2.1.5 Направляющие скольжения

Характер трения определяет область рационального использования тех или иных направляющих скольжения в станках.

Направляющие полужидкостного трения характеризуются высокой контактной жёсткостью и хорошими демпфирующими свойствами. Кроме того, они обеспечивают надёжную фиксацию подвижного узла станка после его перемещения в заданную позицию. Однако непосредственный контакт сопряженных поверхностей в направляющих полужидкостного трения определяет непостоянство и большую величину сил сопротивления. В зависимости от нагрузки, скорости, вида смазочного материала и его количества направляющие могут работать в режиме сухого, граничного и полужидкостного трения. Существенную разницу для этих направляющих составляют силы трения покоя (силы трогания) по сравнению с силами трения движения; последние, в свою очередь, сильно зависят от скорости скольжения. Эта разница приводит к скачкообразному движению узлов при малых скоростях, что крайне нежелательно, особенно для станков с программным управлением. Значительное трение вызывает износ и, следовательно, снижает долговечность направляющих.

Для уменьшения недостатков направляющих полужидкостного трения используют специальные антискачковые масла, применяют накладки из антифрикционных материалов. Если коэффициент трения покоя в паре чугун-чугун при обычных маслах равен 0,21-0,28, то применение антискачкового масла снижает его до 0,075-0,09. Применение накладок из полимерных материалов на основе фторопласта снижает коэффициент трения покоя до 0,04-0,06.

Материал направляющих в значительной мере определяет износостойкость и плавность движения узлов. Во избежание крайне нежелательного явления – схватывания¹, пару трения комплектуют из разнородных материалов, имеющих различные состав, структуру и твёрдость. Направляющие, по которым перемещаются подвижные узлы, делают более твёрдыми и износостойкими. Этим обеспечивается длительное сохранение точности, так как при движении копируется форма неподвижных направляющих.

Направляющие из серого чугуна, выполненные как одно целое с базовой деталью, наиболее просты и дешевы, но при интенсивной работе не обеспечивают необходимой долговечности. Их износостойкость повышают закалкой с нагревом токами высокой частоты или газопламенным методом. Закалкой одной из сопряженных поверхностей до HRC 48-53 можно повысить износостойкость более чем в 2 раза. Легирующие присадки к чугунным направляющим дают повышение износостойкости только при последующей закалке до высокой твёрдости. Значительного повышения износостойкости чугунных направляющих можно добиться применением специальных покрытий. Хромирование направляющих слоем толщиной 25-50 мкм обеспечивает твёрдость до HRC 68-72, в 4-5 раз повышает износостойкость и существенно уменьшает коэффициенты трения покоя и трения движения. Аналогичный эффект даёт напыление направляющих слоем молибдена или сплавами с содержанием хрома. Хромируют только одну из сопряженных поверхностей, обычно неподвижную, так как пара хром по хрому склонна к схватыванию, хотя и имеет минимальный коэффициент трения.

Направляющие из стали выполняют в виде отдельных планок, которые приваривают к сварным станинам, а к чугунным станинам крепят винтами или приклеивают. Материал накладных направляющих – низкоуглеродистые стали 20, 20Х, 20ХНМ, 18ХГТ с цементацией и закалкой до высокой твёрдости (HRC 60-65), азотируемые стали 38ХМЮА, 40ХФ, 3ОХН2МА с глубиной азотирования 0,5 мм и закалкой до очень высокой твёрдости (HV 800-1000). Реже применяют легированные высокоуглеродистые стали ШХ15, ХВГ, 9ХС с объёмной закалкой и отпуском (HRC 58-62). Стальные закалённые направляющие обеспечивают наивысшую износостойкость в паре с закалённым чугуном.

Наилучшие результаты по износостойкости, отсутствию задиров и равномерности подачи обеспечивают цветные сплавы, такие, как алюминиевая бронза Бр.АМц9-2, оловянистая бронза Бр.ОФ10-1, сплав на цинковой основе ЦАМ10-5 в паре со сталью или чугуном, но высокая стоимость сплавов сдерживает их широкое применение при изготовлении направляющих. Их используют главным образом при изготовлении накладных направляющих для тяжёлых станков.

