7. Направляющие скольжения

Направляю­щие должны обеспечивать точность перемещения, движения или положения ра­бочего органа станка, быть жесткими, долговечными, обладать хорошими демпфирующими свойствами.

Металлорежущие станки оснащают направляющими скольжения, качения и комбинированными. Направляющие скольжения могут быть с полужид­костной, жидкостной и газовой смазкой. Комбинированные объединяют до­стоинства направляющих разных типов.

Применяют направляющие прямолинейного и кругового движения, гори­зонтального, вертикального и наклонного исполнения.

Точность движения по направляющим рабочего узла, несущего заготовку или инструмент, зависит от первоначальной точности изготовления направляю­щих, жесткости и температурных деформаций корпусных деталей, зазоров в направляющих, обусловливающих переориентацию узлов при реверсе. Так, зазор в направляющих скольжения полужидкостного трения, составляющий 0,02...0,03 мм, приводит при реверсах к такому же по величине смещению (переориентации) рабочего органа и еще большему искажению траектории режущего инструмента.

Жесткость направляющих, обусловливающая смещение узлов под нагруз­кой, зависит главным образом от типа направляющих. Из-за наличия регули­ровочных клиньев и прижимных планок, обладающих низкой собственной жесткостью, направляющие скольжения с полужидкостной смазкой имеют более низкую жесткость по сравнению с направляющими качения и ком­бинированными.

Силы трения в направляющих оказывают влияние на тепловыделение и их температурные деформации, мощность привода перемещающегося узла, рассогласование в следящей системе, погрешность позиционирования и зону нечувствительности. Силы трения зависят от типа направляющих (низкие — в аэростатических, гидростатических и направляющих качения, высокие - в направляющих скольжения с полужидкостной смазкой), а также от материа­лов пары трения, качества смазочного материала.

1. НАПРАВЛЯЮЩИЕ С ПОЛУЖИДКОСТНОЙ СМАЗКОЙ

Формы направляющих. Прямоугольные (плоские) направляющие (рис. 11.1, а) просты по форме, технологичны при из­готовлении и сборке. На горизонтальной несущей грани хорошо удерживается смазочный материал, но для удаления с нее стружки необходимы дополни­тельные устройства. Для регулирования зазоров требуются планки или клинья. Прямоугольные охватываемые направляющие применяются для поперечин, стоек, консолей станков разных ти­пов, в протяжных, тяжелых токарных и аг­регатных станках (для силовых головок и столов).

Треугольные (призматичес­кие) направляющие (рис. 11.1,б) в изготовлении сложнее прямоугольных. Охватываемые направляю­щие плохо удерживают смазочный материал. Благодаря автоматическому устранению за­зоров под действием силы тяжести подвиж­ного узла точность его положения повы­шается. При одинаковом нагружении обеих граней направляющие делают симметричны­ми с углом 90°. В случае разной нагрузки на грани более нагруженную из них делают шире. Область применения охватываемых направляющих — станины токарных, ре­вольверных, координатно-расточных стан­ков, направляющие плиты силовых столов повышенной точности агрегатных станков. Охватывающими направляющими (V-образными) снабжают станины продольно-строгальных станков. Трапециевидные направляющие (типа "ласточкин хвост") имеют малые габариты по высоте (рис. 11.1,в), регулируются од­ним клином или планкой. Направляющие сложны в изготовлении, плохо рабо­тают при большом опрокидывающем моменте, в них возникают большие силы трения. Охватываемые направляющие применяют при проектировании сала­зок суппорта токарных станков, охватывающие — для столов фрезерных стан­ков, станин поперечно-строгальных станков.

Цилиндрические направляющие охватываемого типа (рис. 11.1, г) имеют низкую жесткость, требуют сложных устройств для регулиро­вания зазоров, применяются при небольших ходах рабочих органов.

Направляющие комбинированного типа сохраняют пре­имущества направляющих тех форм, из которых они состоят. Например, ох­ватывающие направляющие, в которые входят одна прямоугольная и одна тре­угольная (рис. 11.1, д), применяют для станин шлифовальных, координатно-расточных, продольно-строгальных, продольно-фрезерных и токарных стан­ков; такие же направляющие охватываемой формы— для станин токарных станков. Направляющие, которые представляют собой комбинацию прямо­угольной и половины трапециевидной (рис. 11.1,е), используют, когда на суппорт действует опрокидывающий момент, когда требуется обеспечить повышенную жесткость регулировочных планок или клиньев, расположенных со стороны отрыва.

