Направляющие качения или скольжения что лучше
ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
Главная страница » Направляющие для станков
Направляющие для станков
Направляющие для станков должны удовлетворять следующим требованиям:
1. Точность перемещения, точность позиционирования.
2. Долговечность сохранения точности.
3. Равномерность перемещений на малых скоростях, т.е. отсутствие скачков.
4. Нагрузочная способность.
5. Высокая износостойкость.
6. Высокая жёсткость.
7. Отсутствие вибраций.
8. Малые силы трения.
9. Ремонтопригодность.
10. Высокая демпфирующая способность.
Жизненно важным для долговечности направляющих является организация надежной системы смазки, а также их защита от попадания пыли, песка и других частиц. Для высокой жесткости необходима высокая точность изготовления и сборки направляющих. Нагрузочная способность зависит от размеров направляющих, материала, твердости и других факторов.
Виды направляющих для станков
Рассмотрим основные виды направляющих для металлорежущих станков, в том числе и станков с ЧПУ.
1. По типу движения разделяются:
— Линейного движения
— Кругового движения
2. По расположению в пространстве:
— Вертикальные
— Горизонтальные
— Наклонные.
3. По виду контакта между подвижными элементами:
— Скольжения
— Качения
— Комбинированные
ГОСТ 7599
Основные требования к металлорежущим станкам в том числе и направляющим для станков определяет ГОСТ 7599. Необходимая шероховатость, твердость направляющих скольжения и качения, их материалы, методы контроля направляющих, допустимые отклонения пятен контакта, а также требования к шабрению направляющих оговорены в данном ГОСТе. Здесь повторяться не будем, кому надо знать шероховатость, твердость, нормы контроля смотрим ГОСТ.
Также ГОСТ оговаривает недопустимость одинаковой твердости направляющих, перемещающихся друг по другу. Обычно неподвижную часть направляющих выполняют более твердой из более износостойкого материала или покрытия, чем подвижную часть. Используют различные материалы, различные структуры.
Износ направляющих для станков
Износ направляющих ведёт к потере точности станка, поэтому необходимо бережно обращаться с направляющими и производить должное их обслуживание, вовремя осуществлять смазку, защищать от попадания пыли, абразива и других загрязнений, которые могут привести к царапинам, задирам на направляющих.
Существует большое количество причин, вызывающих износ направляющих:
— Механический износ в виде стирания поверхностного слоя направляющих от сил трения.
— Износ от заедания направляющих в том числе по причине схватывания.
— Окислительный износ от воздействия химических веществ, температуры и т.д.
— Износ от попадания пыли, невозможность обеспечения 100% защиты.
— Не качественная смазка и ее не совершенность.
— Частые остановки и реверс перемещения.
— Неравномерный износ и деформации направляющих. Неравномерный износ направляющих станины по длине у токарных станков при продольном точении – это главная причина снижение точности станка.
Износ направляющих будет сказываться по шуму, а также потери точности обработки. Что потребует измерение направляющих специальными измерительными приспособлениями с установлением величины износа. При недопустимом значении станок требует восстановление направляющих.
Статистика советского времени показала, что износ направляющих станины токарных станков с диаметром обработки 400-600 мм стальных деталей составляет 35…40 мкм/год, только занятых чистовой обработкой, а для занятых черновой обработкой 50 мкм/год при двухсменной работе. Для смешанной обработки стали и чугуна (черновой/чистовой) — 70…90 мкм/год. Чередование обработки стали и чугуна ведет к дополнительному увеличению износа. В массовом производстве износ направляющих в 2-3 раза выше.
Важным для снижения износа направляющих является хорошая защита от пыли, возможно двойная защита, а также своевременная смазка.
Для направляющих качения используется консистентная смазка, а для направляющих скольжения — жидкая смазка, поэтому преобладает больший расход, за которым следить надо более чаще. Для направляющих скольжения применяют антискачковые масла.
При должном уходе за направляющими их износ снижается в 1,5-2 раза и больше.
Неправильная установка станка с не жесткой станиной приводит к нарушению точности контакта и возрастанию давления, что в итоге приводит к увеличению износа направляющих. Также установка без крепления станка к фундаменту приводит к скручиванию станины и снижению точности. Неравномерность усадки фундамента также приводит к быстрому износу направляющих.
