Направляющие Скольжения Станка

Эксплуатационные качества направляющих скольжения зависят как от правильного выбора материалов сопряженных поверхностей, так и от конструктивного оформления направляющих.

Износ направляющих скольжения зависит в значительной мере от подбора материалов для направляющих станины и для направляющих подвижного узла - стола, каретки, суппорта и т. д. Неудачный выбор этих материалов может привести к усиленному и притом неравномерному по длине износу направляющих, что неизбежно повлечет за собой потерю точности перемещения. А это в свою очередь снизит точность фрезерной обработки детали.

Исследования, проведенные А. С. Прониковым, установили прямую связь между формой изношенной направляющей и погрешностями формы обработанной на станке детали.

Износостойкость направляющих определяется в первую очередь физико-механическими свойствами их материала. Высокая поверхностная твердость направляющих сама по себе еще не гарантирует их высокой износостойкости. Многочисленные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что наименьший суммарный износ направляющих обеспечивается при различной твердости сопряженных пар поверхностей вследствие приработки более мягкого материала пары. При этом в большинстве случаев целесообразно более твердый материал использовать для неподвижных направляющих (направляющих станины), так как их форма копируется при перемещении и, кроме того, ремонт направляющих станины сложнее и дороже.

Наиболее распространенным материалом для направляющих скольжения является серый чугун. Он используется в тех случаях, когда направляющие скольжения станка изготавливаются как одно целое со станиной и соответственно, с подвижным узлом. Износостойкость чугунных направляющих может быть повышена за счет поверхностной закалки с нагревом или ТВЧ. В результате такой термической обработки направляющих их твердость повышается: для серого чугуна (СЧ) - до HRC 40-52, для чугуна с шаровидным графитом в литой структуре (ВЧ) - до HRC 45-55.

Стальные направляющие скольжения в виде планок приваривают к сварной стальной станине либо крепят винтами или болтами к литой чугунной станине. Чаще всего для этой цели используют сталь 40Х с закалкой ТВЧ до HRC 52-58 или сталь типа 15,20Х, которые после цементации и закалки обладают твердостью порядка HRC 56-62. Иногда применяют для направляющих сталь ШХ15. Применение стальных закаленных направляющих в паре с закаленным чугуном обеспечивает наиболее высокую износостойкость направляющих.

Перспективным материалом для направляющих скольжения станков являются пластмассы в связи с их высокими противозадирными и антикоррозионными свойствами. Текстолитовые планки в сочетании с чугуном применяют для направляющих тяжелых станков, где относительно малая жесткость подвижных узлов приводит к значительной неравномерности распределения давления на направляющих и, как следствие этого, к опасности заедания, особенно при недостаточной смазке. Недостатки текстолитовых направляющих - малый по сравнению со сталью модуль упругости, склонность к разбуханию при впитывании масла и низкий коэффициент теплопроводности. В связи с этими недостатками более целесообразно применение направляющих с тонким полимерным покрытием, нанесенным посредством напыления, наклеивания тонкой пленки или каким-либо другим способом.

В отдельных случаях, оправданных расчетом, применяют для направляющих накладки из цинковых сплавов типа ЦАМ 10-5 или из бронзы. Они обладают хорошей износостойкостью, однако дороги и иногда дефицитны.

ТУ на изготовление и приемку металлорежущих станков предусматривают требования к направляющим в отношении твердости, качества обработки и точности.

Твердость направляющих, отлитых заодно со станиной, определяется нормами для чугуна соответствующего класса. Колебания твердости в пределах одной направляющей ∆НВ≤25 или 35 в зависимости от длины направляющей. Для направляющих составных станин допускается ∆НВ≤ 45 на всей длине направляющей. Значения HB не должны выходить из границ, установленных для чугуна соответствующего класса.

Твердость стальных закаленных направляющих достигает значений HRC 52 и больше, для азотированных - твердости по Виккерсу в пределах HV 800-1000.

Направляющие станин, а также стоек, салазок и т. д. должны быть чисто обработаны шабрением, шлифованием или другим способом, сообщающим поверхности по меньшей мере такое же высокое качество (полирование, притирка пастой ГОИ). Закаленные направляющие должны быть тонко отшлифованы.

