Механика каждого станка, независимо от его предназначения и типа, содержит комплектующие, которые относятся к базовым. Поэтому игнорировать их параметры недопустимо. Общепризнанно, что такой важной составляющей для металлорежущих или деревообрабатывающих устройств считаются направляющие. Именно ними определятся безошибочная и цикличная работа.
Поэтому тот, кто решил создать станок, должен позаботиться, чтобы в его конструкции использовались качественные направляющие для ЧПУ, положительно влияющие на функционал устройства. На приобретении комплектующих не экономят.
Основные типы направляющих
В процессе конструирования и монтажа станков (заводского и самодельного изготовления) применяют разные типы направляющих устройства. Это связано с их предназначением – фрезерование, сверление или токарные работы. Они могут быть двух типов.
Направляющие скольжения
Их используют в оборудовании небольшой мощности, не требующем особой точности и высокой производительности. Такими деталями комплектуют сверлильные и токарные агрегаты настольного типа, деревообрабатывающие станки.
Полированный вал, как вид направляющей, относится к бюджетным. Он наиболее распространен.
ВАЖНО! Его изготавливают из высоколегированной стали, выполняют индукционную закалку и, впоследствии, шлифовку. Такая обработка служит для увеличения продолжительности работы, а вал изнашивается меньше.
Полированный вал имеет недостатки:
- крепление в концевых точках, со станиной нет крепления, из-за чего налицо отсутствие жесткой связи со столом и наличие погрешностей в обработке;
- провисание при увеличенной длине, поэтому допустим её максимум – 1 метр. Рекомендуют иметь оптимальное соотношение диаметра вала и его длины (0.06-0.1), чтобы достичь нормальных результатов.
Направляющие качения
Они сконструированы при участии подшипников качения.
У линейных подшипников – больший люфт, чем у каретки рельсовых направляющих, он меньше нагружен. Но у него есть ряд минусов:
- низкий уровень грузоподъемности;
- недолговечность;
- изготовление с солидным люфтом;
- чувствительный к воздействию пыли и стружек на вал.
Материал для производства втулок – бронза, латунь, капролон. Если имеет место соблюдение допусков, бронзовые подшипники скольжения не уступают подшипникам качения. Время от времени, если подшипник скольжения износился, его подгоняют, и чтобы устранить зазоры. Поэтому шариковая втулка более предпочтительна, благодаря тому, что она доступна и взаимозаменяема.
Вал и его виды
Стоит дать краткую характеристику и остальным видам.
- Шлицевому валу свойственно наличие специальной дорожки для шариков втулки. Отличаясь большей жесткостью и износостойкостью, сравнительно с валом обычного вида, применим в механизмах, в которых желателен монтаж направляющих на концах. В конструкции станков задействованы крайне редко из-за дороговизны.
- Вал на опоре в виде цилиндрических рельс линейного типа не допускает прогибания под нагрузкой и собственным весом. Его крепят на станине, надежно фиксируя. Несмотря на минусы, выражающиеся в наличии большого люфта втулок, их малом сроке эксплуатации, у цилиндрических рельс – большая грузоподъемность. Отличаясь от линейных подшипников, каретка по-разному реагирует на степень нагрузок. У небольшого станка ЧПУ, имеющего тяжелый шпиндель, есть вероятность того, что снизится точность.
- Предназначение профильных рельсовых направляющих – большая точность. Они также прикреплены к станине. Благодаря специальным дорожкам качения, нагрузки на каретку распределяются равномерно по поверхности, а профилем касания шарика к рельсе есть дуга. Среди плюсов – наличие хорошей грузоподъемности и износоустойчивости, а люфт сведен к минимуму. Сложности производства таких рельсов, отрицательно сказываются на ценообразовании, они дорогостоящие. Особенно это относится к направляющим, поставляемым известными брендами, у которых станки имеют числовое программное управление.
- У роликовых рельсов – плоские дорожки качения, а в опорном модуле, на месте шариков, установлены ролики, улучшающие все параметры направляющей. Их применяют в станках, фрезерующих черные металлы, сталь и камень.
- «Ласточкин хвост» выбирают для промышленного металлообрабатывающего оборудования, если нужна повышенная жесткость крепления. В направляющих этого типа – скольжение плоских поверхностей при максимальной площади контакта. Их выполняют в виде монолита со станиной. Вследствие сложности и трудоемкости процесса изготовления и ремонта, поэтому хоббийное станкостроение не приемлет эти направляющие.
Каким конструкциям отдать предпочтение
Не все могут позволить себе приобрести, скажем, обрабатывающий центр с ЧПУ для изготовления мелкосерийных деталей в домашних условиях, станок форматного типа или для токарных работ. Но самодельный агрегат с ЧПУ, сделанный собственноручно – реально. Собранное устройство в умелых руках продемонстрирует образцы правильной обработки деталей.
Собирая механику программируемых станков, обычно применяют самодельные линейные направляющие, так как в устройствах с круговым движением нет необходимости. Обратим внимание на некоторые конструкции, применяемые при этом.
Оцинкованные или хромированные трубы
Они идут с различным диаметром можно использовать как стержни при монтаже маломощных устройств – плоскошлифовальных наждаков, сверлильных или токарных станков. По шлифованному цилиндрическому стержню осуществляется движение бронзовой втулки. Иногда суппорт делают и без нее. У труб – невысокая цен, их легко обрабатывать. Хотя есть минус: небольшой ресурс (стирание защитного слоя наступает спустя 15-20 проходок, после чего сталь изнашивается более интенсивно); нет нужного уровня прочности при высоких нагрузках.