Накладные направляющие. Применение накладных направляющих позво­ляет повысить износостойкость и точность станка, улучшить его ремонтопри­годность.

Закаленные планки, изготовленные из стали или легированного чугуна, к чугунной станине прикрепляют винтами (рис. 11.2,а, б, д) , а к стальной приваривают (рис. 11.2, в, г). Чтобы не повредить рабочую поверхность направ­ляющей, крепление производят с противоположной ей стороны (рис. 112. а, б). Если планки крепят со стороны рабочей поверхности, то после завинчивания винты закрывают пробками, изготовленными из бронзы или из того же материала, что и планка (рис. 11.2, д). С помощью бурта или паза на станине винты разгружают от поперечной силы.

Закаленную стальную ленту толщиной 0,25 мм к направляющим станины приклеивают или прижимают продольными планками или винтами. Пластины из бронзы или ленты из наполненного фторопласта приклеивают к направляющим подвижного узла (стола, салазок, бабки).

Материал

Направляющие неподвижной детали целесообразно изготовлять из более твердого и износостойкого материала по сравнению с материалом для направляющих подвижной детали.

Направляющие из серого чугуна. В связи с тем что базовые детали станков часто изготовляют из серого чугуна, пару трения чугун-чугун широко применяют для направляющих станков, хотя износостойкость ее недостаточна. Износостойкость чугунных направляющих прецизионных станков повышают путем легирования материала станины или накладных планок никелем, хро­мом, молибденом. С этой же целью производят поверхностную закалку одной из сопряженных поверхностей до 48...53 HRC с нагревом токами высо­кой частоты или газопламенным методом, а также объемную закалку планок из легированного чугуна. Повышают износостойкость направляющих хромированием (слой хрома толщиной 25..30 мкм обеспечивает твердость направ­ляющей до 62..72 HRCэ и повышение износостойкости в 4-5 раз), напылением износостойких покрытий. Коэффициент трения покоя в чугунных направляющих с полужидкостной смазкой высокий - в среднем равен 0,25, что обуславливает большую силу трения и соответствующую ей недопустимую для ряда станков (например, с ЧПУ) деформацию привода подач.

Пару чугун-чугун допускается использовать для направляющих станков выполняющих легкие работы, хорошо защищенных от загрязнений с удовлетворительным смазыванием, а также для редко работающих или неответственных направляющих.

Направляющие из стали. Накладные направляющие скольжения имеют вид массивных планок прямоугольной или треугольной формы Их рабочая поверхность должна обладать высокой износостойкостью в условиях абразивного изнашивания. Потому твердость поверхности должна быть не менее 58 НRСэ[83].Для треугольных планок толщиной 40 мм и длиной до 1000 мм рекомендуется сталь 18ХГТ, упрочняемая цементацией и последующей объем­ной закалкой, а для планок толщиной 50...115 мм и длиной до 2500 мм - сталь 8ХФ, подвергаемая закалке с индукционным нагревом. Короткие треугольные планки (длиной до 600 мм) изготовляют из стали ШХ15СГ с объемной закалкой, прямоугольные планки сечением 25x500 мм - также из стали ШХ15СГ или 9ХС, планки сечением от 40x500 мм до 100x2500 мм - из стали 8ХФ. Для направляющих станков высокой точности рекомендуются азотируемые стали 30X3 МФ и 38ХМЮА.

Стальные направляющие рекомендуются для станков с числовым про­граммным управлением, станков, предназначенных для цехов крупносерий­ного и массового производств, а также для легких и средних универсальных.

Направляющие из наполненного фторопласта. Наполненный фторопласт- это полимерный материале наполнителем из бронзы, кокса, графита, дисульфида молибдена, играющих роль смазочного материала. Наполненный фторопласт Ф4К15М5-Л-ЭА в виде ленты толщиной 1,7 мм с помощью эпоксидной смолы наклеивают на направляющие стола, суппорта, салазок. Коэффициент трения в направляющих из наполненного фторопласта в паре с чугуном или за­каленной сталью составляет 0,04...0,06 и в области низких скоростей скольже­ния мало изменяется. Для таких направляющих характерны малая сила тре­ния, высокая износостойкость, достаточная жесткость, удовлетворительная равномерность подачи, высокие точность и чувствительность позиционирова­ния, (зона нечувствительности по сравнению с традиционными направляющими скольжения с парой трения чугун-чугун снижается в 3-6 раз). Направляю­щие из наполненного фторопласта применяют в станках с ЧПУ, тяжелых и вы­сокоточных.

