Направляющие служат для перемещения по станине подвижных узлов станка, обеспечивая правильность траектории движения заготовки или детали и для восприятия внешних сил.
В металлорежущих станках применяются направляющие (рис. 2.56):
1. скольжения (смешанного трения);
2. качения;
3. комбинированные;
4. жидкостного трения;
5. аэростатические.
Область применения того или иного типа направляющих определяется их достоинством и недостатками.
рис. 2.56. Классификация направляющих в станках
К направляющим станков предъявляют следующие требования:
— первоначальная точность изготовления;
— долговечность (сохранение точности в течении заданного срока);
— высокая жесткость;
— высокие демпфирующие свойства;
— малые силы трения;
— простота конструкции;
— возможность обеспечения регулирования зазора-натяга.
Классификация направляющих
В зависимости от траектории движения подвижного узла направляющие делятся на прямолинейные и круговые.
В зависимости от расположения направляющие делятся также на горизонтальные, вертикальные, наклонные.
Направляющие смешанного трения (скольжения)
Направляющие смешанного трения (скольжения) характеризуются высоким и непостоянным по величине трением и применяются при малых скоростях перемещения по ним суппортов или столов. Разница значения силы трения покоя (сила трогания) по сравнению с трением движения зависит от скорости движения и приводит к скачкообразному движению узлов при малых скоростях. Это явление не позволяет применять их в станках с программным управлением, а значительное трение вызывает износ и снижает долговечность направляющих.
Для устранения этих недостатков применяются:
— специальные антискачковые масла;
— накладки из антифрикционных материалов;
— термообработка до HRC 48…53 (повышает износостойкость);
— специальные покрытия (хромирование);
— напыление слоем молибдена;
— наполненный фторопласт (с коксом, дисульбид молибдена, бронза и т.д. у которых fТР=0,06…0,08, что в покое, что в движении).
Конструктивные формы направляющих скольжения
Конструктивные формы направляющих скольжения разнообразны. Основные формы представлены на рис. 2.57.
Очень часто используют сочетание направляющих различной формы.
Треугольные направляющие (рис. 2.57,а) обеспечивают автоматический выбор зазоров под собственным весом узла, но сложны в изготовлении и контроле.
Прямоугольные направляющие (рис. 2.57,б) просты в изготовлении и контроле геометрической точности, надежны, удобны в регулировании зазоров — натягов, хорошо удерживают смазку, но требуют защиты от загрязнения. Они нашли применение в станках с ЧПУ.
Трапециевидные (ласточкин хвост) (рис. 2.57, в) контактны, но очень сложны в изготовлении и контроле. Имеют простые устройства регулирования зазора, но они не обеспечивают высокой точности сопряжения.
Цилиндрические направляющие (круглые) (рис. 2.57,г) не обеспечивают высокой жесткости, сложны в изготовлении и применяют их обычно при малых длинах хода.
рис. 2.57. Конструктивные формы направляющих скольжения: а- треугольные, б- прямоугольные, в- трапециевидные, г- круглые
Материалы направляющих
Непосредственный контакт сопряженных поверхностей в направляющих смешанного трения предъявляет высокие требования к выбору материала. Материал во многом влияет на износостойкость направляющих и определяет плавность движения узлов. Для исключения явления — схватывания, пару трения комплектуют из разнородных материалов. Чугунные направляющие из серого чугуна, выполненные за одно целое с базовой деталью (станиной), просты и дешевы, но не обеспечивают долговечности. Для повышения износостойкости их подвергают закалке до твердости HRC 48…53 или покрывают хромом (при слое хрома толщиной 25…50 мкм обеспечивается твердость до HRCЭ 68…72), а также производят напыление на рабочие поверхности направляющих слоя молибдена или сплава с содержанием хрома. Для исключения схватывания покрывают одну из пар сопряжения, как правило, неподвижную.
Стальные направляющие выполняются в виде отдельных планок, которые крепятся к базовым деталям, к стальным станинам приваривают, а к чугунным прикрепляют винтами или приклеивают. Для стальных накладных направляющих применяют малоуглеродистые стали (сталь 20, 20Х, 20ХНМ) с последующей цементацией и закалкой до твердости HRCЭ 60…65, азотируемые стали 40ХФ, 30ХН2МА с глубиной азотирования 0,5 мм и закалкой до твердости HV800-1000.
Цветные сплавы типа бронз БрОФ10-1, Бр.АМц 9-2, цинковый сплав ЦАМ 10-5 в паре со стальными и чугунными направляющими обладают высокой износостойкостью, исключают задиры. Однако из-за высокой стоимости они применяются редко и используются только в тяжелых станках.
Для снижения коэффициента трения и повышения демпфирования в направляющих скольжения находят применение пластмассы, которые обладают хорошими характеристиками трения, но у них низкая износостойкость при абразивном загрязнении, и незначительная жесткость. Из пластмасс в станках для направляющих используют фторопласт, композиционные материалы на основе эпоксидных смол с присадками дисульфида молибдена, графита.