Фрезер
Эффективен фрезер, в котором направляющий механизм изготовлен на основе бывшего в употреблении матричного принтера или печатной машинки «Янтарь». При таком варианте прослужит долго. Не нужно искать очень широкие подшипники, их внутренний поперечник должен равняться диаметру болтов.
Мебельные стержни
Проблему механики для станков с ЧПУ можно правильно решить при помощи мебельных стержней. Тем более, что самоделки с их применением гарантируют тщательную обработку на деревообрабатывающем, ленточно-шлифовальном оборудовании, и даже фрезерном с невысокой мощностью. Мебельные комплектующие относятся к дешевым, хотя ресурс у них небольшой.
Полированный вал
Недорогой и часто применяющийся тип направляющей. Сущность обработки – индукционно закалить верхний слой, что способствует повышению длительности эксплуатации и снижению интенсивности процесса изнашивания. Затем вал полируется, и каретка движется при минимальном трении.
Самодельные
Часто практикуется установка самодельных направляющих, используя то, что есть в наличии. Например, можно воспользоваться стальным уголком, подшипниками, гайками и болтами.
ВАЖНО! Не берите алюминиевый, в таком случае надо быть готовым к частой замене детали. Дорожки в ней выедают шарикоподшипники каретки.
Предпочтение лучше отдать стальному уголку. Если использование механизма ожидается интенсивным, лучше его закалить и отшлифовать для снижения трения на подшипниках.
Штоки
Собирая маленький домашний станок, иногда пользуются, как направляющими, – штоками автомобильных стоек из отечественного авто. Они прочны и изготовлены из металла высокого качества. Это ощутимо сократит затрату средств на стоимость комплектующих.
Шины
Есть и такой вариант: алюминиевые шины из распредустройства трансформаторной подстанции с впрессованными медно-графитными втулками от стартера МАЗа. А подвижные узлы делают из пневмоклапанов, которые применяются для управления пневмоцилиндрами.
При изготовлении направляющих и кареток для чпу своими руками (роликовых или шариковых), надо пользоваться такими ожидаемыми критериями:
- сохранение заданных параметров;
- плавное линейное перемещение кареток;
- эффективность работы;
- низкое трение.
ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ! Некоторые умельцы советуют в механике на станке обойтись без втулок. Такой вариант возможен, но это чревато ухудшением производимых изделий, а сроки эксплуатации установленного устройства из стержней – снизятся.
Заключение
Если установленные комплектующие же умельцем подобраны или обработаны неточно, с таким устройством будут проблемы. Поэтому важно всегда учитывать эти рекомендации:
- в фрезеровке металлических или каменных заготовок, профильным рельсам нет замены;
- если строится станок с рабочим полем, превышающим 7 кв. м., лучше подобрать вариант профильных направляющих;
- в оборудовании по обработке мягких материалов с маленьким рабочим полем, меньшим формата А4, применим полированный вал с диаметром 16-25 мм.
Если направляющая соответствует всем критериям, и каретка по ней движется плавно и равномерно, то и работа такого узла будет правильная.
Профильные линейные направляющие, своими руками сделанные или приобретенные - это роликовые или шариковые высокоточные подшипники качения, служащие в линейных перемещениях. Они обладают возможностью воспринимать силы, действующие в любых направлениях, исключая направление перемещения.
Виды линейных направляющих
Линейные направляющие бывают двух видов:
- с циркуляцией шариков;
- с циркуляцией роликов.
Роликовые исполняются в виде цилиндрических направляющих и направляющих с плоским сепаратором.
Все направляющие должны обладать главными свойствами:
- малым трением;
- высокой эффективностью;
- плавным линейным перемещением;
- способностью сохранять рабочие параметры.
Модули линейного перемещения
В последнее время в связи с развитием автоматизации большое значение приобрело применение модулей линейного перемещения, которые состоят из:
- прочного несущего профиля;
- точной направляющей системы;
- долговечного приводного механизма;
- серводвигателя с простым управлением.
В такой модульной составляющей находят свое применение направляющие как с подшипниками-шариками, так и с подшипниками-роликами. Рабочий привод осуществляется с помощью линейного двигателя, зубчатого ремня или шарикового винтового механизма.
Нашли свое применение и линейные столы, использующиеся при необходимости перемещения больших масс по осям. Благодаря габаритам, они воспринимают большие моментные нагрузки. В линейных столах используются:
- втулки линейного перемещения;
- направляющие с циркуляцией шариков.
Методика измерения точности
Если вы делаете линейные направляющие своими руками, вам нужно контролировать точность. Это делается довольно просто. На установленную базовую поверхность ставится рельс. В этом случае точность - выражение среднего значения показаний индикатора в центральной части измеряемой поверхности. Также точность линейных направляющих определяется измерением ширины и длины. При этом измеряется допуск на размер для каждого блока, что установлен на рельсе.
Жесткость и преднатяг
Во время работы профильные рельсовые направляющие подвергаются, ввиду приложенной нагрузки, воздействию упругой информации. Показания величины деформации зависят от типов элементов качения. Но так или иначе она становится меньшей, когда нагрузка увеличивается.
