Материал для базовых деталей

 

Основными материалами базовых деталей, удовлетворяющими условиям стабильности, жёсткости и виброустойчивости, являются чугун и низкоуглеродистая сталь. Значительно реже применяют бетон, да и то в качестве материала для оснований или станин.

Чугун –наиболее распространенный материал для изготовления базовых деталей.

При повышенных требованиях к износостойкости направляющих, выполненных как одно целое с базовой деталью, применяют чугун марки СЧ 21. Его также широко используют для изготовления станин и других ответственных деталей прецизионных станков. Значительно реже применяют чугуны марок СЧ 32 и СЧ 36. Обладая высокой прочностью и износостойкостью, они имеют плохие литейные качества, поэтому их не рекомендуют для изготовления базовых деталей сложной формы и крупногабаритных. Эти чугуны применяют для изготовления шпиндельных блоков и плит многошпиндельных станков, станин токарных, револьверных станков, базовых деталей станков-автоматов и других интенсивно нагруженных станков.

Для изготовления базовых деталей станков применяют и легированные чугуны с присадками никеля, хрома, магния, ванадия и других элементов.

В деталях из литых чугунов образуются остаточные напряжения, которые могут привести к короблению базовых деталей и нарушению точности станка. Напряжения снимаются сами через несколько месяцев, в течение которых детали не используют и ничего с ними не делают. Это называют естественным старением. Для сокращения времени изготовления станков применяют более интенсивные методы старения: тепловую обработку, отжиг, вибрационное старение, статическую перегрузку и др.

Чаще всего применяют чугун марки СЧ 15. Он обладает хорошими литейными свойствами, мало коробится, но имеет сравнительно низкие механические свойства (модуль продольной упругости Е=80-150 кН/мм²). Его применяют для изготовления оснований большинства станков, салазок, столов, корпусов задних бабок, тонкостенных отливок небольшой массы с большими габаритными размерами и других деталей сложной конфигурации при недопустимости большого коробления и невозможности подвергнуть их старению.

Низкоуглеродистую сталь применяют при изготовлении сварных базовых деталей относительно простой формы. Сварными базовые детали делают при мелкосерийном и единичном характере производства; их также широко применяют в станках, работающих при ударных и при очень больших нагрузках. По сравнению с литыми сварные конструкции значительно легче при той же жёсткости, поскольку модуль упругости стали в 2-2,4 раза выше модуля упругости чугуна. Кроме того, сварным конструкциям легче придать более совершенные формы с точки зрения жёсткости, в них проще исправить дефекты конструкции, механическая обработка их менее трудоёмка. Для сварных конструкций используют в основном листовую сталь марок Ст 3 или Ст 4 толщиной от 3 мм (лёгкие станки) до 16 (тяжёлые). С целью экономии металла толщина стенок базовых деталей средних и тяжёлых станков может быть уменьшена, но тогда требуется выполнять большее число перегородок и рёбер, что технологически сложнее. Применение конструкционных фасонных профилей в сварных станинах позволяет существенно снизить трудоёмкость их изготовления.

Бетон в качестве материала для станин характеризуется тем, что он хорошо гасит вибрации; это увеличивает динамическую жёсткость станка. Кроме того, большая по сравнению с чугуном тепловая инерция делает бетон менее чувствительным к колебаниям температуры. Модуль упругости бетона меньше, чем чугуна, и ту же жёсткость бетонной станины можно достичь, увеличивая толщину стенок. Вес детали при этом может и не увеличиться, так как удельный вес бетона в три раза меньше, чем у серого чугуна. Существенный недостаток бетона состоит в том, что он поглощает влагу – это влечет за собой объёмные изменения, а попадание масла на бетон повреждает его. Поэтому необходимы мероприятия по защите бетона от влаги и попадания масла.

Для изготовления станин тяжёлых станков иногда применяют железобетон. Обеспечивая такую же жёсткость, как и чугун, железобетон даёт экономию металла примерно на 40-60 %.

Находит применение для изготовления базовых деталей полимербетон. Состоящий из наполнителя (кварц, мраморная или гранитная крошка) и связующего материала (эпоксидная, акриловая или метакриловая смола с отвердителем) полимербетон, обладая сравнительно высоким модулем упругости (Е≈40 кН/мм²) и достоинствами бетона, не боится воздействия масла и влаги.

 

Исполнения направляющих

 

В металлорежущих станках применяют направляющие скольжения, качения и комбинированные.

