Направляющие с полужидкостной смазкой

Формы направляющих. Прямоугольные (плоские) направляющие (рис. 11.1, а, табл. 11.1) просты по форме, технологичны при из­готовлении и сборке. На горизонтальной несущей грани хорошо удерживается смазочный материал, но для удаления с нее стружки необходимы дополни­тельные устройства. Для регулирования зазоров требуются планки или клинья. Прямоугольные охватываемые направляющие применяются для поперечин, стоек, консолей станков разных ти­пов, в протяжных, тяжелых токарных и аг­регатных станках (для силовых головок и столов).

Треугольные (призматические) направляющие (рис. 11.1_; б, табл. 11.2, 11.3) в изготовлении сложнее прямоугольных. Охватываемые направляю­щие плохо удерживают смазочный материал. Благодаря автоматическому устранению за­зоров под действием силы тяжести подвиж­ного узла точность его положения повы­шается. При одинаковом нагружении обеих граней направляющие делают симметричны­ми с углом 90°. В случае разной нагрузки на грани более нагруженную из них делают шире. Область применения охватываемых направляющих — станины токарных, ре­вольверных, координатно-расточных Стан­ков, направляющие плиты силовых столов повышенной точности агрегатных станков. Охватывающими направляющими (V-об­разными) снабжают станины продольно- строгальных станков.

Трапециевидные направляющие (типа "ласточкин хвоcт") имеют малые габариты по высоте (рис. 11.1,в),регулируются од­ним клином или планкой. Направляющие сложны в изготовлении, плохо рабо­тают при большом опрокидывающем моменте, в них возникают большие силы трения. Охватываемые направляющие применяют при проектировании салазок суппорта токарных станков, охватывающие — для столов фрезерных стан­ков, станин поперечно-строгальных станков.

Цилиндрические направляющие охватываемого типа (рис. 11.1, г) имеют низкую жесткость, требуют сложных устройств для регулиро­вания зазоров, применяются при небольших ходах рабочих органов.

Направляющие комбинированного типа сохраняют пре­имущества направляющих тех форм, из которых они состоят. Например, ох­ватывающие направляющие, в которые входят одна прямоугольная и одна тре­угольная (рис. 11.1, д), применяют для станин шлифовальных, координатно-расточных, продольно-строгальных, продольно-фрезерных и токарных стан­ков; такие же направляющие охватываемой формы — для станин токарных станков. Направляющие, которые представляют собой комбинацию прямо­угольной и половины трапециевидной (рис. 11.1, е), используют, когда на суп­порт действует опрокидывающий момент, когда требуется обеспечить повы­шенную жесткость регулировочных планок или клиньев, расположенных со стороны отрыва.

Накладные направляющие. Применение накладных направляющих позво­ляет повысить износостойкость и точность станка, улучшить его ремонтопри­годность. Закаленные планки, изготовленные из стали или легированного чугуна, к чугунной станине прикрепляют винтами (рис. 11.2,а, б, д), а к стальной при­варивают (рис. 11.2, в, г). Чтобы не повредить рабочую поверхность направ­ляющей, крепление производят с противоположной ей стороны (рис. 11.2, а, б). Если планки крепят со стороны рабочей поверхности, то после завинчи­вания винты закрывают пробками, изготовленными из бронзы или из того же материала, что и планка (рис. 11.2, 6). С помощью бурта или паза на станине винты разгружают от поперечной силы.

Закаленную стальную ленту толщиной 0,25 мм к направляющим станины приклеивают или прижимают продольными планками или винтами. Пластины из бронзы или ленты из наполненного фторопласта приклеивают к направляю­щим подвижного узла (стола, салазок, бабки).

Требования к материалам для направляющих. Материалы, применяемые для направляющих скольжения с полужидкостной смазкой, должны обладать высокой износостойкостью, особенно в условиях абразивного изнашивания. Коэффициент трения покоя необходимо иметь низкий, а коэффициент трения движения низкий и мало зависящий от скорости движения. Предъявляются высокие требования и к обрабатываемости материалов, особенно в отношении параметров шероховатости.

Направляющие неподвижной детали целесообразно изготовлять из более твердого и износостойкого материала по сравнению с материалом для направ­ляющих подвижной детали.

