Направляющие металлорежущих станков

    Направляющие  металлорежущих станков 

    1.Краткий  обзор линейных  направляющих

    Направляющие, по которым перемещаются подвижные  узлы станков, машин, механизмов, измерительных  приборов, роботов и других устройств, являются одним из основных элементов  конструкции, и в значительной мере определяют их возможности и технический уровень.

    В металлорежущих станках применяются два основных типа направляющих:

    *направляющие скольжения с различными режимами трения (граничного, смешанного, гидродинамического, гидростатического, аэростатического);

    *направляющие качения с различными типами тел качения (в основном, конечно, шарики и ролики), видами кинематики(без возврата тел качения, с возвратом тел качения) и конструктивными формами, которые будут подробнее рассмотрены ниже.

    В некоторых станках применяются  комбинированные направляющие, у  которых по одним граням используется скольжение, а по другим - качение.

    Наиболее  распространены направляющие скольжения со смешанным характером трения, при котором слой смазки не обеспечивает полного разделения трущихся поверхностей неподвижного и подвижного элементов направляющей, которое имеет место в гидродинамических, гидростатических и аэростатических направляющих.

    Направляющие  скольжения имеют смешанный характер трения, при котором слой смазки не обеспечивает полного разделения трущихся поверхностей неподвижного и подвижного элементов направляющей, которое имеет место в гидродинамических, гидростатических и аэростатических направляющих.

    Основными преимуществами направляющих скольжения со смешанным характером трения являются простота и компактность конструкции, высокая нагрузочная способность и жесткость, демпфирование, невысокая стоимость. Однако в современных условиях тип направляющих со смешанным трением имеет существенные недостатки, основными из которых являются большое трение, ограничивающее скорость перемещения узлов, большой износ направляющих, а также скачкообразность движения при трогании с места и на малых скоростях, не позволяющая осуществлять точное позиционирование узлов.

    Применение накладок из полимерных материалов (наполненный фторопласт, торсайт, тефлон и др.) и специальных "антискачковых" смазок (например, серии ИНСп и И-ГН-Е) позволяет в значительной мере, но далеко не полностью, устранить указанные недостатки обычных направляющих скольжения.

    Гидродинамические и гидростатические направляющие имеют  не большое трение, высокую демпфирующую способность, обеспечивают высокую  плавность хода и малые усилия перемещения, практически неизнашиваемы.

    Однако  их жесткость не столь высока, как у направляющих смешанного трения, при высоких скоростях перемещения они генерируют избыточное тепло, вызывающее нагрев смазки и всего кинематического узла, требуют сложной навесной гидроаппаратуры и, в целом, значительно дороже других типов направляющих, что ограничивает область их применения (главным образом, это особо тяжелые и уникальные станки).

    Аэростатические направляющие имеют особо малое  трение, обеспечивают высокую точность перемещений, обладают высокой долговечностью, однако так же имеют ограниченную нагрузочную способность и подвержены случайным отказам, что сужает область их применения (координатно- измерительные машины, станки для обработки печатных плат, алмазно-токарные станки и некоторые другие типы станков с малыми нагрузками на направляющие).

    Направляющие  качения, обладают малым трением (коэффициент  трения составляет 0,003…0,005), обеспечивают высокую плавность перемещений, допускают высокие скорости и  ускорения перемещений. В соответствующем  исполнении (см. ниже) они обеспечивают высокую нагрузочную способность, жесткость и долговечность системы, точность установочных перемещений. Их основными недостатками являются сравнительно низкое демпфирование, повышенная чувствительность к загрязнению, а также высокая стоимость, которая во многих случаях является существенным фактором, ограничивающим их использование.

Рис. 1. V-образная и плоская роликовые направляющие стола координатно-расточного станка

   Комбинированные направляющие позволяют использовать преимущества направляющих и скольжения, и качения, в то же время они обладают и их недостатками. Часто такие направляющие на основных нагруженных гранях имеют трение скольжения, что обеспечивает хорошие показатели демпфирования колебаний, и трение качения (с преднатягом) на боковых гранях для устранения переориентации узлов при реверсах.

