Конструкция направляющих станков и их расчет

В металлорежущих станках для прямолинейного и кругового перемещений узлов используют направляющие скольжения и качения. Направляющие должны обеспечивать прямолинейность и точность перемещений узлов и поэтому к ним предъявляют следующие требования: низкий коэффициент трения, не зависящий существенно от скорости; высокая жесткость в направлении, перпендикулярном подаче; высокая способность демпфирования; высокая износостойкость. Точность направляющих достигается соответствующей технологией обработки, а длительное сохранение ее – правильным выбором материала, конструкции и условиями эксплуатации [17].

В соответствии с ОСТ-2 H2О-1-73 установлены следующие типы направляющих скольжения: треугольные симметричные (рис. 7.7, а), треугольные несимметричные (рис. 7.7, б), прямоугольные (рис. 7.7, в)и остроугольные (рис. 7.7, г). Регулировка зазоров в направляющих скольжения может производиться регулировочными клиньями А,прокладками Б,передвижными планками В (рис. 7.8). Равномерность смазки направляющих достигается за счет выполнения на их рабочей поверхности специальных смазочных канавок. Направляющие скольжения, несмотря на простоту обычных конструкций (традиционное исполнение), имеют ряд существенных недостатков: невысокую износостойкость, низкую точность установочных перемещений, большие силы трения. Поэтому в станках ЧПУ все чаще применяют направляющие с пластмассовыми накладками на подвижных узлах, которые характеризуются минимальными коэффициентам трения, высокой износостойкостью, низкими температурами в зоне контактирования трущихся поверхностей, высокой жесткостью и хорошей демпфирующей способностью.

а) б) в) г)

Рис. 7.7. Основные типы направляющих скольжения

Рис. 7.8. Регулировка зазоров в направляющих скольжения

Пластмассовые направляющие обычно располагают на более короткой из сопрягаемых поверхностей, например, на столах, салазках и т.п. Толщина пластмассового слоя 1,5...3 мм. Он наносится методом заливки или приклеиванием накладок в виде ленты. Широкое распространение в станках с ЧПУ получили пластмассовые направляющие из фторопласта. В качестве материала для накладок направляющих используют фторопласт, основным компонентом которого является политетрафторэтилен. Достоинство фторопластовых направляющих – малый коэффициент трения, что исключает скачкообразное перемещение рабочего узла при замедленных скоростях подачи. Кроме того, фторопластовые направляющие характеризуются равномерностью износа, высокой долговечностью и постоянством коэффициента трения. В паре с пластмассовыми направляющими, как правило, применяют закаленные стальные планки твердостью не менее HRC 55.

В тех случаях, когда необходимо значительно снизить коэффициент трения и обеспечить его независимость от скорости перемещения, применяют направляющие качения без предварительного регулирования – незамкнутые (рис. 7.9, а, б) и с предварительным регулированием – замкнутые (рис. 7.9, в). Тела качения (цилиндрические ролики или шарики) изготавливают с допуском порядка 1 мкм.

а) б) в)

Рис. 7.9. Направляющие качения

Для смазки роликовых направляющих используют как обычные масла, так и пластичные смазочные материалы, а для защиты от попадания пыли и стружки применяют различные ограждающие устройства: телескопические щитки, гофрированные экраны и т.д.

В станках с ЧПУ нашли применение направляющие качения, изготовленные в виде отдельного узла – так называемых «танкеток», в которых тела качения циркулируют по замкнутой траектории. Такие опоры могут быть использованы в узлах с большой длиной хода. В настоящее время их изготавливают централизованно с унифицированными присоединителями и габаритными размерами.

На рис. 7.10 приведена конструкция роликовой опоры, которая состоит из корпуса 1, роликов 2 и обойм 3. Крепление опор к привалочным плоскостям узлов осуществляется винтами 4. Для возврата роликов при их обкатке по корпусу 1 в верхней части конструкции предусмотрен зазор h между роликами и корпусом перемещающегося узла. Роликовые опоры применяют в паре с закаленными стальными направляющими, имеющими твердость не менее HRC 60...61.

Рис. 7.10. Конструкция роликовой опоры

Направляющие с роликовыми опорами, так же, как и направляющие скольжения, могут быть замкнутыми и незамкнутыми. При исполнении замкнутой конструкции (рис. 7.11) для уменьшения деформаций и обеспечения равномерности распределения действующих нагрузок, каждая роликовая опора 1–6 должна взаимодействовать с противостоящей опорой. Для повышения статической и динамической жесткости и точности перемещений в опорах создается предварительный натяг с помощью клиньев 7-9 или мерных прокладок (рис. 7.11). Сопротивление движению при использовании узлов качения типа «танкеток» определяется силой Q, необходимой для перемещения опоры. Значение этой силы при нагружении опоры нормальной силой Р_нопределяется уравнением

где Q₀ – начальное тяговое усилие, не зависящее от нагрузки, Н; f_к – коэффициент, учитывающий трение качения, мм; d – диаметр роликов, мм. Величины Q₀ и f_кзависят от качества изготовления и монтажа опор. В нормальных условиях f_к = 0,004...0,006 мм, Q₀ = 5...15 H.

