Направляющие для станков: особенности конструкции и применения

Направляющие для станков – это узлы, которые обеспечивают перемещение заготовки и рабочих органов станка по заданной траектории для достижения необходимого взаимного расположения в процессе обработки.

Основные части узла – профильная направляющая и перемещающиеся по ним подвижные узлы, которые несут на себе рабочие элементы станка. Конструкция этих узлов, а также обеспечение перемещений по ним разнообразны и отвечают выполнению конкретных задач металлообработки.

От свойств и качества работы направляющих зависит точность обработки на металлорежущем станке. Поэтому к ним предъявляются такие требования:

• высокая нагрузочная способность и износостойкость;
• высокая точность перемещения и позиционирования;
• равномерность перемещения на малых скоростях, без скачков;
• жесткость и отсутствие вибраций;
• минимизация силы трения;
• ремонтопригодность.

Направляющие высокоточных станков с ЧПУ закрепляются с такой степенью надежности, чтобы исключить даже минимальные сдвиги при работе оборудования – под действием веса, перемещения или вибрации рабочих узлов.

Виды направляющих станков

В металлорежущих станках устанавливают направляющие скольжения, качения и комбинированные, которые сочетают оба типа. В свою очередь основные виды направляющих станков делятся на несколько типов, каждый из которых имеет свои особенности, плюсы и минусы.

Для удобства восприятия отобразим классификацию в таблице.

Рассмотрим особенности каждого типа направляющих.

Направляющие скольжения

Поверхность направляющих скольжения непосредственно соприкасается с перемещающимся по ним узлами. Воздействие значительных сил трения становится причиной их ускоренного износа. К тому же на их работе сильно сказывается разность между силой трения в состоянии покоя и силой трения во время движения – на малых скоростях перемещение узлов происходит скачкообразно.

Чтобы уменьшить влияние сил трения, используют антифрикционные пластиковые накладки и другие методики, в частности жидкие и газовые среды, то есть применяют гидростатические, гидродинамические и аэростатические направляющие.

Гидростатические направляющие

Обеспечивают равномерное и точное движение за счет использования масляной смазки. Они оснащены специальными масляными карманами, куда под давлением подается смазка и, вытекая, образует масляный слой нужной толщины по всей длине соприкосновения поверхностей.

Использование масляной смазки позволяет существенно снизить вибрации, что наглядно видно по состоянию поверхности воды в стаканах, установленных на простых линейных и гидростатических направляющих скольжения

Плюсы:

• выдерживают значительные нагрузки;
• отлично гасят вибрации;
• могут работать в условиях загрязнения.

Минусы:

• сложно устроенная система смазывания;
• необходимость в использовании специальных фиксаторов для позиционирования узла в нужном положении;
• необходимость в гидравлической аппаратуре для подачи, циркуляции, фильтрации и отвода масла;
• непростая установка и повышенные требования к уходу;
• высокая стоимость.

Несмотря на плюсы, из-за сложности устройства и дороговизны гидростатические направляющие не получили широкого распространения.

Гидродинамические направляющие

В основу работы этих узлов положен принцип «всплывания» движущегося узла. Масло заполняет зазоры между смазочными канавками на рабочих поверхностях направляющих, в результате чего при перемещении узлов трущиеся поверхности разделяются слоем жидкости.

Плюсы:

• эффективное уменьшение трения;
• гашение вибраций;
• снижение износа.

Минусы:

• хорошая работа только на значительных скоростях скольжения;
• сложности с разгоном и торможением.

Аэростатические направляющие

Работают на воздушной подушке – газовой смазке. Конструктивно похожи на гидростатические: имеют карманы, в которые под давлением подается воздух. То есть между поверхностями направляющей и перемещаемого узла создается не масляная, а воздушная прослойка.

Плюсы:

• самое низкое трение;
• точное позиционирование;
• надежная фиксация;
• долговечность.

Минусы:

• низкая нагрузочная способность;
• слабая демпфирующая способность (хуже гасят вибрации);
• воздушные пути и зазоры легко засоряются.

Конструктивно направляющие скольжения делятся на треугольные, прямоугольные и трапециевидные. Также выделяют «коробчатые» узлы типа BoxWay, SlideWay и «коробка в коробке» – Box-in-box.

Треугольные и прямоугольные направляющие используются преимущественно в токарных станках с прямой станиной. В качестве вертикальных направляющих в токарных станках вертикального типа, а также в горизонтально-расточных станках применяют «коробчатые» и прямоугольные направляющие. Также они устанавливаются в фрезерных обрабатывающих центрах. А модели Box-in-box используют для осей Z в тяжелых станках, типа портально-фрезерных.

Направляющие качения

Узлы данного типа впервые начали использовать в середине ХХ века на шлифовальных, координатно-расточных и других прецизионных станках, где требовалось выполнять малые, точные перемещения до 0,001 мм. Такие перемещения были трудно осуществимы на направляющих скольжения из-за скачков.

Сегодня направляющие данного типа наиболее востребованы для фрезерных и токарных станков по металлу с ЧПУ, так как их использование позволяет достигать необходимой производительности на станках значительно меньшей мощности – до 10 раз.

