Назначение и основные типы направляющих

Направляющие станков должны обеспечивать правильность траектории движения рабочего органа станка, несущего инструмент или обрабатываемую деталь. Если направляющие используют для перестановки, то они должны обеспечивать правильное положение узла в любой заданной позиции.

К направляющим станков предъявляют следующие основные требования:

1) первоначальная точность изготовления по условиям плоскости граней и их взаимной параллельности, небольшая шероховатость и однородность поверхностей рабочих граней направляющих;

2) долговечность направляющих, которая характеризует их способность сохранять в течение заданного срока времени первоначальную точность;

3) малая величина и постоянство сил трения на направляющих; с увеличением сил трения, и особенно при случайном изменении их величины, возрастают погрешности позиционирования;

4) жесткость направляющих, характеризуемая величиной контактных перемещений на рабочих гранях направляющих под действием внешних нагрузок и являющаяся составной частью общей жесткости несущей системы станка;

5) высокие демпфирующие свойства.

В станках получили применение направляющие с различным характером трения – направляющие смешанного трения, направляющие жидкостного трения, направляющие качения и аэростатические направляющие.

Каждый из перечисленных типов направляющих обладает определенными достоинствами и недостатками, совокупность которых предопределяет целесообразную область их использования.

Направляющие смешанного трения характеризуются высоким и непостоянным по величине трением. Существенную разницу для этих направляющих составляет рубежное значение силы трения покоя (силы трогания) по сравнению с трением движения, которое, в свою очередь, сильно зависит от скорости скольжения.

Значительное трение в направляющих смешанного трения вызывает износ и снижение долговечности направляющих этого типа. Главные достоинства направляющих смешанного трения – высокая контактная жесткость и хорошие демпфирующие свойства. Кроме того, эти направляющие обеспечивают надежную фиксацию подвижного узла станка после его перемещения в заданную позицию.

Наиболее целесообразная область применения направляющих смешанного трения – прецизионные станки с малыми нагрузками и соответственно малым износом рабочих граней направляющих, а также направляющие для редких установочных перемещений.

Направляющие жидкостного трения осуществляются в станках главным образом в виде гидростатических направляющих, так как для создания гидродинамических давлений скорости движения, как правило, недостаточны. Чисто вязкое трение в гидростатических направляющих полностью устраняет потерю устойчивости и возможность скачкообразного движения при малых скоростях. Кроме того, направляющие жидкостного трения обеспечивают исключительно высокую чувствительность при позиционировании и отработке малых перемещений.

В направляющих жидкостного трения отсутствует износ, долговечность их практически не ограничена. Достоинством гидростатических направляющих является также высокое демпфирование, что обеспечивает высокое качество поверхности при окончательной обработке деталей.

Недостатки направляющих жидкостного трения связаны с необходимостью сложной системы циркуляции, сбора и тщательной очистки смазочной жидкости, а также с трудностями фиксации узла станка после его перестановки в заданную позицию. Жесткость направляющих жидкостного трения несколько ниже жесткости направляющих других типов.

Наиболее целесообразная область применения направляющих жидкостного трения – станки с высокими требованиями к точности и шероховатости поверхностей обрабатываемых деталей.

К недостаткам аэростатических направляющих следует отнести их склонность к автоколебаниям, небольшую грузоподъемность и не столь высокую надежность, как у других типов направляющих. Область применения аэростатических направляющих – точное позиционирование слабо нагруженных узлов станка и различные вспомогательные перемещения, а также движение с особо высокими скоростями.

Аэростатические направляющие по сравнению с направляющими жидкостного трения имеют значительно меньшее трение при движении, а при прекращении подачи воздуха обеспечивается надежная фиксация подвижного узла. Кроме того, при аэростатических направляющих нет необходимости в циркуляционной системе подачи воздуха.

а б в г

Рис. 3. Основные формы направляющих:

а – прямоугольные; б – треугольные; в – трапециевидные; г – цилиндрические

Направляющие качения обладают малым трением и износом и при условии надежной защиты от загрязнений обеспечивают достаточно высокую долговечность, высокую контактную жесткость, особенно роликовые направляющие при правильно выбранной величине предварительного натяга. К недостаткам направляющих качения относятся сравнительно большая дисперсия силы трения из-за случайных погрешностей сопрягаемых поверхностей и трудности фиксации подвижного узла.

Направляющие качения используют в прецизионных станках при невысоких требованиях к точности движения, при значительных нагрузках и больших скоростях, наконец, во всех тех случаях, когда сложно создание циркуляционной системы смазки.

Формы направляющихпрямолинейного движения в станках следующие: прямоугольные (плоские), треугольные (призматические), трапециевидные (ласточкин хвост) и цилиндрические. Каждую из этих форм можно применять в виде охватывающих и охватываемых направляющих (рис. 3). Кроме того, часто используют сочетание направляющих различной формы, когда одна из направляющих выполнена прямоугольной, а другая – треугольной или в виде половины трапециевидной формы.

Прямоугольные направляющие отличаются технологичностью изготовления и простотой контроля геометрической точности. В последнее время в станках с ЧПУ они находят все большее распространение, так как отличаются простотой и надежностью регулировки зазоров. В охватываемом варианте исполнения эти направляющие, как и все другие формы, плохо удерживают смазку, а в охватывающем варианте хорошо удерживают смазку, но нуждаются в надежной защите от загрязнений.

Треугольные направляющие обладают свойством автоматического выбора зазоров под действием собственного веса узла. Угловое расположение рабочих граней направляющих усложняет их изготовление и контроль. Трапециевидные направляющие отличаются компактностью конструкции, но сложны в изготовлении и контроле. Устройства для регулирования зазора относительно просты, но не обеспечивают высокой точности сопряжений.

Цилиндрические направляющие в охватываемом варианте не обеспечивают большой жесткости из-за прогиба скалок (штанг), закрепленных на концах; их применяют преимущественно при малой длине хода. При охватывающем варианте у этих направляющих сложно изготовить полукруглые пазы.

Направляющие качения

Качение в направляющих может создаваться при свободном прокатывании тел качения (шариков или роликов) между относительно движущимися поверхностями либо применением тел качения с фиксированными осями (рис. 7). Первый из этих способов получил преимущественное применение в направляющих металлорежущих станков, так как дает возможность разместить большое число тел качения в зоне контакта и обеспечить необходимую жесткость и точность движения. Основной недостаток свободно перекатываемых тел качения заключается в том, что они в 2 раза отстают от подвижного узла в соответствии с эпюрой скоростей, приведенной на рис. 7, в. Поэтому при большой длине хода в станках используют направляющие с циркуляцией, потока шариков или роликов и их возвратом (рис. 7, в).

Рис. 7. Основные схемы направляющих качения:

а – на роликах с закрепленными осями; б – с потоком тел качения;

в – с возвратом тел качения