Для увеличения жесткости системы применяется преднатяг. Он уменьшает срок службы линейных направляющих, вызывая в них внутреннее напряжение, но при этом способен к поглощению деформирующих нагрузок при работе линейной направляющей в условиях сильной вибрации или ударной нагрузки. В связи с тем, что преднатяг вызывает упругую деформацию подшипников, они становятся зависимыми от негативного влияния ошибок при монтаже. Это говорит о том, что больше внимания следует обращать на точность обработки установочной поверхности.
Виды преднатяга:
- нормальный - применяется при наличии незначительных вибраций;
- легкий - используется при наличии легких вибраций и легком крутящем моменте;
- средний - применяется при ударных нагрузках и сильных вибрациях, а также при опрокидывающих нагрузках.
Монтаж рельсовых направляющих
Важно знать, что линейные рельсовые направляющие подвержены действию силы и момента. Для них должны определяться значения: допустимый статический момент и грузоподъемность, которые вычисляются при помощи формул. Рассчитывая номинальный ресурс шариковых и роликовых направляющих, надо использовать разные формулы.
При постоянной длине хода и частоте перемещений ресурс работы выражается через время. Обладая компактными монтажными размерами, профильные рельсовые направляющие имеют высокую грузоподъемность. Устанавливаемые в различных видах станков или в другом оборудовании, они монтируются двумя различными способами: в виде горизонтального рельса и способом боковой установки.
Так как комплектация осуществляется из двух параллельных рельсов, то расположение первого рельса исполняется на базовой стороне, а другого - на стороне регулируемой.
При работах с большими ударными нагрузками и вибрациями установка дополнительных боковых деталей - боковой прижимной пластины, установочных затяжных винтов, конического клина - способствует их устранению.
Установка же дополнительных прижимных деталей при работе с малой нагрузкой и небольшими скоростями перемещений не обязательна.
Линейные направляющие для станков ЧПУ
Что составляет систему линейных перемещений? Это комбинирование передачи и линейных направляющих.
Линейные направляющие для ЧПУ - это линейные подшипники, направляющие втулки, валы. Сами же направляющие должны решать три основные задачи:
- быть опорой для комплектования станка;
- при минимальном трении, с нужной точностью по заданной траектории обеспечивать движение деталей станка;
- принимать нагрузки, возникающие при рабочем процессе.
Линейные направляющие делятся в зависимости от способа крепления на станок. Это направляющие, осуществляющие полную поддержку - метод крепления к станине по всей длине направляющих, и частичную поддержку - метод концевого крепления.
Направляющие с полной поддержкой имеют большую грузоподъемность, в отличие от направляющих с частичной поддержкой. Иногда бывают варианты, когда по осям устанавливаются линейные направляющие - как с полной, так и с частичной фиксацией.
Представителями такой группы являются линейные цилиндрические направляющие. Они осуществляют возможность применения нескольких видов цилиндрических направляющих:
- направляющие полированные валы - является наиболее распространенным (высокая доступность, легкость в установке);
- шлицевые валы - высокая износостойкость и жесткость, способность принятия крутильных усилий с втулки. Используется при концевом монтаже направляющих;
- валы на опоре - это цилиндрические рельсы. Они используются в виде непосредственного крепления на станок.
Точность монтажной поверхности
Профильные рельсовые направляющие устанавливаются при помощи крепления на обработанную базовую поверхность. Метод крепления заключается в создании буртика на посадочной поверхности у становления по нему базовой поверхности или каретки. Исключение перекосов возможно при наличии канавки в углу самого буртика.
Существует прямая взаимосвязь между точностью поверхности рельса и точностью перемещения. От этого будет зависеть и точность всего оборудования. При этом точность обработанной монтажной поверхности обязательно соответствует заданной точности перемещения. Важно помнить, что нужно обязательно учитывать плоскостность блока, исключая при этом деформацию каретки.
Базовые поверхности
Чтобы обеспечить точную и более простую установку, необходимо создать базовые поверхности, которые должны располагаться на каретке и на рельсе с одной стороны.
При этом метка должна располагаться с противоположной стороны. Если достаточная точность не обеспечивается ввиду особенностей схемы монтажа, тогда осуществляется обработка базовых поверхностей и со второй стороны.
Защита от коррозии и смазка
Чтобы защитить направляющие от воздействия коррозии, их исполняют из Есть вариант с нанесением специального защитного покрытия. Его применение осуществляется при необходимости в высокой степени защиты от коррозии.
Готовые заводские направляющие смазываются пластичной смазкой, выполненной на основе литиевого мыла. После этого они могут использоваться по назначению. Различные условия работы потребуют нужной периодичности добавления смазки такого же типа.
В данной статье будут рассмотрены виды направляющих для станка с ЧПУ, их основные особенности и преимущества.
НАПРАВЛЯЮЩИЕ ПОЛИРОВАННЫЕ ВАЛЫ
Самый распространенный и бюджетный вид направляющих. Отличается низкой стоимостью, легкостью обработки и установки.
Изготавливаются из высоколегированных сталей, как правило - конструкционных подшипниковых , и проходят индукционную закалку поверхности с последующей шлифовкой.
Это обеспечивает продолжительное время работы и сопутствует меньшему износу вала.
