Направляющие металлорежущих станков

    Направляющие  металлорежущих станков 

    1.Краткий  обзор линейных  направляющих

    Направляющие, по которым перемещаются подвижные  узлы станков, машин, механизмов, измерительных  приборов, роботов и других устройств, являются одним из основных элементов  конструкции, и в значительной мере определяют их возможности и технический уровень.

    В металлорежущих станках применяются два основных типа направляющих:

    *направляющие скольжения с различными режимами трения (граничного, смешанного, гидродинамического, гидростатического, аэростатического);

    *направляющие качения с различными типами тел качения (в основном, конечно, шарики и ролики), видами кинематики(без возврата тел качения, с возвратом тел качения) и конструктивными формами, которые будут подробнее рассмотрены ниже.

    В некоторых станках применяются  комбинированные направляющие, у  которых по одним граням используется скольжение, а по другим - качение.

    Наиболее  распространены направляющие скольжения со смешанным характером трения, при котором слой смазки не обеспечивает полного разделения трущихся поверхностей неподвижного и подвижного элементов направляющей, которое имеет место в гидродинамических, гидростатических и аэростатических направляющих.

    Направляющие  скольжения имеют смешанный характер трения, при котором слой смазки не обеспечивает полного разделения трущихся поверхностей неподвижного и подвижного элементов направляющей, которое имеет место в гидродинамических, гидростатических и аэростатических направляющих.

    Основными преимуществами направляющих скольжения со смешанным характером трения являются простота и компактность конструкции, высокая нагрузочная способность и жесткость, демпфирование, невысокая стоимость. Однако в современных условиях тип направляющих со смешанным трением имеет существенные недостатки, основными из которых являются большое трение, ограничивающее скорость перемещения узлов, большой износ направляющих, а также скачкообразность движения при трогании с места и на малых скоростях, не позволяющая осуществлять точное позиционирование узлов.

    Применение накладок из полимерных материалов (наполненный фторопласт, торсайт, тефлон и др.) и специальных "антискачковых" смазок (например, серии ИНСп и И-ГН-Е) позволяет в значительной мере, но далеко не полностью, устранить указанные недостатки обычных направляющих скольжения.

    Гидродинамические и гидростатические направляющие имеют  не большое трение, высокую демпфирующую способность, обеспечивают высокую  плавность хода и малые усилия перемещения, практически неизнашиваемы.

    Однако  их жесткость не столь высока, как у направляющих смешанного трения, при высоких скоростях перемещения они генерируют избыточное тепло, вызывающее нагрев смазки и всего кинематического узла, требуют сложной навесной гидроаппаратуры и, в целом, значительно дороже других типов направляющих, что ограничивает область их применения (главным образом, это особо тяжелые и уникальные станки).

    Аэростатические направляющие имеют особо малое  трение, обеспечивают высокую точность перемещений, обладают высокой долговечностью, однако так же имеют ограниченную нагрузочную способность и подвержены случайным отказам, что сужает область их применения (координатно- измерительные машины, станки для обработки печатных плат, алмазно-токарные станки и некоторые другие типы станков с малыми нагрузками на направляющие).

    Направляющие  качения, обладают малым трением (коэффициент  трения составляет 0,003…0,005), обеспечивают высокую плавность перемещений, допускают высокие скорости и  ускорения перемещений. В соответствующем  исполнении (см. ниже) они обеспечивают высокую нагрузочную способность, жесткость и долговечность системы, точность установочных перемещений. Их основными недостатками являются сравнительно низкое демпфирование, повышенная чувствительность к загрязнению, а также высокая стоимость, которая во многих случаях является существенным фактором, ограничивающим их использование.

Рис. 1. V-образная и плоская роликовые направляющие стола координатно-расточного станка

   Комбинированные направляющие позволяют использовать преимущества направляющих и скольжения, и качения, в то же время они обладают и их недостатками. Часто такие направляющие на основных нагруженных гранях имеют трение скольжения, что обеспечивает хорошие показатели демпфирования колебаний, и трение качения (с преднатягом) на боковых гранях для устранения переориентации узлов при реверсах.

   Однако  такая конструкция направляющих ограничивает скорость и ускорение  перемещения узлов в высокоскоростных станках.

