Направляющие для станков должны удовлетворять следующим требованиям:
1. Точность перемещения, точность позиционирования.
2. Долговечность сохранения точности.
3. Равномерность перемещений на малых скоростях, т.е. отсутствие скачков.
4. Нагрузочная способность.
5. Высокая износостойкость.
6. Высокая жёсткость.
7. Отсутствие вибраций.
8. Малые силы трения.
9. Ремонтопригодность.
10. Высокая демпфирующая способность.
Жизненно важным для долговечности направляющих является организация надежной системы смазки, а также их защита от попадания пыли, песка и других частиц. Для высокой жесткости необходима высокая точность изготовления и сборки направляющих. Нагрузочная способность зависит от размеров направляющих, материала, твердости и других факторов.
Виды направляющих для станков
Рассмотрим основные виды направляющих для металлорежущих станков, в том числе и станков с ЧПУ.
1. По типу движения разделяются:
— Линейного движения
— Кругового движения
2. По расположению в пространстве:
— Вертикальные
— Горизонтальные
— Наклонные.
3. По виду контакта между подвижными элементами:
— Скольжения
— Качения
— Комбинированные
ГОСТ 7599
Основные требования к металлорежущим станкам в том числе и направляющим для станков определяет ГОСТ 7599. Необходимая шероховатость, твердость направляющих скольжения и качения, их материалы, методы контроля направляющих, допустимые отклонения пятен контакта, а также требования к шабрению направляющих оговорены в данном ГОСТе. Здесь повторяться не будем, кому надо знать шероховатость, твердость, нормы контроля смотрим ГОСТ.
Также ГОСТ оговаривает недопустимость одинаковой твердости направляющих, перемещающихся друг по другу. Обычно неподвижную часть направляющих выполняют более твердой из более износостойкого материала или покрытия, чем подвижную часть. Используют различные материалы, различные структуры.
Износ направляющих для станков
Износ направляющих ведёт к потере точности станка, поэтому необходимо бережно обращаться с направляющими и производить должное их обслуживание, вовремя осуществлять смазку, защищать от попадания пыли, абразива и других загрязнений, которые могут привести к царапинам, задирам на направляющих.
Существует большое количество причин, вызывающих износ направляющих:
— Механический износ в виде стирания поверхностного слоя направляющих от сил трения.
— Износ от заедания направляющих в том числе по причине схватывания.
— Окислительный износ от воздействия химических веществ, температуры и т.д.
— Износ от попадания пыли, невозможность обеспечения 100% защиты.
— Не качественная смазка и ее не совершенность.
— Частые остановки и реверс перемещения.
— Неравномерный износ и деформации направляющих. Неравномерный износ направляющих станины по длине у токарных станков при продольном точении – это главная причина снижение точности станка.
Износ направляющих будет сказываться по шуму, а также потери точности обработки. Что потребует измерение направляющих специальными измерительными приспособлениями с установлением величины износа. При недопустимом значении станок требует восстановление направляющих.
Статистика советского времени показала, что износ направляющих станины токарных станков с диаметром обработки 400-600 мм стальных деталей составляет 35…40 мкм/год, только занятых чистовой обработкой, а для занятых черновой обработкой 50 мкм/год при двухсменной работе. Для смешанной обработки стали и чугуна (черновой/чистовой) — 70…90 мкм/год. Чередование обработки стали и чугуна ведет к дополнительному увеличению износа. В массовом производстве износ направляющих в 2-3 раза выше.
Важным для снижения износа направляющих является хорошая защита от пыли, возможно двойная защита, а также своевременная смазка.
Для направляющих качения используется консистентная смазка, а для направляющих скольжения — жидкая смазка, поэтому преобладает больший расход, за которым следить надо более чаще. Для направляющих скольжения применяют антискачковые масла.
При должном уходе за направляющими их износ снижается в 1,5-2 раза и больше.
Неправильная установка станка с не жесткой станиной приводит к нарушению точности контакта и возрастанию давления, что в итоге приводит к увеличению износа направляющих. Также установка без крепления станка к фундаменту приводит к скручиванию станины и снижению точности. Неравномерность усадки фундамента также приводит к быстрому износу направляющих.
Ремонт направляющих для станков
Ремонт направляющих это довольно распространенный вид работ при капитальных ремонтах станков, а также при модернизации станков. Трудоемкость ремонта направляющих для тяжелых станков составляет 40-50% трудоемкости капитального ремонта всего станка.
Восстановление направляющих осуществляют различными способами:
1. Ручное штрабление. Если износ небольшой, и не большая площадь поверхности.
2. Обработка на продольно-строгальных, продольно-фрезерных, или специальных шлифовальных станках. Применяют если износ более 0,5 мм, а также большая площадь поверхности.
3. С помощью приспособлений. Если станина станка очень большая, то ее направляющие обрабатывают на месте с помощью специальных шлифовальных или строгальных приспособлений.
Также дополнительно делают хромирование, нанесение износостойких покрытий и т.д.
Сравнение направляющих скольжения и качения
Эксперименты над различными направляющими показали следующие результаты.