Шлифованные валы имеют идеальную поверхность и обеспечивают движение с очень маленьким трением.
Валы крепятся только в 2 точках на концах, и поэтому монтаж их не представляет особой сложности.
Однако многие недобросовестные производители часто делают валы из дешевых и мягких сортов высокоуглеродистых сталей, пользуясь тем, что покупатель не всегда обладает средствами для проверки вида материала и его твердости.
К недостаткам полированных валов относятся:
1. Отсутствие крепления к станине.
Вал крепится в двух точках на концах - это облегчает монтаж направляющих, однако приводит к тому, что направляющие устанавливаются независимо от рабочей поверхности стола. В то же время в портальных станках крайне желательно ставить направляющие в жесткой связи со столом. Такая связь снижает погрешности обработки, если рабочий стол подвергался искривлению, «повело винтом» - направляющие, повторяя изгибы стола, нивелируют часть погрешности.
Крепление вала
2. Провисание на большой длине.
На практике из-за провисания валы используют длиной не более 1 метра. Кроме того, важно отношение диаметра вала к его длине - для получения приемлемых результатов его значение должно быть не менее 0.05, желательно в пределах 0.06-0.1. Более точные данные можно получить, произведя моделирование нагрузки на вал в пакетах САПР.
Виды линейных подшипников на вал:
1. Шариковые втулки
Линейные подшипники качения имеют большие люфты по сравнению с каретками рельсовых направляющих и меньшие нагрузочные характеристики.
Помимо этого для защиты от поворота каретки необходимо использовать как минимум два направляющих вала на одну ось. Недостатки линейных подшипников качения:
- Низкая грузоподъемность.
- Cледствие предыдущего пункта, а также конструктивного строения линейных подшипников.
- Недолговечность.
- Каждый шарик линейного подшипника касается вала в одной точке, что создает очень высокое давление. Со временем шарики могут прокатать канавку на валу, после чего вал подлежит замене.
Шариковые втулки
- Люфт
- Бюджетные линейные подшипники многими производителями изготавливаются зачастую с весьма существенным люфтом.
- Достаточно чувствительны к пыли и стружке на валу
2. Линейные подшипники скольжения
Втулки скольжения используют трение скольжения и изготавливаются из бронзы, латуни, капролона и иных материалов.
При должном соблюдении допусков бронзовый подшипник скольжения не уступает подшипнику качения в точности и грузоподъемности, и при этом легче переносит пыль и стружку. Однако необходимо быть уверенным, что вы всегда сможете достать материал для подшипника и обработать его как нужно.
Кроме того, периодически, по мере износа подшипник скольжения приходится подгонять для устранения зазоров. В большинстве случаев шариковая втулка предпочтительней для начинающих, по причине их высокой доступности и взаимозаменяемости.
ШЛИЦЕВЫЕ ВАЛЫ (BALL SPLINE)
Шлицевые валы имеют специальные дорожки качения для шариков втулки. Они более износостойкие и жесткие, чем обычные валы, а также могут воспринимать крутильные усилия с втулки.
Сочетая в себе преимущества монтажа валов, износостойкость профильных рельсов с возможностью создания натяга, шлицевые валы находят применение там, где требуется монтаж направляющих исключительно на концах.
Однако, из-за их существенно более высокой стоимости (по сравнению с полированными валами) они редко применяются в строении обычных станков.
ВАЛЫ НА ОПОРЕ
Профильные рельсы сложны и дороги в производстве, поэтому производителей рельсов меньше, чем производителей валов. Они, как правило, дорожат своей репутацией, потому качество профильных рельсов гораздо стабильней.
РОЛИКОВЫЕ ПРОФИЛЬНЫЕ РЕЛЬСОВЫЕ НАПРАВЛЯЮЩИЕ
Роликовые рельсы являются подвидом профильных направляющих, у которых дорожки качения - плоские, а вместо шариков в опорных модулях использованы ролики.
Это позволило увеличить жесткость направляющей, грузоподъемность и долговечность.
Роликовые направляющие используются в высоконагруженных металлообрабатывающих станках с ЧПУ, предназначенных для фрезеровки черных металлов, стали, камня.
Вряд ли Вы ищете именно такие направляющие, иначе Вы бы не читали данную статью.
НАПРАВЛЯЮЩИЕ "ЛАСТОЧКИН ХВОСТ"
И ПРИЗМАТИЧЕСКИЕ НАПРАВЛЯЮЩИЕ
Этот вид направляющих применяется там, где нужна очень высокая жесткость, например, в промышленных металлообрабатывающих станках. - низкая жесткость и грузоподъемность, ограниченная точность, необходимость в периодической подгонке, низкая цена, малая доступность готовых изделий на рынке. Вал провисает при большой длине.
Роликовая профильная направляющая
- Вал и шариковая втулка - низкая жесткость и грузоподъемность, ограниченная точность, средняя стоимость. Вал провисает при большой длине. Используются в хоббийных станках и станках среднего класса.
- Вал на опоре и шариковая втулка - средняя жесткость и грузоподъемность, ограниченная точность, средняя стоимость. Рельс повторяет деформации станины, нивелируя погрешность. Используются в хоббийных станках и станках среднего класса.
- Профильные направляющие - высокая жесткость, точность, износостойкость, высокая грузоподъемность, не требуется регулировка, высокая стоимость. Немаловажный фактор - сложность монтажа профильных направляющих и необходимость соответствующей подготовки монтажных поверхностей. Используются в станках среднего и промышленного класса.
Если Вы все прочитали, но ситуация не стала яснее, в заключение несколько конкретных рекомендаций:
- Если на станке планируется фрезеровать металлы или камень - альтернативы профильным рельсам нет.
- Если ваш станок будет иметь рабочее поле больше, чем 0,7 кв. м, лучше всего также применить профильные направляющие.
- Если ваш станок имеет рабочее поле меньше, чем формат А4, планируется обрабатывать мягкие материалы - подойдут валы диаметром 16–25 мм.
- Если Вы все еще затрудняетесь с выбором, обратитесь за консультацией к нашим специалистам.
Современная обработка материалов и изготовление сложных деталей предусматривает использование высокоточных станков. Высокоточное оборудование подразумевает, что и детали из которых оно выполнено тоже высокотехнологичны и точны. И для каждого вида станка свои требования для этих деталей.
Чтобы достичь требуемой точности обработки целой партии изделий, нужно обеспечить чёткое выполнение всех необходимых операций и многократное безошибочное их повторение. Такую задачу успешно выполняют станки с числовым программным управлением (ЧПУ).
Перемещение заготовки, обрабатывающего инструмента и связанных с ними элементов конструкции станка обеспечивают направляющие .
Устройство
Самое общее описание направляющей: она представляет собой узел, обеспечивающий перемещение заготовки, инструмента и связанных с ними элементов по нужной траектории с заданной точностью .
Основные части направляющей — прочный вал или профильная направляющая и перемещающиеся по ним подвижные узлы , несущие на себе рабочие элементы станка.
Конструктивные решения направляющей, а также обеспечение перемещения по ней очень разнообразны и подчинены выполнению конкретных задач металлообработки.
Устройство профильной рельсовой направляющей типа Hiwin
Принципы работы
Направляющие станка с ЧПУ закрепляются до такой степени надёжно, чтобы были исключены даже их минимальные сдвиги при работе оборудования — под действием веса, перемещения или вибрации рабочих узлов.
В процессе обработки заготовок по направляющим, под управлением заданной программы, без затруднений передвигаются и прочно закрепляются функциональные узлы станка, обеспечивая выполнение необходимых рабочих операций.
Используются, в зависимости от способа перемещения подвижного узла, направляющие скольжения, качения и комбинированные , которые сочетают как катящееся, так и скользящее перемещение.
Направляющие скольжения , в которых поверхность вала непосредственно соприкасается с перемещающейся по нему втулкой , подвержены действию значительных сил трения, которые в процессе работы значительно меняются по направлению и силе. Нагрузка трением изнашивает направляющие. Кроме того, на работе направляющих скольжения сильно сказывается разность между силой трения в состоянии покоя и силой трения во время движения.
На малых скоростях из-за этой разности перемещение рабочих узлов происходит скачкообразно – для станков с ЧПУ это недопустимо.
Чтобы уменьшить влияние сил трения, применяют антифрикционные пластиковые накладки, а также ряд других способов снижения этих сил. В зависимости от того, каким способом уменьшается трение, направляющие скольжения подразделяются на гидростатические, гидродинамические и аэростатические.
В гидростатических жидкостная (масляная) смазка присутствует при любой скорости скольжения, соответственно, обеспечивается и равномерность движения, и высокая его точность.
У таких направляющих два проблемных момента: сложно устроенная система смазывания, а также необходимость специальных фиксирующих устройств для закрепления перемещенного узла в нужном положении.
Гидростатические направляющие снабжены специальными масляными карманами, в которые смазка подаётся под давлением и вытекает наружу, создавая масляный слой по всей длине соприкосновения поверхностей. Толщина слоя регулируется.
Гидродинамические эффективно уменьшают трение за счёт «всплывания» движущегося узла в масле, заполняющем зазоры между смазочными канавками на рабочих поверхностях направляющих при движении по ним перемещаемых узлов.
Хорошо работают гидродинамические направляющие только при значительных скоростях скольжения.
Проблемными моментами является разгон, а также торможение движущейся части.
Аэродинамические работают на воздушной подушке.
Конструктивно они похожи на гидростатические, имеют карманы, в которые под давлением подаётся воздух.
По сравнению с масляной, воздушная подушка выдерживает меньший вес и хуже гасит толчки и вибрации.
Подводящие воздух пути, как и зазор между разделяемыми поверхностями, легко засоряются.
Вместе с тем, в отличие от гидростатических направляющих, аэростатическим не нужна дополнительная фиксация: сразу после прекращения подачи воздуха подвижная часть плотно садится на вал.
Направляющие качения
, в соответствии с формой подшипников, бывают шариковыми и роликовыми. При сопоставимых габаритах роликовые выдерживают более значительную нагрузку. Конструктивно они состоят из комплекта «рельс-каретка», «линейный подшипник-вал», «рельс-рельс с плоским сепаратором»
.
Такие направляющие имеют сниженные показатели трения, обеспечивают точное перемещение и остановку в нужном положении, при малых скоростях перемещение по ним не теряет плавности. Смазывание направляющих качения также не представляет трудностей.
Вместе с тем, они имеют более высокую стоимость, хуже гасят сотрясения и более, чем направляющие скольжения, чувствительны к загрязнению.