   Комбинированный тип имеет сравнительно меньшую  область применения, чем первые два  типа направляющих. Направляющие качения являются основным типом направляющих в наиболее прогрессивных современных высокоскоростных станках, их конструкция (в отличие от направляющих скольжения) непрерывно совершенствуется. Новейшие исполнения таких направляющих будут подробнее рассмотрены в настоящей работе.

   Направляющие  качения начали применяться вместо направляющих скольжения в середине прошлого века на координатно-расточных, шлифовальных, заточных и некоторых  других прецизионных станках, где требовались  точные малые (с дискретностью до 0,001 мм) установочные перемещения узлов. Такие перемещения на направляющих скольжения очень трудно выполнялись или вообще были невыполнимы из-за т. н. "скачков".

   Основной  конструктивной формой направляющих качения  на первых станках являлась комбинация (пара) V-образной и плоской направляющих. По ним перемещались ролики, размещенные в линейном сепараторе. При этом ролики опирались непосредственно на обработанные поверхности чугунных корпусных деталей. Внешний вид одной из таких направляющих приведен на рис. 1.

   При скоростях перемещений узлов  в пределах 2…3 м/мин и сравнительно небольших нагрузках такие направляющие удовлетворяли требованиям, предъявляемым  к таким станкам в те годы. Наряду с роликовыми на координатно-расточных  станках начали применяться и шариковые направляющие качения (станки фирмы "Кольб").

   Шарики  в линейном сепараторе перемещались по специальным закаленным планкам, смонтированным на станине и на столе  станка, как это видно, например, на рис. 2.

Рис. 2. Шариковые  направляющие стола координатно-расточного станка

   Сравнительно  невысокая несущая способность  первых конструкций направляющих качения, их низкая демпфирующая способность, с  одной стороны, отсутствие необходимости  в сверхточном позиционировании и в быстрых перемещениях узлов, с другой стороны, и, кроме того, значительно более высокая стоимость явились причинами отказа от применения направляющих качения на фрезерных, горизонтально-расточных и многих других типах станков тех лет.

   В последние годы, в особенности  с появлением станков с числовым программным управлением, возросли требования к скоростям перемещений узлов и к точности их позиционирования в сочетании с повышенными силовыми нагрузками. Расширился ряд технологических операций итипов обработки на станках всех типов. Повысились требованияк производительности оборудования. Все это привело к появлению многоцелевых станков с ЧПУ, обрабатывающих центров, которые к настоящему времени стали основным типом обрабатывающего станочного оборудования.

   Скорости  линейных перемещений узлов у большинства обрабатывающих центров возросли сначала до 10…15 м/мин, затем до 20…30 м/мин, и в настоящее время у многих серийных моделей находятся на уровне 40…60 м/мин, а у отдельных станков достигают 90…100 м/мин и выше. Ускорения при разгоне-торможении узлов, ранее не превышавшие 0,1…0,5 м/с2, возросли сначала до 2…3 м/с2, а затем у ряда моделей достигли 8…10 м/с² и выше (в отдельных случаях - до 20 м/с2 и более).

   Точность  позиционирования узлов возросла до 5 мкм и выше при дискретности перемещений до 0,1 мкм, причем такая точность обеспечивается даже при высокоскоростной контурной и объемной обработке деталей со знакопеременной нагрузкой на узлы. Высокие требования к техническому уровню станков потребовали усовершенствования традиционных и разработки новых компоновок станков (типа "box in box", "gantry" и др.). Появились новые высокодинамичные цифровые приводы с применением усовершенствованных шлифованных шариковинтовых пар и линейных моторов, новые оптоэлектронные измерительные системы и новые решения для многих других узлов и устройств станков (шпиндельных узлов, мотор-редукторов, инструментальных магазинов и устройств автоматической смены инструментов и др.).

   Соответственно, непрерывно повышались требования и  к направляющим станков, в значительно мере обеспечивающих скоростные, точностные, нагрузочные и другие важнейшие характеристики. Направляющие скольжения совершенствовались главным образом за счет использования нанесения покрытий из синтетических материалов( фторопласт, торсайт, тефлон), позволивших устранить "скачки" при старт-стопных режимах, снизить потери на трение и значительно увеличить скорость перемещения узлов при сохранении высокой демпфирующей способности, благодаря чему на некоторых современных обрабатывающих центрах продолжают использовать такой тип направляющих.