   Однако  такая конструкция направляющих ограничивает скорость и ускорение  перемещения узлов в высокоскоростных станках.

   Комбинированный тип имеет сравнительно меньшую  область применения, чем первые два  типа направляющих. Направляющие качения являются основным типом направляющих в наиболее прогрессивных современных высокоскоростных станках, их конструкция (в отличие от направляющих скольжения) непрерывно совершенствуется. Новейшие исполнения таких направляющих будут подробнее рассмотрены в настоящей работе.

   Направляющие  качения начали применяться вместо направляющих скольжения в середине прошлого века на координатно-расточных, шлифовальных, заточных и некоторых  других прецизионных станках, где требовались  точные малые (с дискретностью до 0,001 мм) установочные перемещения узлов. Такие перемещения на направляющих скольжения очень трудно выполнялись или вообще были невыполнимы из-за т. н. "скачков".

   Основной  конструктивной формой направляющих качения  на первых станках являлась комбинация (пара) V-образной и плоской направляющих. По ним перемещались ролики, размещенные в линейном сепараторе. При этом ролики опирались непосредственно на обработанные поверхности чугунных корпусных деталей. Внешний вид одной из таких направляющих приведен на рис. 1.

   При скоростях перемещений узлов  в пределах 2…3 м/мин и сравнительно небольших нагрузках такие направляющие удовлетворяли требованиям, предъявляемым  к таким станкам в те годы. Наряду с роликовыми на координатно-расточных  станках начали применяться и шариковые направляющие качения (станки фирмы "Кольб").

   Шарики  в линейном сепараторе перемещались по специальным закаленным планкам, смонтированным на станине и на столе  станка, как это видно, например, на рис. 2.

Рис. 2. Шариковые  направляющие стола координатно-расточного станка

   Сравнительно  невысокая несущая способность  первых конструкций направляющих качения, их низкая демпфирующая способность, с  одной стороны, отсутствие необходимости  в сверхточном позиционировании и в быстрых перемещениях узлов, с другой стороны, и, кроме того, значительно более высокая стоимость явились причинами отказа от применения направляющих качения на фрезерных, горизонтально-расточных и многих других типах станков тех лет.

   В последние годы, в особенности  с появлением станков с числовым программным управлением, возросли требования к скоростям перемещений узлов и к точности их позиционирования в сочетании с повышенными силовыми нагрузками. Расширился ряд технологических операций итипов обработки на станках всех типов. Повысились требованияк производительности оборудования. Все это привело к появлению многоцелевых станков с ЧПУ, обрабатывающих центров, которые к настоящему времени стали основным типом обрабатывающего станочного оборудования.

   Скорости  линейных перемещений узлов у большинства обрабатывающих центров возросли сначала до 10…15 м/мин, затем до 20…30 м/мин, и в настоящее время у многих серийных моделей находятся на уровне 40…60 м/мин, а у отдельных станков достигают 90…100 м/мин и выше. Ускорения при разгоне-торможении узлов, ранее не превышавшие 0,1…0,5 м/с2, возросли сначала до 2…3 м/с2, а затем у ряда моделей достигли 8…10 м/с² и выше (в отдельных случаях - до 20 м/с2 и более).

   Точность  позиционирования узлов возросла до 5 мкм и выше при дискретности перемещений до 0,1 мкм, причем такая точность обеспечивается даже при высокоскоростной контурной и объемной обработке деталей со знакопеременной нагрузкой на узлы. Высокие требования к техническому уровню станков потребовали усовершенствования традиционных и разработки новых компоновок станков (типа "box in box", "gantry" и др.). Появились новые высокодинамичные цифровые приводы с применением усовершенствованных шлифованных шариковинтовых пар и линейных моторов, новые оптоэлектронные измерительные системы и новые решения для многих других узлов и устройств станков (шпиндельных узлов, мотор-редукторов, инструментальных магазинов и устройств автоматической смены инструментов и др.).

