Хидростатични направляващи за металорежещи машини с ЦПУ

Механични системиСп. Инженеринг ревю - брой 9/2017 • 09.01.2018

Хидростатични направляващи за металорежещи машини с ЦПУ
Хидростатични направляващи за металорежещи машини с ЦПУ

Разделянето на работните повърхнини на направляващи чрез маслен слой позволява да се избегне механичният контакт между тях. Това от своя страна им дава редица много важни предимства, най-значимите от които са значително редуцираният коефициент на триене, отсъствието на стик-слип ефект, практическата липса на износване и др.

Принцип на работа и схеми на хидростатични направляващи
За реализиране на идеята за разделяне се използват два принципни подхода, които дават названията на двете големи групи направляващи - хидродинамични и хидростатични.

 

Хидродинамичните направляващи се характеризират с това, че при достатъчно висока скорост на взаимно преместване между подвижния орган и неподвижните направляващи възниква хидродинамична подемна сила. Между работните повърхнини се образува маслен филм, който напълно ги разделя и триенето става хидродинамично.

За увеличаване на хидродинамичната сила и възникването й при по-ниска скорост на движение, работните повърхнини на подвижния орган се профилират във вид на сегменти с определена кривина, разделени един от друг с напречни канали Между сегментите и равнината на неподвижната направляваща се образува клин; оказалият се в клина маслен филм придобива същата клиновидна форма, която при движение спомага за възникването на подемната хидродинамична сила. С нарастването на скоростта хидродинамичната сила става по-голяма и дебелината на масления филм се увеличава; обратно - с намаляването на скоростта дебелината намалява.

Тези направляващи имат приложение предимно в тежките голямогабаритни металорежещи машини с ръчно управление, например при надлъжно-стъргателните машини. При съвременните металорежещи машини с цифрово-програмно управление (ЦПУ) те нямат практическо приложение поради следните недостатъци: дебелината на масления слой е непостоянна, влияе се съществено от натоварването и скоростта на движение.

Хидростатичните направляващи са освободени от тези недостатъци. При тях носещият маслен филм се създава принудително чрез подаване на маслото под налягане. Образуването на носещия маслен филм става преди стартиране на движението и дебелината му може да се поддържа сравнително постоянна при различни режими на работа на машината, осигурявайки непрекъснато течно триене. Това предопределя широкото използване на хидростатичните направляващи при точните металорежещи машини с ЦПУ и дава големи предимства. Съществуват три основни схеми на хидростатични направляващи - отворени, затворени и отворени с принудително уравновесяване.

При отворените хидростатични направляващи (фиг. 1а) носещият филм между подвижния орган 3 и неподвижната направляваща 1 се осигурява чрез подаване на масло под налягане рД в джоба 2, при което се създава подемна хидростатична сила FХС, повдигаща подвижния орган и осигуряваща непрекъснато течно триене. Между работните повърхнини се образува маслен филм с дебелина h; обикновено h = 0,030 - 0,050 mm.

Маслото изтича извън джоба с определена скорост, която се ограничава от хидравличното съпротивление, създавано от малката междина, определяна от h. Стойността на h се запазва постоянна при постоянни стойности на налягането рД и радиалния товар F. Радиалният товар F включва в себе си теглото G на подвижния орган и технологичното натоварване FТЕХН, обусловено от силите на рязане. Тъй като F и FХС са с противоположни посоки, при равни големини те се уравновесяват взаимно. Тъй като в повечето случаи определяща е тегловната компонента, това уравновесяване може да се определи като естествено.

Джобът е особено важен елемент от направляващата. Най-често използваната геометрична форма за него е правоъгълната. Налягането рД е разпределено равномерно по дължина и широчина на джоба и намалява приблизително по линеен закон с излизане извън границите на джоба. За осигуряване на необходимата носеща способност по дължина на направляващата се разполагат няколко джоба.

Схемата на затворените хидростатични направляващи представлява два срещуположно разположени джоба (фиг. 1б), в които се създават две противоположно насочени хидростатични сили FХС1 и FХС2, под действието на които се образуват два маслени филма с дебелини h1 и h2. Чрез правилно подбиране на налягането на маслото рД1 и рД2, подавано във всеки от джобовете, се постига уравновесяване на система от товари, включващи радиалната и откъсващата сила F и прекатурващия момент М. Възможността за възприемане на сили и моменти превръща затворените хидравлични направляващи в най-широко използваната схема за изграждане на хидростатичните направляващи при металорежещите машини с ЦПУ.