При проверке шабренных направляющих на краску количество несущих пятен на площади 25х25 мм2 должно быть: не меньше 25 для направляющих прецизионных станков; не менее 16 - для направляющих скольжения станков повышенной точности; не менее 10 - для направляющих скольжения при ширине b≤250 мм и направляющих перестановки при b≤100 мм; не менее 6 - для направляющих скольжения при b>250 мм и направляющих перестановки при b>100 мм. Количество несущих пятен определяется как среднее на площади 100 см2.

Плотность прилегания сопряженных направляющих проверяется на краску и щупом толщиной 0,04 мм.

Точность направляющих регламентирована стандартами «Нормы точности» для станков различных типов. Необходимые точность и класс чистоты поверхности направляющих достигаются соответствующей технологией механической обработки их.

Прямолинейное движение узла станка (стола, каретки, суппорта и др.) обеспечивается тем, что направляющие ограничивают возможность свободного перемещения этого узла по всем остальным направлениям. Направляющие, которые оставляют подвижному узлу одну степень свободы, обычно называют закрытыми (рис. 1, а) в отличие от открытых направляющих (рис. 1, б), предусматривающих замыкание внешней нагрузкой, действующей в определенном направлении.

Рис. 1. Направляющие скольжения станка: а - закрытые; б - открытые

Закрытые направляющие могут быть образованы любой линейчатой поверхностью (за исключением круговой цилиндрической) с образующими, параллельными направлению требуемого движения.

По соображениям простоты изготовления и контроля из всех линейчатых, поверхностей наиболее целесообразна трехгранная призма с тремя направляющими плоскостями, которая и лежит в основе большинства основных форм направляющих станков (рис. 2, б, в). Значительно реже используют направляющие в форме двух круговых цилиндров (рис. 2, г).

Рис. 2. Основные формы направляющих скольжения: а - плоские; б - призматические; в - в форме ласточкина хвоста; г - цилиндрические (штанговые)

Плоские направляющие (рис. 2, а), горизонтальные или вертикальные, отличаются простотой изготовления и контроля правильности формы, однако требуют устройств для регулирования зазора, склонны к загрязнению и сравнительно плохо удерживают смазку, когда они выполняются как охватываемые.

Призматические треугольные направляющие (рис. 2, б) сложнее в изготовлении, чем плоские, но обладают свойством саморегулирования, т. е. зазоры под действием нагрузки всегда выбираются автоматически. Выполненные как охватываемые они не склонны к загрязнению и поэтому не снабжаются, как правило, защитными устройствами. В таком виде они плохо удерживают смазку в противоположность тому случаю, когда они выполняются в форме охватывающих (V-образных) направляющих.

Призматические направляющие делают симметричными, например при вертикальном направлении нагрузки от действия собственного веса подвижного узла, и несимметричными с более развитой плоскостью одной из граней, которая в этом случае располагается перпендикулярно направлению равнодействующей внешней нагрузки. Последний случай характерен для большинства токарных станков.

Направляющие в форме ласточкина хвоста (рис. 2, в) отличаются компактностью и относительной простотой регулирования зазора посредством одного только клина или планки (рис. 3).

Рис. 3. Регулирование зазоров в направляющих по форме ласточкина хвоста

Цилиндрические (штанговые) направляющие (рис. 2, г) применяют в станках, несмотря на простоту их изготовления, сравнительно редко. Их недостаток - малая жесткость вследствие того, что они связаны со станиной только по концам. Кроме того, регулирование зазоров в цилиндрических направляющих требует применения довольно сложных устройств.

В станках очень часто используют комбинированные направляющие, когда одна из них выполнена как плоская, а вторая - как призматическая, V-образная или в виде половины ласточкина хвоста. Такого рода комбинированные направляющие сравнительно технологичны в изготовлении, и применение их особенно целесообразно при действии больших опрокидывающих моментов.

При окончательном выборе конструктивного варианта направляющих необходимо руководствоваться обеспечением их максимальной жесткости под действием нагрузок, характерных для станка данного типа.

Оптимальную величину зазоров в направляющих, обеспечивающую точность перемещения при минимальных потерях на трение, трудно выдержать при изготовлении направляющих даже при взаимной пригонке сопряженных поверхностей. Кроме того, первоначально установленные величины зазоров изменяются в процессе износа трущихся поверхностей. Поэтому направляющие снабжают устройствами для периодического регулирования зазоров между сопряженными поверхностями. Также немаловажно знать про смазывание направляющих станка.

