Направляющие, их виды и конструктивные особенности

Направляющие станка обеспечивают перемещение и требуемое взаимное расположение рабочих органов. При работе они воспринимают вес рабочих органов и нагрузки от сил резания. От свойств направляющих напрямую зависит точность обработки, достигаемая на станке.

К направляющим станков с ЧПУ предъявляют комплекс требований. Они должны обеспечить:

• точность относительного движения рабочих органов и сохранять её в течение установленного периода эксплуатации станка;

• заданную несущую способность;

• минимальное трения и износ оборудования;

• высокую статическую и динамическую жёсткость;

• равномерное перемещение рабочих органов;

• возможность регулировки зазора и натяга.

При этом направляющие должны быть просты в изготовлении и обслуживании.

Виды направляющих

Применяются направляющие скольжения, качения и комбинированные. По характеру трения направляющие скольжения делятся на направляющие полужидкостного трения, жидкостного (гидростатические и гидродинамические) и газового трения (аэростатические). Направляющие качения подразделяются по виду тел качения на шариковые, роликовые и игольчатые.

Каждая из разновидностей направляющих имеет свои особенности и ограничения. В некоторых случаях используются комбинированные направляющие, совмещающие в своей конструкции особенности разных типов.

Также направляющие различают по форме поперечного сечения — прямоугольные, треугольные, трапециевидные (ласточкин хвост) и круглые (цилиндрические). Широко используется сочетание различных форм.

Особенности направляющих разной формы

Прямоугольные направляющие отличаются простотой конструкции и регулировки, способны воспринимать большие нагрузки, технологичны в изготовлении.

Треугольные направляющие обладают свойством автоматического выбора зазора под действием собственного веса узла, но угловое расположение рабочих граней усложняет их изготовление и контроль.

Трапециевидные направляющие компактны, но сложны в изготовлении и контроле. Они довольно просто регулируются, но не отличаются высокой точностью.

Круглые (цилиндрические) направляющие применяются редко. В охватываемом варианте они не отличаются большой жёсткостью из-за прогиба штанг, поэтому их чаще всего применяют при малой длине хода. В охватывающем варианте возникают трудности с изготовлением полукруглого профиля.

Направляющие, реализующие жидкостное и газовое трение

Преимуществами направляющих скольжения с полужидкостным трением являются простота и компактность конструкции, высокая нагрузочная способность и жёсткость, хорошие демпфирующие свойства, относительно низкие затраты на изготовление и эксплуатацию. 

Один из существенных недостатков этого вида направляющих — большие потери на трение. К тому же силы трения непостоянны: величина трения покоя существенно отличается от силы трения движения. На малых скоростях движения узлов появляются скачки, что особенно нежелательно для станков с ЧПУ. Значительное трение ускоряет износ направляющих и снижает их ресурс.

Для уменьшения этих отрицательных эффектов в направляющих используют специальные антискачковые масла и накладки из антифрикционных материалов, например, из фторопласта. 

Направляющие с полужидкостным трением целесообразно использовать в больших станках, где подвижные узлы имеют большую массу и при этом не требуется высокая точность обработки и высокий класс шероховатости поверхности. 

Недостатков, связанных с износом и рывками в перемещении лишены направляющие, в которых реализовано жидкостное трение. Оно достигается либо благодаря гидродинамическому эффекту (эффекту всплывания подвижного узла), либо за счёт подачи между трущимися поверхностями смазки под давлением.

Гидродинамические направляющие хорошо зарекомендовали себя в продольно-строгальных и карусельных станках с их относительно большими скоростями скольжения. В момент разгона и торможения подвижного узла жидкостное трение нарушается — это является недостатком гидродинамических направляющих.

В гидростатических направляющих, в которых масло подаётся под давлением, жидкостное трение реализуется независимо от скорости скольжения. Благодаря этому гидростатические направляющие применяются шире, в том числе в прецизионных станках и оборудовании с ЧПУ. Эксплуатация этого типа направляющих сложнее, чем других описанных типов. Для работы им нужны устройства для подачи, фильтрации и сбора масла. 