Конструктивное оформление направляющих
Сечения направляющих скольжения нормализованы и соотношение размеров зависит от высоты направляющих.
Отношение длины подвижной детали к габаритной ширине направляющих должно быть в пределах 1,5…2. Длина неподвижных направляющих принимается такой, чтобы не было провисания подвижной детали.
Механическое крепление обеспечивается как правило винтами по всей длине с шагом не более 2-х кратной высоты накладной планки и обеспечивается при этом фиксация планок в поперечном направлении выступами, фасками и т.д.
Жидкостное трение между направляющими обеспечивается подачей под давлением смазки между трущимися поверхностями или за счет гидродинамического эффекта. При жидкостном трении практически исключается износ направляющих, обеспечиваются высокие демпфирующие свойства и плавность движения, защита от коррозии, отвод тепла, удаление продуктов износа из зоны контакта.
Гидростатические направляющие
В металлорежущих станках все более широкое применение находят гидростатические направляющие, имеющие по всей длине карманы, в которые под давлением подается масло. Масло, растекаясь по площадке направляющих, создает масляную пленку по всей длине контакта и вытекает через зазор h наружу (рис. 2.58).
рис.2.58. Схемы гидростатических направляющих: а, б — незамкнутых; в — замкнутых; 1- насос, 2- эпюра давлений, 3-дроссель, 4- предохранительный клапан, 5- карман
По характеру восприятия нагрузки гидростатические направляющие делятся на незамкнутые (рис. 2.58, а, б) и замкнутые (рис. 2.58, в). Незамкнутые используются при условии создания прижимающих нагрузок, а замкнутые могут воспринимать, кроме того и опрокидывающие моменты. Для создания необходимой жесткости и повышения надежности в этих направляющих обеспечивается регулирование толщины масляного слоя, а также используется системы подвода масла с дросселями перед каждым карманом (рис. 2.58, б, в) и системы автоматического регулирования.
Основным преимуществом гидростатических направляющих является то, что они обеспечивают жидкостное трение при любых скоростях скольжения, а следовательно равномерность перемещения, и высокую чувствительность точных перемещений, а также компенсирование погрешностей сопрягаемых поверхностей. Недостатком гидростатических направляющих является сложность системы смазки и необходимость устройств фиксации узла в позиции.
Аэростатические направляющие
Конструктивно аэростатические направляющие похожи на гидростатические, а разделение трущихся поверхностей обеспечивается подачей в карманы под давлением воздуха. Для образования равномерной воздушной подушки по всей площади направляющих их выполняют из нескольких отдельных секций, разделенных дренажными каналами 3 (рис. 2.59). Размеры секций В = 30мм, L = 500мм.
рис. 2.59. Аэростатические направляющие: а — принципиальная схема, б- секция опоры с замкнутой канавкой, в- секция опоры с прямолинейной канавкой
Каждая секция имеет отверстие 5 для подвода воздуха под давлением и распределительные канавки 1 и 2 глубиной t (рис. 2.59, б) для развода воздуха по площади секции.
Направляющие качения.
В этих направляющих трение качения обеспечивается свободным перекатыванием шариков или роликов между движущимися поверхностями, либо установкой тел качения на фиксированные оси (рис. 2.60).
Наибольшее распространение получили направляющие со свободным перекатыванием тел качения, так обеспечивают более высокую жесткость, точность движения и применяют их в станках с малой величиной хода перемещаемого узла из-за отставания тел качения (рис. 2.60, б) и направляющие с циркуляцией потока шариков или роликов и их возвратом (рис. 2.60, в)
рис. 2.60. Схемы направляющих качения: а — на роликах с закрепленными осями, б- с потоком тел качения, в — с возвратом тел качения, V- скорость перемещения узла
Направляющие качения обеспечивают равномерность и плавность перемещения при малых скоростях, высокую точность установочных перемещений.
Недостатками направляющих качения являются:
— высокая стоимость;
— трудоемкость изготовления;
— низкое демпфирование колебаний;
— повышенная чувствительность к загрязнением.
Конструктивное оформление направляющих качения.
Конструктивные формы направляющих качения (рис. 2.61) сходны с направляющими скольжения.
рис. 2.61. Направляющие качения: а — плоские, б — призматические, в — с крестовым расположением роликов, г — шариковые; 1- тела качения, 2 – сепаратор
Число тел качения во многом определяет точность движения и их должно быть не меньше 12…16 и определяется из условия:
где F — нагрузка на один шарик, Н; d — диаметр шарика, мм.
Диаметр тел качения выбирают из условия, что отношение длины к диаметру:
При l/d = 1 принимают d = 5..12 мм, а при l/d = 3 принимают d = 5..20мм.
Для повышения жесткости в направляющих качения создают предварительный натяг путем подгонки размеров или регулированными устройствами. Направляющие с циркуляцией тел вращения выполняются без сепаратора со сплошным потоком шариков или роликов, причем они могут выполнять в виде отдельного элемента, представляющего собой подшипник качения — опору.