Узел состоит из направляющего рельса со шлифованной установочной поверхностью и дорожками качения, а также каретки с телами качения, обоймами под них и уплотнителями.

Внутреннее устройство направляющей качения  (роликовый и шариковый типы элементов качения)

В зависимости от того, какие тела качения используются, выделяют:

• шариковые направляющие;
• роликовые направляющие.

В узлах первого типа контакт трущихся поверхностей – точечный, что оптимально для динамических нагрузок: высокоскоростной обработки, частой смены направления движения. Шариковые направляющие используют в фрезерных станках и в токарных станках с наклонной станиной.

В узлах второго типа контакт трущихся поверхностей – линейный (по образующей ролика). Такие направляющие отличаются более высокой жесткостью и грузоподъемностью. Роликовые направляющие используются в портальных, горизонтально-фрезерных станках, фрезерных обрабатывающих центрах, в токарных станках с наклонной станиной и вертикальных токарных станках.

Главные плюсы направляющих качения:

• минимальное трение;
• высокая плавность перемещений без скачков;
• высокая скорость перемещений и быстрое ускорение;
• в соответствующем исполнении они обеспечивают высокую нагрузочную способность, жесткость и долговечность системы, а также высокую ремонтопригодность

Минусы:

• неустойчивость к загрязнениям;
• сравнительно низкое демпфирование;
• высокая стоимость.

По большинству признаков, кроме демпфирующей способности, направляющие качения превосходят или находятся на уровне с направляющими скольжения. А главное, они позволяют предельно точно производить малые установочные перемещения, что очень важно для современных станков с ЧПУ.

Многие производители сегодня выпускают токарные станки с направляющими качения. Так, например, компания Neway CNC Equipment параллельно с выпуском серии станков SC с направляющими скольжения, запустила обновленную серию PC (Promoil Configuration) с направляющими качения специально для наших клиентов.

Замена трения скольжения на трение качения позволила повысить класс точности позиционирования, скорость и точность обработки. Кроме того, такие направляющие более долговечны и ремонтопригодны.

Комбинированные направляющие

В таких узлах скольжение по одним граням сочетается с качением по другим. Они широко распространены и объединяют плюсы и минусы узлов двух видов.

Обычно опоры качения устанавливают в направлении, определяющем точность, а опоры скольжения – перпендикулярно главным составляющим сил резания.

Что еще нужно знать о направляющих

• Форма несущего вала направляющих может быть линейной и круговой.
• Материалы направляющих станка – чугун и сталь с высокой твердостью, например марки 40Х с закалкой ТВЧ (токи высокой частоты).
• Чугун используют при изготовлении направляющих скольжения, которые составляют одно целое со станиной.
• Сталь применяют для изготовления съемно-накладных узлов.
• Направляющие располагают горизонтально, вертикально и наклонно.
• Крепление узлов осуществляется по всей длине или только на конечных участках.
• Требования к точности изготовления высоки – допустимое отклонение 0,2 мм при длине 1 метр.
• Важна качественная шлифовка направляющих станка.
• Допустимая шероховатость и габаритные размеры регламентированы и определяются исходя из рабочей нагрузки.

Как выбрать направляющие для станка

Больше разнообразие направляющих порой загоняет в тупик, чтобы понять какой вариант будет оптимален для вас, смотрите наши сводные таблицы и делайте правильный выбор.

При выборе направляющих ориентируемся на выполняемые операции.

Движение инструмента относительно заготовки	Токарный станок		Фрезерный станок
	Операции	Оптимальные направляющие	Операции	Оптимальные направляющие
Быстрые перемещения	Для минимизации холостых ходов.	Качения	Для минимизации холостых ходов.	Качения
Линейные перемещения G01	Обработка цилиндрических, торцевые поверхностей, канавок, цилиндрической резьбы.	Скольжения	Фрезерование торцов, плоскостей.	Скольжения
	Обработка фасок, скосов, уклонов, конической резьбы.	Скольжения	Сверление, нарезание резьбы метчиком.	Скольжения
Круговые перемещения G02, G03	Обработка сопряжений в виде радиусов, скруглений, галтелей.	Качения	Выборка уступов, отверстий, окон, впадин, фрезерование торцов, плоскостей, резьбофрезерование.	Качения
	Обработка сферических поверхностей.	Качения	Обработка криволинейных контуров, фасонных поверхностей сферическими фрезами.	Качения
	Обработка фасонных поверхностей.	Качения	Высокоскоростное фрезерование HSM.	Качения

Также есть универсальный принцип выбора направляющих по характеру производимой на станке обработки.

Характер обработки	Токарный станок	Фрезерный станок
Обдирочная (заготовительная)	Скольжения	Скольжения
Черновая	Скольжения	Скольжения/Качения
Получистовая	Скольжения/Качения	Скольжения/Качения
Чистовая	Скольжения/Качения	Качения
Профильная/контурная/ фасонная	Качения	Качения

Чтобы получить максимум преимуществ от направляющих скольжения, станок должен иметь массивную конструкцию: тяжелую станину и широкие, каленые направляющие до 4-х на одной оси.

Станки с направляющими качения можно назвать универсальными. Они подходят для всех операций: для каких-то в большей, для каких-то в меньшей степени, но справляются со всеми поставленными задачами.