Плъзгащи направляващи за металорежещи машини

Механични системиСп. Инженеринг ревю - брой 3/2017 • 15.05.2017

Плъзгащи направляващи за металорежещи машини
Плъзгащи направляващи за металорежещи машини

Плъзгащите направляващи са исторически първите направляващи, използвани в металорежещите машини. В съвременните металорежещи машини с ЦПУ те намират достатъчно широко място за приложение, въпреки че тенденцията е да отстъпват пред търкалящите направляващи, особено при високоскоростните машини.

Използват се плъзгащи направляващи с контакт “метал-метал” и пластмасови направляващи.

 

Плъзгащи направляващи с контакт “метал-метал”
Тези направляващи не са типични за металорежещите машини с ЦПУ. Намират приложение в следните случаи:
• при използване на носещата система на универсална металорежеща машина, която се преоборудва за работа със система за ЦПУ; най-често това се прилага при утвърдени конструкции на универсални винторезни стругови машини;
• при металорежещи машини с ЦПУ, при които не се изискват високи скорости на движение и водещата характеристика е точността на движението;
• при металорежещи машини с ЦПУ, при които демпфериращите свойства са по-важни, отколкото намалената сила на триене;
• при много големи ускорения, трептения, екстремално къси премествания, т.е. в случаите, когато търкалящите тела в релсовите търкалящи направляващи могат да повредят пътечките на релсовите шини.

Най-често използваните двойки материали са “чугун-чугун” и “чугун-стомана”. На фиг. 1 е показан пример на плъзгащи направляващи тип “чугун-чугун”, в които базовият детайл 7 (тялото на струговата машина) и подвижният орган 5 (надлъжният супорт, супорт по ос Z) са изработени от един и същи материал - чугун.

Конструкцията се състои още от затварящите планки 4 и 6; планката 3 е за регулиране на хлабината, придвижва се чрез винта 1, а заетото положение се фиксира с контрагайката 2.

Скоростта на износване на направляващите “чугун-чугун” е значително по-висока от тази при търкалящите направляващи. Основна причина за износването имат адхезионните явления, водещи до взаимно захващане на материал между двете работни повърхнини, което се дължи на обстоятелството, че е материалът на двете работни повърхнини - на подвижните и неподвижните направляващи, е един и същ.

При движението на подвижния орган образувалите се връзки се разрушават и в зоната на контакта се формират продукти на износването. Моментът на разрушаването на връзките е причина за възникване на микроудари, нарушаващи плавността на движението.

Но съвкупността от продуктите на износването не се дължи единствено на захващанията, т. е. има и друга причина за износването, освен адхезионните явления. Тя е свързана с присъствието на графита в структурата на чугуна. В началния етап на износването възникват пукнатини в частиците графит, разположени в близост до повърхностния слой.

Пукнатините отслабват връзките между зърната на металната основа и на следващия етап отделни зърна или цели блокове зърна се откъртват от работната повърхнина, образувайки по този начин нова група продукти на износването.

Върху работната повърхнина възникват дефекти във вид на микроями. Отделените зърна се уякчават под действието на налягането в зоната на контакта, предизвикват задирания върху направляващите и интензифицират износването им. Скоростта на износване е пропорционална на количеството графит в повърхностния слой.

Шаброването е технология за прецизно изравняване на повърхнините на направляващите с цел увеличаване на ФПК. Извършва се ръчно и е една от най-трудоемките и скъпи шлосерски операции. Преди шаброването повърхнините се подлагат на шлифоване, острите ръбове се изглаждат.

Стратегията на шаброването се състои в поетапно снемане на най-изпъкналите неравности и приближаване на обработваната повърхнина до равнинността и грапавостта на еталонна равнинна плоча.

За целта е необходимо да се разполага с информация за топографията на обработваната повърхнина и откриване на най-големите неравности. Традиционно това се извършва чрез оцветяване на най-изпъкналите неравности. За механизиране на шаброването наред с ръчните се използват пневматични и електромеханични шабъри.

В практиката навлизат и сравнително по-нови технологии на измерването на предназначената за шаброване повърхнина, при които необходимостта от еталонна равнинна плоча и шлосерска боя отпада.

Силата на триене при направляващите “чугун-чугун” е голяма, което натоварва подавателния превод, изисква двигател с по-голям въртящ момент и двигателен винт от по-висок типоразмер. Успоредно с това нараства и потреблението на необходимата за задвижването електроенергия.

За намаляване на силата на триене се прилага разтоварване на направляващите, като в контакта между двете работни повърхнини се подава въздух под налягане.
При плъзгащите направляващи тип “чугун-стомана” за да се отстрани възможността от поява на задирания, работните повърхнини на подвижния орган и неподвижните направляващи се изработват от различни по твърдост и химически състав материали.

Работните повърхнини на подвижния орган се изработват от чугун, тези на неподвижните направляващи - от нисковъглеродна или легирана стомана във вид на планки. За повишаване на твърдостта им, планките от нисковъглеродна стомана се подлагат на циментация и закаляване, тези от легирана стомана получават обемно закаляване и отпускане.