Направляющие скольжения по характеру трения делятся на направляющие полужидкостного трения, жидкостного трения и аэростатические. Полужидкостное трение имеет место на смазанных направляющих, когда смазка не разделяет полностью контактирующие поверхности. Если смазочный материал разделяет поверхности полностью, трение является жидкостным. Это имеет место в гидростатических и гидродинамических направляющих. В аэростатических направляющих сопряженные поверхности разделяются слоем сжатого воздуха.

Направляющие качения разделяют по виду тел качения на шариковые и роликовые.

Все типы направляющих имеют свои достоинства и недостатки, что и определяет их целесообразную область применения. Часто делают комбинированные направляющие, используя достоинства разных типов и достигая тем самым суммарного эффекта.

В зависимости от траектории движения подвижного узла различают направляющие прямолинейные и круговые. Их делят также на горизонтальные, вертикальные и наклонные.

Формы поперечного сечения направляющих весьма разнообразны. Наиболее распространены прямоугольные (плоские), треугольные (призматические), трапециевидные (типа ласточкина хвоста) и круглые (цилиндрические) направляющие. Часто используют сочетание различных форм, например, одна из направляющих выполняется прямоугольной, а другая треугольной.

Направляющие на одной из двух сопряжённых деталей являются охватывающими, а на другой – охватываемыми. Охватываемые направляющие плохо удерживают смазочный материал, а охватывающие удерживают его хорошо, но нуждаются в надёжной защите от загрязнений.

Прямоугольные направляющие отличаются технологичностью изготовления и простотой контроля геометрической точности. Они способны воспринимать большие нагрузки и позволяют достаточно просто регулировать зазоры. В этой связи они находят всё большее применение, особенно в станках с программным управлением.

Треугольные направляющие обладают свойством автоматического выбора зазоров под действием собственного веса, но угловое расположение рабочих граней усложняет их изготовление и контроль.

Трапециевидные направляющие отличаются компактностью конструкции, но сложны в изготовлении и контроле. Регулирование зазора у них относительно простое, но не обеспечивает высокой точности сопряжения.

Круглые направляющие применяют редко. В охватываемом варианте они не обеспечивают большой жёсткости из-за прогиба скалок (штанг), закреплённых на концах, поэтому применяют их в основном при малой длине хода перемещаемого по ним узла. В охватывающем варианте у таких направляющих сложно изготовить полукруглые пазы.

Размеры и формы сечений направляющих трения скольжения устанавливаются стандартами, а также нормалями станкостроения. Длину направляющих подвижного узла увязывают с общей шириной направляющих (ширина самих направляющих и расстояние между ними) и принимают её в 1,5-2 больше общей ширины.

Направляющие могут быть выполнены как одно целое с базовой деталью либо быть накладными. Накладные направляющие крепят к базовой детали по всей их длине. При креплении винтами шаг между ними во избежание искривления и коробления должен быть не больше двукратной высоты накладной планки. При механическом креплении или приклеивании накладных направляющих необходимо предусматривать фиксацию их в поперечном направлении различными центрирующими выступами, поверхностями, фасками.

Направляющие необходимо защищать от попадания на рабочие поверхности грязи, мелкой стружки и абразивной пыли. Для этого используются неподвижные и телескопические щитки, защитные ленты, гармоникообразные меха и другие устройства.

 

Направляющие скольжения

 

Характер трения определяет область рационального использования тех или иных направляющих скольжения в станках.

Направляющие полужидкостного трения характеризуются высокой контактной жёсткостью и хорошими демпфирующими свойствами. Кроме того, они обеспечивают надёжную фиксацию подвижного узла станка после его перемещения в заданную позицию. Однако непосредственный контакт сопряженных поверхностей в направляющих полужидкостного трения определяет непостоянство и большую величину сил сопротивления. В зависимости от нагрузки, скорости, вида смазочного материала и его количества направляющие могут работать в режиме сухого, граничного и полужидкостного трения. Существенную разницу для этих направляющих составляют силы трения покоя (силы трогания) по сравнению с силами трения движения; последние, в свою очередь, сильно зависят от скорости скольжения. Эта разница приводит к скачкообразному движению узлов при малых скоростях, что крайне нежелательно, особенно для станков с программным управлением. Значительное трение вызывает износ и, следовательно, снижает долговечность направляющих.