Предимствата на тази схема се състоят в интегриране на позитивните характеристики на отворената и затворената схеми. Налице е възможността за възприемане на товари, характерни за затворената схема, и намаляване на габарита, подобно на отворената схема, чрез елиминиране на конструкцията, свързана с насрещния джоб. Уравновесяването при отворените хидростатични направляващи с принудително уравновесяване се извършва чрез принудително създавани сили. Това са обикновено електромагнитни сили, насочени противоположно на хидростатичната сила.

За възникването на такава сила в подвижния орган 3 се разполагат електромагнитните намотки 2 и 4 (фиг. 1в). При подаване на напрежение и при наличие на феромагнитен материал в неподвижните направляващи 1 възникват електромагнитните сили FМ1 и FМ2. Така формираната система сили FМ1, FМ2 и FХС (хидростатичната сила) противодейства на радиалната R и откъсващата сила S и момента М.

Предимства на хидростатичните направляващи
Хидростатичните направляващи се характеризират с редица предимства: 
• нисък коефициент на триене - облекчава работата на подавателния превод, тъй като не е необходимо преодоляването на голяма сила на триене. Осигурява се възможност за движение при високи скорости например 40 - 60 m/min.
• висока носеща способност - осигурява движението.
• отсъствие на стик-слип ефект - отсъствието на механичен контакт освобождава направляващите от автотрептения при движение, което се отразява положително върху точността на обработката.
• равномерно движение при малки скорости - обусловено е от отсъствието на разлика между коефициентите на триене при покой m0 и при плъзгане m.
• отработване на малки премествания - ниските стойности на коефициентите на триене при покой m0 и при плъзгане m позволяват да се изпълняват премествания с инкремент 0,1 mm.
• висока статична и динамична стабилност - позволява работа при тежки режими на рязане при съчетаване на високи нива на точност и производителност.
• високо демпфиране - благодарение на него се осигурява работоспособност на направляващите при големи ударни натоварвания и други неблагоприятни условия на работа на машините.
• редуциране на грешките на профила на работните повърхнини - масленият филм потиска влиянието на грапавостта на работните повърхнини не позволява определени отклонения от макро- и микропрофила на работните повърхнини да се отразят върху плавността и праволинейността на движението. По този начин при машина с хидростатични направляващи точността на движението може да бъде неколкократно по-висока, отколкото точността на самите работни повърхнини. 
• практически неограничен експлоатационен ресурс - отсъствието на механичен контакт (при всички режими на работа) не позволява възникването на износване. Изключения са възможни при неправилна експлоатация.

Видове хидростатични направляващи
Призматичните хидростатичните направляващи с правоъгълна форма на напречното сечение са се утвърдили в практиката като традиционни. При тях от резервоара, маслото се поема от помпата и се подава по магистралата. За прекратяване на подаването на масло служи предпазно-преливният в момента на възникване на авариен режим, свързан с повишаване на налягането над допустимата стойност - запушване на тръбопровод или хидравличен елемент, а също така за настройване на допустимото налягане.

Маслото преминава последователно през филтрите за грубо и фино очистване, дроселите и постъпва в съответните джобове. Чрез манометър се следи визуално за налягането в магистралата. Релето за налягане формира разрешаващ сигнал към системата за ЦПУ - движението на подвижния орган може да се извърши само тогава, когато налягането е достигнало да определената стойност; движението се прекратява веднага след като налягането отпадне.

При аварийна ситуация – спиране на помпата, скъсване на тръбопровод, спукване на маркуч и др. - носещият маслен филм изчезва и задвижването от страна на подавателния превод следва незабавно да се прекрати, за което се използва блокиращият сигнал на релето за налягане. Но под действие на инерционните сили движението на подвижния орган продължава, което е свързано с риск от механичен контакт между работните повърхнини и необратимото им повреждане.

За избягване на това се използва хидравличният акумулатор, който изстрелва към джобовете определен обем масло под високо налягане. Обемът и бързодействието на акумулатора се подбират така, че да се осигури своевременно наличие на маслен филм в направляващите до пълното спиране на подвижния орган. Обратният клапан препятства изтичането на масло от неповредената част от магистралата. Отработеното масло отива на слив към резервоара, като първоначално се охлажда от хладилния агрегат и преминава през клапана-термостат.