Така твърдостта им достига до HRC 58...62. Ако базовият детайл е от чугун, стоманените планки се закрепват с винтове, ако е от заварена стомана - се заваряват.
Стоманените закалени направляващи, по които се движи подвижен орган с чугунени закалени направляващи, притежават висока износоустойчивост и голям експлоатационен ресурс.

Плъзгащи направляващи с контакт “пластмаса-стомана”
Плъзгащите направляващи „метал-метал” не осигуряват необходимите трибологични характеристики на контакта. Разработването на синтетични материали с подходящи свойства дава възможност триещите двойки “чугун-чугун” и “чугун-стомана” да се заменят с триещи двойки “пластмаса-стомана”.

При тях работните повърхнини на направляващите на подвижния орган се покриват с пластмаса, а комплексът “подвижен орган-неподвижни направляващи” се нарича общо “пластмасови направляващи”.

Пластмасовите направляващи имат следните предимства:
• ниски коефициенти на триене при плъзгане и при покой;
• практическо отсъствие на зависимост на коефициента на триене при плъзгане от скоростта на движение;
• отсъствие на стик-слип ефект;
• висока износоустойчивост и голяма трайност.

Пластмасовите покрития се изработват във вид на ленти, пасти и течни. Покритията във вид на ленти се залепват към предварително подготвените повърхнини на подвижния орган. Изготвената във вид на паста пластмаса се излива в леярски форми, монтирани върху подготвените за покриване повърхнини на подвижния орган, които след това се отстраняват. Течните пластмасови покрития се шприцват под налягане.

Насрещният елемент - неподвижните направляващи - могат да бъдат както от чугун, така и стоманени планки. В практиката на металорежещите машини с ЦПУ се предпочитат стоманените планки поради по-добрите трибологични характеристики на контакта.

В съвременните металорежещи машини с ЦПУ най-широко приложение имат покритията със залепена пластмасова лента. На фиг. 2 е показано изпълнение на широко водене на пластмасови направляващи със залепени пластмасови ленти към подвижния орган 4 и закалени стоманени планки 3 и 5.

Хлабината се регулира с клина 2 (в хоризонтално направление) и чрез изготвяне на затварящите планки 1 и 6 по размер съобразно размера на стоманените планки (във вертикално направление).

Използват се различни пластмаси, които трябва да отговарят на следните изисквания:
• висока механична якост, еластичност и граница на умора в широк температурен обхват;
• висока ударна жилавост (да работи в условията на резки натоварвания и удари);
• демпфериране на трептенията;
• висока термична устойчивост (да не се разтопява по време на работа); 
• понасяне на високо специфично налягане и разпределяне на голяма площ на локалното налягане, породено от ръбови контактни напрежения, отсъствие на пластични деформации;
• ниски коефициенти на триене при покой m0 и при плъзгане m;
• нисък коефициент на температурно разширение;
• висока износоустойчивост при плъзгане, химическа устойчивост, устойчивост срещу ултравиолетово лъчение;
• непроницаемост за въздух и течности, запазване на размера под действие на мажещото вещество; 
• високо електрическо съпротивление, устойчивост към електрически разряди;
• възможност за работа без мазане;
• нетоксичност и физиологична неутралност (да не е опасен за организма при допир и вдишване на изпарения).

Пластмасата се доставя във вид на различни по широчина ленти, от които се изрязват ивици с необходимите размери. Най-често приложение имат пластмасовите ленти от PTFE (Polytetrafluorethylene) и от PET (Polyethylene Terephthalate).

Залепване на пластмасовите ленти - посочената в статията технология на залепване е примерна. Във всички конкретни случаи следва да се спазват указанията на производителя на пластмасовата лента.

Подготовка на повърхнините за залепване - повърхнината на пластмасовата лента се обработва с едрозърнеста шкурка, за да й се придаде грапавост, която увеличава площта на контакта, след което се почиства и обезмаслява с ацетон.

Някои производители забраняват обезмасляването със спирт, бензин, разредител за алкидна боя - почистването става с материя, която не оставя власинки по повърхнината.

От повърхнината на метала, на която ще се залепи лентата, се отнема материал с дебелина, равна на около 65% от дебелината на залепваната лента. Така се оформя фактическият участък на залепване на лентата.

Например за машините малък и среден типоразмер, при дебелина на лентата 2...4 mm, е достатъчно лентата да бъде на 0,8...1 mm над повърхнината. Повърхнината се обработва с шкурка средна зърнистост, почиства се и се надрасква с шабър, след което се обезмаслява. Почистването става с материя, която не оставя власинки след себе си.

Подготовка на лепилото - ако лепилото е двукомпонентно, смесването става непосредствено преди нанасянето. Двата компонента се смесват машинно до получаване на еднородна маса.

