НАПРАВЛЯЮЩИЕ КАЧЕНИЯ

АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ

Направляющие качения широко применяют в конструкциях станков с ЧПУ. Они обладают следующими преимуществами: обеспечивают при весьма малом коэффициенте трения μ = 0,005 точные перемещения при реверсах, равномерное переме­щение при низких и высоких скоростях; работу без зазоров; вы­сокую жесткости; малое тепловыделение; длительное сохранение точности; простоту смазки. Эти свойства обеспечивают с высокой точностью повторяемость выхода на позицию, что осо­бенно важно для многооперационных станков, возможность высокой точностью повторяемость выхода на позицию, что осо­бенно важно для многооперационных станков, возможность уменьшения мощности двигателей приводов подач, стабильные повышенные точность и долговечность. Направляющие качения лишены основных недостатков направляющих смешанного тре­ния, однако имеют следующие недостатки: высокие затраты на изготовление, так как направляющие качения должны изготов­ляться значительно точнее направляющих смешанного трения; пониженную демпфирующую способность в направлении пере­мещений; могут работать лишь в условиях очень хорошей защи­ты; трудность создания конструкций, воспринимающих значи­тельные опрокидывающие моменты. Направляющие, не имею­щие зазоров (работающие с предварительным натягом), должны изготовляться исключительно с высокой точностью, причем их твердость должна быть не ниже HRC 60.

Направляющие качения конструируют незамкнутыми и замкнутыми. Незамкнутые направляющие применяют только для горизонтального перемещения, при этом разъединению ос­новных сопрягаемых поверхностей препятствует сила тяжести перемещаемого узла или, если вес узла недостаточен, дополни­тельно создаваемая сила (например, с помощью пружин или гидроцилиндра), направление которой совпадает с направлени­ем силы тяжести. Конструктивно незамкнутые направляющие проще замкнутых, но не могут воспринимать больших опроки­дывающих моментов. В этом случае применяют более сложные замкнутые направляющие.

В замкнутых направляющих разъединению основных сопрягаемых поверхностей препятствуют различные жесткие конструктивные элементы, например, планки, или же охваты­вающая форма этих направляющих. В зависимости от исполь­зуемого типа тел качения направляющие делятся на роликовые, шариковые, игольчатые и роликовые на осях.

Различают направляющие; 1) без предварительного на­тяга, в которых натяг осуществляется только весом узла; 2) на­правляющие с частичным предварительным натягом, который создается, например, для исключения зазоров в горизонтальном направлении;3) направляющие с предварительным натягом, в которых натяг создается с помощью специальных устройств.

Направляющие без предварительного натяга применяют в узлах, вес которых обеспечивает прилегание направляющей к телам качения даже при действии наибольших возможных оп­рокидывающих моментов.

Роликовые направляющие без предварительного натяга чаще всего выполняют в виде комбинации плоской и V-образной направляющих.

Наличие V-образной направляющей исключает зазоры в горизонтальной плоскости. При отсутствии ударных нагрузок и хорошей защите направляющие могут изготовляться из чугуна

Одну деталь можно пришабрить и проконтролировать по сопря­гаемой детали. В этом случае необходимо, чтобы диаметр роли­ков на V-образной направляющей, имеющей угол наклона гра­ней 45°, был меньше диаметра роликов на плоской направляю­щей в 1,414 раза. Эти направляющие имеют наименьшую жест­кость из всех других форм направляющих, особенно при дейст­вии боковых сил и моментов в плоскости направляющих. Одна­ко при большом весе перемещающегося узла и значительной длине направляющих их жесткость достаточно велика.

Шариковые направляющие без предварительного натяга выполняются в виде комбинации плоской и призматической на­правляющей на одной детали с двумя призматическими направ­ляющими на другой. Шариковые направляющие должны изго­товляться стальными закаленными, так как чугунные шарико­вые направляющие имеют низкую нагрузочную способность. Требования к точности изготовления углов призм у таких на­правляющих ниже, чем у роликовых направляющих, поэтому изготовлять шариковые направляющие проще, чем роликовые. Жесткость шариковых направляющих ниже жесткости ролико­вых в 1,5-2 раза. Из-за низкой нагрузочной способности шари­ковые направляющие следует применять в узлах, имеющих не­большой вес и нагруженных небольшими силами.

Направляющие качения с предварительным натягом все­гда замкнутые; они не имеют зазоров и могут применяться в уз­лах, на которые действуют значительные опрокидывающие мо­менты. Отсутствие зазоров и повышенная жесткость обуславли­вают предпочтительное применение направляющих с предвари­тельным натягом в высокоточных станках. Однако затраты на изготовление таких направляющих выше затрат на изготовление направляющих без предварительного натяга.

Предварительный натяг в замкнутых направляющих создают двумя способами: пригонкой размеров или регулиро­вочными устройствами. Первый способ прост конструктивно и дает высокую жесткость, однако он имеет недостатки - невоз­можно регулировать натяг в процессе эксплуатации и сложно подгонять требуемый натяг при первоначальной сборке. Второй способ при усложнении конструкции, увеличении размеров и меньшей жесткости лишен данного недостатка.

Для создания натяга с помощью регулировочных уст­ройств одну роликовую опору закрепляют в корпусе неподвиж­но, а противоположную с помощью регулировочного устройства можно перемещать в процессе монтажа (рис.53). В конструкци­ях, где необходима самоустановка опор, рекомендуется приме­нять устройства с пружинами (рис.53, б) или винтами с шарико­выми опорами (рис.53,е), а в конструкциях, где самоустановка необязательна, но важна высокая жесткость - регулировочные устройства с клиньями (рис. 53. в и г).

Натяг в направляющих качения без циркуляции тел ка­чения создается прокладками или перемещением планок регу­лировочными винтами, Для повышения демпфирующей способ­ности в направлении перемещений часто в станках используют комбинированные направляющие, в которых часть поверхно­стей направляющих работает в режиме качения, а часть в режи­ме скольжения, применяют три основных вида комбинирован­ных направляющих качения - скольжения:

1) направляющие, в которых основные поверхности скольжения, а боковые качения (рис.54,а); в таких направляв­ших устранено влияние боковых зазоров;

2) направляющие, в которых основные поверхности ка­чения, боковые - скольжения (рис.54,6);

3) направляющие, в которых основные поверхности скольжения дополнены подпружиненными роликовыми опора­ми (рис. 54, в).

В станках с ЧПУ всех типов широко применяют направ­ляющие, приведенные на рис.54,а. В направляющих тяжелых станков для разгрузки подвижных узлов используют направ­ляющие, приведенные на рис.54,в. На рис.54, д,г представле­ны направляющие для узлов, перемещающихся в вертикальной плоскости (боковые суппорта карусельных станков).

Направляющие качения представляют собой сочетание роликовых опор в сопряжении с термически обработанными стальными накладными планками из цементируемой стали типа 20Х с последующей закалкой до твердости НRСэ 59-63.

В узлах, имеющих большие хода, используют конструк­ции с возвратом тел качения. Для этой цели помимо устройства с замкнутой цепью изготовляют роликовые блоки с возвратом роликов (рис.55,а), получившие в настоящее время очень широ­кое распространение. Средняя часть блока служит направляю­щими; отражатели направляют ролики в канал возврата. Ролики посередине имеют канавку для плоской пружины, которая удерживает ролики от выпадения. Ролики направляются шпон­кой, закрепленной вдоль блока. Односторонние роликовые бло­ки называются танкетками. Применение роликовых блоков уменьшает трудоемкость изготовления направляющих. В по­следнее время выпущены двухсторонние роликовые блоки (рис.55,б) двух размеров (размеры большего блока показаны тонкой линией). Эти роликовые блоки имеют два ряда роликов, расположенных под углом 90° друг к другу и позволяющих осуществлять основное и боковое направление.

Размеры к рис.57. Табл.24

Один ряд имеет большие ролики 1, другой - меньшие ролики 2. Двухсторонние блоки большого размера воспринимают статическую нагрузку до 12 000 кг рядом больших роликов и 5600 кг рядом меньших роликов; блоки меньшего размера воспринимают нагрузку 6000 и 2800 кг соответственно.

Пример использования блоков для прямоугольных направляющих показан на рис.56.

Отраслевым стандартом определены типоразмеры роликовых опор с циркуляцией тел качения нормальной Р88, узкой Р889и широкой Р881 серий (табл.24).

Опоры серии I унифицированы с опорами серии 9 по длине и высоте, различаются шириной корпуса и длиной роли­ков.

Роликовая опора Р88 (рис.58) состоит из корпуса 1, ро­ликов 2 и двух обойм 6, удерживавших ролики от выпадения. Обоймы прикреплены на корпусе винтами 3 и штифтами 4. Опоры в сборе крепятся к привалочным плоскостям узлов вин­тами 7 и штифтами 5. В работе ролики обкатываются вокруг корпуса 1.

Роликовые опоры разделяют на жесткие опоры 3 (рис.59,а), закрепляемые винтами 2, и поджимные (с упругим натягом) (рис.59,б); их монтируют по одной, две или три на специальных платформах 1 (см. рис.59,а), называемых также монтажными подушками.

Число танкеток зависит от нагрузки и длины хода. В поджимных роликовых опорах обоймы 1 (рис.59,б) танкеток скрепляются винтами 3 с направляющей подушкой 2. С проти­воположной стороны устанавливают палец 7, бурт которого одной стороной упирается в направляющую подушку 2 обоймы и соединяется с ней винтами 6, а другой - опирается на тарельча­тые пружины 8. Тарельчатые пружины поджимают специаль­ными гайками 10, создавая необходимый натяг. На торце мон­тажной подушки устанавливают крепежную пластину 5 с войлочным стирателем 4. Рабочие поверхности (образующие) роли­ковых опор качения должны быть строго параллельны плоско­сти платформы.

Опору качения через канал 9 перед установкой набивают смазкой ЦИАТИМ-201 /ГОСТ 6267-74/. Существует конструк­ция направляющих качения с применением роликовых опор двух типов: на подвижной и неподвижной платформе.

Роликовые опоры, установленные на платформах, следу­ет регулировать и отлаживать под заданную нагрузку. Регули­рование подвижной опоры заключается в нагружении ее соот­ветствующим грузом на контрольной плите до равномерного прилегания, которое измеряется щупом толщиной 0,03 мм. За­тем поворотом гаек 10 (рис.59,6) создают необходимый натяг тарельчатыми пружинами 8, оставляя гарантированный зазор S=0,02..0,03 мм, который измеряют щупом между плоскостью направляющей подушки 2 роликовой опоры и платформой 11. После этого положение резьбовых головок фиксируют специ­альными стопорными винтами. Монтажная схема роликовых опор вертикальных направляющих стойки станка ФП-14 для перемещения каретки по оси Z показана на рис.60. Направляю­щие состоят из накладных стальных планок, термически обра­ботанных (твердостью НRСэ 59-63), зафиксированных по пазу 5, закрепленных винтами 6 и коническими штифтами 3.

Поджимные роликовые опоры устанавливают с каждой стороны планок в виде неподвижных платформ 1, платформы 2 с двумя основными роликовыми опорами располагают по боко­вым поверхностям с противоположной стороны направляющих планок 4.

С боковой стороны правой направляющей планки 4 ук­реплена неподвижная роликовая опора 9, с боковой стороны противоположной направляющей, размещена подвижная роли­ковая опора 8 для осуществления натяга.

Поджимные роликовые опоры в платформах 1 предо­храняют каретку от опрокидывания; их устанавливают так, что­бы зазор между опорой и платформой при проверке щупом в опоре (см.рис.59.) не превышал 0.02-0,03 мм [путем пригонки стальной прокладки 7 (см.рис.60.)]. Затем регулируют ролико­вые опоры 8 и на подвижных клиньях. Натяг клиновой роликовой опоры создается до получения зазора 0,02-0,03 мм между основанием обоймы и поверхностью клина. После этого поло­жение клина окончательно фиксируют стопорным винтом.

Чаще применяют так называемое "узкое" боковое на­правление, когда подвижный орган в боковом направлении за­мыкается на одной направляющей. Пример "узкого" бокового направления см. рис.54. "Узкое" боковое направление в сравне­нии с "широким" облегчает изготовление и контроль направ­ляющих, уменьшает влияние на точность температурных де­формаций.

Основными показателями работоспособности роликовых опор являются нагрузочная способность, жесткость, сопротив­ление движению, плавность перемещения и долговечность.

Нагрузочная способность и долговечность опор опреде­ляются контактной выносливостью рабочих поверхностей кор­пусов и роликов. Допускаемые длительно действующие нагруз­ки (статическая прочность) при долговечности, соответствую­щей пути в 250 км, приведены в табл.25. Жесткость j опор ха­рактеризуется отношением нагрузки к упругому перемещению. При нагрузке менее 5000 Н зависимость упругих перемещений (рис.61, табл. 26) от нагрузки Р имеет нелинейный характер, при больших нагрузках она становится линейной.

Сопротивление движению характеризуется силой, необ­ходимой для перемещений роликовой опоры. Показателем со­противления движению может служить условный коэффициент трения f, равный отношению силы сопротивления движению к нормальной нагрузке на опору. С увеличением нагрузок услов­ный коэффициент трения падает. При нагрузках более 10000Н f=0,001.0,003. Показателем сопротивления движения может служить также минимальный угол наклона плоскости, с которой опора при малых нагрузках безостановочно скатывается. Реко­мендуется проверять перед монтажом качество изготовления опоры качением ее по наклонной плоскости с уклоном 1:30

Для предотвращения неравномерного распределения на­грузок и преждевременного выхода роликовых опор из строя необходимо тщательно выверять при монтаже их положение. Разновысотность опор, установленных в одной плоскости, не должна превышать 3 мкм. Выверку и контроль положения опо­ры производят по торцевой плоскости М (см. рис.57), которая должна быть строго параллельна направлению перемещения узла. Перекос опор в продольной плоскости должен быть не более 10-12 мкм на длине 100 мм, а в поперечном - 3 мкм. Пре­вышение каждой из этих значений в 2 раза сокращает допускае­мую нагрузку на опору также в 2 раза.

Смазку в жидком или пластическом виде нужно пода­вать периодически в канал возврата роликов или на направляю­щие. Для защиты от загрязнений применяют скребки, телеско­пические щитки или раздвижные меха

Расчет направляющих качения с использованием танкетки производится с учетом упругих деформаций в опорах.

Методика расчета роликовых опор сводится к составлению схемы нагружения механизмов, вычислению рабочих нагрузок от воздействия сил резания, тяжести привода, определению нагрузки на опорах и подбору типоразмера числа опор.

Кроме расчета каждой из опор по нагрузочной способности (статической прочности) следует проверить долговечность опоры на конкретную выносливость Р_доп= Рбаз · Кs , где Р_баз- базовая нагрузка, соответсвующая пределу выносливости и вызывающая усталостное разрушение при базовом пути опоры; Кs- коэффициент, учитывающий длину пути.

См. подробнее

Проектирование направляющих МРС

«Учебное пособие» Ведерников Ю.А., Хусаинов Р.