1. Жесткость направляющих качения с предварительным натягом выше порядка в 3 раза, чем без натяга, и выше, чем у направляющих скольжения смешанного трения. Жесткость направляющих без натяга меньше жесткости направляющих скольжения на 25-50%. Жесткость шариковых направляющих ниже роликовых порядка 2-х раз.
2. Демпфирующая способность направляющих качения при отсутствии движения или на малых скоростях ниже, чем у направляющих скольжения. Направляющие качения с натягом обеспечивают бОльшую демпфирующую способность, чем без натяга.
3. Направляющие качения позволяют производить малые установочные перемещения с высокой точностью, порядка 0,1-0,2 мкм при жёстком приводе. Скачков практически не замечается. Направляющие скольжения смешанного трения без специальных мер по увеличению точности имеют точность установки порядка 10-20 мкм и более, если использовать антискачковые масла и гидроразгрузку, то погрешность составит 2-5 мкм, что все-равно уступает направляющим скольжения.
4. Равномерность движения у направляющих скольжения выше, отсутствуют скачки, в отличие от направляющих скольжения.
5. Сопротивление движению у направляющих качения меньше, ввиду малой величины силы трения и она не зависит от скорости и вязкости масла, в отличие от направляющих скольжения.
6. Нагрузочная способность шариковых направляющих в 20-30 раз меньше роликовых направляющих при равных размерах. Также нагрузочная способность роликовых стальных закаленных направляющих выше, чем у направляющих скольжения незакаленных, а чугунных роликовых направляющих ниже.
7. В условиях колебания узлов направляющих качения с рекомендуемым предварительным натягом показывают меньшие амплитуды колебаний в 1,5…3 раза, чем без натяга.
8. По долговечности. Выход из строя направляющих качения происходит из-за плохой защиты или отсутствия качения роликов. При хорошей защите, нормальном качении роликов и должном обслуживании и нормальной эксплуатации направляющие качения работают много лет, при этом наблюдается минимальный износ. Так после 10-15 лет эксплуатации станка с направляющими качения на них остались видны следы механической обработки, что говорит о чрезвычайно низком износе. Однако направляющие качения больше чувствительны к загрязнению и они больше подвержены загрязнению, что резко может повысить износ, поэтому важно относиться к защите с должным вниманием. Направляющие скольжения смешанного трения имеют износ, т.к. присутствуют трение и высокие температуры. Но в гидростатические направляющие скольжения практически без износа.
9. Экономичность. Направляющие качения более трудоемки в изготовлении и поэтому дороже, чем направляющие скольжения.
Если не брать в рассмотрение стоимость и трудоемкость изготовления, то направляющие качения с предварительным натягом, особенно современной рельсовой конструкции, превосходят направляющие скольжения по всем категориям, кроме демпфирующей способности. Поэтому рельсовые направляющие качения с предварительным натягом нашли широкое распространение в современных станках с ЧПУ.
Однако направляющие скольжения бывают разные не только смешанного трения, а, например, гидростатические, они обладают более высокой нагрузочной способностью, демпфирующей способностью, чем направляющие качения, а также достаточно высокой точностью и низким износом это практически без износные направляющие. Они как раз и будут предпочтительны для ряда станков особенно для больших станков (портальных, горизонтально-расточных и т.д.). Здесь наблюдаются большие припуски, съемы, опрокидывающие моменты, вибрации, где демпфирующие способности играют большую роль. Станки фирмы COBURG, Shcoda, TOS Varnsdorf и другие — это довольно крупные станки, и они имеют направляющие скольжения особенно для перемещения стола. Гидростатические направляющие довольно широко применяются в металлорежущих станках.
Вывод
Выбор направляющих не однозначен, и не ограничен только качения или скольжения, все они имеют разные подтипы, конструкции и характеристики. Один тип подшипников скольжения не пойдет, зато другой тип скольжения будет лучшим выбором (смешанного трения или гидростатические, каленые или некаленые), точно также у направляющих качения (роликовые или шариковые, с натягом или без, стальные каленые или чугунные и т.д.).
При выборе направляющих необходимо отталкиваться от конкретных задач, которые должен решать станок, учитывая в том числе и экономический фактор. Направляющие смешанного трения наиболее экономичны, поэтому их часто используют и в современных станках, где нет требований к быстрым скоростям, точности, прецизионности, равномерности.
Так как к современным станкам с ЧПУ сегодня предъявляются высокие требования по точности и скорости, где направляющие качения с предварительным натягом имеют больше преимуществ, то они и находят большее распространение. Высокоскоростные станки не предназначены для тяжелых условий обработки, в них применяются небольшие съемы и высокие скорости и подачи.
В тоже время закаленные направляющие скольжения или гидростатические направляющие скольжения имеют большую нагрузочную способность, демпфирующую способность, чем направляющие качения, поэтому для больших деталей, больших съемов и больших нагрузок предпочтение отдается направляющим скольжения, особенно гидростатическим.
Также, возможно Вам будет интересно почитать:
направляющие скольжения
направляющие качения
Модернизация станков с ЧПУ
Наладка токарного станка с ЧПУ