   Однако  у таких направляющих коэффициент  трения остается существенно выше, чем у направляющих качения. Он ограничивает возможность применения особо высоких  скоростей перемещений и предварительного натяга, необходимого для обеспечения высокой жесткости и высокой точности при реверсах и знакопеременных нагрузках. Ограниченное применение имеют и гидродинамические, гидростатические и аэростатические направляющие скольжения из-за недостатков и ограничений, о которых говорилось ранее. Таким образом, основным типом направляющих на большинстве современных наиболее производительных высокоскоростных обрабатывающих центров являются новые типы направляющих качения.

   Начальная конструкция направляющих качения, применявшихся на координатно-расточных, шлифовальных и других обрабатывающих станках, претерпела с течением времени ряд усовершенствований: появились накладки из закаленной стали на поверхности базовых деталей из чугуна, подпружиненные ролики на обратных планках на подвижных узлах для создания преднатяга, направляющие с линейным сепаратором уступили место направляющим качения с применением роликовых (или шариковых) блоков - линейных опор качения (так называемые "танкетки").

   Внешний вид и конструкция одной из форм "танкетки" показан на рис. 3.

      Рис. 3. Конструкция роликовой опоры  качения.

   Корпус "танкетки" крепится к подвижному узлу станка. Ролики опираются на рабочую  дорожку корпуса и на направляющую неподвижного узла станка. "Танкетки" обычно устанавливаются по концам подвижного узла (а при необходимости - и в его средней части) и совершают возвратно-поступательное движение.

   Их  использование позволило значительно  повысить скорость перемещения узлов (до 15…25 м/мин), обеспечить за счет предварительного натяга отсутствие зазора в системе направляющих. Практика использования роликовых опор на станках Ивановского завода тяжелого станкостроения подтвердила их особо высокую нагрузочную способность (например, нагрузочная способность компактной "танкетки" модели RUS 26102 фирмы INA с габаритными размерами LхBхH=102х40х26 мм равна 95 кН).

   Системы роликовых направляющих обеспечивают возможность повышения скоростей  быстрых перемещений узловдо 15…20 м/с с дискретностью перемещений  до 0,001 мм. Однако точность станков на роликовых направляющих оказалась ограничена классом "П", и дальнейшее повышение точности станков (как и скоростей быстрых перемещений узлов) стало возможным только с применением более совершенных направляющих качения.

   Дальнейшее  внедрение направляющих с "танкетками" выявило серьезные технологические трудности, основными из которых были следующие.

   Допустимые  нагрузки на одно тело качения по чугуну примерно в 30 (для шариков) и в 20 раз (для роликов), меньше чем по закаленной стали. Соответственно, для обеспечения  высокой нагрузочной способности и возможности создания необходимого предварительного натяга тела качения должны перемещаться не по поверхности станины, а по стальным закаленным (HRC 58…62) поверхностям специальных накладок или планок.

   Направляющие  планки (обычно прямоугольного сечения) для неподвижного узла должны быть точно (с допуском 10…20 мкм) обработаны по всей длине по верхним и боковым плоскостям для обеспечения точности перемещений и сохранения преднатяга на всем пути подвижного узла.

   Комплект "танкеток" должен быть отрегулирован проставками или клиньями для создания нужного преднатяга и точно выставлен, так как даже незначительные перекосы могут привести к заклиниванию в системе направляющих.

   Изготовление  и монтаж на неподвижном узле станка (станине, стойке идр.) высокоточных шлифованных и закаленных накладок, регулировка "танкеток" связаны с большими временными затратами и требуют привлечения высококвалифицированных специалистов.

   Дальнейшим  усовершенствованием направляющих качения стало появление их нового класса - рельсовых направляющих качения.

   Принципиальным  улучшением у таких направляющих по сравнению с описанными выше системами  роликовых направляющих с "танкетками" является перемещение тел качения  не непосредственно по поверхностям неподвижного узла станка, а по точно обработанным рельсам, устанавливаемым на неподвижном узле.