Направляющие из серого чугуна, В связи с тем что базовые детали станков часто изготовляют из серого чугуна, пару трения чугун—чугун широко приме­няют для направляющих станков, хотя износостойкость ее недостаточна. Износостойкость чугунных направляющих прецизионных станков повышают путем легирования материала станины или накладных планок никелем, хро­мом, молибденом. С этой же целью производят поверхностную закалку од­ной из сопряженных поверхностей до 48...53 HRC_э с нагревом токами высо­кой частоты или газопламенным методом, а также объемную закалку планок из легированного чугуна. Повышают износостойкость направляющих хроми­рованием (слой хрома толщиной 25..30 мкм обеспечивает твердость направ­ляющей до 62...72 HRC_э и повышение износостойкости в 4—5 раз), напыле­нием износостойких покрытий. Коэффициент трения покоя в чугунных на­правляющих с полужидкостной смазкой высокий — в среднем равен 0,25, что обусловливает большую силу трения и соответствующую ей недопустимую для ряда станков (например, с ЧПУ) деформацию привода подач. Значитель­ная разность коэффициентов трения покоя и движения (в среднем 0,09) вызывает относительно большую погрешность позиционирования (до 0,01... 0,02 мм).

Пару чугун—чугун допускается использовать для направляющих станков, выполняющих легкие работы, хорошо защищенных от загрязнений, с удов­летворительным смазыванием, а также для редко работающих или неответст­венных направляющих.

Направляющие из стали. Накладные направляющие скольжения имеют вид массивных планок прямоугольной или треугольной формы. Их рабочая поверхность должна обладать высокой износостойкостью в условиях абра­зивного изнашивания. Поэтому твердость поверхности должна быть не менее 58 HRC [83]. Для треугольных планок толщиной 40 мм и длиной до 1000 мм рекомендуется сталь 18ХГТ, упрочняемая цементацией и последующей объем­ной закалкой, а для планок толщиной 50...115 мм и длиной до 2500 мм -сталь 8ХФ, подвергаемая закалке с индукционным нагревом. Короткие тре­угольные планки (длиной до 600 мм) изготовляют из стали ШХ15СГс объем­ной! закалкой, прямоугольные планки сечением 25х 500 мм — также из стали ШХ15СГ или 9ХС, планки сечением от 40x500 мм до 100x2500 мм — из стали 8ХФ. Для направляющих станков высокой точности рекомендуются азотируе­мые стали 30ХЗМФи38ХМЮА.

Стальные направляющие рекомендуются для станков с числовым про­граммным управлением, станков, предназначенных для цехов крупносерий­ного и массового производств, а также для легких и средних универсальных.

Направляющие из наполненного фторопласта. Наполненный фторопласт — это полимерный материале наполнителем из бронзы, кокса, графита, дисуль­фида молибдена, играющих роль смазочного материала. Наполненный фторо­пласт Ф4К15М5-Л-ЭА в виде ленты толщиной 1,7 мм с помощью эпоксидной смолы наклеивают на направляющие стола, суппорта, салазок. Коэффициент трения в направляющих из наполненного фторопласта в паре с чугуном или за­каленной сталью составляет 0,04...0,06 и в области низких скоростей скольже­ния мало изменяется. Для таких направляющих характерны малая сила тре­ния, высокая износостойкость, достаточная жесткость, удовлетворительная равномерность подачи, высокие точность и чувствительность позиционирова­ния (зона нечувствительности по сравнению с традиционными направляющими скольжения с парой трения чугун-чугун снижается в 3-6 раз). Направляю­щие из наполненного фторопласта применяют в станках с ЧПУ, тяжелых и вы­сокоточных. При использовании нелегированного масла коэффициент трения / в паре чугун—чугун при переходе к движению резко уменьшается, что при­водит к колебаниям скорости скольжения в области малых скоростей. В паре наполненный фторопласт — чугун коэффициент / при переходе к движению не снижается, это обеспечивает ее хорошие антискачковые свойства. При сма­зывании антискачковым маслом коэффициент трения у наполненного фторо­пласта почти не изменяется, у других материалов снижается до 0,1, но остается вдвое выше по сравнению с наполненным фторопластом.

Накладки из наполненного фторопласта наклеивают на направляющие столов, салазок, бабок, поперечин, а также на клинья, регулировочные и при­жимные планки. Ленту приклеивают с помощью клеевой композиции, состоя­щей из эпоксидной смолы, наполнителя (двуокиси титана) и отвердителя, ко­торый вводят в смоляную часть композиции непосредственно перед операцией склеивания. Направляющие из пластмассы обрабатывают не ранее чем через 48 ч после склеивания: фрезеруют смазочные канавки, сверлят (со стороны ленты) отверстия для подвода масла, шабрят, промывают бензином или мине­ральным маслом малой вязкости. Наряду с шабрением производится обработ­ка фрезерованием или шлифованием на станках высокой точности.

