Современная обработка материалов и изготовление сложных деталей предусматривает использование высокоточных станков. Высокоточное оборудование подразумевает, что и детали из которых оно выполнено тоже высокотехнологичны и точны. И для каждого вида станка свои требования для этих деталей.
Чтобы достичь требуемой точности обработки целой партии изделий, нужно обеспечить чёткое выполнение всех необходимых операций и многократное безошибочное их повторение. Такую задачу успешно выполняют станки с числовым программным управлением (ЧПУ).
Перемещение заготовки, обрабатывающего инструмента и связанных с ними элементов конструкции станка обеспечивают направляющие.
Устройство
Самое общее описание направляющей: она представляет собой узел, обеспечивающий перемещение заготовки, инструмента и связанных с ними элементов по нужной траектории с заданной точностью.
Основные части направляющей — прочный вал или профильная направляющая и перемещающиеся по ним подвижные узлы, несущие на себе рабочие элементы станка.
Конструктивные решения направляющей, а также обеспечение перемещения по ней очень разнообразны и подчинены выполнению конкретных задач металлообработки.
Устройство профильной рельсовой направляющей типа Hiwin
Полированные валы
Характеризуются ценовой доступностью и легкостью монтажа, что снижает затраты на ремонт. Не рекомендуются к применению как направляющие для перемещаемых столов, расход которых превышает 1 м, поскольку крепление к станине в двух точках приводит к провисанию под нагрузками. В то же время, пригодны для перемещения шпинделя по оси Z, при условии, что шпиндель не нагружается (гравировка, раскрой тонкого листового металла, резьба по дереву и т.д.) и уравновешивается противовесом.
Недостатки:
- при использовании подшипников качения давление со стороны шарика прикладывается в одной точке, со временем в этой точке продавливается канавка;
- повышенная чувствительность к стружке и пыли;
- невозможность подгонки подшипника к валу и создания преднатяга.
Тем не менее, эти минусы нивелируются низкой стоимостью и простотой замены вала, а проблема пыли и стружки в дерево- и камнеобрабатывающих мастерских решается установкой вытяжки с раструбом непосредственно в рабочей зоне.
Принципы работы
Направляющие станка с ЧПУ закрепляются до такой степени надёжно, чтобы были исключены даже их минимальные сдвиги при работе оборудования — под действием веса, перемещения или вибрации рабочих узлов.
В процессе обработки заготовок по направляющим, под управлением заданной программы, без затруднений передвигаются и прочно закрепляются функциональные узлы станка, обеспечивая выполнение необходимых рабочих операций.
Используются, в зависимости от способа перемещения подвижного узла, направляющие скольжения, качения и комбинированные, которые сочетают как катящееся, так и скользящее перемещение.
Направляющие скольжения, в которых поверхность вала непосредственно соприкасается с перемещающейся по нему втулкой, подвержены действию значительных сил трения, которые в процессе работы значительно меняются по направлению и силе. Нагрузка трением изнашивает направляющие. Кроме того, на работе направляющих скольжения сильно сказывается разность между силой трения в состоянии покоя и силой трения во время движения.
На малых скоростях из-за этой разности перемещение рабочих узлов происходит скачкообразно – для станков с ЧПУ это недопустимо.
Чтобы уменьшить влияние сил трения, применяют антифрикционные пластиковые накладки, а также ряд других способов снижения этих сил. В зависимости от того, каким способом уменьшается трение, направляющие скольжения подразделяются на гидростатические, гидродинамические и аэростатические.
В гидростатических жидкостная (масляная) смазка присутствует при любой скорости скольжения, соответственно, обеспечивается и равномерность движения, и высокая его точность.
У таких направляющих два проблемных момента: сложно устроенная система смазывания, а также необходимость специальных фиксирующих устройств для закрепления перемещенного узла в нужном положении.
Гидростатические направляющие снабжены специальными масляными карманами, в которые смазка подаётся под давлением и вытекает наружу, создавая масляный слой по всей длине соприкосновения поверхностей. Толщина слоя регулируется.
Гидродинамические эффективно уменьшают трение за счёт «всплывания» движущегося узла в масле, заполняющем зазоры между смазочными канавками на рабочих поверхностях направляющих при движении по ним перемещаемых узлов.
Хорошо работают гидродинамические направляющие только при значительных скоростях скольжения.
Проблемными моментами является разгон, а также торможение движущейся части.
Аэродинамические работают на воздушной подушке.
Конструктивно они похожи на гидростатические, имеют карманы, в которые под давлением подаётся воздух.
По сравнению с масляной, воздушная подушка выдерживает меньший вес и хуже гасит толчки и вибрации.
Подводящие воздух пути, как и зазор между разделяемыми поверхностями, легко засоряются.
Вместе с тем, в отличие от гидростатических направляющих, аэростатическим не нужна дополнительная фиксация: сразу после прекращения подачи воздуха подвижная часть плотно садится на вал.
Направляющие качения, в соответствии с формой подшипников, бывают шариковыми и роликовыми. При сопоставимых габаритах роликовые выдерживают более значительную нагрузку. Конструктивно они состоят из комплекта «рельс-каретка», «линейный подшипник-вал», «рельс-рельс с плоским сепаратором».