   При этом тела качения(шарики) размещены  в блоке качения(каретке), которая  поставляется в комплекте с рельсом  и с нужным заказчику заранее  выполненным предварительным натягом.

   Рельсы (обычно два, реже - больше), устанавливаются на неподвижном узле станка, причем точной обработки требуют только две верхние плоскости блока направляющих станины. Плоскость станины, на которые монтируются рельсы, выполняется с упорным буртом (возможно исполнение и без бурта).

     Один рельс выставляется первым  и является базовым, второй  устанавливается "на параллельность" базовому или по упорному бурту,  после чего закрепляется. Таким  образом, устраняются основные  технологические трудности, о  которых говорилось выше при рассмотрении систем направляющих с использованием "танкеток".

   На  каретки (обычно одна или две на одном  рельсе, реже - больше) крепятся подвижные  узлы станка. Рельсовые направляющие качения в настоящее время  являются предпочтительным типом направляющих для наиболее производительных высокоскоростных обрабатывающих центров с ЧПУ, других типов станков особо высокой точности, высокоскоростных роботизированных систем, других машин и приборов. 

2. Принципиальная конструкция шариковых направляющих 

   Принципиальная конструкция шариковых направляющих приведена на рис. 4.Рельс (1) с двух сторон имеет продольные параллельные опорные дорожки (2) для тел качения. Форма и количество дорожек определяются типом тел качения и эксплуатационными характеристиками системы. На рельсе смонтирована подвижная каретка (3), имеющая внутренние продольные опорные поверхности (их количество и форма соответствуют опорным дорожкам рельса) и продольные каналы (4) возврата тел качения. По торцам каретки закреплены торцовые плиты, или крышки (5), обеспечивающие замкнутое перемещение тел качения (шариков в случае рассмотрения шариковых направляющих качения) с опорных дорожек каретки в каналы возврата и обратно. В каретке так же смонтированы ограничители (6), предохраняющие тела качения от выпадения при аварийном смещении каретки с рельса. Рельс и каретка имеют опорные поверхности, соответственно, (7) и (8), для установки на неподвижный и подвижный узлы станка, и монтажные отверстия (9) и (10) для их закрепления.  

Рис. 4. Принципиальная конструкция рельсовой направляющей качения 

   2.1 Шариковые рельсовые направляющие

   1. Наибольшее распространение в  промышленности и, в первую  очередь, в точном машиностроении  и в станкостроении получили  шариковые рельсовые направляющие  качения, у которых радиус кривизны дорожек близок к радиусу шариков.

   Поверхность контакта шариков при приложении нагрузки в этом случае получается не меньше поверхности контакта роликов  в системе роликовых направляющих (в особенности при наличии  таких погрешностей монтажа, как непараллельность, разновысотность, извернутость). В результате нагрузочная способность у соответствующих исполнений шариковых направляющих при тех же размерах может быть и выше, чем у роликовых направляющих. Так, например, японская компания ТНК, изготавливающая как шариковые, так и ограниченное количество роликовых направляющих, приводит такое сопоставление нагрузочной способности (величины С и С0 - в пункте 3.1) шариковых направляющих 25-го типоразмера с удлиненной кареткой SNR25LC, имеющихС=57 кНиС0=101 кН, с роликовыми направляющими того же типоразмера SRG25LC, имеющих С=34,2 кН и С0=75 кН.

   Кроме того, у шариковых направляющих даже при определенных монтажных погрешностях не может произойти блокировки (заедания) каретки, что часто случается  у роликовых направляющих при таких же и даже меньших погрешностях из-за перекоса роликов.

   2. У шариковых рельсовых направляющих  имеются два конструктивных принципа  контакта шариков с сопряженными  поверхностями рельса и каретки:  контакт по двум точкам (при  круговом контуре дорожек, см. рис. 4 а1) и контакт по четырем точкам (при контуре дорожектипа "стрельчатаяарка", см. рис. 4 б1). Круговой контур дорожек имеет преимущество по сравнению с арочным по следующим основным причинам.

