообрабатывающего станка является радиальное центрирование стола в конической втулке 3 (рис. 3.48), зазор в которой периодически (по мере износа) восстанавливается за счет ее осевого перемещения.
В круговых направляющих токарно-карусельных станков с большой линейной скоростью (10 м/с и более) в качестве осевой опоры использован крупный шариковый упорный подшипник 1 (рис. 3.49). Для повышения жесткости в осевом направлении, а также для радиального центрирования планшайбы применен радиально-упорный шарикоподшипник 2. Планшайба 2 вращается на круговых гидростатических направляющих 1 (рис. 3.50, а). Толщина масляной пленки в них в зависимости от нагрузки изменяется от 40 до 110 мкм. При нагрузке, приложенной близко к центру, в гидроцилиндр 3 подводится масло под соответствующим давлением, благодаря чему большая часть нагрузки воспринимается осевым подшипником 4 и снижается деформация планшайбы. Замкнутые направляющие, конструктивно выполненные в виде кольца 1, показаны на рис. 3.50, б. Основной проблемой здесь является обеспечение параллельности рабочих поверхностей направляющих.
В столе алмазно-фрезерного станка с круговыми аэростатическими направляющими планшайба 1 вращается на плоских направляющих 2 (рис. 3.51), в которые воздух подается через дросселирующее устройство 3, обеспечивая рабочий зазор 15...20 мкм. Для повышения жесткости планшайба 1 и несущая плита 4 с направляющими выполнены из сплошного металла (без обнижений).
konstruirovanie-mashin.ru