Принцип работы аэростатических направляющих (с газовой смазкой) схож с гидростатическими, однако вместо жидкости в рабочий зазор под давлением подаётся воздух. Они отличаются минимальным трением, высокой точностью позиционирования и долговечностью. В то же время нагрузочная способность, жёсткость и динамические характеристики у них несколько ниже, чем у других видов направляющих.

Таким образом направляющие с жидкостным трением целесообразнее использовать для станков с высокой точностью и высоким классом шероховатости, например, в шлифовальных станках.

Направляющие с использованием тел качения

Преимущества направляющих качения по сравнению с уже рассмотренными:

• низкие потери на трение (малое усилие перемещения);

• плавное перемещение рабочего органа на малых скоростях;

• высокая точность установочных перемещений;

• отсутствие всплывания рабочего органа при высоких скоростях перемещений;

• высокая точностная надёжность при хорошей защите от загрязнений;

• низкое тепловыделение при работе;

• простота смазки.

Использование стальных закалённых направляющих с предварительным натягом позволяет устранить зазоры и обеспечить достаточно высокую жёсткость при относительно большой нагрузочной способности.

В направляющих могут использоваться шариковые, роликовые и игольчатые тела качения. Шариковые тела качения по сравнению с роликовыми имеют меньшую площадь контакта, что снижает их нагрузочную способность, а также общую жёсткость. Такой тип тел качения чаще встречается на небольших станках, имеющих относительно невысокую массу подвижных узлов. Роликовые тела качения используются в крупных станках и высоконагруженных узлах.

По конструкции различают направляющие без возврата тел качения и с возвратом по специальному каналу или при перекатывании в замкнутом объёме.

К недостаткам этих направляющих следует отнести высокую стоимость, трудоёмкость в изготовлении и сложность монтажа.

На сегодняшний день направляющие качения являются наиболее распространенными и встречаются почти во всех типах станков. 

Комбинированные направляющие

В станках с ЧПУ могут использоваться комбинированные направляющие качения-скольжения. Они совмещают достоинства направляющих скольжения (простота и компактность конструкции, хорошее демпфирование колебаний, более низкая стоимость) и направляющих качения (малые потери на трение, высокая износостойкость, отсутствие переориентаций рабочего органа при реверсе и др.) Недостатки комбинированные конструкции наследуют также от обоих видов направляющих.

Иногда для создания замкнутых гидростатических опор применяют комбинацию гидростатических опор и направляющих качения. Подпружиненные катки обеспечивают надёжное замыкание гидростатических опор даже при отсутствии постоянной внешней нагрузки.

Защитные устройства для направляющих

Надёжная защита направляющих грязи, мелкой стружки и абразивной пыли является залогом их долговечности. Как уже отмечалось, наиболее чувствительны к загрязнению направляющие качения.

В качестве защитных устройств применяют:

• стационарные литые или сварные щитки, закрепляемые на подвижном рабочем органе;

• телескопические щитки, состоящие из взаимно подвижных щитков с уплотнениями в соединениях (применяются в станках с большой длиной хода);

• защитные ленты из различных материалов (стальные, текстовиниловые, армированные полиамидные и т.п.);

• гармоникообразные меха из различных полимерных материалов.

Выбор защитного устройства зависит от конкретных условий работы и особенностей конструкции направляющих и станка в целом.

Рекомендации

При выборе станка типу направляющих следует уделить особое внимание, так как именно от этого узла зависит точность и долговечность оборудования.

• При выборе большого станка для черновых обдирочных работ, которые не требуют особой точности стоит рассмотреть направляющие с полужидкостным трением, так как они больше приспособлены для данного вида работ, а значит прослужат намного дольше.

• Если же необходима достаточно высокая точность при чистовых и черновых работах, то стоит выбирать направляющие с телами качения.

• При чистовой обработке, требующей прецизионной точности и высокого класса шероховатости поверхности следует выбирать направляющие жидкостного трения.