Такие направляющие имеют сниженные показатели трения, обеспечивают точное перемещение и остановку в нужном положении, при малых скоростях перемещение по ним не теряет плавности. Смазывание направляющих качения также не представляет трудностей.
Вместе с тем, они имеют более высокую стоимость, хуже гасят сотрясения и более, чем направляющие скольжения, чувствительны к загрязнению.
Комбинированные направляющие сочетают скольжение по одним граням со скольжением по другим. Этот вид направляющих наиболее широко распространён и объединяет как достоинства, так и недостатки направляющих качения и скольжения.
Преимущества перед другими типами направляющих:
- в отличие от цилиндрических направляющих, профильный рельс крепится к опоре в нескольких точках, что помогает предотвратить провисание под воздействием нагрузок со стороны шпинделя или стола;
- на боковой поверхности вырезаны дорожки качения. Профиль соприкосновения с шариком в подшипнике каретки представляет собой дугу, а не точку, как в валах на опорах, это повышает износостойкость направляющих.
Профильные направляющие реализуются как в виде отдельных рельсов, так и в комплекте с каретками. Второй вариант в силу особенностей производства предпочтительнее. После изготовления профиль направляющих обмеряется на стенде, по результатам замера они маркируются цифрами, обозначающими отклонение от номинального размера. Так же маркируются и каретки. Комплектация проводится попарно с учетом отклонений, за счет чего достигается отсутствие люфтов и жесткость системы. Люфты, возникающие в процессе эксплуатации из-за износа, выбираются за счет боковых прижимных пластин.
Класс преднатяга направляющих
При выборе направляющих учитывается соответствие условий работы классу преднатяга. Он увеличивает внутренние напряжения, что при работах, не связанных с ударными нагрузками (гравировка на малую глубину), уменьшает срок службы. В то же время, в условиях сильных вибраций (грубая обработка и гравировка на большую глубину по камню) преднатяг гасит деформирующие усилия и продлевает срок эксплуатации.
Классификация, области применения, достоинства и недостатки
Форма несущего вала направляющих может быть линейной и круговой; их располагают горизонтально, вертикально и наклонно. Закрепление направляющих производится либо по всей длине, либо только на конечных участках.
По профилю вала линейные направляющие подразделяются
Цилиндричесая рельсовая направляющая
Цилиндрические рельсы (полированный вал). Форма сечения – круг. Полированный вал является самой бюджетной и распространённой направляющей, лёгкой в обработке и установке: закрепляются лишь концы. Поверхность такого вала закалена, гладкость её практически идеальна, движение подшипниковых муфт по этой поверхности происходит с очень небольшим трением.
Однако там же, где достоинства, коренятся и недостатки: лёгкость крепления – это, в то же время, отсутствие жёсткой связи с рабочим столом и провисание в случае значительной длины и/или нагрузки.
Комплект «шариковый подшипник-полированный вал» отличается невысокой ценой. При этом у подвижных втулок небольшая грузоподъёмность. Как правило, имеется люфт, который увеличивается по мере эксплуатации. Срок службы при нормальных температурных условиях составляет 10000 часов, но при нагревании рабочей зоны значительно сокращается.
Направляющая со шлицевым валом
Направляющая со шлицевым валом имеет профилированные прямые углубления-борозды, дорожки качения, по всей длине, предназначенные для дополнительного закрепления перемещающихся по валу втулок с рабочими узлами станка. При этом люфт, по сравнению с полированным валом, значительно уменьшается и, ввиду более сложной технологии изготовления, возрастает цена таких направляющих.
Направляющие с плоскими рельсами прямоугольного сечения, как правило, профилированы шлицами под применяемые тела качения.
Так, шариковые профильные направляющие обеспечивают прецизионное перемещение, действительную прямолинейность, грузоподъёмность. У них низкий люфт. Они износоустойчивы. Их используют для комплектования робототехнических линий, в металлорежущих станках и прецизионной металлообработке
профильная рельсовая направляющая типа hiwin с роликовыми и шариковыми телами качения
Вместе с тем, устанавливать такие рельсы достаточно сложно; высоки требования к прямолинейности и шероховатости. По стоимости, ввиду сложности производства, они гораздо менее доступны, чем полированные валы.
Роликовые профильные направляющие имеют плоские дорожки качения. В опорных модулях установлены ролики. Ещё грузоподъёмнее, жёстче и долговечнее, чем шариковые шлицевые. Используются во фрезерных станках с высокой нагрузкой.
Призматическая направляющая ласточкин хвост
Призматические направляющие с рельсами треугольного сечения и направляющие «ласточкин хвост» с трапециевидным сечением применяют там, где нужны соединения повышенной жёсткости, например, в металлорежущих станках.
В частности, направляющие «ласточкин хвост» выполняются со станиной как одно целое. Изготовление, а также ремонт «ласточкиных хвостов» — сложные процедуры, требующие больших трудозатрат. Вместе с тем, они обеспечивают высокоточное перемещение подвижных элементов.