   Соответственно, непрерывно повышались требования и  к направляющим станков, в значительно мере обеспечивающих скоростные, точностные, нагрузочные и другие важнейшие характеристики. Направляющие скольжения совершенствовались главным образом за счет использования нанесения покрытий из синтетических материалов( фторопласт, торсайт, тефлон), позволивших устранить "скачки" при старт-стопных режимах, снизить потери на трение и значительно увеличить скорость перемещения узлов при сохранении высокой демпфирующей способности, благодаря чему на некоторых современных обрабатывающих центрах продолжают использовать такой тип направляющих.

   Однако  у таких направляющих коэффициент  трения остается существенно выше, чем у направляющих качения. Он ограничивает возможность применения особо высоких  скоростей перемещений и предварительного натяга, необходимого для обеспечения высокой жесткости и высокой точности при реверсах и знакопеременных нагрузках. Ограниченное применение имеют и гидродинамические, гидростатические и аэростатические направляющие скольжения из-за недостатков и ограничений, о которых говорилось ранее. Таким образом, основным типом направляющих на большинстве современных наиболее производительных высокоскоростных обрабатывающих центров являются новые типы направляющих качения.

   Начальная конструкция направляющих качения, применявшихся на координатно-расточных, шлифовальных и других обрабатывающих станках, претерпела с течением времени ряд усовершенствований: появились накладки из закаленной стали на поверхности базовых деталей из чугуна, подпружиненные ролики на обратных планках на подвижных узлах для создания преднатяга, направляющие с линейным сепаратором уступили место направляющим качения с применением роликовых (или шариковых) блоков - линейных опор качения (так называемые "танкетки").

   Внешний вид и конструкция одной из форм "танкетки" показан на рис. 3.

      Рис. 3. Конструкция роликовой опоры  качения.

   Корпус "танкетки" крепится к подвижному узлу станка. Ролики опираются на рабочую  дорожку корпуса и на направляющую неподвижного узла станка. "Танкетки" обычно устанавливаются по концам подвижного узла (а при необходимости - и в его средней части) и совершают возвратно-поступательное движение.

   Их  использование позволило значительно  повысить скорость перемещения узлов (до 15…25 м/мин), обеспечить за счет предварительного натяга отсутствие зазора в системе направляющих. Практика использования роликовых опор на станках Ивановского завода тяжелого станкостроения подтвердила их особо высокую нагрузочную способность (например, нагрузочная способность компактной "танкетки" модели RUS 26102 фирмы INA с габаритными размерами LхBхH=102х40х26 мм равна 95 кН).

   Системы роликовых направляющих обеспечивают возможность повышения скоростей  быстрых перемещений узловдо 15…20 м/с с дискретностью перемещений  до 0,001 мм. Однако точность станков на роликовых направляющих оказалась ограничена классом "П", и дальнейшее повышение точности станков (как и скоростей быстрых перемещений узлов) стало возможным только с применением более совершенных направляющих качения.

   Дальнейшее  внедрение направляющих с "танкетками" выявило серьезные технологические трудности, основными из которых были следующие.

   Допустимые  нагрузки на одно тело качения по чугуну примерно в 30 (для шариков) и в 20 раз (для роликов), меньше чем по закаленной стали. Соответственно, для обеспечения  высокой нагрузочной способности и возможности создания необходимого предварительного натяга тела качения должны перемещаться не по поверхности станины, а по стальным закаленным (HRC 58…62) поверхностям специальных накладок или планок.

   Направляющие  планки (обычно прямоугольного сечения) для неподвижного узла должны быть точно (с допуском 10…20 мкм) обработаны по всей длине по верхним и боковым плоскостям для обеспечения точности перемещений и сохранения преднатяга на всем пути подвижного узла.

   Комплект "танкеток" должен быть отрегулирован проставками или клиньями для создания нужного преднатяга и точно выставлен, так как даже незначительные перекосы могут привести к заклиниванию в системе направляющих.