Для уменьшения недостатков направляющих полужидкостного трения используют специальные антискачковые масла, применяют накладки из антифрикционных материалов. Если коэффициент трения покоя в паре чугун-чугун при обычных маслах равен 0,21-0,28, то применение антискачкового масла снижает его до 0,075-0,09. Применение накладок из полимерных материалов на основе фторопласта снижает коэффициент трения покоя до 0,04-0,06.

Материал направляющих в значительной мере определяет износостойкость и плавность движения узлов. Во избежание крайне нежелательного явления – схватывания[1], пару трения комплектуют из разнородных материалов, имеющих различные состав, структуру и твёрдость. Направляющие, по которым перемещаются подвижные узлы, делают более твёрдыми и износостойкими. Этим обеспечивается длительное сохранение точности, так как при движении копируется форма неподвижных направляющих.

Направляющие из серого чугуна, выполненные как одно целое с базовой деталью, наиболее просты и дешевы, но при интенсивной работе не обеспечивают необходимой долговечности. Их износостойкость повышают закалкой с нагревом токами высокой частоты или газопламенным методом. Закалкой одной из сопряженных поверхностей до HRC 48-53 можно повысить износостойкость более чем в 2 раза. Легирующие присадки к чугунным направляющим дают повышение износостойкости только при последующей закалке до высокой твёрдости. Значительного повышения износостойкости чугунных направляющих можно добиться применением специальных покрытий. Хромирование направляющих слоем толщиной 25-50 мкм обеспечивает твёрдость до HRC 68-72, в 4-5 раз повышает износостойкость и существенно уменьшает коэффициенты трения покоя и трения движения. Аналогичный эффект даёт напыление направляющих слоем молибдена или сплавами с содержанием хрома. Хромируют только одну из сопряженных поверхностей, обычно неподвижную, так как пара хром по хрому склонна к схватыванию, хотя и имеет минимальный коэффициент трения.

Направляющие из стали выполняют в виде отдельных планок, которые приваривают к сварным станинам, а к чугунным станинам крепят винтами или приклеивают. Материал накладных направляющих – низкоуглеродистые стали 20, 20Х, 20ХНМ, 18ХГТ с цементацией и закалкой до высокой твёрдости (HRC 60-65), азотируемые стали 38ХМЮА, 40ХФ, 3ОХН2МА с глубиной азотирования 0,5 мм и закалкой до очень высокой твёрдости (HV 800-1000). Реже применяют легированные высокоуглеродистые стали ШХ15, ХВГ, 9ХС с объёмной закалкой и отпуском (HRC 58-62). Стальные закалённые направляющие обеспечивают наивысшую износостойкость в паре с закалённым чугуном.

Наилучшие результаты по износостойкости, отсутствию задиров и равномерности подачи обеспечивают цветные сплавы, такие, как алюминиевая бронза Бр.АМц9-2, оловянистая бронза Бр.ОФ10-1, сплав на цинковой основе ЦАМ10-5 в паре со сталью или чугуном, но высокая стоимость сплавов сдерживает их широкое применение при изготовлении направляющих. Их используют главным образом при изготовлении накладных направляющих для тяжёлых станков.

Обладают хорошими характеристиками трения и антизадирными свойствами пластмассы. Они обеспечивают равномерность движения при малых скоростях и не дают схватывания, однако низкая износостойкость при абразивном загрязнении, влияние тепловых воздействий, влаги, масла, слабых щелочей и кислот ограничивают их применение. Используют пластмассы в основном в комбинированных направляющих, когда основную нагрузку несут, например, роликовые опоры, а слой пластмассы на вспомогательных гранях обеспечивает необходимые характеристики трения. Из пластмасс в станках используют фторопласт (в виде ленты, наклеиваемой на направляющие), фторопласт с бронзовым наполнителем, композиционные материалы на основе эпоксидных смол с присадками дисульфида молибдена, графита и неметаллических наполнителей, материалы на основе ацетатных смол.

Для обеспечения износостойкости направляющих ограничивают допустимые давления на их рабочих гранях. Рекомендуемые максимальные давления на направляющих при малых скоростях равны 2,5-3,0 МПа; при больших скоростях – не более 1,0-1,2 МПа. Средние давления должны быть вдвое меньше максимальных. В прецизионных и тяжёлых станках средние давления не должны превышать 0,1-0,2 МПа.