Технические характеристики
Благодаря своей конструкции, направляющие обеспечивают только одну степень свободы при перемещении по ним подвижного узла.
По «роду деятельности» они должны обладать высокой прочностью и износостойкостью.
Поэтому основными материалами для изготовления их опорных частей (валов и рельсов) являются:
серый чугун. Его используют при изготовлении направляющих, которые составляют одно целое со станиной.
Сталь. Её применяют для изготовления съёмно-накладных направляющих. Используют закалённые стали с высокой твёрдостью (60-64HRC), например, марки 40Х с закалкой ТВЧ.
Изготовление направляющих предусматривает такую их длину, которая обеспечивает полное покрытие станины либо наращивание до требуемых размеров.
Нормы точности при изготовлении направляющих стандартизованы и составляют 0,02мм допустимого отклонения при длине 1 метр.
Регламентируется также допустимая шероховатость поверхности и габаритные размеры в соответствии с рабочей нагрузкой.
В частности, на небольших станках, имеющих рабочее поле 30х40см диаметр направляющих должен составлять 2,5 см.
Площадь рабочего поля и твёрдость обрабатываемого материала определяют также необходимый класс направляющих. Так, при рабочей площади свыше 0,7м2 с обработкой стальных заготовок потребуются только профильные рельсы. Более бюджетный вариант полированного вала в этом случае непригоден.
Для каждой конкретной области работ по разработанным алгоритмам проводится расчёт, определяющий оптимальный вариант параметров направляющих станка.
Чтобы уменьшить коэффициент трения, применяют пары скольжения «металл-пластик», причём пластиковыми насадками служат фторопласт, тефлон, торсайт и подобные материалы.
Для обеспечения плавности движения гидростатических и комбинированных направляющих используют специализированные «антискачковые» масла.
Линейные направляющие для станков
Линейные направляющие
- шариковые направляющие
- роликовые направляющие
- миниатюрные направляющие
Шарико-винтовые передачи
- стандартные ШВП
- высокопрецизионные ШВП
- катаные ШВП
Валы и втулки
- шлицевые валы
- шариковые втулки
Актуаторы, линейные приводы
Горизонтальный обрабатывающий центр
Наиболее сложным и точным среди металлорежущих станков являются обрабатывающие центры. Высокоточные и жесткие по конструкции линейные направляющие с сепаратором и шарико-винтовые пары (ШВП, шарико- винтовые передачи) используются как для рабочих столов, устанавливающих и перемещающих обрабатываемую деталь быстро и с высокой точностью, так и для перемещения обрабатывающего инструмента. Подшипники с перекрестными роликами (поворотные кольца) – обеспечивают плавное вращение поворотных столов.
Направляющие для фрезерных станков
Хотя обрабатывающие центры и токарные станки с ЧПУ стали наиболее массовой продукцией станкостроения, фрезерные станки сохраняют свою область применения в передовых областях машиностроении. Наиболее совершенные станки, которые позволяют обрабатывать детали со сверхвысокой точностью могут работать только под контролем высококвалифицированных рабочих. Чтобы устранить этот весьма квалифицированный, но ручной труд THK поставляет шарико-винтовые передачи и линейные направляющие для фрезерных станков, которые применяются в системах линейного перемещения и позволяют избегать ненужных перемещений обрабатывающих узлов и обрабатываемых деталей.
Направляющие для токарных станков с ЧПУ (числовым программным управлением)
Наряду с обрабатывающими центрами, токарные станки с ЧПУ (числовым программным управлением) играют важную роль в машиностроении. Направляющие для токарных станков и ШВП THK востребованы для перемещения держателей инструмента токарного станка благодаря высокой жесткости и точности. Компактная конструкция линейных систем THK способствует уменьшению размеров оборудования.
Направляющие для продольно-фрезерных станков
Продольно-фрезерный станок – это большой фрезерный станок. Очевидно, заготовка детали для такого станка тоже большая и тяжелая. Однако, если для перемещения рабочего стола используются линейные направляющие THK высокой жесткости, то стол перемещается плавно и с высокой точностью.
Направляющие для зубофрезерных станков с ЧПУ
В зубофрезерных станках, на которых изготавливаются шестерни для редукторов различного назначения, традиционно использовались линейные направляющие скольжения. Их конструкция была усложнена обвязкой трубопроводов и системой контроля и подачи смазки. Возможно упростить конструкцию и увеличить время между техническим обслуживанием, использовав линейные направляющие и ШВП THK со смазыванием.
Направляющие для шлифовальных станков
Гидравлические цилиндры использовались до последнего времени для движения рабочего стола с заготовкой. Теперь для движения рабочего стола используются сервосистемы с шарико-винтовыми передачами. Такое решение увеличивает скорость и точность позиционирования и позволяет увеличить производительность станка. При этом не требуется использования гидравлической системы, это способствует чистоте и устраняет вредное влияние на окружающую среду.
Чтобы купить направляющие для станков или ШВП для станков пришлите, пожалуйста, их обозначения, необходимые характеристики и информацию об условиях эксплуатации.
