Гидростатические направляющие обладают более низким коэффициентом трения, за счет наличия гарантированного зазора между сопряженными направляющими поверхностями, создаваемого давлением смазочной жидкости в несущих опорах. Необходимость работ по внедрению гидростатических направляющих все более возрастает, так как повышается точность станков. Особенно эффективно проявляют себя такие направляющие в тяжелых уникальных станках из-за имеющихся погрешностей изготовления базовых деталей, температурных деформаций, больших нагрузок и связанных с ними упругих деформаций, обеспечивая усреднение погрешностей и стабильность основных характеристик станков.
Кроме несущей опоры, гидростатические направляющие характеризуются способом подачи (системой управления) смазочной жидкости в опоры. Наиболее часто применяются следующие системы управления масляным слоем (зазором) в направляющих: система питания типа «насос-карман», дроссельная система и системы, оснащенные автоматическими регуляторами.
Направляющие, предусматривающие подвод масла к сопряженным поверхностям под давлением, обеспечивающим создание масляной подушки по всей площади контакта, носят название гидростатических направляющих.
От насоса (рис. 1) масло под давлением поступает через дроссели с сопротивлением R0 в карманы, сделанные на направляющих. Из карманов масло вытекает через зазор h в направляющих, и давление масла при этом изменяется по закону, который близок к линейному.
Рис. 1. Схема гидростатических направляющих
На рис. 2 приведены наиболее распространенные формы карманов и места подвода к ним масла под давлением. Первый вариант с одной продольной канавкой используется при малой ширине направляющей, а варианты II и III целесообразны при значительной ширине направляющей (более 50-60 мм).
Рис. 2. Способы подвода масла к гидростатическим направляющим
По длине гидростатической направляющей необходимо предусматривать несколько карманов с независимым к ним подводом масла, так как в противном случае невозможно обеспечить высокую жесткость под действием перекашивающих моментов. Не лишним будет узнать про смазывание направляющих станка.
Для обеспечения высокой жесткости гидростатических направляющих необходимо стремиться к обеспечению минимально возможных значений зазора h, которые зависят от микро- и макропогрешностей поверхности направляющих. При высоком качестве шабрения (16-20 пятен на площади 25х25 мм2) минимальный расчетный зазор может быть выдержан в пределах 15-25 мкм, что обеспечивает жесткость гидростатических направляющих порядка 1000 н/мкм и более.
Гидростатические направляющие станков могут быть осуществлены при любой исходной форме направляющих. Так, например, в шлифовальных станках для этой цели обычно используют комбинированные направляющие - сочетание одной плоской и одной V-образной (рис. 3).
Рис. 3. Комбинированные гидростатические направляющие станка
В станках используют иногда также аэростатические направляющие, предусматривающие создание воздушной подушки в зазоре между сопряженными поверхностями направляющих. Воздух от пневматической сети через фильтр и стабилизатор давления поступает в карманы под давлением (3-4)•10(5) н/м2 через комбинированные отверстия малого диаметра (0,2-0,5 мм), как это показано на рис. 4.
Рис. 4. Схема аэростатических направляющих
Простейшими среди большого разнообразия конструкций гидростатических направляющих являются системы управления с дросселями. В качестве дросселя чаще всего используются втулки с калиброванным отверстием (турбулентное сопротивление), пористые втулки, капиллярные трубки, винтовые канавки, сопротивления типа «сопло-заслонка» (ламинарное сопротивление). Несмотря на относительно невысокую жесткость таких гидростатических направляющих ограниченную несущую способность, зависящую от величины давления питания, они нашли широкое применение в разнообразных станках благодаря простоте конструкций. На дроссельном управлении могут быть реализованы незамкнутые направляющие, рис. 5, а.
Рис. 5. Разновидности гидростатических направляющих с дроссельным управлением: 1 - дроссель; 2 - станина; 3 - подвижный узел; 4 - карман опоры; 5 - замыкающая планка; 6 - ролик; 7 - карман замыкающей опоры; 8 - плавающая опора
Замкнутые механически (рис. 5, б), замкнутые жесткой планкой с выполненной на ней гидростатической опорой силового замыкания (рис. 5, в), замкнутые с помощью плавающей опоры (рис. 5, г). В последнем случае замкнутая опора позволяет обеспечить функционирование весьма протяженных направляющих (до 30÷40 м), имеющих невысокий допуск на изготовление.
Большой нагрузочной способностью обладают гидростатические направляющие с системой питания «насос-карман». В таких направляющих каждая несущая опора питается отдельным насосом малой производительности (рис. 6). Они не требуют настройки, обладают повышенной жесткостью на высоких нагрузках. Недостатками их являются громоздкость из-за наличия большого числа насосных секций, низкая жесткость при малых нагрузках.
Рис. 6. Гидростатические направляющие типа «насос-карман»
Более совершенны гидростатические направляющие, оснащенные регуляторами, обеспечивающие высокую статическую точность (в том числе и при нулевой статической ошибке) и простоту настройки (зазора). Широкое распространение получили в станках такие направляющие на базе диафрагменных регуляторов, которые отличаются высокой чувствительностью, надежностью, стабильностью, долговечностью и технологичностью, что выгодно отличает их от большинства других типов регуляторов. На рис. 7 приведена наиболее характерная конструкция гидростатических направляющих с регулятором. В таких гидростатических направляющих, имеющих обратную связь по давлению (рис. 7, а), при изменении внешней нагрузки возрастает давление в несущей опоре 1, что приводит к увеличению прогиба диафрагмы 2, увеличению зазора 3 в сопротивлении типа «сопло-заслонка». В результате возрастает расход через регулятор и зазор (h) в направляющих при определенном значении податливости диафрагмы может оставаться неизменным при изменении относительной нагрузки m (кривая 1 на рис. 7, б).