   2.1. При приложении нагрузки и  при преднатяге у кругового контура, границы контактной зоны, определяемой диаметрами d1 и d2 (точки В и А на рис. 4 а2), близки к диаметру шариков. Их окружные скорости по отношению к оси вращения шарика мало отличаются друг от друга, вследствие чего дифференциальное проскальзывание поверхности шарика относительно дорожки достаточно мало. Это обеспечивает плавное и легкое движение каретки. При такой же нагрузке при готическом контуре границы контактных зон (точки В и А на рис. 4 б2) имеют большую разницу расстояний от оси вращения шарика, вследствие чего резко увеличивается дифференциальное проскальзывание (см. рис. 4 б3), что приводит к увеличению трения, сопротивления движению каретки и уменьшению долговечности системы. 

   2.2. Из-за монтажных перекосов рельса  и каретки при действии боковой нагрузки при круговом контуре положение точек контакта А и В немного смещается, что не приводит к нарушению плавности перемещения и уменьшению долговечности. При готическом контуре в этих условиях контактные зоны изменяются существенно, что приводит к увеличению трения, усилия сопротивления движению и уменьшению долговечности. Вследствие сказанного в контуре типа "стрельчатая арка" возрастают требования к точности монтажа рельса и каретки.

   2.3. В круговом контуре при контакте  шарика с дорожками рельса  и каретки в двух точках  под действием нагрузки шарик  деформируется плавно и без  существенного искажения своей  формы. В контуре типа "стрельчатая  арка" контакт шарика происходит  в четырех точках, под действием нагрузки его форма искажается сильнее, "шарообразность" теряется. Это приводит к тому, что свободное качение затрудняется, а силы сопротивления движению каретки возрастают. Кроме того, для увеличения преднатяга в контуре типа "стрельчатая арка" требуется значительно большее усилие, чем в круговом контуре, это может существенно влиять на снижение несущей способности и долговечности направляющих. В силу изложенных обстоятельств и некоторых других, являющихся их следствием, круговой контур контактных дорожек рельса и каретки с касанием шарика в двух точках в настоящее время получил преимущественное распространение. Внешний вид рельса с установленной кареткой такого типа приведен на рис. 5.

Рис. 5. Внешний  вид рельсовой направляющей качения  с кареткой. 

   Модельный ряд рельсовых направляющих качения  различных производителей содержит десятки и даже сотни типоразмеров. Выбор серии и нужного типоразмера  рельсовых направляющих и кареток  производится по аналогии с выбором  подшипников качения - на основании инженерных расчетов. При этом необходимо учитывать размеры и тип станка (машины, механизма), характер применения, особенности технологического цикла, температурный режим и другие параметры, определяющие технические требования к системам рельсовых направляющих.

   Продукция основных компаний-производителей компонентов  систем линейных перемещений и линейных направляющих в частности достаточно хорошо известна отечественным машиностроителям. Фирменные каталоги были доступны в  научно-технических библиотеках, которые сегодня постепенно заменяет Интернет. Образцы продукции регулярно демонстрируются на различных выставках, таких как московские "Металлообработка" и "Машиностроение". В течение многих лет в России использовались направляющие ТНК, Rexroth, INA, Thomson, Schneeberger, NSK и др., например, в составе серийно выпускаемой продукции и экспериментальных моделей станков Ивановского завода тяжелого станкостроения (традиционно INA и Rexroth), Стерлитамакского станкостроительного и Савеловского машиностроительного заводов (Rexroth и THK).

   В Российской Федерации рельсовые  направляющие качения сопоставимого  качества, к сожалению, не производятся. На Липецком станкостроительном заводе в порядке эксперимента начато освоение технологии изготовления шариковых  рельсовых направляющих качения (РНК) - мелкими сериями по предварительному заказу. В настоящее время завод может производить четыре модели таких направляющих (СМ25ТА, СМ25ТУ, СМ45ТАи СМ15), однако недостаточное количество типоразмеров и конструктивных исполнений, ограниченность их технических параметров (классы точности P, SP и UP не изготавливаются) пока что не позволяют им занять сколько-нибудь заметное место на российском рынке компонентов для машиностроения. Информация об этой продукции, ее характеристиках и возможностях производства, включая руководство по эксплуатации (2-29849377-РЭ), имеется на значительном количестве предприятий, однако в станкостроении, в машиностроении и в промышленности вообще преимущество остается за иностранными компаниями.