Ремонт направляющих для станков
Ремонт направляющих это довольно распространенный вид работ при капитальных ремонтах станков, а также при модернизации станков. Трудоемкость ремонта направляющих для тяжелых станков составляет 40-50% трудоемкости капитального ремонта всего станка.
Восстановление направляющих осуществляют различными способами:
1. Ручное штрабление. Если износ небольшой, и не большая площадь поверхности.
2. Обработка на продольно-строгальных, продольно-фрезерных, или специальных шлифовальных станках. Применяют если износ более 0,5 мм, а также большая площадь поверхности.
3. С помощью приспособлений. Если станина станка очень большая, то ее направляющие обрабатывают на месте с помощью специальных шлифовальных или строгальных приспособлений.
Также дополнительно делают хромирование, нанесение износостойких покрытий и т.д.
Сравнение направляющих скольжения и качения
Эксперименты над различными направляющими показали следующие результаты.
1. Жесткость направляющих качения с предварительным натягом выше порядка в 3 раза, чем без натяга, и выше, чем у направляющих скольжения смешанного трения. Жесткость направляющих без натяга меньше жесткости направляющих скольжения на 25-50%. Жесткость шариковых направляющих ниже роликовых порядка 2-х раз.
2. Демпфирующая способность направляющих качения при отсутствии движения или на малых скоростях ниже, чем у направляющих скольжения. Направляющие качения с натягом обеспечивают бОльшую демпфирующую способность, чем без натяга.
3. Направляющие качения позволяют производить малые установочные перемещения с высокой точностью, порядка 0,1-0,2 мкм при жёстком приводе. Скачков практически не замечается. Направляющие скольжения смешанного трения без специальных мер по увеличению точности имеют точность установки порядка 10-20 мкм и более, если использовать антискачковые масла и гидроразгрузку, то погрешность составит 2-5 мкм, что все-равно уступает направляющим скольжения.
4. Равномерность движения у направляющих скольжения выше, отсутствуют скачки, в отличие от направляющих скольжения.
5. Сопротивление движению у направляющих качения меньше, ввиду малой величины силы трения и она не зависит от скорости и вязкости масла, в отличие от направляющих скольжения.
6. Нагрузочная способность шариковых направляющих в 20-30 раз меньше роликовых направляющих при равных размерах. Также нагрузочная способность роликовых стальных закаленных направляющих выше, чем у направляющих скольжения незакаленных, а чугунных роликовых направляющих ниже.
7. В условиях колебания узлов направляющих качения с рекомендуемым предварительным натягом показывают меньшие амплитуды колебаний в 1,5…3 раза, чем без натяга.
8. По долговечности. Выход из строя направляющих качения происходит из-за плохой защиты или отсутствия качения роликов. При хорошей защите, нормальном качении роликов и должном обслуживании и нормальной эксплуатации направляющие качения работают много лет, при этом наблюдается минимальный износ. Так после 10-15 лет эксплуатации станка с направляющими качения на них остались видны следы механической обработки, что говорит о чрезвычайно низком износе. Однако направляющие качения больше чувствительны к загрязнению и они больше подвержены загрязнению, что резко может повысить износ, поэтому важно относиться к защите с должным вниманием. Направляющие скольжения смешанного трения имеют износ, т.к. присутствуют трение и высокие температуры. Но в гидростатические направляющие скольжения практически без износа.
9. Экономичность. Направляющие качения более трудоемки в изготовлении и поэтому дороже, чем направляющие скольжения.
Если не брать в рассмотрение стоимость и трудоемкость изготовления, то направляющие качения с предварительным натягом, особенно современной рельсовой конструкции, превосходят направляющие скольжения по всем категориям, кроме демпфирующей способности. Поэтому рельсовые направляющие качения с предварительным натягом нашли широкое распространение в современных станках с ЧПУ.
Однако направляющие скольжения бывают разные не только смешанного трения, а, например, гидростатические, они обладают более высокой нагрузочной способностью, демпфирующей способностью, чем направляющие качения, а также достаточно высокой точностью и низким износом это практически без износные направляющие. Они как раз и будут предпочтительны для ряда станков особенно для больших станков (портальных, горизонтально-расточных и т.д.). Здесь наблюдаются большие припуски, съемы, опрокидывающие моменты, вибрации, где демпфирующие способности играют большую роль. Станки фирмы COBURG, Shcoda, TOS Varnsdorf и другие — это довольно крупные станки, и они имеют направляющие скольжения особенно для перемещения стола. Гидростатические направляющие довольно широко применяются в металлорежущих станках.