Рис. 7.11. Замкнутая конструкция роликовых направляющих

В ряде станков с ЧПУ, особенно крупногабаритных, применяют плоские и цилиндрические гидростатические направляющие, работающие в условиях жидкостного трения. Их достоинства: стабильность толщины масляного слоя, низкий коэффициент трения, плавность движения, высокая точность перемещений, пренебрежимо малый износ и нечувствительность к деформации станины. Демпфирующие свойства этих направляющих определяются вязкостью применяемого масла. Гидростатические направляющие могут быть замкнутого и незамкнутого типа. В замкнутых гидростатических направляющих (рис. 7.12) нижняя опора 2 выполняется плавающей. Масло от насоса 1 подается под постоянным давлением р_н через дроссели 3 в карманы верхних и нижних поверхностей. Из карманов масло вытекает наружу через зазоры в направляющих. Станки с гидростатическими направляющими снабжены устройствами сбора масла и его очистки.

В станках, где нагрузки относительно невелики, можно использовать аэростатические направляющие. В отличие от гидростатических направляющих в аэростатических вместо масляной подушки создается воздушная. Станки с аэростатическими направляющими снабжены устройствами очистки, охлаждения и сушки воздуха. К качеству изготовления аэростатических опор предъявляют высокие требования, так как от этого в значительной степени зависит устойчивость их работы. Зазор в направляющих должен быть минимальным – 10...15 мкм.

Рис. 7.12. Замкнутая гидростатическая направляющая

В связи с тем, что твердость направляющих оказывает решающее влияние на износостойкость (например, закалка направляющих скольжения до твердости 56...63 HRC снижает износ в 2-3 раза), часто применяют привертные закаленные направляющие в виде планок (рис. 7.13), отличающиеся толщиной (I-VI и VII, VIII)и способами крепления (I-VIII).Наибольшее распространение находят массивные планки (I-VI),так как обеспечивают большую точность и жесткость. Повышения износостойкости добиваются: выбором материала направляющих подвижной детали (бронза, планки из наполненного фторопласта, композиционный пастообразный материал на основе эпоксидных смол толщиной 3...5 мм и др.); снижением шероховатости скользящих поверхностей (для станков класса П, В Ra = 0,32...0,63 мкм); защитой направляющих от попадания грязи и стружки; ограничением удельных давлений (максимальные давления для станков средних размеров не должны превышать 2,5...3 МПа) [2].

Рис. 7.13. Схемы привертных направляющих

В табл. 7.2 приведены конструктивные схемы направляющих прямолинейного движения с различным трением. Основные геометрические формы направляющих выполнены на базе прямоугольника (схемы 1-3),срезанного треугольника (схемы 4-6) и круга (схемы 7-9).Наиболее распространенными являются прямоугольные направляющие ввиду простоты конструкции и высокой

точности.

Материал направляющих в значительной мере определяет износостойкость и плавность движения узлов. Во избежание крайне нежелательного явления – схватывания, пару трения комплектуют из разнородных материалов, имеющих различные состав, структуру и твердость. Направляющие, относительно которых перемещаются подвижные детали, делают более твердыми и износостойкими. Этим обеспечивается длительное сохранение точности, так как при движении копируется форма неподвижных направляющих [10].

Направляющие из серого чугуна,выполненные как одно целое с базовой деталью, наиболее просты, 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_э48-53 можно повысить износостойкость более чем в 2 раза. Легирующие присадки к чугунным направляющим дают повышение износостойкости только при последующей закалке. Значительного повышения износостойкости чугунных направляющих можно добиться применением специальных покрытий. Хромирование направляющих слоем толщиной 25-50 мкм обеспечивает твердость до HRC_э68-72, в 4-5 раз повышает износостойкость и существенно уменьшает коэффициенты трения покоя и трения движения. Аналогичный эффект дает 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 твердости (HRC_э 60-65), азотируемые стали 38Х2МЮА, 40ХФ, 30ХН2МА с глубиной азотирования 0,5 мм и закалкой до очень высокой твердости (800-1000НV). Реже применяют легированные высокоуглеродистые стали ШХ15, ХВГ, 9ХС с объемной закалкой и отпуском (HRC_э 58-62). Стальные закаленные направляющие обеспечивают наивысшую износостойкость в паре с закаленным чугуном.

Цветные сплавы, такие, как безоловянная бронза Бр АМц9-2, оловянная бронза БрОФ10-1, сплав на цинковой основе ЦАМ 10-5 в паре со сталью и чугуном, дают наилучшие результаты по износостойкости, отсутствию задиров и равномерности подачи, но высокая стоимость сдерживает их широкое применение при изготовлении направляющих. Их используют, главным образом, в тяжелых станках, делая накладные направляющие или для заливки.

Таблица 7.2