Направляющие металлорежущих станков

   Изготовление  и монтаж на неподвижном узле станка (станине, стойке идр.) высокоточных шлифованных и закаленных накладок, регулировка "танкеток" связаны с большими временными затратами и требуют привлечения высококвалифицированных специалистов.

   Дальнейшим  усовершенствованием направляющих качения стало появление их нового класса - рельсовых направляющих качения.

   Принципиальным  улучшением у таких направляющих по сравнению с описанными выше системами  роликовых направляющих с "танкетками" является перемещение тел качения  не непосредственно по поверхностям неподвижного узла станка, а по точно обработанным рельсам, устанавливаемым на неподвижном узле.

   При этом тела качения(шарики) размещены  в блоке качения(каретке), которая  поставляется в комплекте с рельсом  и с нужным заказчику заранее  выполненным предварительным натягом.

   Рельсы (обычно два, реже - больше), устанавливаются на неподвижном узле станка, причем точной обработки требуют только две верхние плоскости блока направляющих станины. Плоскость станины, на которые монтируются рельсы, выполняется с упорным буртом (возможно исполнение и без бурта).

     Один рельс выставляется первым  и является базовым, второй  устанавливается "на параллельность" базовому или по упорному бурту,  после чего закрепляется. Таким  образом, устраняются основные  технологические трудности, о  которых говорилось выше при рассмотрении систем направляющих с использованием "танкеток".

   На  каретки (обычно одна или две на одном  рельсе, реже - больше) крепятся подвижные  узлы станка. Рельсовые направляющие качения в настоящее время  являются предпочтительным типом направляющих для наиболее производительных высокоскоростных обрабатывающих центров с ЧПУ, других типов станков особо высокой точности, высокоскоростных роботизированных систем, других машин и приборов. 

2. Принципиальная конструкция шариковых направляющих 

   Принципиальная конструкция шариковых направляющих приведена на рис. 4.Рельс (1) с двух сторон имеет продольные параллельные опорные дорожки (2) для тел качения. Форма и количество дорожек определяются типом тел качения и эксплуатационными характеристиками системы. На рельсе смонтирована подвижная каретка (3), имеющая внутренние продольные опорные поверхности (их количество и форма соответствуют опорным дорожкам рельса) и продольные каналы (4) возврата тел качения. По торцам каретки закреплены торцовые плиты, или крышки (5), обеспечивающие замкнутое перемещение тел качения (шариков в случае рассмотрения шариковых направляющих качения) с опорных дорожек каретки в каналы возврата и обратно. В каретке так же смонтированы ограничители (6), предохраняющие тела качения от выпадения при аварийном смещении каретки с рельса. Рельс и каретка имеют опорные поверхности, соответственно, (7) и (8), для установки на неподвижный и подвижный узлы станка, и монтажные отверстия (9) и (10) для их закрепления.  

Рис. 4. Принципиальная конструкция рельсовой направляющей качения 

   2.1 Шариковые рельсовые направляющие

   1. Наибольшее распространение в  промышленности и, в первую  очередь, в точном машиностроении  и в станкостроении получили  шариковые рельсовые направляющие  качения, у которых радиус кривизны дорожек близок к радиусу шариков.

   Поверхность контакта шариков при приложении нагрузки в этом случае получается не меньше поверхности контакта роликов  в системе роликовых направляющих (в особенности при наличии  таких погрешностей монтажа, как непараллельность, разновысотность, извернутость). В результате нагрузочная способность у соответствующих исполнений шариковых направляющих при тех же размерах может быть и выше, чем у роликовых направляющих. Так, например, японская компания ТНК, изготавливающая как шариковые, так и ограниченное количество роликовых направляющих, приводит такое сопоставление нагрузочной способности (величины С и С0 - в пункте 3.1) шариковых направляющих 25-го типоразмера с удлиненной кареткой SNR25LC, имеющихС=57 кНиС0=101 кН, с роликовыми направляющими того же типоразмера SRG25LC, имеющих С=34,2 кН и С0=75 кН.

   Кроме того, у шариковых направляющих даже при определенных монтажных погрешностях не может произойти блокировки (заедания) каретки, что часто случается  у роликовых направляющих при таких же и даже меньших погрешностях из-за перекоса роликов.