Жидкостное трение между направляющими можно обеспечить за счёт гидродинамического эффекта либо подачей смазочного материала между трущимися поверхностями под давлением. Достоинство жидкостного трения в том, что отсутствует износ направляющих, обеспечиваются высокие демпфирующие свойства и плавность движения.

Гидродинамические направляющие хорошо работают лишь при достаточно больших скоростях скольжения, которым соответствуют скорости главного движения (в станках продольно-строгальных, карусельных). Гидродинамический эффект, т.е. эффект всплывания подвижного узла, создаётся пологими клиновыми скосами между смазочными канавками, выполненными на рабочей поверхности неподвижных направляющих перпендикулярно их длине. В образованные таким образом сужающиеся зазоры при движении затягивается смазочный материал, и обеспечивается разделение трущихся поверхностей слоем жидкости. Для различных скоростей движения и нагрузки существуют свои оптимальные геометрические параметры клинового скоса.

Существенным недостатком гидродинамических направляющих является нарушение жидкостной смазки в периоды разгона и торможения подвижного узла, в результате имеет место износ поверхностей.

Гидростатические направляющие более широко распространены в металлорежущих станках, чем гидродинамические. Они обеспечивают жидкостную смазку при любых скоростях скольжения, а значит, и равномерность, и высокую чувствительность точных исполнительных движений. Недостатком гидростатических направляющих является сложность системы смазки и необходимость в специальных устройствах для фиксации перемещаемого узла в заданной позиции.

На направляющих подвижного узла параллельно их длине выполняют карманы (углубления), в которые под давлением подаётся масло. Вытекая наружу, масло приподнимает подвижной узел и создает масляную подушку по всей площади контакта.

По характеру восприятия нагрузки гидростатические направляющие делятся на открытые и замкнутые. Открытые направляющие предназначены для восприятия прижимающих нагрузок, а замкнутые (закрытые) могут воспринимать, кроме того, и значительные опрокидывающие моменты.

Гидростатические направляющие чувствительны к деформациям и погрешностям изготовления и монтажа, суммарная величина которых для сопряжённых деталей не должна превышать примерно одной трети минимальной расчётной толщины щели между деталями. Положительным свойством гидростатических опор является способность их в значительной мере усреднять исходные геометрические погрешности сопряженных поверхностей.

Аэростатические направляющие конструктивно подобны гидростатическим. Разделение трущихся поверхностей в аэростатических направляющих обеспечивают подачей в карманы воздуха под давлением. Недостатки аэростатических направляющих, по сравнению с гидростатическими, заключаются в малой нагрузочной способности, невысоком демпфировании колебаний, так как вязкость воздуха на четыре порядка меньше вязкости масла, низкими динамическими характеристиками, склонностью к отказам из-за засорения магистралей и рабочего зазора.

Преимущества аэростатических направляющих состоят в том, что они при движении обеспечивают низкий коэффициент трения, а при отключении подачи воздуха очень быстро создаётся контакт поверхностей с большим трением, обеспечивающим достаточную жёсткость фиксации узла станка в заданной позиции. Отпадает необходимость в фиксирующих устройствах, в которых нуждаются гидростатические направляющие.

Аэростатические направляющие используют в прецизионных станках, в которых малы силы резания и необходимо точное позиционирование.

 

Направляющие качения

 

Направляющие качения обладают хорошими характеристиками трения, равномерностью и плавностью движения на малых скоростях, высокой точностью установочных перемещений при длительном сохранении точности; малым тепловыделением, простотой системы смазывания. Трение в направляющих качения практически не зависит от скорости движения.

Недостатками направляющих качения по сравнению с направляющими скольжения являются высокие трудоёмкость изготовления и стоимость, низкое демпфирование колебаний, повышенная чувствительность к загрязнениям.

Наибольшее распространение в металлорежущих станках имеют направляющие, в которых трение качения создаётся при свободном прокатывании тел качения (шариков или роликов) между движущимися поверхностями. В такой конструкции есть возможность разместить значительное число тел качения в зоне контакта и обеспечить необходимые жёсткость и точность движения. При большой длине хода используют направляющие с циркуляцией тел качения, которые свободно возвращаются на рабочую дорожку по каналу возврата.

Материал и конструктивные формы направляющих качения сходны с направляющими скольжения. Однако для направляющих качения необходимы твёрдые и однородные рабочие поверхности. Чугун применяют сравнительно редко лишь при небольших нагрузках. В основном используют стальные закалённые направляющие.