Основным достоинством направляющих качения станков является малое трение, практически не зависящее от скорости движения, Это обеспечивает высокую чувствительность точных перемещений и равномерность медленных движений. Кроме того, направляющие качения обладают значительно более высокой долговечностью по сравнению с направляющими скольжения.
К недостаткам направляющих качения относятся их более высокая цена, необходимость весьма точной обработки рабочих поверхностей и, наконец, отставание тел качения от передвигаемого узла (рис. 1), следовательно, при проектировании направляющих качения необходимо предусматривать при больших величинах хода возврат тел качения.
Рис. 1. Схема направляющих качения
Как и направляющие скольжения станка, направляющие качения станков могут быть открытыми и закрытыми.
Сила трения в открытых направляющих качения может быть выражена зависимостью
T=nT0+(fк/rпр)P,
где T0 - постоянная составляющая, не зависящая от нормальной силы, на одной грани направляющей; n - число граней (дорожек) направляющей; fк - коэффициент трения качения, равный ~0,001 см для стальных шлифованных и ~0,0025 см для чугунных шабреных направляющих; rпр - приведенный радиус тел качения в см; P - нормальная сила.
Для закрытых направляющих следует, кроме того, учитывать силу предварительного натяга.
На рис. 2 приведены наиболее распространенные схемы направляющих качения и формулы для подсчета тяговой силы. Первые три типа направляющих относятся к открытым, а последние три - к закрытым направляющим. Сила трения в направляющих качения обычно не превышает 10-40 н.
Рис. 2. Открытые и закрытые направляющие качения станков
Конструкции направляющих качения
Открытые направляющие качения с использованием шариков (рис. 3, а) или роликов (рис. 3, б) применяют обычно в тех случаях, когда основная нагрузка создается собственным весом подвижного узла и мало изменяется в процессе обработки на станке.
Рис. 3. Открытые направляющие качения: а - шариковые; б - роликовые
Закрытые направляющие качения (рис. 4, а, б, в) предусматривают создание натяга и обеспечивают более высокую жесткость направляющих. Натяг в этих направляющих создается клиньями или регулируемыми планками подобно тому, как в направляющих скольжения регулируются зазоры.
Рис. 4. Закрытые направляющие качения: а - роликовые призматические; б - роликовые в форме ласточкина хвоста; в - шариковые призматические
В целях устранения основного недостатка направляющих качения, связанного с отставанием тел качения, применяют конструкцию с возвратом шариков или роликов. В примере конструкции, представленной на рис. 5, а, шарики уложены сплошным рядом между четырьмя цилиндрическими штангами, из которых две крепятся к неподвижной станине, а две - к подвижному узлу. По концам направляющих поставлены отражатели 1, по которым шарики поступают в канал 2 возврата. Во втором примере (рис. 5, б) использованы блоки с роликами. Блоки устанавливаются по концам направляющих и обеспечивают возможность циркуляции роликов относительно тела блока.
Рис. 5. Направляющие качения с возвратом тел качения
Расчет направляющих качения станка
Расчет направляющих качения станка предусматривает проверку на прочность по контактным напряжениям, а при проектировании прецизионных станков - расчет контактной жесткости.
Расчет на прочность требует предварительного определения нагрузки на наиболее нагруженный шарик или ролик. Исследования Д. Н. Решетова, Е. И. Ривина и З. М. Левиной показывают, что для этой цели можно использовать формулы расчета давлений в направляющих скольжения, т. е. определять максимальную силу сжатия тела качения как
Pmax = Pmax(tb),
где Pmax - наибольшее давление в направляющих скольжения; t - шаг тел качения (рис. 1); b - ширина направляющих.
Допустимая по условиям контактной прочности нагрузка принимается:
- для роликовых направляющих Pдоп = σк db;
- для шариковых направляющих Pдоп = σк d2.
где σк - условное напряжение, относимое к площади сечения тела качения; d - диаметр ролика или шарика; b - длина ролика.
Величина условного напряжения σк допускается для шариковых направляющих качения до 0,6 Мн/м2, при закаленных (HRC 60) стальных направляющих и до 0,02 Мн/м2 при чугунных (НВ 200) направляющих. Роликовые направляющие качения допускают напряжения 15-20 Мн/м2 - для стальных закаленных направляющих и 1,5-2 Мн/м2 - для чугунных направляющих.
Приведенный выше расчет направляющих качения станков на прочность поверхностных слоев не учитывает влияния погрешностей изготовления направляющих (отклонение от прямолинейности) и разноразмерности тел качения. Поэтому при невысокой точности изготовления направляющих, когда суммарное отклонение от прямолинейности на длине контакта - порядка 15-20 мкм и значения σк следует принимать на 20-30% меньше.
Расчет направляющих качения на жесткость состоит в определении упругих перемещений за счет контактных деформаций под действием внешней нагрузки. При этом особенно важно учитывать влияние погрешностей изготовления на характер распределения нагрузки между телами качения, поскольку эти погрешности того же порядка, что и сами упругие перемещения. На рис. 6 показано влияние неточностей направляющих качения на распределение давлений между телами качения.
Рис. 6. Влияние погрешностей направляющих на распределение нагрузки между телами качения: а - разноразмерность тел качения; б - непараллельность направляющих; в - непрямолинейность направляющих
При техническом расчете на жесткость упругие перемещения в направляющих качения могут определяться на основе зависимостей:
- для роликовых направляющих δ=Срq;
- для шариковых направляющих δ=СшP.
Здесь δ - упругое перемещение в мкм, Ср, и Сш - коэффициенты податливости соответственно роликовых (в мкм•см/н) и шариковых (в мкм/н) направляющих, q - погонная нагрузка на единицу длины ролика в н/см, Р - нагрузка на один шарик в н. Значения коэффициентов податливости направляющих качения при нормальной точности их изготовления приведены на рис. 7.
Расчеты и экспериментальные данные свидетельствуют о том, что жесткость роликовых направляющих качения близка к жесткости направляющих скольжения, а вследствие предварительного натяга может быть и выше в 3-4 раза. Жесткость шариковых направляющих при одинаковых размерах тел качения примерно в 2-2,5 раза ниже жесткости роликовых направляющих.
Большое влияние на жесткость направляющих качения станков оказывает шероховатость их поверхности. Поэтому к качеству шабрения направляющих предъявляются высокие требования. В наиболее ответственных случаях направляющие качения прецизионных станков целесообразно притирать.
Рис. 7. Коэффициенты податливости направляющих качения: а - роликовые; б - шариковые: 1, 2 - стальные шлифованные направляющие соответственно с короткими и с длинными роликами; 3 - чугунные шабренные направляющие