   2. У шариковых рельсовых направляющих  имеются два конструктивных принципа  контакта шариков с сопряженными  поверхностями рельса и каретки:  контакт по двум точкам (при  круговом контуре дорожек, см. рис. 4 а1) и контакт по четырем точкам (при контуре дорожектипа "стрельчатаяарка", см. рис. 4 б1). Круговой контур дорожек имеет преимущество по сравнению с арочным по следующим основным причинам.

   2.1. При приложении нагрузки и  при преднатяге у кругового контура, границы контактной зоны, определяемой диаметрами d1 и d2 (точки В и А на рис. 4 а2), близки к диаметру шариков. Их окружные скорости по отношению к оси вращения шарика мало отличаются друг от друга, вследствие чего дифференциальное проскальзывание поверхности шарика относительно дорожки достаточно мало. Это обеспечивает плавное и легкое движение каретки. При такой же нагрузке при готическом контуре границы контактных зон (точки В и А на рис. 4 б2) имеют большую разницу расстояний от оси вращения шарика, вследствие чего резко увеличивается дифференциальное проскальзывание (см. рис. 4 б3), что приводит к увеличению трения, сопротивления движению каретки и уменьшению долговечности системы. 

   2.2. Из-за монтажных перекосов рельса  и каретки при действии боковой нагрузки при круговом контуре положение точек контакта А и В немного смещается, что не приводит к нарушению плавности перемещения и уменьшению долговечности. При готическом контуре в этих условиях контактные зоны изменяются существенно, что приводит к увеличению трения, усилия сопротивления движению и уменьшению долговечности. Вследствие сказанного в контуре типа "стрельчатая арка" возрастают требования к точности монтажа рельса и каретки.

   2.3. В круговом контуре при контакте  шарика с дорожками рельса  и каретки в двух точках  под действием нагрузки шарик  деформируется плавно и без  существенного искажения своей  формы. В контуре типа "стрельчатая  арка" контакт шарика происходит  в четырех точках, под действием нагрузки его форма искажается сильнее, "шарообразность" теряется. Это приводит к тому, что свободное качение затрудняется, а силы сопротивления движению каретки возрастают. Кроме того, для увеличения преднатяга в контуре типа "стрельчатая арка" требуется значительно большее усилие, чем в круговом контуре, это может существенно влиять на снижение несущей способности и долговечности направляющих. В силу изложенных обстоятельств и некоторых других, являющихся их следствием, круговой контур контактных дорожек рельса и каретки с касанием шарика в двух точках в настоящее время получил преимущественное распространение. Внешний вид рельса с установленной кареткой такого типа приведен на рис. 5.

Рис. 5. Внешний  вид рельсовой направляющей качения  с кареткой. 

   Модельный ряд рельсовых направляющих качения  различных производителей содержит десятки и даже сотни типоразмеров. Выбор серии и нужного типоразмера  рельсовых направляющих и кареток  производится по аналогии с выбором  подшипников качения - на основании инженерных расчетов. При этом необходимо учитывать размеры и тип станка (машины, механизма), характер применения, особенности технологического цикла, температурный режим и другие параметры, определяющие технические требования к системам рельсовых направляющих.

   Продукция основных компаний-производителей компонентов  систем линейных перемещений и линейных направляющих в частности достаточно хорошо известна отечественным машиностроителям. Фирменные каталоги были доступны в  научно-технических библиотеках, которые сегодня постепенно заменяет Интернет. Образцы продукции регулярно демонстрируются на различных выставках, таких как московские "Металлообработка" и "Машиностроение". В течение многих лет в России использовались направляющие ТНК, Rexroth, INA, Thomson, Schneeberger, NSK и др., например, в составе серийно выпускаемой продукции и экспериментальных моделей станков Ивановского завода тяжелого станкостроения (традиционно INA и Rexroth), Стерлитамакского станкостроительного и Савеловского машиностроительного заводов (Rexroth и THK).

   В Российской Федерации рельсовые  направляющие качения сопоставимого  качества, к сожалению, не производятся. На Липецком станкостроительном заводе в порядке эксперимента начато освоение технологии изготовления шариковых  рельсовых направляющих качения (РНК) - мелкими сериями по предварительному заказу. В настоящее время завод может производить четыре модели таких направляющих (СМ25ТА, СМ25ТУ, СМ45ТАи СМ15), однако недостаточное количество типоразмеров и конструктивных исполнений, ограниченность их технических параметров (классы точности P, SP и UP не изготавливаются) пока что не позволяют им занять сколько-нибудь заметное место на российском рынке компонентов для машиностроения. Информация об этой продукции, ее характеристиках и возможностях производства, включая руководство по эксплуатации (2-29849377-РЭ), имеется на значительном количестве предприятий, однако в станкостроении, в машиностроении и в промышленности вообще преимущество остается за иностранными компаниями.