Конструкция накладной направляющей из наполненного фторопласта при­ведена на рис. 11.3. Лента 1 помещается в углубление, обработанное на на­правляющей стола 2 (рис. 11.3, б). Для фиксации ленты при приклеивании и повышения прочности крепления ее концов к обоим торцам стола больших габаритов приклеивают текстолитовые планки 3, которые дополнительно кре­пят винтами 4, Если планки не предусмотрены, расстояние от конца приклеен­ной накладки до торца стола должно составлять 5 мм (рис. 11.3, в). Для за­щиты боковых кромок направляющих от смазочного масла и охлаж­дающей жидкости используют антифрикционные пастообразные эпоксид­ные компаунды (рис. 11.3, г). Смазочные канавки на горизонтальных направ­ляющих из наполненного фторопласта выполняют тех же конфигураций, что и на чугунных. Предпочтительными считаются поперечные канавки с подводом масла в каждую (рис. 113, а). Ширина канавки Ъ выбирается в зависимости от ширины направляющей с

На направляющих узлов, перемещающихся вертикально, смазочную канавку изготавливают S-образной формы (рис. 11.3, д); с целью лучшего удержания масла поперечные ее участки изготовляют с небольшим наклоном. Канавки следует располагать в зоне, отстоящей на 8...10 мм от краев направляющей и на 20 мм от концов.

Устройства для регулирования зазоров в направляющих. Предусматривая регулирование зазоров, упрощают технологию изготовления направляющих. Кроме того, регулированием зазоров периодически устраняют последствия их изнашивания.

Прижимными планками (табл. 11.4) после пригонки по их базовой по­верхности создают необходимые зазоры в горизонтальной плоскости направ­ляющих. Регулировочными планками (табл. 11.5, 11.6) изменяют зазоры в прямоугольных и трапециевидных направляющих, когда на их боковую плос­кость, действуют относительно малые силы. Зазоры регулируют винтами или пальцами с эксцентричным элементом. Регулировочные клинья с уклоном от 1:40 до 1:100, перемещаемые в продольном направлении (рис. 11.4), приме­няют для направляющих с тяжелыми условиями работы, при необходимости тонкого регулирования зазоров или повышенных требованиях к жесткости.

С целью снижения податливости направляющих планку или клин располагают на их менее нагруженной боковой стороне.

Устройства для защиты направляющих. Защитные уплотнения выполняют в виде металлических скребков, прикрепленных к торцу стола, суппорта, сала­зок и прижимаемых к направляющим благодаря собственной упругости или пружине (рис. 11.5, а), а также в виде войлочных (рис. 11.5, б), полимерных или комбинированных уплотнений. Металлические скребки не предохраняют зону трения от мелких частиц загрязнений, войлочные уплотнения сами быстро загрязняются и истирают поверхность направляющих. Рабочие поверх­ности лучше очищают резиновые и пластмассовые уплотнения (рис. 11.5, в), применяемые самостоятельно или в комбинации с другими защитными устройствами.

Продольные щитки в виде металлических планок или кожухов (по одно­му на каждую направляющую) прикрепляют к подвижному или неподвижно­му узлу (рис. 11.5, г). Щитки могут быть снабжены уплотнениями или образо­вывать лабиринтное уплотнение.

Телескопические щитки с уплотнениями (рис. 11.5, д) имеют хорошие эксплуатационные свойства и применяются в средних и тяжелых станках.

Гармоникообразные меха (рис. 11.5, е) служат для защиты направляющих шлифовальных, заточных, зубообрабатывающих и других станков в тех случаях, когда на защитное устройство не попадает острая или горячая струж­ка.

Стальная лента, применяемая для защиты направляющих, может быть за­креплена у торцов станины и проходить внутри стола (рис. 11.5, ж) или ста­нины. При использовании двух лент одним концом они прикрепляются к сто­лу, а с противоположной стороны наматываются на барабаны у торцов стани­ны (рис. 11.5, з).

Смазывание направляющих. Подачей жидкого смазочного материала на направляющие скольжения создают на их рабочих поверхностях режим сме­шанного трения, в результате чего значительно снижается скорость изнашива­ния.

Вязкость смазочного материала выбирают в зависимости от условий тре­ния. Если давление в контакте высокое, а скорость скольжения малая, необхо­димо применять смазочные материалы относительно большой вязкости. На­пример, горизонтальные направляющие в узле подачи при значительном нагружении следует смазывать маслом с кинематической вязкостью около 10 • 10 ^-7 m^z/c. а направляющие, работающие при малых и средних нагрузках,— маслом с вязкостью (2,7...6,5) 10 ^-7 м²/с.