   В последние годы появились новые зарубежные фирмы, выпускающие линейные направляющие, в том числе и рассматриваемый нами класс РНК, и информация о продукции которых мало известна потенциальным отечественным потребителям. Поскольку достаточно полно осветить продукцию всех новых фирм в рамках одной статьи не представляется возможным, в разделе 4 подробно рассматриваются рельсовые шариковые направляющие качения только фирмы SBC (SBC Linear Co., Ltd., Сеул, Южная Корея).

   SBC производит цилиндрические, роликовые  V-образные и шариковые рельсовые направляющие качения и каретки к ним, а так же дополнительное оборудование и компоненты. На этой элементной базе изготавливаются линейные модули и готовые системы линейных перемещений. Продукция компании SBC имеет современный технический уровень, представлена в каждой категории несколькими отдельными сериями с десятками типоразмеров для различных применений и, вследствие более приемлемой стоимости и сроков поставки, может оказаться более предпочтительной для отечественных потребителей по сравнению с продукцией других фирм, перечисленных выше. 

   3.Основные  требования к рельсовым  направляющим качения  (шариковым направляющим) и соответствующие им технические характеристики 

   Поскольку РНК и шариковые направляющие как один из их подвидов, дороже перечисленных выше других типов направляющих, они в настоящее время применяются, в основном, в машинах высокого технического уровня. Так в сегменте металлорежущих станков РНК применяются преимущественно в обрабатывающих центрах, применительно к которым и будут сформулированы количественные показатели техтребований.

   1. Направляющие должны воспринимать  действующие на них нагрузки  без нарушения работоспособности  в течение определенного суммарного  пути движения каретки, который  может быть пересчитан в ресурс работоспособности по времени. Признаком нарушения работоспособности является появление усталостного нарушения (питтинга) на телах качения или дорожках рельса (каретки).

   При эксплуатации станка на его подвижные  части (узлы) действуют силы и моменты, которые передаются и направляющими. В общем случае на направляющие действуют:

   1.вертикальные  и горизонтальные силы, перпендикулярные  направлению перемещения каретки  (силы, действующие вдоль направления  перемещения каретки, воспринимаются  приводом перемещения узла или зажимными устройствами);

   2.моменты,  действующие вокруг трех основных  координатных осей.

   Схема действия нагрузок на направляющие приведена  на рис. 6. 
 
 
 
 

     Рис. 6. Схема действующих нагрузок. 1 - радиальная; 2 - обратная радиальная; 3 - тангенциальная; 4 - момент MY; 5 - момент MZ; 6 - момент MX

   Параметрами направляющих, характеризующими их способность  воспринимать нагрузки, являются базовые  статическая (С0) и динамическая (С) силовые  нагрузки, допустимый статический момент М0 и статический запас прочности fs.

   Базовая статическая нагрузка С0 - это нагрузка постоянной величины и направления, при которой суммарные остаточные деформации поверхностей дорожки и  тела качения в месте контакта, где возникает максимальное напряжение, равны 0,0001 диаметра тела качения. (Термин "базовые" соответствует терминологии ГОСТ 18855 на аналогичные нагрузки подшипников качения.) Таким образом, величина С0 - это максимально возможная статическая нагрузка.

   Базовая динамическая нагрузка С - это нагрузка постоянной величины и направления, при которой с вероятностью 90% работоспособность шариковых направляющих сохранится после пробега не менее чем 50 км, а роликовых направляющих - не менее 100 км. Допустимый статический момент М0 - это момент постоянной величины и направления, при котором сумма деформаций тел качения и поверхностей дорожек в местах контакта, где возникают максимальные напряжения (на телах качения по концам каретки), составляет 0,0001 диаметра тел качения. Величины С, С0 и М0 для каждого типоразмера направляющих и в зависимости от направления действия нагрузки приводятся в фирменных каталогах. Поскольку при эксплуатации направляющих на них воздействуют не постоянные по величине и направлению нагрузки, и возможны толчки, удары и вибрации, компании-изготовители РНК рекомендуют ограничивать предельные величины действующих нагрузок Р и моментов М по сравнению с их базовыми величинами С0 и М0; величина ограничения характеризуется статическим запасом прочности fs, который имеет выражение: