69.Свойства и конструкции гидростатических направляющих

Свойства направляющих. Гидростатические направляющие являются на­правляющими с жидкостной смазкой. Масляный слой между сопряженными поверхностями создается путем подачи масла под давлением в зазор между ними.

Гидростатические направляющие практически не изнашиваются, имеют хорошую демпфирующую способность, обеспечивают высокую точность и рав­номерность движения, а также точное позиционирование. Переориентация под­вижного узла на гидростатических направляющих составляет всего 0,001... 0,002 мм. Жесткость таких направляющих несколько ниже жесткости направ­ляющих других типов.

При гидростатических направляющих требуются громоздкая гидросисте­ма, хорошая фильтрация масла и тщательный уход. Применение таких направляющих сопровождается усложнением конструкции станка: обеспечивается высокая жесткость корпусных деталей, вводятся устройства для фиксации подвижных исполнительных органов.

Конструкции направляющих. Гидростатические направляющие бывают разомкнутыми (рис. 11.8,а) и замкнутыми (рис. 11.8, б). Принцип их работы заключается в следующем.

Масло под постоянным давлением подается через дроссель в карманы на направляющих, оттуда оно вытекает наружу, преодолевая при этом сопротив­ление в зазорах. В случае разомкнутых направляющих с увеличением нагрузки Р зазор h уменьшается, а его сопротивление и давление масла в нем возрастают. В результате новая нагрузка будет уравновешена возросшим давлением масла. В случае замкнутых направляющих давлением в зазоре h₁ уравнове­шиваются нагрузка и давление в зазоре h₂. Увеличение нагрузки Р ведет к уменьшению h₁ и увеличению h₂, т.е. к возрастанию давления в зазоре h₁ и к уменьшению его в зазоре h₂. В результате нагрузка Р уравновешивается.

Незамкнутые направляющие применяются только в тех случаях, когда обеспечивается достаточно большая начальная нагрузка и незначительное ее изменение в процессе эксплуатации станка (не более чем в 2 раза). В осталь­ных случаях следует применять замкнутые направляющие.

Гидростатические направляющие обычно выполняются наиболее простой и технологичной прямоугольной формы. В легких и средних станках могут быть применены треугольные направляющие.

Масло к направляющим может быть подведено разными способами: через дроссели, установленные перед каждым карманом (питание с дроссельным ре­гулированием); от отдельных насосов для каждого кармана (питание по схе­ме насос—карман); через автоматические регуляторы подачи. Для направляю­щих с системой питания по схеме насос-карман (рис. 11.8, в) или с системой, содержащей один насос и делитель пот ока (рис. 11. 8, б), характерна повышен­ная жесткость масляного слоя. Такими направляющими оснащают карусель­ные, продольно-фрезерные и другие тяжелые станки. Наиболее высокая жест­кость и постоянная толщина масляного слоя сохраняются, когда масло посту­пает в карман через автоматический регулятор, в качестве которого может быть использован мембранный регулятор (рис. 11.8, г). Зазор Н между соп­лом 4 и мембраной 3, а, следовательно, и сопротивление регулятора изменяют­ся в зависимости от толщины h масляного слоя в направляющих. При приме­нении подобных регуляторов в системе питания незамкнутых направляющих допускается изменение внешней нагрузки до 5 раз.

70. Свойства направляющих качения. Для направляющих качения характерны низкая сила трения (10...40 Н) и ее независимость от скорости рабочего органа, благодаря чему достигаются равномерность медленных движений, снижение мощности привода подачи и высокая точность позиционирования (зона нечувствительности направляю­щих качения по сравнению с парой трения чугун-чугун снижается в 10-12 раз). Значительно меньшая, чем в направляющих с гидростатической смаз­кой, переориентация рабочего органа обусловливается только податливостью направляющих, которая значительно ниже податливости направляющих других типов. Для направляющих качения характерна высокая долговечность, так как при хорошей защите их износ на порядок ниже, чем износ направляющих полужидкостного трения. К недостаткам направляющих качения относятся низкое демпфирование в направлении движения при малых скоростях движе­ния и сравнительно высокая стоимость.

Направляющие качения применяют в обрабатывающих центрах сверлильно-фрезерно-расточной группы, станках с ЧПУ высокой точности малых и средних размеров, круглошлифовальных, бесцентрово-шлифовальных стан­ках.

71. Направляющие без циркуляции тел качения. Конструкции направляющих. В конструкцию направляющих входят за­каленные планки, прикрепляемые к столу и станине, тела качения (шарики или ролики), сепараторы, устройства для создания предварительного натяга и для защиты направляющих от загрязнений.

Направляющие без циркуляции тел качения применяются при небольшой длине хода узла (до 1 м).

Направляющие бывают незамкнутыми и замкнутыми. Отрыву подвижно­го узла, установленного на незамкнутых направляющих (рис. 12.1, а, б), пре­пятствуют его сила тяжести и вертикальная составляющая силы резания. Не­замкнутые направляющие качения могут быть только горизонтальными. Замкнутые направляющие (рис. 12.1, в-е) сложнее и дороже незамкнутых, однако благодаря создаваемому натягу обладают высокой точностью и жест­костью. Они могут быть не только горизонтальными, но и вертикальными, и наклонными.