Вывод
Выбор направляющих не однозначен, и не ограничен только качения или скольжения, все они имеют разные подтипы, конструкции и характеристики. Один тип подшипников скольжения не пойдет, зато другой тип скольжения будет лучшим выбором (смешанного трения или гидростатические, каленые или некаленые), точно также у направляющих качения (роликовые или шариковые, с натягом или без, стальные каленые или чугунные и т.д.).
При выборе направляющих необходимо отталкиваться от конкретных задач, которые должен решать станок, учитывая в том числе и экономический фактор. Направляющие смешанного трения наиболее экономичны, поэтому их часто используют и в современных станках, где нет требований к быстрым скоростям, точности, прецизионности, равномерности.
Так как к современным станкам с ЧПУ сегодня предъявляются высокие требования по точности и скорости, где направляющие качения с предварительным натягом имеют больше преимуществ, то они и находят большее распространение. Высокоскоростные станки не предназначены для тяжелых условий обработки, в них применяются небольшие съемы и высокие скорости и подачи.
В тоже время закаленные направляющие скольжения или гидростатические направляющие скольжения имеют большую нагрузочную способность, демпфирующую способность, чем направляющие качения, поэтому для больших деталей, больших съемов и больших нагрузок предпочтение отдается направляющим скольжения, особенно гидростатическим.
cnc-club.ru
Статьи, обзоры, цены на станки и комплектующие.
Линейные направляющие, что есть, что лучше?
Линейные направляющие, что есть, что лучше?
Сообщение spike » 25 ноя 2008, 18:16
Обсудим преимущества и недостатки направляющих ласточкин хвост (ЛХ) vs рельсовые направляющие качения (РНК)? Альтернативы, кстати, какие есть?
Пневмоподвес, магнитный подвес.
Моя точка зрения (вроде бы очевидное): РНК в сравнении с ЛХ имеет меньшее сопротивление движению, РНК конструктивно сложнее ЛХ, т.е РНК сложнее в изготовлении.
Как с нагрузочной способностью? Эксплуатационными характеристиками?
Станки, которые я видел на выставке Металлообработка-2008 (с конструкцией которых удалось ознакомиться) были на РНК. Вообще, как считаете, есть еще перспектива у ЛХ?
Re: Линейные направляющие, что есть, что лучше?
Сообщение kentawrik » 25 ноя 2008, 23:35
Re: Линейные направляющие, что есть, что лучше?
Сообщение VShaclein » 26 ноя 2008, 19:31
Re: Линейные направляющие, что есть, что лучше?
Сообщение spike » 26 ноя 2008, 20:14
Re: Линейные направляющие, что есть, что лучше?
Сообщение spike » 26 ноя 2008, 20:53
Re: Линейные направляющие, что есть, что лучше?
Сообщение VShaclein » 26 ноя 2008, 21:01
Re: Линейные направляющие, что есть, что лучше?
Сообщение spike » 27 ноя 2008, 00:08
Направляющие качения для станков по металлу
Направляющие качения для станков из-за большой сложности и стоимости ранее применялись достаточно редко. В настоящее время в связи с разработкой и выпуском станков с ЧПУ эти направляющие применяются достаточно широко.
Основные преимущества направляющих качения: очень малые потери на трение, благодаря чему обеспечивается равномерное и плавное перемещение рабочего органа на малых скоростях; высокая точность установочных перемещений; малые тепловыделения; отсутствие всплывания рабочего органа при высоких скоростях перемещений; малые (в том числе и при трогании с места) требуемые усилия перемещения; высокая точностная надежность при хорошей защите от загрязнений; простота системы смазки. При применении стальных закаленных направляющих с предварительным натягом обеспечивается устранение зазоров и достаточно высокая жесткость при относительно высокой нагрузочной способности.
Недостатки направляющих качения
Главные недостатки направляющих качения для станков — высокая стоимость, трудоемкость в изготовлении и монтаже на станке. Возможно получение пониженного демпфирования вдоль направляющих при отсутствии перемещения или при перемещении с малыми скоростями. Эти направляющие имеют повышенную чувствительность к загрязнению и требуют хорошей защиты.