Наиболее общее решение задачи регулирования зазора в направляющих скольжения показано на рис. 4: зазор в стыках горизонтальных плоскостей, воспринимающих вертикальное давление и, регулируется здесь клиньями 1 и 2, а в вертикальных плоскостях, воспринимающих горизонтальное давление на или н, и являющихся собственно направляющими поверхностями, - клином 3.

Рис. 4. Регулирование зазоров в направляющих (общий случай)

Если каретка или салазки охватывают контур прямоугольных направляющих станины только с трех сторон (рис. 5), необходимы прижимные планки 1 и 2, прикрепляемые к салазкам винтами.

Рис. 5. Регулирование зазоров в плоских направляющих

Компенсация износа горизонтальных граней требует шабрения; чтобы избежать его, иногда применяют тонкие слоистые прокладки (см. деталь 1 на рис. 6, б). Для регулирования зазора в вертикальных плоскостях стыка направляющих здесь служит планка 4 постоянной толщины; по мере надобности ее поджимают несколькими винтами 3. Вместо планки также и здесь можно применить клин.

Рис. 6. Способы регулирования планок

Вариант регулирования направляющих в форме ласточкина хвоста дан на рис. 3.

Регулирующая зазор планка постоянной толщины должна быть помещена в направляющих таким образом, чтобы давление воспринималось непосредственно соприкасающимися гранями направляющих скольжения станка, т. е. со стороны, противоположной нагруженному стыку последних (см. стрелку Н на рис. 5). При регулировании посредством клина он может быть расположен с любой стороны (см. стрелки Н1 и Н2 на рис. 4).

Регулирующие клинья имеют обычно уклон в пределах от 1:40 до 1:100. Чем длиннее клин, тем меньшим делают его уклон. Для установки клина необходимо иметь возможность перемещать его в обоих направлениях. С этой целью применяют винты разнообразных конструкций; наиболее распространенные варианты показаны на рис. 7, а-в.

Рис. 7. Способы регулирования клиньев

Различные формы поперечных сечений клиньев и планок, встречающихся в современных станках, показаны на рис. 6, 8, 9 которые не требуют пояснений.

Рис. 8. Планки постоянной толщины для направляющих в форме ласточкина хвоста

Общий недостаток регулирующих клиньев - увеличение числа стыков в сопряжении, малая жесткость самих клиньев и в результате этого снижение жесткости узла в отношении сжимающих сил. Ослабить это влияние клиньев можно правильным расположением их и достаточно сильной затяжкой клина винтами после того, как он отрегулирован.

Рис. 9. Планки трапецеидального сечения

Накладные направляющие скольжения, обычно стальные, а иногда изготовленные из высококачественного легированного чугуна, выполняются в виде планок, закрепляемых винтами к литой чугунной станине или привариваемых к стальной сварной станине.

При механическом креплении накладной направляющей винтами желательна такая конструкция крепления, которая не связана с повреждением рабочей поверхности направляющих, как это показано на рис. 10, а. Когда по каким-либо конструктивным соображениям невозможно применить крепление винтами снизу, следует применять такое крепление, которое не нарушает однородности рабочей поверхности направляющих. Например, при способе крепления, показанном на рис. 10, б, используются винты, изготовленные из того же материала, что и накладная стальная планка. После завинчивания ослабленная шейка винта срезается, а оставшуюся часть винта сошлифовывают заподлицо с плоскостью направляющей.

Рис. 10. Накладные направляющие скольжения

При креплении винтами накладные планки снабжаются выступом (рис. 10, в), разгружающим винты от поперечных нагрузок и обеспечивающим значительное увеличение поперечной жесткости направляющих.

Примеры накладных направляющих скольжения, приваренных к стальной сварной станине, приведены на рис. 11. Последний вариант (рис. 11, в) относится к тому случаю, когда к сварной станине крепится накладная планка из чугуна или бронзы.

Пластмассовые направляющие крепят обычно винтами, а иногда приклеивают к станине.