2. ГИДРОСТАТИЧЕСКИЕ НАПРАВЛЯЮЩИЕ

Гидростатические направляющие являются направляющими с жидкостной смазкой. Масляный слой между сопряженными поверхностями создается путем подачи масла под давлением в зазор между ними.

Гидростатические направляющие фактически не изнашиваются, имеют хорошую демпфирующую способность, обеспечивают высокую точность и рав­номерность движения, а также точное позиционирование. Переориентация под­вижного узла на гидростатических направляющих составляет всего 0,001... 0,002 мм. Жесткость таких направляющих несколько ниже жесткости направ­ляющих других типов.

При гидростатических направляющих требуются громоздкая гидросисте­ма, хорошая фильтрация масла и тщательный уход. Применение таких направляющих сопровождается усложнением конструкции станка: обеспечивается высокая жесткость корпусных деталей, вводятся устройства для фиксации подвижных исполнительных органов.

Конструкции направляющих. Гидростатические направляющие бывают разомкнутыми (рис. 11.8, а) и замкнутыми (рис. 11.8, б). Принцип их работы заключается в следующем.

Масло под постоянным давлением подается через дроссель в карманы на направляющих, оттуда оно вытекает наружу, преодолевая при этом сопротив­ление в зазорах. В случае разомкнутых направляющих с увеличением нагрузки Р зазор h уменьшается, а его сопротивление и давление масла в нем возрас­тают. В результате новая нагрузка будет уравновешена возросшим давлением масла. В случае замкнутых направляющих давлением в зазоре h1 уравнове­шиваются нагрузка и давление в зазоре h2 . Увеличение нагрузки Р ведет к уменьшению h1 и увеличению h2, т.е. к возрастанию давления в зазоре h1 и к уменьшению его в зазоре h2 . В результате нагрузка Р уравновешивается.

Незамкнутые направляющие применяются только в тех случаях, когда обеспечивается достаточно большая начальная нагрузка и незначительное ее изменение в процессе эксплуатации станка (не более чем в 2 раза). В осталь­ных случаях следует применять замкнутые направляющие.

Гидростатические направляющие обычно выполняются наиболее простой и технологичной прямоугольной формы. В легких и средних станках могут быть применены треугольные направляющие.

Устройства для защиты направляющих. Защитные уплотнения выполняют в виде металлических скребков, прикрепленных к торцу стола, суппорта, сала­зок и прижимаемых к направляющим благодаря собственной упругости или пружине (рис. 11.5, а), а также в виде войлочных (рис. 11.5,б), полимерных или комбинированных уплотнений. Металлические скребки не предохраняют зону трения от мелких частиц загрязнений, войлочные уплотнения сами быстро загрязняются и истирают поверхность направляющих. Рабочие поверх­ности лучше очищают резиновые и пластмассовые уплотнения (рис. 11.5, e), применяемые самостоятельно или в комбинации с другими защитными устройствами.

Продольные щитки в виде металлических планок или кожухов (по одно­му на каждую направляющую) прикрепляют к подвижному или неподвижно­му узлу (рис. 11.5, г). Щитки могут быть снабжены уплотнениями или образо­вывать лабиринтное уплотнение.

Телескопические щитки с уплотнениями (рис. 11.5, д) имеют хорошие эксплуатационные свойства и применяются в средних и тяжелых станках.

Гармоникообразные меха (рис. 11.5, е) служат для защиты направляющих шлифовальных, заточных, зубообрабатывающих и других станков в тех случаях, когда на защитное устройство не попадает острая или горячая струж­ка.

Стальная лента, применяемая для защиты направляющих, может быть за­креплена у торцов станины и проходить внутри стола (рис. 11.5, ж) или ста­нины. При использовании двух лент одним концом они прикрепляются к сто­лу, а с противоположной стороны наматываются на барабаны у торцов стани­ны (рис. 11.5, з).