По типу тел качения данные направляющие подразделяются на шариковые, роликовые и игольчатые (рис. 1).
Рис. 1. Формы тел качения: α — для плоских направляющих; б — для призматических направляющих; в — с крестовым расположением роликов; г — шариковая; 1 — тела качения; 2 — сепараторы. Стрелки указывают направление действия внешних сил
Варианты конструкций направляющих качения
По конструкции направляющие качения могут быть без возврата тел качения и с возвратом по специальному каналу или при перекатывании в замкнутом объеме.
В первом варианте направляющих тела качения располагаются в сепараторе. При перемещении подвижного рабочего органа шарики (или ролики) вместе с сепаратором будут перекатываться и перемещаться вслед за подвижным рабочим органом, но со скоростью, в 2 раза меньшей. При большой величине хода они отстанут и рабочий орган может опрокинуться. Поэтому данные конструкции направляющих качения для станков применяются только при малых перемещениях. Этого не происходит при перемещении направляющих (шариковых и роликовых), имеющих канал возврата. Данные направляющие могут выполняться в двух вариантах. В первом варианте шарики (есть вариант и с роликами) располагаются на всю длину направляющей подвижного рабочего органа. Аналогичную длину имеет и канал возврата.
При втором варианте направляющие выполнены в виде отдельных роликовых блоков (танкеток), которые крепятся на подвижном рабочем органе (рис. 2). Их устанавливается несколько штук в зависимости от величины хода и необходимой нагрузочной способности. Данные роликовые блоки нормализованы и выпускаются специализированными фирмами.
Натяг направляющих качения
Направляющие качения в станках с ЧПУ применяются с предварительным натягом, который устраняет зазоры и обеспечивает значительное повышение их жесткости. Предварительный натяг может быть получен за счет веса узла и внешней нагрузки в незамкнутых направляющих качения.
Недостаток этого способа — невозможность выбора оптимальной величины натяга и его регулирования. Направляющие качения без натяга обычно выполняют чугунными и применяют при малых опрокидывающих моментах или при большой массе узла, когда нет опасности отрыва при приложении рабочей нагрузки. Большинство же направляющих выполняют стальными, закаленными до твердости 59–62 HRC, с предварительным натягом.
В замкнутых направляющих предварительный натяг создают двумя способами: пригонкой размеров или регулировочными устройствами. Первый из них прост конструктивно и дает высокую жесткость, однако натяг невозможно регулировать в процессе эксплуатации и необходимо выдерживать размеры с большой точностью, так как максимальные величины натяга для шариковых направляющих не должны превышать 7–10 мкм, а для роликовых — 10–15 мкм. Рекомендуемые величины натяга обычно составляют 5–6 мкм. Данные направляющие, имея предварительный натяг, воспринимают все виды внешних сил.
Второй способ создания предварительного натяга лишен этого недостатка, но сложнее конструктивно. Натяг создается за счет регулировочных элементов (клиньями, винтами, пружинами). При этом желательно, чтобы эти устройства во избежание снижения жесткости не воспринимали основную нагрузку.
На рис. 2 показан вариант установки роликовых блоков и создание предварительного натяга. Направляющие качения для станков с ЧПУ выпускают многие специализированные фирмы.
Рис. 2. Роликовая опора (танкетка), способ ее крепления и создания предварительного натяга: α — конструкция (1 — корпус опоры; 2 — ролики; 3 — болты крепления опоры к рабочему органу станка); б — создание предварительного натяга (1 — регулировочный клин; 2 — роликовый блок; 3 — направляющая станины)
Направляющие качения и скольжения
Их недостатки также являются совместными, которые присущи как направляющим скольжения, так и качения.
В отдельных случаях применяется комбинация гидростатических опор и направляющих качения для станка в качестве способа создания замкнутых гидростатических опор. Подпружиненные катки могут обеспечить надежное замыкание гидростатических опор даже при отсутствии внешней постоянной нагрузки.
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;
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.
Если вы планируете покупку станочного оборудования, но затрудняетесь с выбором, консультанты маркетплейса СТАНКОТЕКА подберут для вас оптимальные варианты с учётом всех обстоятельств и стоящих перед вами задач. Свяжитесь с нами или оставьте заявку на сайте.