Комбинированные направляющие сочетают скольжение по одним граням со скольжением по другим. Этот вид направляющих наиболее широко распространён и объединяет как достоинства, так и недостатки направляющих качения и скольжения.
Классификация, области применения, достоинства и недостатки
Форма несущего вала направляющих может быть линейной и круговой; их располагают горизонтально, вертикально и наклонно. Закрепление направляющих производится либо по всей длине, либо только на конечных участках.
По профилю вала линейные направляющие подразделяются
Цилиндрические рельсы (полированный вал ). Форма сечения – круг. Полированный вал является самой бюджетной и распространённой направляющей, лёгкой в обработке и установке: закрепляются лишь концы. Поверхность такого вала закалена, гладкость её практически идеальна, движение подшипниковых муфт по этой поверхности происходит с очень небольшим трением.
Однако там же, где достоинства, коренятся и недостатки: лёгкость крепления – это, в то же время, отсутствие жёсткой связи с рабочим столом и провисание в случае значительной длины и/или нагрузки.
Комплект «шариковый подшипник-полированный вал» отличается невысокой ценой. При этом у подвижных втулок небольшая грузоподъёмность . Как правило, имеется люфт , который увеличивается по мере эксплуатации. Срок службы при нормальных температурных условиях составляет 10000 часов, но при нагревании рабочей зоны значительно сокращается.
Имеет профилированные прямые углубления-борозды, дорожки качения, по всей длине, предназначенные для дополнительного закрепления перемещающихся по валу втулок с рабочими узлами станка. При этом люфт, по сравнению с полированным валом, значительно уменьшается и, ввиду более сложной технологии изготовления, возрастает цена таких направляющих.
Направляющие с плоскими рельсами прямоугольного сечения, как правило, профилированы шлицами под применяемые тела качения.
Так, шариковые профильные направляющие обеспечивают прецизионное перемещение , действительную прямолинейность , грузоподъёмность . У них низкий люфт . Они износоустойчивы . Их используют для комплектования робототехнических линий, в металлорежущих станках и прецизионной металлообработке
Вместе с тем, устанавливать такие рельсы достаточно сложно; высоки требования к прямолинейности и шероховатости. По стоимости, ввиду сложности производства, они гораздо менее доступны, чем полированные валы.
Роликовые профильные направляющие имеют плоские дорожки качения. В опорных модулях установлены ролики. Ещё грузоподъёмнее, жёстче и долговечнее, чем шариковые шлицевые. Используются во фрезерных станках с высокой нагрузкой.
Призматическая направляющая ласточкин хвост
Призматические направляющие с рельсами треугольного сечения и направляющие «ласточкин хвост» с трапециевидным сечением применяют там, где нужны соединения повышенной жёсткости , например, в металлорежущих станках.
В частности, направляющие «ласточкин хвост»
выполняются со станиной как одно целое. Изготовление, а также ремонт «ласточкиных хвостов» — сложные процедуры, требующие больших трудозатрат. Вместе с тем, они обеспечивают высокоточное перемещение подвижных элементов
.
Технические характеристики
Благодаря своей конструкции, направляющие обеспечивают только одну степень свободы при перемещении по ним подвижного узла.
По «роду деятельности» они должны обладать высокой прочностью и износостойкостью.
Поэтому основными материалами для изготовления их опорных частей (валов и рельсов) являются:
серый чугун . Его используют при изготовлении направляющих, которые составляют одно целое со станиной.
Сталь. Её применяют для изготовления съёмно-накладных направляющих. Используют закалённые стали с высокой твёрдостью (60-64HRC), например, марки 40Х с закалкой ТВЧ.
Изготовление направляющих предусматривает такую их длину, которая обеспечивает полное покрытие станины либо наращивание до требуемых размеров.
Нормы точности при изготовлении направляющих стандартизованы и составляют 0,02мм допустимого отклонения при длине 1 метр .
Регламентируется также допустимая шероховатость поверхности и габаритные размеры в соответствии с рабочей нагрузкой.
В частности, на небольших станках, имеющих рабочее поле 30х40см диаметр направляющих должен составлять 2,5 см.
Площадь рабочего поля и твёрдость обрабатываемого материала определяют также необходимый класс направляющих. Так, при рабочей площади свыше 0,7м 2 с обработкой стальных заготовок потребуются только профильные рельсы. Более бюджетный вариант полированного вала в этом случае непригоден.
Для каждой конкретной области работ по разработанным алгоритмам проводится расчёт, определяющий оптимальный вариант параметров направляющих станка.
Чтобы уменьшить коэффициент трения, применяют пары скольжения «металл-пластик», причём пластиковыми насадками служат фторопласт, тефлон, торсайт и подобные материалы.
Для обеспечения плавности движения гидростатических и комбинированных направляющих используют специализированные «антискачковые» масла.
Установка
Правильная и точная установка направляющих станка с ЧПУ – залог его безотказной работы.
Поэтому перед началом этой операции удаляют все загрязнения с кромок и плоскости базовой установочной поверхности, которая должна иметь строго горизонтальное, выверенное уровнем, расположение.
Рассмотрим установку двухрельсовой направляющей .
Выбирают, согласно нанесённой на него маркировке, основной рельс.