Кръглите хидростатични направяващи са предназначени за праволинейно движение на подвижния орган, при които направляващите са вградени в машините с ЦПУ 
Неподвижната направляваща представлява плътен правилен цилиндър от закалена стомана с кръгло напречно сечение 1, установен в тялото на струговата машина (фиг. 2). Върху нея се движи втулката 2, конструктивно обединена със супорта, осъществяващ движение по оста Z. Във втулката са развити два реда джобове, чието захранване се извършва по схемата с един хидроагрегат и дросели. Левият ред джобове се захранва от един комплект дросели, десният - от друг. Във всеки ред има 4 джоба, разположени равномерно по периметъра на напречното сечение на направляващата. Номиналната дебелина на масления филм е 0,015 mm.

Хидростатични направляващи за кръгово движение се използват при въртящите маси на тежките голямогабаритни металорежещи машини. Вграждат се също така и в планшайбите на каруселните машини, където работят в широк обхват от скорости и последователно изпълняват главно (при стругови операции, при висока честота на въртене) и подавателно (при шлифовъчни операции, при ниска честота на въртене) движение.

Релсовите хидростатични направляващи са покупни елементи, състоящи се от две релсови шини с определен профил, по които се движат 4 (по 2 на всяка релсова шина) или повече шейнички, върху които се монтира подвижният орган. Разнообразието от конструкции може да се сведе до два вида - с Т-образни релсови шини и с профилни релсови шини.

Хидростатични направляващи с Т-образни релсови шини. Общото устройство на тези направляващи е показано на фиг. 3. Върху релсовите шини с Т-образен профил 1 са разположени шейничките 2, които имат присъединителни повърхнини и скрепителни отвори за базиране и закрепване на подвижния орган. От хидроагрегата 3 маслото постъпва в магистралата за високо налягане и се насочва към всяка от шейничките. Херметизацията е изпълнена така, че отработеното масло не напуска шейничките, а по магистралата за ниско налягане отива на слив обратно в хидроагрегата. Така се осигурява пълна циркулация на маслото и обемните загуби са сведени до минимум. Всяка шейничка съдържа 6 джоба. Системата работи без дросели, вероятно с автоматичен регулатор на налягането в джобовете, осигуряващ постоянна настроечна дебелина на масления филм при различни големини на натоварването.

При хидростатичните направляващи с профилни релсови шини върху релсовата направляваща е разположена шейничка. Шейничката има необходимите присъединителни повърхнини и скрепителни отвори за базиране и закрепване на подвижния орган. Постъпващото от хидроагрегата масло с високо работно налягане се насочва към входящия щуцер, присъединен към блока дросели. Дроселите са настроени така, че да се поддържа маслен филм с дебелина 0,015 mm. Отработеното масло отива на слив в хидроагрегата и се подава отново за циркулация

Хидростатичната направляваща има четири джоба - два от тях са разположени от дясната страна на релсовата шина; а джобовете от лявата страна са разположени симетрично. Шейничката има защита от външно замърсяване, която играе и ролята на херметизиращо уплътнение. Състои се от челния чистач-уплътнител, страничен чистач-уплътнител и вътрешните уплътнители. Носещата способност на шейничката зависи от налягането на маслото рП, което може да се променя в интервала 5 - 10 MPa.

Статичната стабилност се гарантира при две релсови шини и четири шейнички, върху които е монтиран подвижният орган, като закрепването му към всяка шейничка се извършва с 6 винта. В това положение хидростатичната направляваща възприема всички сили и моменти, характерни за подвижен орган, разположен върху релсови търкалящи направляващи. Поради това тя може да се монтира върху всички металорежещи машини с ЦПУ, които работят с релсови търкалящи направляващи. Триене между шейничката и релсовата шина практически отсъства. Наличното съпротивление при движение се дължи на триенето между чистачите-уплътнения и релсовата шина; големината му е равна приблизително на 20 N. Максимално допустимата скорост на движение на шейничката е 120 m/min, а максималното ускорение – 10 g.

Релсовата шина трябва да бъде монолитна; не се допуска съставянето й от няколко елемента. Максималната дължина LРЕЛ на релсовата шина е 5900 mm. Отворите за винтовете съвпадат със стандарта за аналогичните типоразмери релсови търкалящи направляващи. Това облекчава преминаването върху една машина от един вид направляващи към други.

Повърхнините на базовия детайл, върху които се базират релсовите шини, трябва да се шлифоват или да се фрезоват фино до грапавост Ra = 1,6. Всички изисквания към монтажните повърхнини се посочват в брошурите на съответната фирма. Неспазването на монтажните изисквания влошава общата точност на направляващите и може да доведе до дефектирането им.

Статията е разработена по материали на доц. д-р инж. Пламен Угринов

Новият брой 2/2018

брой 2-2018

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top