В конструкциях направляющих качения используются поверхности тех же форм, что и в направляющих скольжения. Применение шариков или роликов дает большое число их исполнений.

Шариковые направляющие со встречными призмами (рис. 12.1, в) отли­чаются простотой конструкции, однако не могут воспринимать больших нагрузок и легко повреждаются в результате перетяжки элементов, регули­рующих натяг. Направляющие типа "ласточкин хвост" (рис. 12.1, г) по сравне­нию с другими имеют более высокую жесткость, хорошо регулируются, но от­личаются сложностью в изготовлении; применяются при малой и средней массе подвижного узла. Прямоугольные роликовые направляющие (рис. 12.1, д) просты по конструкции и в изготовлении, имеют высокую жесткость в гори­зонтальной плоскости, но недостаточную при работе планок на отрыв. Недо­статком их являются и большие габариты. Применяются при средней массе подвижного узла и большом опрокидывающем моменте.

Ролики в призматических направляющих (рис. 12.1, е) из-за малого диа­метра могут проскальзывать, что приводит к повышенной силе трения. На работоспособности направляющих сильно сказываются погрешности углов призм.

Шариковые или роликовые направляющие выбирают в зависимости от нагрузки. Для роликовых направляющих допускаемая нагрузка в 20—30 раз больше, чем для шариковых. При больших нагрузках используются направ­ляющие в виде накладных планок из закаленной цементируемой стали 20Х, а при малых— как стальные, так и чугунные.

72. Конструирование и расчет направляющих. Сначала определяют диаметр и число тел качения, исходя из зависимостей между ним и давлением в контак­те, жесткостью и точностью направляющих. Затем принятые параметры прове­ряют расчетами.

При увеличении диаметра шариков давление в контакте уменьшается, жесткость и износостойкость направляющих возрастают. С увеличением диа­метра роликов жесткость не изменяется, но износостойкость улучшается. Поэтому рекомендуется применять тела качения большого диаметра — 8... 10 мм, а иногда и до 25 мм. Игольчатые направляющие пригодны при малых нагрузках и невысоких требованиях к их жесткости.

С увеличением числа тел качения z снижается нагрузка на одно тело, повышается жесткость направляющих. Но при большом числе многие из них вследствие погрешностей изготовления оказываются ненагруженными или не­догруженными. Равномерность нагружения шариков считается удовлетвори­тельной, если начальная нагрузка на один шарик диаметра d (от силы тя­жести G подвижного узла) составляет . Ролики нагружены отно­сительно равномерно, если нагрузка на единицу их длины не менее 4 Н/мм. Другими словами, для шариковых и роликовых направляющих должны соблюдаться соответствующие условия:

где b —длина ролика, мм; G — в Н; а — в мм.

В то же время число тел качения в одном ряду должно быть больше 12—16, так как при меньшем их количестве точность движения по направляющим сни­жается

После того как с учетом приведенных рекомендаций будет разработана конструкция направляющих, принятые конструктивные параметры необходи­мо проверить расчетом. Для определения наибольшей нагрузки на тело каче­ния направляющие качения условно заменяют направляющими скольжения и по методике, применяемой при расчете направляющих скольжения, строят этору давления в контакте (рис. 12.4). Наибольшая расчетная нагрузка на шарик

на ролик

где d — диаметр шарика; t — шаг расположения шариков или роликов; р_mах— максимальное давление в контакте; b – длина ролика.

Допускаемая по контактным напряжениям нагрузка на шарик

на ролик

где k — условное напряжение, Н/см² (табл. 123); d и b – в см.

Упругие перемещения в направляющих качения определяют с учетом за­висимостей, описывающих контактные деформации при применении шариков и роликов:

где С_ш и С_p — коэффициенты податливости [28]; Р_ш - нагрузка на шарик; q — нагрузка, приходящаяся на единицу длины ролика.

Тяговая сила в приводе подачи станка с направляющими качения может быть определена по зависимости

где Р_Х — составляющая силы резания, Н; n — число граней направляющих; Т_o - начальная сила трения на одной грани направляющих (при отсутствии внешней нагрузки): Т_o = 4...5 Н; f_k — коэффициент трения качения; для направляющих из стали f_k = 0,001 см, для направляющих из чугуна f_k = 0,0025см; r₁ — радиус тел качения, контактирующих с i-й гранью направ­ляющих, см; Р_i — реакция i-й грани, Н.

Тяговую силу можно определить по упрощенным зависимостям с учетом только нормальных сил, приложенных в плоскости симметрии, силы Р_Х и си­лы предварительного натяга Р_н (табл. 124) . При этом N = P_Z + G₁ + G₂, где P_Z — составляющая силы резания, Н; G₁ - сила тяжести стола, Н; G₂ - сила тяжести изделия, Н.