Если основной рельс крепится к боковой кромке базовой поверхности , он осторожно помещается на опорную поверхность и временно закрепляется болтами в слегка прижатом к боковой кромке положении.
При этом метка на рельсе совмещается с боковой базовой поверхностью опоры. Крепёжные отверстия рельса не должны быть смещены относительно базовых.
Затем винты, фиксирующие рельс, затягиваются по порядку, чтобы рельс плотно прижался к боковой опорной поверхности.
Так устраняется смещение в горизонтальной плоскости.
После этого затягиваются установочные болты (вертикальные) по порядку, от середины к концам рельса. При этом необходимый крутящий момент затяжки определяется динамометрическим ключом.
Если основной рельс не имеет прижимных винтов , которые обеспечивают боковое крепление, его устанавливают с применением тисков .
Крепёжные болты затягивают временно, а затем, прижимая рельс небольшими тисками к базовой боковой кромке в тех местах, где находятся установочные болты, полностью затягивают эти болты с предписанным усилием, перемещаясь от одного конца рельса к другому.
В том случае, если базовая кромка со стороны основного рельса отсутствует , его выравнивание в горизонтальной плоскости осуществляют с помощью визирного уровня, цифрового индикатора или поверочной линейки.
После правильного монтажа основного рельса, параллельно ему устанавливают вспомогательный рельс .
При этом используют поверочную линейку . Она размещается параллельно основной направляющей; параллельность определяется цифровым индикатором. После того, как параллельность достигнута, закрепляют болты вспомогательного рельса окончательно.
Кроме того, применяют специальные направляющие линейки , а также выравнивание положения вспомогательного рельса с помощью кареток из комплекта рельсовых направляющих .
Чтобы установить каретки, на них помещают стол и временно закрепляют его рабочими болтами. Затем прижимают каретки со стороны основного рельса к боковой базовой поверхности стола фиксирующими болтами и устанавливают стол. После этого установочные болты на основной и вспомогательной стороне полностью затягиваются.
Если каретки используют для правильной установки вспомогательного рельса по основному, то стол помещают на каретки главного рельса, а вспомогательный временно закрепляют.
Установочные болты двух кареток на главном рельсе и одной из двух кареток на вспомогательном затягивают полностью.
Затем болты на вспомогательном рельсе полностью затягивают по порядку при временном закреплении второй каретки на вспомогательном рельсе.
При этом главный рельс служит ориентиром, а стол с каретками – индикатором параллельности.
Для обработки крупномерных заготовок направляющие наращиваются до нужной длины соединением нескольких секций . Предприятия-поставщики специально оговаривают такую возможность.
Секции для стыкового соединения маркируются таким образом, чтобы обеспечить последовательный их монтаж. При этом установочные болты располагаются ближе к концам соединяемых секций.
Секции по всей длине должны быть обеспечены опорой . Поэтому может потребоваться наращивание самой станины.
Секции наращивания проводятся через те же процедуры установки, что и основные.
Машинная обработка – одна из наиболее подробно и разнообразно оснащённых производственных отраслей. Для станков с программным управлением имеется широкий выбор комплектующих.
Правильный подбор оптимального конструктивного решения и отъюстированная установка направляющих станка с ЧПУ – надёжная гарантия качества металлообработки на этом станке.
В конструкции станка с ЧПУ используется несколько типов направляющих. Самодельные устройства нередко комплектуются рельсами из каретки печатной машинки, принтера или покупными. Качество и характеристики направляющих влияют на возможности станка с ЧПУ и точность обработки, поэтому экономить на их покупке не стоит.
Валы круглого сечения
Наиболее широко применяемый и недорогой тип направляющих это полированные валы. Они просто монтируются, обрабатываются, купить такие детали не проблема. Валы производят из высокопрочной стали, в основном, шарикоподшипниковой, марок ШХ15 СГ, ШХ15, 95Х18-Ш. Они дополнительно подвергаются индукционному закаливанию верхних слоев, после чего полируются. Закалка индукционным методом повышает срок эксплуатации и снижает степень износа. Полированная поверхность позволяет двигаться каретке с минимальным трением за счет идеальной гладкости. Фиксируются валы своими руками, с двух концов, очень просто и быстро.
В продаже множество подделок, выполненных из металла низкого качества. Ведь проверить твердость стали на месте не представляется возможным.
Эта модель направляющих обладает рядом недостатков:
- нет фиксации на основании. Вал удерживается лишь за счет двух концевых крепежей, что значительно облегчает установку своими руками, но делает направляющие независимыми от столешницы. Это увеличивает вероятность неточностей при обработке, направляющие может повести, со временем они искривляются.
- провисают на длинных отрезках. В связи с провисанием валы длиннее 100 см в станкостроении не применяют. Следует также учитывать соотношение толщины и длины вала. Оптимальным считается соотношение 0,05, а лучше от 0,06 до 0,1.
Линейные подшипники на круглый вал
Используется два типа линейных подшипников для направляющих:
- шариковые втулки;
- подшипники скольжения.
Шариковые втулки или подшипники качения по сравнению с каретками рельс обладают двумя большими недостатками: малая грузоподъемность, большой люфт. Чтобы каретка не разворачивалась, нужно на каждую ось ставить по паре валов. Минусы шариковых подшипников качения:
- выдерживают малую нагрузку;
- невысокий ресурс работы — шарик прилегает к валу лишь в единой точке, поэтому здесь образуется высокое давление. Постепенно в месте соприкосновения пробивается канавка и вал необходимо своими руками менять;
- большой люфт — дешевые подшипники (а их большинство) производятся со значительным люфтом;
- легко забиваются опилкой и пылью.
