Направляющие скольжения и качения для станков – что лучше

Скользить и не падать

Для перемещения подвижных частей станков, измерительных приборов, роботов и других различных устройств используются различные виды направляющих, которые, являясь одним из основных элементов конструкции, в значительной мере определяют их возможности и технический уровень. В настоящее время в современных металлообрабатывающих станках применяются следующие виды направляющих: скольжения, качения, гидростатические, гидродинамические и аэростатические. Гидростатические, гидродинамические и аэростатические направляющие в станках общего назначения используются крайне редко, поскольку имеют ряд недостатков, связанных в большей степени со сложностью их конструкций. Кроме того, аэростатические направляющие имеют еще один существенный недостаток – очень низкую жесткость. Гидростатические направляющие в основном находят применение в тяжелых и супертяжелых станках.

Сегодня в конструкциях многих изготовляемых металлообрабатывающих станков используются направляющие скольжения и качения (более 95%).

Направляющие для станков должны удовлетворять следующим требованиям:

• точность перемещения, точность позиционирования;
• долговечность сохранения точности;
• равномерность перемещений на малых скоростях, т.е. отсутствие скачков;
• нагрузочная способность;
• высокая износостойкость;
• высокая жёсткость;
• отсутствие вибраций;
• малые силы трения;
• ремонтопригодность;
• высокая демпфирующая способность.

Направляющие скольжение (НС) применялись издавна в конструкциях различных машин и механизмов и были наиболее распространённым типом направляющих, используемых в станочном оборудовании. Широкое применение в станках направляющие скольжения получили в основном за счет несложной их конструкции. Как правило, в базовых деталях станков (в станинах, каретках) направляющие формировались при изготовлении отливок, а затем механически обрабатывались.

В прошлом, на протяжении долгого времени, когда максимальная скорость перемещения узлов станков была в пределах 10…15 м/мин направляющие скольжения успешно справлялись с предъявляемыми к ним требованиям. Затем, для достижения более высоких показателей точности и скорости движения узлов (до 25…30 м/мин), направляющие скольжения постоянно совершенствовались. Совершенствование главным образом заключалось в нанесении покрытий из различных материалов (бронзы, текстолита, фторопласта и др.), позволивших устранить «скачки» при старт-стопных режимах, снизить потери на трение и значительно увеличить скорость перемещения узлов при сохранении высокой демпфирующей способности. В базовых частях станка (станине, каретке) применялись, механически прикрепленные к ним, закаленные до высокой твердости планки, изготовленные из легированной стали. В качестве смазки использовались высококачественные масла с анти-скачковыми свойствами. Все эти меры, при использовании конструкторских решений, когда детали в узлах продолжали скользить относительно друг друга, позволяли достигать определенных результатов, при этом технические характеристики машин не только не падали, но и в какой-то степени росли.

Однако, для дальнейшего улучшения ряда технических характеристик станков при использовании направляющих скольжения наступил определенной предел, сложилась ситуация, когда дальнейший рост, таких показателей станочного оборудования как, точность и скорость движения, стал невозможен. Уже в станках, где требовались точные малые установочные перемещения узлов с дискретностью до 0,001 мм, при использовании направляющих скольжения было очень трудно добиться положительных результатов из-за скачкообразного движения. Поэтому, для достижения требуемой точности в таких станках стали применяться направляющие качения. Конструктивно вначале они были выполнены в виде интегрированных элементов (направляющих поверхностей) узлов станков с шариковыми или роликовыми телами качения, а затем - в виде так называемых танкеток. Для решения вопросов достижения точности позиционирования узлов металлообрабатывающих станков до 3…5 мкм и выше, при дискретности перемещений до 0,1 мкм, а также скорости их перемещения – до 60…100 м/мин и выше были разработаны и освоены в производстве рельсовые направляющие качения (РНК).

В последние 20-25 лет в современном станочном оборудовании, в особенности в станках с ЧПУ, где требуется точное и динамичное линейное перемещение узлов, стали широко применяться рельсовые направляющие качения. В настоящее время ряд зарубежных и отечественных производителей использует РНК в конструкциях станков с не очень высокими характеристиками по точности и производительности, более того, РНК порой применяются даже в универсальных станках с ручным управлением. Попробуем разобраться в причинах этого.

Сравнение направляющих скольжения и качения

В среде станкостроителей, в том числе порой и у конструкторов, нередко идут ожесточенные споры о том, какой тип направляющих все же лучше применять в металлообрабатывающих станках - скольжения или качения? Одни в этих спорах считают главными одни определенные характеристики, другие делают упор на важности других показателей. Справедливости ради, нужно сразу отметить, что, в принципе, в каждом деле, в каждом случае есть свои плюсы и минусы, главное всегда определиться как максимально их использовать для достижения высокого результата. Начнем по порядку.

Сравнивая технические характеристики направляющих скольжения и рельсовых направляющих качения стоит выделит следующие основные преимущества последних:

• меньше потерь на трение;
• выше точность установочных передвижений;
• более высокая допустимая скорость перемещения, а также высокие ускорения;
• отсутствие зазоров, наличие предварительного натяга;
• увеличенный ресурс;
• высокая ремонтопригодность;
• конкурентная стоимость.

Коэффициент трения у направляющих качения по сравнению с направляющими скольжения в среднем на порядок ниже. Это главное преимущество даёт возможность повысить точность позиционирования исполнительных узлов в станках с ЧПУ в среднем в пять раз, максимальную скорость перемещения – в 3…4 раза. Выбор РНК по классам точности зависит от предъявляемых требований к параметрам точности станка.

Направляющие скольжение имеют зазор в пределах от 10 до 30 микрон в зависимости от габарита станков и размеров перемещающихся относительно друг друга деталей направляющих. Наличие такого зазора при определенных значениях действующих знакопеременных нагрузках может привести к появлению вибраций. Рельсовые направляющие качения, предназначенные для применения в станочном оборудовании, изготовляются без зазора – с различной величиной предварительного натяга. Выбор РНК по классам предварительных натягов зависит от величин и характера нагрузок, возникающих при его работе. Направляющие с лёгким предварительным натягом применяются при неизменном направлении нагрузки и незначительных толчках, со средним – при средних знакопеременных нагрузках, при обеспечении высокой жёсткости системы, с высоким – при вибрациях и толчках, при обеспечении очень высокой жёсткости системы.

Рельсовые направляющие качения обладают лучшими эксплуатационными характеристиками такими как: большой ресурс и высокая ремонтопригодность. Большой ресурс обеспечивается за счет того, что все основные элементы РНК (рельсы, каретки, тела качения) изготовлены с высокой геометрической точностью из высоколегированной качественной стали с очень высокой твердостью, а также за счет применения эффективных систем смазки и скребковых очистителей. Высокая ремонтопригодность является важным достоинством рельсовых направляющих качения. В случае замены изношенных РНК на новые, на порядок сокращается трудоемкость ремонтных работ по сравнению с восстановлением направляющих скольжения. При использовании станков с РНК их капитальный ремонт можно проводить без демонтажа с места установки и без дополнительных затрат, связанных с транспортировкой на специализированные ремонтные заводы.

Сравнивая и анализируя стоимостные затраты, то здесь следует отметить высокую конкурентную способность РНК. Разумеется, сравнивая стоимостные затраты на изготовление простых по конструкции направляющих скольжения, которые сделаны заодно со станиной или кареткой, со стоимостью рельсовых направляющих качения, нужно признать, что решение с применением РНК будет дороже. Но, этот самый дешёвый вариант НС имеет и самые низкие технические характеристики. Более высокие технические характеристики, главным образом по скорости и точности движения, имеют направляющие скольжения, изготовленные из стальных планок. И здесь, такие НС по стоимости приближаются к стоимости РНК, а порой их стоимость может быть и выше. Поскольку, под установку как стальных планок, так и рельсов направляющих качений, требуется обработка соответствующих поверхностей на станинах и на других узлах станка, а стоимость изготовление самих планок из высококачественной стали равна где-то стоимости рельсовых направляющих качения.

Однако, имеется несколько технических характеристик, по которым рельсовые направляющие качения уступают направляющим скольжения. Это прежде всего - нагрузочная способность, жесткость и демпфирующие способности. Главной причиной этих указанных преимуществ, направляющих скольжения перед рельсовыми направляющими качения, является то, что в НС контакт между рабочими поверхностями происходит по поверхности, а в РНК – по точке у шариковых и по линии у роликовых.

Сначала проанализируем степень влияния на стабильную работу металлорежущих станков таких характеристик направляющих, как: жесткость и демпфирующие способности. Здесь нужно вспомнить, что где-то 50 лет назад разработчики станков в своей работе часто использовали аббревиатуру СПИД, и это совсем не было связано с известным заболеванием. СПИД - это сокращенное название системы: Станок, Приспособление, Инструмент, Деталь. Именно характеристики системы СПИД в совокупности влияют на стабильность обработки деталей на металлорежущих станках. Сравнивая значения жесткости узлов различных станков, следует отметить, что во многих конструкциях станков есть места, жесткость которых значительно меньше жесткости направляющих. Например, в токарных станках самым слабым звеном по жесткости всегда была задняя бабка с ее шариковыми и роликовыми подшипниками в пиноли или во вращающемся центре. Кроме того, нужно учитывать и тот момент, что в токарных станках, особенно в крупных - горизонтальной компоновки, вес обрабатываемой детали порой на порядок превышает силы резания, которые воспринимаются направляющими станка. А значительная часть веса обрабатываемой детали воспринимается самым слабым звеном станка – задней бабкой. Жёсткость направляющих скольжение, которая порой бывает на порядок выше жёсткости остальных узлов станка в целом не делает станок абсолютно или достаточно жёстким.

Современные конструкции рельсовых направляющих качения имеют очень высокую нагрузочную способность. Роликовые линейные направляющие качения по сравнению с шариковыми способны воспринимать более высокие нагрузки (в среднем в 1,5 раза больше), поэтому они являются более предпочтительными для применения в металлорежущих станках средних и больших типоразмеров. Так, например, роликовые РНК с удлиненными каретками производства компании ТНК имеют следующие значения базовых динамичных нагрузок:

• 35 типоразмер – 87,9 кН;
• 45 типоразмер – 139 кН;
• 55 типоразмер – 210 кН;
• 65 типоразмер – 372 кН;
• 85 типоразмер – 497 кН;
• 100 типоразмер – 601 кН;

Во всех случаях, при разработке проектов станков, нужно обязательно делать необходимые расчеты на максимальные нагрузки и жесткость. И, используя эти расчеты, делать выбор рельсовых направляющих качения соответствующих типоразмеров с учетом определенного запаса. И всегда помнить слова одной из героинь легендарного фильма «А зори здесь тихие»: «Ты, главное - с размером не ошибись!»

В настоящее время в мире достаточно большое количество компаний производят очень широкую номенклатуру шариковых и роликовых рельсовых направляющих качения. Разнообразие конструктивных исполнений РНК позволяют применять их не только в станочном оборудовании, но в множестве различных других промышленных изделиях.

Конструктивные особенности выпускаемых рельсовых направляющих качения

Подводя итог проведенного сравнения, следует сделать вывод, что современные конструкции рельсовых направляющих качения по многим характеристикам превосходят направляющие скольжения. Поэтому РНК в последнее время нашли широкое применение не только в точных и высокоскоростных станках с ЧПУ, но и в обычных станках - от относительно небольших размеров до крупногабаритных станков различного назначения.

Побеждают скоростные

Обладая целым рядом достоинств и преимуществ, рельсовые направляющие качения в настоящее время представляют собой основной тип направляющих для многих других различных промышленных изделий. Сегодня шариковые и роликовые рельсовые направляющие качения широко применяются в продукции ряда отраслей промышленности: это разнообразное промышленное оборудование; технологическое оборудование для электронной отрасли; транспорт; авиакосмическая техника и вооружения; строительство; медицинская техника; измерительные приборы и многие другие изделия для населения и промышленности.

Использование рельсовых направляющих качения в различных машиностроительных изделиях позволяет добиться самых высоких показателей скорости и точности перемещения узлов и механизмов. Именно эти два главных показателя способствовали тому, что РНК стали применять во множестве различных изделиях. Спрос на рельсовые направляющие качения с каждым годом показывает положительную динамику. Это обусловлено как ростом производства новой различной техники, так и существенным увеличением объема работ по ремонту и модернизации старого оборудования с применением РНК.

Возможно в будущем появятся другие конструкторские решения и новые материалы, которые дадут возможность достичь более высоких результатов в скорости и точности перемещений узлов и механизмов машин. Но несомненно только одно, что рельсовые направляющие качения в перспективе будут больше применяться не только в станочном оборудовании, но в других промышленных изделиях, и в итоге заменят в большей части направляющие скольжения, как когда-то подшипники скольжения в буксах железнодорожных вагонов были заменены на шариковые подшипники.

Попков В.П.

Февраль 2023 г.

Статьи о проблемах отечественного станкостроения и путях их решения читайте на нашем сайте: станки-экспо.ру в подразделе «Обзоры» раздела «Новости». Пишите комментарии, будем рады получить от Вас обратную связь!