Для снижения коэффициента трения покоя и движения в направляющих скольжения узлов при малых скоростях движения, а следовательно, и для обеспечения равномерности малых подач, повышения точности и чувствитель­ности установочных перемещений столов, суппортов и других узлов приме­няют антискачковые масла. В них содержатся присадки, способствующие об­разованию прочной масляной пленки на контактирующих поверхностях, ко­торая сохраняется при малых скоростях скольжения и высоких давлениях в контакте. Для смазывания горизонтальных направляющих станков общего назначения рекомендуется применять масла ИНСп-20 и ИНСп-40, причем первое масло пригодно для системы смазывания, общей с гидросистемой. Для вертикальных направляющих и горизонтальных с вертикальными граня­ми большой площади наиболее подходит масло ИНСп-110.

Поверхности, смазываемые антискачковыми маслами, следует хорошо за­щищать от загрязнений. Применение этих дорогих масел должно быть эконо­мически оправдано.

Смазочный материал подается на направляющие скольжения разными спо­собами. Обычно применяют централизованные циркуляционные смазочные системы последовательного и импульсного типов. Реже используются проточ­ные системы с ручным насосом, с индивидуальными масленками, с роликами, фитильная.

Смазочный материал подается на направляющие со стороны перемещаю­щегося узла или со стороны неподвижного. С помощью распределителя 1 (рис. 11.6) смазочный материал подводится ко всем рабочим поверхностям направ­ляющих. От смазочных точек по канавкам он распределяется по всей площади контакта (рис. 11.6, б). Число к поперечных канавок выбирается в зависимос­ти от отношения длины направляющей / к ее ширине b:

Расчет направляющих. В результате расчета находят размеры направляю­щих, удовлетворяющие критериям износостойкости и жесткости.

Для обеспечения износостойкости размеры направляющих выбирают таки­ми, чтобы наибольшие давления на их рабочих поверхностях были ниже до­пустимых. Для обеспечения жесткости ограничивают контактные деформации на рабочих поверхностях.

Если собственные деформации сопряженных базовых деталей существен­но ниже контактных деформаций направляющих, базовые детали считают аб­солютно жесткими и давления на рабочих поверхностях направляющих опре­деляют приближенным методом. При этом предполагают, что по длине на­правляющих давление в контакте изменяется линейно, а по ширине остается постоянным. Этот метод изложен ниже. Когда собственные деформации базо­вых деталей, таких как длинные столы, ползуны, суппорты, сравнимы с кон­тактными деформациями в направляющих, расчет направляющих выполняют на основе теории балок и плит на упругом основании.

Методику расчета направляющих на износостойкость рассмотрим приме­нительно к прямоугольным направляющим. Ширина их рабочих граней на рис. 11.7 обозначена буквами а,Ь и с, расстояние между серединами граней -буквой е, длина стола — 1. Начало координат 0 выбрано так, чтобы ось Z де­лила пополам ширину а направляющей и длину / стола.

В момент, когда производится резание, стол нагружен следующими си­лами: тяговой Q; тяжести G подвижных частей; резания с составляющими P_x,Р_у ,Р_z; реакциями А, В и С рабочих граней направляющих; трения в направляющих коэффициент трения).

Уравнения равновесия подвижного узла:

Из первых четырех уравнений находят реакции граней направляющих и тяговую силу:

Определяют средние давления на направляющих:

Максимальные давления могут быть определены, исходя из эпюр давления, характер которых связан со значениями координат ^ХА' ^хв' ^хс равнодействующих реакций. Для их определения используются два последних уравнения равновесия стола и дополнительное уравнение переме­щений, являющихся результатом деформирования поверхностей рабочих гра­ней. Это уравнение следует из предположения, что момент внешних сил отно­сительно оси Y

Равный моменту реакций направляющих относительно той же оси

Распределяется между направляющими пропорционально их жесткости, ко­торая сама пропорциональна их ширине. Следовательно, уравнение перемеще­ний имеет вид

Из приведенных уравнений находят координаты х_А, х_в, х_с. По их значе­ниям можно судить о характере эпюр давления на направляющих. Например, при Х_А = 0 соответствующая эпюра представляет собой прямоугольник, при — треугольник, при трапецию. Когда рабочая грань направляющей нагружена не на всей длине, а нагрузка действует на нижнюю планку.

Максимальные давления на направляющих определяют по зависимостям

Считается, что износостойкость направляющих будет достаточной, когда при малой скорости скольжения максимальное давление не выше 2,5...3 МПа, при большой скорости — не выше 1...1.2 МПа. Допустимое среднее давление равно половине допустимого максимального, а для направляющих прецизион­ных и тяжелых станков — 0,1...0,2 МПа.

Расчет направляющих на жесткость включает определение контактных де­формаций их рабочих граней в предположении, что они пропорциональны дав­лениям р на гранях:

где к — коэффициент контактной податливости (принимают = 10мкм-мм² /Н).

Деформации приводят к точке приложения силы резания и вычисляют ту их составляющую, с которой наиболее тесно связана погрешность обработки.