   В последние годы появились новые зарубежные фирмы, выпускающие линейные направляющие, в том числе и рассматриваемый нами класс РНК, и информация о продукции которых мало известна потенциальным отечественным потребителям. Поскольку достаточно полно осветить продукцию всех новых фирм в рамках одной статьи не представляется возможным, в разделе 4 подробно рассматриваются рельсовые шариковые направляющие качения только фирмы SBC (SBC Linear Co., Ltd., Сеул, Южная Корея).

   SBC производит цилиндрические, роликовые  V-образные и шариковые рельсовые направляющие качения и каретки к ним, а так же дополнительное оборудование и компоненты. На этой элементной базе изготавливаются линейные модули и готовые системы линейных перемещений. Продукция компании SBC имеет современный технический уровень, представлена в каждой категории несколькими отдельными сериями с десятками типоразмеров для различных применений и, вследствие более приемлемой стоимости и сроков поставки, может оказаться более предпочтительной для отечественных потребителей по сравнению с продукцией других фирм, перечисленных выше. 

   3.Основные  требования к рельсовым  направляющим качения  (шариковым направляющим) и соответствующие им технические характеристики 

   Поскольку РНК и шариковые направляющие как один из их подвидов, дороже перечисленных выше других типов направляющих, они в настоящее время применяются, в основном, в машинах высокого технического уровня. Так в сегменте металлорежущих станков РНК применяются преимущественно в обрабатывающих центрах, применительно к которым и будут сформулированы количественные показатели техтребований.

   1. Направляющие должны воспринимать  действующие на них нагрузки  без нарушения работоспособности  в течение определенного суммарного  пути движения каретки, который  может быть пересчитан в ресурс работоспособности по времени. Признаком нарушения работоспособности является появление усталостного нарушения (питтинга) на телах качения или дорожках рельса (каретки).

   При эксплуатации станка на его подвижные  части (узлы) действуют силы и моменты, которые передаются и направляющими. В общем случае на направляющие действуют:

   1.вертикальные  и горизонтальные силы, перпендикулярные  направлению перемещения каретки  (силы, действующие вдоль направления  перемещения каретки, воспринимаются  приводом перемещения узла или зажимными устройствами);

   2.моменты,  действующие вокруг трех основных  координатных осей.

   Схема действия нагрузок на направляющие приведена  на рис. 6. 
 
 
 
 

     Рис. 6. Схема действующих нагрузок. 1 - радиальная; 2 - обратная радиальная; 3 - тангенциальная; 4 - момент MY; 5 - момент MZ; 6 - момент MX

   Параметрами направляющих, характеризующими их способность  воспринимать нагрузки, являются базовые  статическая (С0) и динамическая (С) силовые  нагрузки, допустимый статический момент М0 и статический запас прочности fs.

   Базовая статическая нагрузка С0 - это нагрузка постоянной величины и направления, при которой суммарные остаточные деформации поверхностей дорожки и  тела качения в месте контакта, где возникает максимальное напряжение, равны 0,0001 диаметра тела качения. (Термин "базовые" соответствует терминологии ГОСТ 18855 на аналогичные нагрузки подшипников качения.) Таким образом, величина С0 - это максимально возможная статическая нагрузка.

   Базовая динамическая нагрузка С - это нагрузка постоянной величины и направления, при которой с вероятностью 90% работоспособность шариковых направляющих сохранится после пробега не менее чем 50 км, а роликовых направляющих - не менее 100 км. Допустимый статический момент М0 - это момент постоянной величины и направления, при котором сумма деформаций тел качения и поверхностей дорожек в местах контакта, где возникают максимальные напряжения (на телах качения по концам каретки), составляет 0,0001 диаметра тел качения. Величины С, С0 и М0 для каждого типоразмера направляющих и в зависимости от направления действия нагрузки приводятся в фирменных каталогах. Поскольку при эксплуатации направляющих на них воздействуют не постоянные по величине и направлению нагрузки, и возможны толчки, удары и вибрации, компании-изготовители РНК рекомендуют ограничивать предельные величины действующих нагрузок Р и моментов М по сравнению с их базовыми величинами С0 и М0; величина ограничения характеризуется статическим запасом прочности fs, который имеет выражение: