2. Проектирование направляющих

Направляющие служат для обеспечения прямолинейного и кругового перемещения по станине подвижных узлов станка -суппортов, столов, планшайб, револьверных головок. От точности изготовления направляющих и их износостойкости во многом зависит точность работы всего станка.

2.1. Направляющие скольжения для прямолинейного движения

Конструктивные формы направляющих скольжения весьма разнообразны. Если поверхности скольжения имеют выпуклый профиль (рис. 2.1, а, в, д, ж), то на них плохо удерживается смазка, и поэтому направляющие такой формы чаще применяются при малых скоростях перемещения. Их преимущества - более просты в изготовлении, а также то, что на них не удерживается стружка. Направляющие, которые образуют в сечении внутренний профиль (рис. 2. 1, б, г, з), более пригодны для высоких скоростей скольжения, так как хорошо удерживают смазку, однако их необходимо надежно защищать от попадания стружки и от загрязнения. Плоские «прямоугольные» направляющие (рис. 2.1, а) просты в изготовлении, но плохо удерживают смазку и легко засоряются. Их применяют при медленных перемещениях, например, для силовых головок агрегатных станков.

В направляющих типа «ласточкин хвост» (рис. 2.1, д, е) достаточно четырех плоскостей скольжения, чтобы воспринимать нагрузки, включая опрокидывающие моменты, всеми направляющими. Для других типов направляющих, чтобы обеспечить восприятие опрокидывающих моментов, требуются специальные планки. Однако направляющие в виде «ласточкин хвост» сложны в изготовлении и имеют недостаточную жесткость. Их обычно применяют при перемещениях на малых скоростях и при невысоких требованиях к точности, например, для поперечных салазок токарных и револьверных станков (см. рис. 2.1, д), столов фрезерных станков малых и средних размеров (см. рис. 2.1, е).

а) в) д) ж)

1) Охватываемые

2) Охватывающие

Рис. 2.1. Типы направляющих скольжения

Комбинированные направляющие чаще всего применяют в виде сочетания плоской и треугольной направляющих. Они упрощают конструкцию и используются в токарных, шлифовальных и других станках. Несимметричная грань направляющей выполняется в ряде случаев при наличии одностороннего действия усилия с тем, чтобы основная грань была перпендикулярна последнему. Если по станине перемещается несколько суппортов, то в конструкции направляющих должно учитываться взаимное их расположение.

Иногда применяют круглые направляющие (см. рис. 2.1, ж, з), простые в изготовлении и эксплуатации. Для перемещения суппортов и столов тяжелых станков часто применяют более двух направляющих.

Основной критерий работоспособности направляющих - их износостойкость. Они должны длительно сохранять полученную при изготовлении точность. Износостойкость направляющих зависит от многих факторов, главными из которых являются материал и вид термообработки, давление и его распределение по граням и по длине направляющих, условия работы (смазка, загрязненность и др.), характер перемещения суппорта и стола (скорость, величина хода).

Направляющие скольжения станков работают обычно в условиях малых и средних скоростей скольжения (оТ1 до 1,5 м/с) и небольших давлений (обычно до 1 Па).

При выборе материала для направляющих следует учитывать, что в большинстве случаев они составляют одно целое со станинами, суппортами, столамии т.д., которые отлиты из чугуна. Для повышения износостойкости направляющие следует закаливать ТВЧ или другим способом. Можно также применять с этой целью метод электроискрового упрочнения твердыми сплавами.

В станках применяют также закаленные направляющие из сталей 20Х и 40Х, выполняемые в виде планок, которые прикрепляются к чугунным или стальным сварным станинам.

Для расчета направляющих скольжения необходимо в первую очередь знать характер эпюры давлений между гранями направляющих. Если в направляющей (рис. 2.2) действует сила А, которая смещена от середины на некоторую величину ха, то для определения эпюры давлений можно применять формулы:

Рис. 2.2, Расчетная схема направляющих

где р₁ и р₂ - соответственно наибольшее и наименьшее давления между гранями направляющих, МПа;

- длина направляющих, мм;

- грань направляющих, мм.

Данные формулы получены в предположении v линейности эпюры давлений. При получим прямоугольную эпюру

при эпюра давлений будет треугольной: и

при получим неполное касание по длине направляющих, что является весьма нежелательным. Таким образом, эксцентриситет хА приложения силы А оказывает большое влияние на характер эпюры давлений.

При перемещении суппорта или стола по направляющим станины на них действует сложная система сил. Внешними силами будут силы резания, тяговое усилие Q, перемещающее суппорт, и вес суппорта G. В результате действия этих сил в направляющих возникают реакции А, В, С, которые определяют эпюру давлений в каждой направляющей.

Рассмотрим методику определения давлений в направляющих на примере направляющих токарного станка (рис. 2.3). Оси координат совпадают с соответствующими составляющими сил резания. Начало координат находится в точке пересечения реакций на треугольной направляющей, а по длине - в середине направляющих. Координаты приложения реакций в направляющих обозначены через Ха, Х_в, Х& Проектируя все силы на оси X, Y, Z и определяя сумму моментов сил относительно осей: напишем шесть уравнений статики:

где ~ коэффициент трения; при малых скоростях перемещения (токарные, фрезерные станки) ; при больших скоростях перемещения и хорошей смазке (строгальные, шлифовальные станки)-

Рис. 2.3. Схема для расчета нагрузок, действующих

в направляющих суппорта

Неизвестными являются реакции в направляющих А, В и С, тяговое усилие и координаты. Поскольку имеется семь неизвестных, задача является статически неопределимой. Все силы могут быть определены из первых четырех уравнений, так как в них не входят искомые координаты х_А, x_в, х_с. Следовательно, на всех трех гранях направляющей можно определить средние давления р_ср.

В некоторых случаях при приближенных расчетах этим можно ограничиться и сравнить полученные значения давлений с допустимыми.

Для определения максимальных давлений и, главное, характера эпюры необходимы: полное решение статически неопределимой задачи и расчет координат х_А, x_в, х_с. Эти методы расчета рассмотрены в специальной литературе.

После определения эпюр давлений на всех гранях и максимальных давлений необходимо их сравнить с допустимыми Значения максимальных давлений получены из практики работы станков и соответствуют условиям длительной работы _# направляющих при нормальных условиях эксплуатации (хорошая смазка, минимальное загрязнение и т.п.). Для чугунных направляющих при малых скоростях скольжения (подачи) допускается максимальное значение давления от 2,5 до 3,0 МПа и при больших скоростях скольжения (скорости резания) - до 0,8 МПа. Для шлифовальных станков, где особенно сложны условия с точки зрения абразивного износа, максимальное значение давления P_max от 0,05 до 0,8 - МПа. Для тяжелых станков эти значения понижаются в два раза, так как ремонт направляющих этих станков весьма сложен. При расчете по средним давлениям допустимые значения р_тп снижаются в два раза.

Данный расчет позволяет оценить условия работы направляющих с точки зрения распределения и величины давлений. Этим косвенно учитывается износ, который, помимо прочего, зависит и от давления. Однако при расчете надо учитывать все основные факторы, влияющие на износ направляющих и на распределение этого износа по поверхности трения и, главное, по длине направляющих.

Для увеличения срока службы направляющих универсальных станков с большим ходом суппорта следует обращать особое внимание на правильную загрузку станка и приемы работы, обеспечивающие более равномерный износ направляющих по длине. Нецелесообразно загружать станок изготовлением небольших деталей, которые можно обработать на станке меньших размеров. При больших ходах суппорта форма изношенной поверхности направляющей приближается к форме кривой суппорта в зоне распределения ходов, то есть износ больше в тех зонах, где суппорт чаще перемещается.

Для увеличения срока службы направляющих станков с малым ходом необходимо принимать меры к тому, чтобы эпюра давлений была равномерной. Характер эпюры зависит главным образом от конструктивной формы суппорта и его направляющих. При малых ходах суппорта форма изношенных направляющих приближается к форме кривой эпюры давлений.

Повышение износостойкости направляющих способствует сохранению точности и виброустойчивости станка. В практике применяют разнообразные методы повышения долговечности направляющих. Большое значение имеют правильный выбор материала направляющих, качество их смазки, конструктивные и эксплуатационные факторы. В большой степени влияют на долговечность направляющих условия эксплуатации. Предохранение направляющих от попадания на них пыли из воздуха, частиц обрабатываемого материала, абразивов повышает ' их износостойкость. Для защиты направляющих применяют обычные или телескопические щитки, а для шлифовальных станков, где абразив взвешен в воздухе, - щитки в виде гармоники (меха). Помимо щитков используют различного рода уплотнения, предохраняющие поверхности трения от проникновения на них загрязнений.