Рис. 11. Приваренные направляющие скольжения

Износостойкость направляющей скольжения зависит от ряда условий; одним из важнейших является условие возможно равномерного распределения давления по поверхности направляющей, причем среднее (условное) удельное давление не должно превышать определенной величины. Удельное давление определяется поверочным расчетом, в основе которого лежит допущение о линейном законе распределения удельного давления вдоль направляющей; по ширине каждой грани направляющей удельное давление считается распределенным равномерно.

Научно обоснованный и практически достаточно надежный способ расчета направляющих был впервые разработан в СССР Д. Н. Решетовым (ЭНИМС) в 1942 г. Этот способ принят в настоящее время в качестве нормали станкостроения (нормаль Н49-2МСС) и может быть применим к различным направляющим скольжения станка.

Расчет состоит из следующих этапов:

• определения суммарных давлений, действующих на каждую грань направляющих;
• определения среднего удельного давления на каждой из этих граней;
• определения наибольшего удельного давления на них;
• сопоставления полученных величин с наибольшими допускаемыми значениями удельных давлений, известными из опыта.

Давления на грани направляющих станины или равные им по величине три реакции A, B, C (рис. 12) можно найти из условий равновесия суппорта. На суппорт действуют, помимо этих реакций: а) составляющие Pz, Px, Py, силы резания; б) собственный вес G суппорта, рассматриваемый как сила, сосредоточенная в его центре тяжести; в) тяговая сила Q; силы трения fА, fВ, fС, действующие на гранях направляющих в сторону, противоположную движению суппорта.

Рис. 12. Расчетная схема направляющих скольжения токарного станка

Составляющие Рz, Рx, Рy вычисляются по формулам теории резания или принимаются по нормативам для режима, отвечающего полному использованию станка. Вес G суппорта и его центр тяжести находятся расчетом, а если возможно - по модели. Если вес обрабатываемой заготовки и вес приспособления воспринимаются направляющими, должны учитываться также и эти силы.

Тяговая сила Q, необходимая для перемещения суппорта, при приводе ходовым винтом направлена вдоль оси винта, следовательно, не имеет составляющих, параллельных силам Рy и Рz. В случае привода от ходового валика через прямозубое колесо и рейку наряду с составляющей Qх, параллельной усилию подачи Px, имеется еще составляющая

Q, = Qx tg (α + ୧),

где α - угол зацепления; ୧ - угол трения на зубьях (୧= 5÷7°).

Оси координат x, y, z на рис. 12 выбраны соответственно параллельными составляющим Px, Py, Pz силы резания, а начало О координат - в точке пересечения направлений реакций А и В, чтобы уравнения равновесия суппорта получились возможно более простыми.

Для чугунных направляющих нормаль станкостроения Н49-2 допускает следующие значения максимального удельного давления граней направляющих Pmax:

• при малых скоростях скольжения, порядка скоростей подачи (токарные, фрезерные станки), Pmax = 2,5÷3 Мн/м2;
• при больших скоростях скольжения, порядка скоростей резания (строгальные, долбежные станки), Pmax = 0,8 Мн/м2;
• для направляющих специальных станков, работающих с постоянными тяжелыми режимами резания, указанные значения Pmax следует уменьшить на ~25 %;
• для направляющих тяжелых станков Pmax = 1 Мн/м2 при малых скоростях скольжения и Pmax = 0,4 Мн/м2 - при больших.

Для направляющих шлифовальных станков можно принимать Pmax = 0,05-0,08 Мн/м2.

Если при выполнении поверочного расчета ограничиваются определением лишь средних величин удельного давления, то для них рекомендуется допускать значения, не превышающие примерно половины указанных выше величин максимального удельного давления Pmax.

При работе стали по чугуну значения Pmax примерно те же, что и для чугуна по чугуну. При работе стальных направляющих по стальным эти значения могут быть приняты больше на 20-30%.

Конструктивные формы направляющих скольжения весьма разнообразны. Если поверхности скольжения имеют выпуклый профиль (рис. 13, а, в, д, ж), то на них плохо удерживается смазка, и поэтому направляющие такой формы чаще применяют при малых скоростях перемещения. Их преимущество - более простое изготовление, а также то, что на них не удерживается стружка. Направляющие, которые образуют в сечении внутренний профиль (рис. 13, в, г, з), более пригодны для высоких скоростей скольжения, так как хорошо удерживают смазку, однако их необходимо надежно защищать от попадания стружки и от загрязнения. Плоские (прямоугольные) направляющие (рис. 13, а) просты в изготовлении, но плохо удерживают смазку и легко засоряются. Их применяют при медленных перемещениях, например для силовых головок агрегатных станков.