Лепилото се нанася с шпакла, като слоят трябва да бъде непрекъснат и с необходимата дебелина (например, 0,2 mm). Нанасянето се извършва поотделно върху двете залепвани повърхнини. Пластмасовата лента се полага внимателно върху металната повърхнина и се установява точно върху предвидения участък.

За втвърдяване на лепилото е необходимо време, което зависи от температурата на околната среда. Например, при температура 23°С за втвърдяването са необходими 24 часа. При по-ниска температура времето се удължава, при по-висока се намалява.

Процесът на втвърдяване протича под налягане, което се създава с притискане на залепваните повърхнини една към друга. Една примерна стойност на налягането е 0,05 N/mm2. За целта върху лентата се поставя тежест по цялата й дължина или се използват дърводелски стеги.

Препоръчително е използването на тежест, тъй като стегите не осигуряват равномерност на налягането. За по-равномерно разпределение на налягането върху пластмасовата лента следва да се положи гумена лента с дебелина 3-5 mm.

При по-леки подвижни органи например при супорт на стругова машина, се допуска втвърдяването да става непосредствено върху надлъжните направляващи (ос Z).

След залепването и втвърдяването на лепилото работната повърхнина на пластмасовата лента се подлага на механична обработка.

Последователността на обработката е илюстрирана на фиг. 3 и включва шлифоване (фиг.3а), шаброване (фиг.3б) и фрезоване на канали за мазане на направляващите (фиг. 3в). В някои случаи вместо шлифоването се провежда разстъргване с летящ нож, което дава добри резултати и е по-щадящо като технологично въздействие спрямо пластмасата.

Каналите за мазане могат да бъдат оформени по различни начини. Основният момент е да се осигурят резервоари за мажещото вещество, с което да се осигури непрекъснато мазане в контакта. Един от най-често срещаните варианти е показан на фиг. 3г. Представлява поредица от успоредни канали, разположени перпендикулярно на посоката на движение.

В практиката успешно се прилага оформяне на каналите в съответствие с фиг. 3д поредица от джобове с квадратна форма, в центъра на които са разположени отворите за подаване на масло от системата за централизирано дозирано мазане.

Пластмасовите направляващи намират широко приложение в металорежещите машини с ЦПУ, главно в машините среден типоразмер, включително и неговия горен сегмент. Подходящи са в случаите, когато се изисква висока носеща способност без необходимост от съчетаване с големи стойности на скоростта на движение.

При плъзгащите направляващи с отлято пластмасово покритие пластмасовото покритие е композиционен материал. Представлява металополимер - пластмаса, играеща роля на свързващ компонент, в който са смесени метални прахообразни или влакнести напълнители.

Пластмасата е термопластичен полимер (полиетилен, полипропилен, полиамиди, тефлон, поливинилхлорид и др.) или термореактивен полимер (фенолформалдехидна смола, епоксидна смола и др.).

Напълнителите са прахове, получавани от различни метали или сплави (желязо, мед, молибден, никел, алуминий, олово, хром, титан и др.), метализирани прахове и влакна, корозионноустойчиви аморфни метални сплави. В състава на полимерната композиция могат да влизат стабилизатори, оцветители, ПАВ и др.

Подобно на направляващите с пластмасова лента, пластмасовата паста се излива върху предварително подготвените повърхнини на подвижния орган. Насрещните повърхнини - работните повърхнини на неподвижните направляващи, по които се движи подвижният орган, се използват за формоване чрез отливане на пластмасовото покритие.

Плъзгащи направляващи с шприцвано пластмасово покритие - вместо ръчно нанасян, пластмасовият материал може да бъде шприцван. За целта се използва течен пластмасов композит. Шприцването се извършва през технологични канали, пробити в подвижния орган.

Предварително подвижният орган и базовият детайл с неподвижните направляващи са фиксирани един към друг така, че да се осигури необходимото пространство за постъпване на шприцвания материал. В останалите си пунктове технологията на шприцване повтаря разгледаната по-горе технология за отливане на пластмасови направляващи.

Плъзгащи направляващи, комбинирани с търкалящи
Наличието на хлабина при плъзгащите направляващи може да бъде причина за завъртането на подвижния орган при смяна на посоката на движение, което се отразява негативно върху точността на обработката. За отстраняване на това негативно явление се вземат мерки за елиминиране на причината за появата му - хлабината в направляващите.

Тъй като завъртането се проявява предимно в равнината на направляващите, плъзгащите направляващи частично се заменят с търкалящи. В подвижния орган двойката плъзгащи направляващи, причина за завъртането, се отстранява и на нейно място се монтират търкалящи възли, които работят без хлабина.

Това могат да се танкети в случаите, когато се търси по-висока стабилност, или ролки, когато изискванията към стабилността не са толкова високи.

Необходимо е да се знае, че ефектът на завъртането при реверс на движението е толкова по-голям, колкото по-голяма е степента на износване на плъзгащите направляващи, тъй като износването е свързано с нарастване на хлабината.

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

ЕКСКЛУЗИВНО

Top