12. Направляющие качения и комбинированные

12.1. Свойства направляющих качения

Для направляющих качения характерны низкая сила трения (10...40 Н) и ее независимость от скорости рабочего органа, благодаря чему достигаются равномерность медленных движений, снижение мощности привода подачи и высокая точность позиционирования (зона несувствительности направляющих качения по сравнению с парой трения чугун-чугун снижается в 10— 12 раз). Значительно меньшая, чем в направляющих с гидростатической смаз­кой, переориентация рабочего органа обусловливается только податливостью направляющих, которая значительно ниже податливости направляющих дру­гих типов. Для направляющих качения характерна высокая долговечность, так как при хорошей защите их износ на порядок ниже, чем износ направляющих полужидкостного трения. К недостаткам направляющих качения относятся низкое демпфирование в направлении движения при малых скоростях движе­ния и сравнительно высокая стоимость.

Направляющие качения применяют в обрабатывающих центрах сверлильно-фрезерно-расточной группы, станках с ЧПУ высокой точности малых и средних размеров, круглошлифовальных, бесцентрово-шлифовальных стан­ках.

12.2. Направляющие без циркуляции тел качения

Конструкции направляющих. В конструкцию направляющих входят за­каленные планки, прикрепляемые к столу и станине, тела качения (шарики или ролики), сепараторы, устройства для создания предварительного натяга и для защиты направляющих от загрязнений.

Направляющие без циркуляции тел качения применяются при небольшой длине хода узла (до 1 м).

Направляющие бывают незамкнутыми и замкнутыми. Отрыву подвижно­го узла, установленного на незамкнутых направляющих (рис 12.1,а, б),пре­пятствуют его сила тяжести и вертикальная составляющая силы резания. Не­замкнутые направляющие качения могут быть только горизонтальными. Замкнутые направляющие (рис. 12.1, в—е) сложнее и дороже незамкнутых, однако благодаря создаваемому натягу обладают высокой точностью и жест­костью. Они могут быть не только горизонтальными, но и вертикальными, и наклонными.

В конструкциях направляющих качения используются поверхности тех же форм, что и в направляющих скольжения. Применение шариков или роликов дает большое число их исполнений.

Шариковые направляющие со встречными призмами (рис. 12.1, в) отли­чаются простотой, конструкции, однако не могут воспринимать больших нагрузок и легко повреждаются в результате перетяжки элементов, регули­рующих натяг. Направляющие типа "ласточкин хвост" (рис. 12.1, г) по сравне­нию с другими имеют более высокую жесткость, хорошо регулируются, но от­личаются сложностью в изготовлении; применяются при малой и средней маcсе подвижного узла. Прямоугольные роликовые направляющие (рис. 12.1,<3) просты по конструкции и в изготовлении, имеют высокую жесткость в гори­зонтальной плоскости, но недостаточную при работе планок на отрыв. Недо­статком их являются и большие габариты. Применяются при средней массе подвижного узла и большом опрокидывающем моменте.

Ролики в призматических направляющих (рис. 12.1, е) из-за малого диа­метра могут проскальзывать, что приводит к повышенной силе трения. На работоспособности направляющих сильно сказываются погрешности углов призм.

Шариковые или роликовые направляющие выбирают в зависимости от нагрузки. Для роликовых направляющих допускаемая нагрузка в 20—30 раз больше, чем для шариковых. При больших нагрузках используются направ­ляющие в виде накладных планок из закаленной цементируемой стали 20Х, а при малых— как стальные, так и чугунные.

В качестве сепараторов применяются штампованные стальные пластины с прямоугольными (рис.12.2) или круглыми гнездами, стальные составные пластины, а также роликовые цепи. Размеры направляющих приведены в табл. 12.1 и 12.2.

Направляющие смазываются пластичным смазочным материалом масляным туманом. Для защиты от загрязнений применяются лабиринтные уплотнения, расположенные вдоль них(рис. 12.3, а, б). Со стороны торцов к столу прикрепляют щитки и стальные ленты(рис.12.3, в).

Конструирование и расчет направляющих. Сначала определяют диаметр и число тел качения, исходя из зависимостей между ним и давлением в контак­те, жесткостью и точностью направляющих. Затем принятые параметры прове­ряют расчетами.

При увеличении диаметра шариков давление в контакте уменьшается, жесткость и износостойкость направляющих возрастают. С увеличением диа­метра роликов жесткость не изменяется, но износостойкость улучшается. Поэтому рекомендуется применять тела качения большого диаметра — 8... 10 мм, а иногда и до 25 мм. Игольчатые направляющие пригодны при малых нагрузках и невысоких требованиях к их жесткости.

С увеличением числа тел качения z снижается нагрузка на одно тело, повышается жесткость направляющих. Но при большом числе многие из них вследствие погрешностей изготовления оказываются ненагруженными или не­догруженными. Равномерность нагружения шариков считается удовлетвори­тельной, если начальная нагрузка, на один шарик диаметра d (от силы тя­жести G подвижного узла) составляет . Ролики нагружены, отно­сительно равномерно, если нагрузка на единицу их длины не менее 4 Н/мм. Другими словами, для шариковых и роликовых направляющих должны соблюдаться соответствующие условия:

где b —длина ролика,мм; G-в Н; d —в мм.

В то же время число тел качения в одном ряду должно быть больше 12—16, так как при меньшем их количестве точность движения по направляющим сни­жается

После того как с учетом приведенных рекомендаций будет разработана конструкция направляющих, принятые конструктивные параметры необходи­мо проверить расчетом. Для определения наибольшей нагрузки на тело каче­ния направляющие качения условно заменяют направляющими скольжения и по методике, применяемой при расчете направляющих скольжения, строят эпюру давления в контакте (рис. 12.4). Наибольшая расчетная нагрузка на шарик

на ролик

где d — диаметр шарика; t — шаг расположения шариков или роликов; р_тах- максимальное давление в контакте; b- длина ролика.

Допускаемая по контактным напряжениям нагрузка на шарик

на ролик

где к - условное напряжение, Н/см² (табл. 12.3); d и b-в см.

Упругие перемещения в направляющих качения определяют с учетом за­висимостей, описывающих контактные деформации при применении шариков и роликов:

где С_ш и С_р — коэффициенты податливости [28]; Р_ш –нагрузка на шарик; q- нагрузка, приходящаяся на единицу длины ролика.

Тяговая сила в приводе подачи станка с направляющими качения может быть определена по зависимости

где P_x- составляющая силы резания, Н; п —число граней направляющих; Т_о- начальная сила трения на одной грани направляющих (при отсутствии внешней нагрузки): T₀ = 4...5 Н; /_к—- коэффициент трения качения; для направляющих из стали для направляющих из чугуна 0,0025 см; r_i—радиус тел качения, контактирующих с i -й гранью направ­ляющих, см; Р_i - реакция i -й грани, Н.

Тяговую силу можно определить по упрощенным зависимостям с учетом только нормальных сил, приложенных в плоскости симметрии, силы Р_х и си­лы предварительного натяга Р_н (табл. 12.4) . При этом где р_z — составляющая силы резания, Н; G₁ — сила тяжести стола, Н; G₂ — сила тяжести изделия, Н.