Обладают хорошими характеристиками трения и антизадирными свойствами пластмассы. Они обеспечивают равномерность движения при малых скоростях и не дают схватывания, однако низкая износостойкость при абразивном загрязнении, влияние тепловых воздействий, влаги, масла, слабых щелочей и кислот ограничивают их применение. Используют пластмассы в основном в комбинированных направляющих, когда основную нагрузку несут, например, роликовые опоры, а слой пластмассы на вспомогательных гранях обеспечивает необходимые характеристики трения. Из пластмасс в станках используют фторопласт (в виде ленты, наклеиваемой на направляющие), фторопласт с бронзовым наполнителем, композиционные материалы на основе эпоксидных смол с присадками дисульфида молибдена, графита и неметаллических наполнителей, материалы на основе ацетатных смол.

Для обеспечения износостойкости направляющих ограничивают допустимые давления на их рабочих гранях. Рекомендуемые максимальные давления на направляющих при малых скоростях равны 2,5-3,0 МПа; при больших скоростях – не более 1,0-1,2 МПа. Средние давления должны быть вдвое меньше максимальных. В прецизионных и тяжёлых станках средние давления не должны превышать 0,1-0,2 МПа.

Жидкостное трение между направляющими можно обеспечить за счёт гидродинамического эффекта либо подачей смазочного материала между трущимися поверхностями под давлением. Достоинство жидкостного трения в том, что отсутствует износ направляющих, обеспечиваются высокие демпфирующие свойства и плавность движения.

Гидродинамические направляющие хорошо работают лишь при достаточно больших скоростях скольжения, которым соответствуют скорости главного движения (в станках продольно-строгальных, карусельных). Гидродинамический эффект, т.е. эффект всплывания подвижного узла, создаётся пологими клиновыми скосами между смазочными канавками, выполненными на рабочей поверхности неподвижных направляющих перпендикулярно их длине. В образованные таким образом сужающиеся зазоры при движении затягивается смазочный материал, и обеспечивается разделение трущихся поверхностей слоем жидкости. Для различных скоростей движения и нагрузки существуют свои оптимальные геометрические параметры клинового скоса.

Существенным недостатком гидродинамических направляющих является нарушение жидкостной смазки в периоды разгона и торможения подвижного узла, в результате имеет место износ поверхностей.

Гидростатические направляющие более широко распространены в металлорежущих станках, чем гидродинамические. Они обеспечивают жидкостную смазку при любых скоростях скольжения, а значит, и равномерность, и высокую чувствительность точных исполнительных движений. Недостатком гидростатических направляющих является сложность системы смазки и необходимость в специальных устройствах для фиксации перемещаемого узла в заданной позиции.

На направляющих подвижного узла параллельно их длине выполняют карманы (углубления), в которые под давлением подаётся масло. Вытекая наружу, масло приподнимает подвижной узел и создает масляную подушку по всей площади контакта.

По характеру восприятия нагрузки гидростатические направляющие делятся на открытые и замкнутые. Открытые направляющие предназначены для восприятия прижимающих нагрузок, а замкнутые (закрытые) могут воспринимать, кроме того, и значительные опрокидывающие моменты.

Гидростатические направляющие чувствительны к деформациям и погрешностям изготовления и монтажа, суммарная величина которых для сопряжённых деталей не должна превышать примерно одной трети минимальной расчётной толщины щели между деталями. Положительным свойством гидростатических опор является способность их в значительной мере усреднять исходные геометрические погрешности сопряженных поверхностей.

Аэростатические направляющие конструктивно подобны гидростатическим. Разделение трущихся поверхностей в аэростатических направляющих обеспечивают подачей в карманы воздуха под давлением. Недостатки аэростатических направляющих, по сравнению с гидростатическими, заключаются в малой нагрузочной способности, невысоком демпфировании колебаний, так как вязкость воздуха на четыре порядка меньше вязкости масла, низкими динамическими характеристиками, склонностью к отказам из-за засорения магистралей и рабочего зазора.

Преимущества аэростатических направляющих состоят в том, что они при движении обеспечивают низкий коэффициент трения, а при отключении подачи воздуха очень быстро создаётся контакт поверхностей с большим трением, обеспечивающим достаточную жёсткость фиксации узла станка в заданной позиции. Отпадает необходимость в фиксирующих устройствах, в которых нуждаются гидростатические направляющие.

Аэростатические направляющие используют в прецизионных станках, в которых малы силы резания и необходимо точное позиционирование.