Рис. 7. Гидростатические направляющие с регулятором, имеющим обратную связь по давлению
При переходе на больший зазор h путем увеличения начального зазора в регуляторе точность поддержания зазора в направляющих уменьшается (кривая 2, рис. 7, б). Увеличить диапазон начальных настроек с обеспечением нулевой статической ошибки позволяет введение настраиваемой обратной связи по давлению (рис. 8) за счет дросселей Др 1 и Др 2.
Рис. 8. Высокоточные гидростатические направляющие с широким диапазоном настройки рабочего зазора
Применение регулятора с тремя диафрагмами (рис. 9) позволяет реализовать астатическое регулирование в схеме с обратной связью по давлению. При настройке дросселя на различные начальные зазоры в направляющих обеспечивается его неизменность при любой нагрузке.
Рис. 9. Диафрагменный регулятор, обеспечивающий астатическое регулирование в гидростатических направляющих
В ряде случаев повышения точности гидростатических направляющих можно добиться за счет использования системы регулирования с отрицательной обратной связью по зазору. При этом сигнал обратной связи формируется в специальной опоре весьма малых размеров. В условиях наличия на станке значительных механических и тепловых деформаций основные характеристики несущих опор могут существенно изменяться, что приводит в системах с положительной обратной связью по давлению к снижению точности поддержания толщины смазочного слоя. Характеристики же небольших измерительных опор, ввиду их малых линейных размеров, являются практически неизменными даже при действии указанных деформаций. Используя это обстоятельство размещая измерительные опоры в узлах жесткости базовых деталей (обычно подвижных), можно заметно повысить точность направляющих. Принципиальная схема такой системы управления приведена на рис. 10, а. Как видно из схемы, сигнал обратной связи по зазору действует в междиафрагменной камере регулятора, а в бессопловой камере устанавливается при настройке зазора (с помощью дросселей) определенная величина эталонного давления Рпр. Статическая ошибка регулирования в таких направляющих может быть достаточно малой (до 2÷5 мкм), причем B большем диапазоне внешних нагрузок (рис. 10, б).
Рис. 10. Гидростатические направляющие с обратной связью по зазору
На базе диафрагменного регулятора возможно осуществление взаимосвязанного обратнопропорционального изменения давлений в замкнутых гидростатических направляющих.
Устройство управления (рис. 11, а) представляет собой регулятор, внутренняя полость которого упругой диафрагмой 3, защемленной по периметру, разделена на две камеры. В одной из камер, связанных с источником питания гидросистемы, смонтировано сопло 2. Сопло выполнено подвижным для осуществления настройки и соединяется гидролинией с карманом 4 опоры силового замыкания, который находится на замыкающей планке 5 подвижного узла 6. При этом торец сопла и поверхность диафрагмы образуют переменное гидростатическое сопротивление 1 типа «сопло-заслонка», через которое дросселируется поток смазочной жидкости. Другая камера регулятора связана с карманом 7 несущей опоры, выполненным на направляющей поверхности подвижного базового узла. Система управления толщиной смазочного слоя в несущей опоре может быть использована любого известного вида: «насос-карман», дроссельная, с регуляторами различных типов.
Рис. 11. Замкнутые гидростатические направляющие с дифференциальным изменением давлений в опорах
При приложении внешней нагрузки к подвижному узлу в направлении, указанном на рис. 11, а, увеличивается давление кармане несущей опоры и, как следствие, в бессопловой камере регулирующего устройства. Это, в свою очередь, вызывает нарушение равновесия диафрагмы и она прогибается в сторону сопла, увеличивая гидравлическое сопротивление элемента «сопло-заслонка». В результате, уменьшается расход жидкости, что приводит к падению давления в кармане замыкающей опоры. Таким образом, изменяются давления в обеих опорах, т. е. в формировании реакции замкнутой опоры участвуют как базовая несущая опора, так и опора силового замыкания. Этим достигается повышение нагрузочной способности направляющих в целом без увеличения величины давления источника питания или эффективной площади несущей опоры.
С целью упрощения конструкции станка и снижения трудоемкости пригонки замыкающей планки к соответствующей направляющей поверхности неподвижного базового узла за счет исключения расхода смазочной жидкости через замыкающую опору, она может быть выполнена уплотненной (рис. 11, б) с помощью эластичной прокладки 8. При этом поток жидкости направляется в сливную магистраль гидросистемы станка через регулируемый дроссель 9, с помощью которого осуществляется настройка расхода.
Управляемое усилие силового замыкания может передаваться на неподвижный базовый узел с использованием других известных устройств, например, через плавающую гидростатическую опору 10 (рис. 11, в) или через опору качения 11 (рис. 11, г). Таким образом, дифференциальный закон изменения давления в карманах замкнутой гидростатической опоры может быть реализован для различных вариантов исполнения замыкающей опоры.