Подшипники скольжения. Подшипники этого типа изготавливают из мягких металлов, капролона, они работают по принципу трения скольжения. Если при эксплуатации выдерживаются все допуски, грузоподъемность и точность такого подшипника не меньше, чем качения. Вместе с тем, ему не страшны опилки и пыль. Но это касается лишь бронзовых деталей, грамотно обработанных.
Постепенно изделие изнашивается и его необходимо периодически подгонять, чтобы убрать зазоры. Чаще всего при изготовлении направляющих своими руками, используются более доступные шариковые подшипники.
Шлицевые валы
Вал круглого сечения имеет продольные пазы, по которым двигаются шарики втулки. Конструкция обладает повышенной жесткостью по сравнению простыми шлифованными валами, более длительным сроком эксплуатации, способна воспринимать с втулки усилия кручения.
При этом они также просто устанавливаются на два крепления по концам. Благодаря конструкции можно обеспечивать натяжение вала, поэтому их используют при необходимости крепежа направляющих по концам.
Один из основных минусов шлицевых направляющих — их высокая цена, поэтому в обычных станках с ЧПУ они используются редко.
Цилиндрические валы
Конструкция цилиндрических валов позволяет удерживать уровень по всей длине, полностью исключая провисание под весом каретки или своим собственным. Такие направляющие называются еще линейными опорными валами, фиксируются они прямо к корпусу станка с ЧПУ через предусмотренные в опорах резьбовые отверстия. По таким направляющим могут двигаться каретки большого веса без провисания.
Минусы цилиндрических валов:
- малый срок эксплуатации;
- заметный люфт втулок.
Если подшипники линейного типа одинаково работают с нагрузками разного направления, то на цилиндрических валах каретки показывают меньшую стабильность. Это объясняется замкнутой поверхностью втулок, которой не обладают каретки. Поэтому следует быть готовым к тому, что аппарат с ЧПУ малого размера с увесистой кареткой на опорных валах будет работать с большей погрешностью, нежели такой же станок с ЧПУ на обычных круглых рельсах.
Технология изготовления цилиндрических рельс очень проста, поэтому их производят и известные фирмы, и кустарные мастерские. Этим объясняется разброс технических характеристик и цен. Зачастую каретки и рельсы одного изготовителя «ноу нэйм» не совпадают.
Профильные рельсовые направляющие
Такие направляющие устанавливаются в станках ЧПУ особой точности, фиксируются прямо к станине, они могут быть шариковыми и роликовыми.
Шариковые профильные направляющие
На профильных направляющих есть дорожки, по которым перемещается каретка. Поэтому нагрузка распределяется равномерно по длине дорожки: шарик каретки прилегает к рельсу по дуге. Рельсы-направляющие характеризуются геометрической точностью. При перемещении тяжелой каретки их прямолинейность не нарушается. Служат они долго и практически не дают люфт.
Минусы шариковых рельс:
- к местам крепления существуют высокие требования по прямолинейности и шероховатости;
- достаточно сложно монтируются на станок с ЧПУ.
В продаже можно найти модели кареток и направляющих с разными грузоподъемностью и преднатягом. Производство рельс дорого, технология сложна. Поэтому кустари не занимаются их изготовлением, а представленная на рынке продукция достаточно качественная. Достойные направляющие выпускают, например, под марками ТНК и Hiwin.
Роликовые профильные направляющие
Это одна из разновидностей профильных рельс с плоскими пазами качения. Опорные модули вместо шариков оснащаются роликами. Благодаря этой разнице направляющие получаются еще более жесткими, выдерживающими большие грузы и длительный срок эксплуатации. Такие рельсы устанавливают на интенсивно работающее оборудование для фрезеровки камня, прочных марок стали и чугуна.
Призматические рельсы и «ласточкин хвост»
Их устанавливают на металлообрабатывающих производствах, где требуется повышенная жесткость. Рельсы «ласточкин хвост» представляют собой два скользящих друг по другу, плоских элемента. Отличие конструкции в большой плоскости соприкосновения. Такие рельсы нельзя демонтировать, они являются частью станины. Их производство и ремонт довольно сложны, поменять их своими руками вообще невозможно. Поэтому конструкция используется только в профессиональных станках с ЧПУ.
Самодельные направляющие из того, что нашлось под рукой
Простейшие направляющие можно собрать своими руками из металлического уголка, подшипников, гаек и болтов. Алюминиевые уголки для направляющих использовать не стоит — деталь придется менять очень часто. Ведь шарикоподшипники каретки будут выедать в ней дорожки. Предпочтительнее стальной уголок или кругляк. В зависимости от интенсивности использования его можно закалить или оставить, как есть. Но непременно следует отшлифовать, уменьшив трение. Наиболее простой и бюджетный вариант это направляющие из старого принтера.
Не следует подбирать слишком широкие подшипники, это бесполезно. Ширина «выедаемой» дорожки на направляющей не зависит от габаритов подшипника. Диаметр болтов должен совпадать с внутренним поперечником подшипника.