Треугольные (призматические) направляющие (рис. 13, в) применяют при симметричной нагрузке и малых скоростях перемещения, например для салазок револьверной головки. V-образные направляющие (рис. 13, г), пригодны при больших скоростях, например для столов строгальных станков.

Рис. 13. Типы направляющих скольжения

В направляющих типа ласточкина хвоста (рис. 13, д, e) достаточно четырех плоскостей скольжения, чтобы воспринимать нагрузки (включая опрокидывающие моменты) всеми направляющими. Для других типов направляющих, чтобы обеспечить восприятие опрокидывающих моментов, требуются специальные планки. Однако направляющие в виде ласточкина хвоста сложны в изготовлении, имеют недостаточную жесткость, и их применяют обычно при малых скоростях перемещения и при невысоких требованиях в отношении точности, например для поперечных салазок токарных и револьверных станков (рис. 13, д), столов фрезерных станков малых и средних размеров (рис. 13, е).

Комбинированные направляющие чаще всего применяют в виде сочетания плоской и треугольной направляющих. Они упрощают конструкцию и используются в токарных, шлифовальных и других станках. Несимметричная грань направляющей выполняется в ряде случаев при наличии одностороннего действия усилия, с тем чтобы основная грань была перпендикулярна последнему. Если по станине перемещается несколько суппортов, то в конструкции направляющих должно учитываться взаимное расположение суппортов.

Иногда применяют круглые направляющие (рис. 13, ж, з), простые в изготовлении и эксплуатации. Для перемещения суппортов и столов тяжелых станков часто применяют больше двух направляющих.

Основной критерий работоспособности направляющих - их износостойкость. Они должны длительно сохранять полученную при изготовлении точность. Износостойкость направляющих зависит от многих факторов, главными из которых являются материал и вид термообработки, давление и его распределение по граням и по длине направляющих, условия работы (смазка, загрязненность и др.), характер перемещения суппорта или стола (скорость, величина хода).

Направляющие скольжения станков работают обычно в условиях малых и средних скоростей скольжения (до 1-1,5 м/с) с небольшими давлениями (обычно до 1 Па).

При выборе материала для направляющих следует учитывать, что в большинстве случаев они составляют одно целое со станинами, суппортами, столами и т. д., которые отлиты из чугуна. Для повышения износостойкости направляющих, их следует закаливать ТВЧ или другим способом. Можно также применять с этой целью метод электроискрового упрочнения твердыми сплавами.

В станках применяют также закаленные стальные направляющие из сталей 20Х и 40Х, выполняемые в виде планок, которые прикрепляются к чугунным или сварным стальным станинам.

Для увеличения срока службы направляющих универсальных станков с большим ходом суппорта следует обращать особое внимание на правильную загрузку станка и приемы работы, обеспечивающие более равномерный износ направляющих по длине. Нецелесообразно загружать станок изготовлением небольших деталей, которые можно обработать на станке меньших размеров. При больших ходах суппорта форма изношенной поверхности направляющей приближается к форме кривой распределения ходов суппорта, т. е. износ больше в тех зонах, где суппорт чаще перемещается.

Для увеличения срока службы направляющих станков с малым ходом необходимо принимать меры к тому, чтобы эпюра давлений была равномерной. Характер эпюры зависит главным образом от конструктивной формы суппорта и его направляющих. При малых ходах суппорта форма изношенных направляющих приближается к форме эпюры давлений.

Повышение износостойкости направляющих сохраняет точность и виброустойчивость станка. В практике применяют разнообразные методы повышения долговечности направляющих. Большое значение имеют правильный выбор материала направляющих, качество их смазки, конструктивные и эксплуатационные факторы. В большой степени влияют на долговечность направляющих условия эксплуатации. Предохранение направляющих от попадания на них пыли из воздуха, частиц обрабатываемого материала, абразивов повышает их износостойкость. Для защиты направляющих применяют обычные или телескопические щитки, а для шлифовальных станков, где абразив взвешен в воздухе, щитки в виде гармоники (меха). Помимо щитков, используют различного рода уплотнения, предохраняющие поверхности трения от проникновения на них загрязнений