Релсови търкалящи направляващи за металорежещи машини с ЦПУ

Механични системиСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 1, 2012

SIEMENS


В металорежещите машини с ЦПУ направляващите се явяват един от най-важните елементи. От своя страна, релсовите търкалящи направляващи са основният вид направляващи, от които се изгражда носещата система на съвременните металорежещи машини с ЦПУ. Принципно, направляващите определят поведението на подвижния орган, като оказват влияние върху точността на траекторията на неговото движение, линейната и ъгловата му стабилност, виброустойчивостта, скоростта и ускорението и други. Направляващите, също така, се явяват фактор, ограничаващ максималната скорост на движение на подвижните органи.

Използваните в металорежещите машини с ЦПУ релсови направляващи представляват комплект от две релсови шини със специален профил, установявани към базовия детайл, по всяка от които се движат два или повече подвижни възела, всеки от тях притежаващ една степен на свобода и определена носеща способност и статична стабилност, към които се установява подвижният орган. Релсовите шини са съставни или монолитни. В машината могат да се използват и повече от две релсови шини, например, за повишаване на носещата способност. Подвижните възли са познати като колички.

Критерии за избор
При избора на релсови търкалящи направляващи е добре да се вземат предвид няколко основни техни технически характеристики. Сред тях са: носеща способност, точност, статична стабилност, коефициент на триене, скорости, ускорения, шум, експлоатационен ресурс.

Носещата способност на направляващите се характеризира с няколко параметъра. Те са базова статична товароносимост С0, базова динамичната товароносимост С, допустим статичен момент М0 (MOX,  MOY, MOZ).

Също така, носещата способност в голяма степен зависи от пълната площ на контакта, която е сума от елементарните площи на контакт на всяко търкалящо тяло с работния профил на релсовата шина. За нарастване на пълната площ се увеличава броят на потоците, а във всеки поток се покачва броят на търкалящите тела. Колички с особено висока носеща способност са познати като суперколички.

Ролковите релсови направляващи с най-висока носеща способност
С най-висока стойност на носещата способност се отличават ролковите релсови направляващи, при които най-голямото статично натоварване върху една ролка може да достигне (в зависимост от диаметъра и дължината на ролката) от 0,127 до 4,36 kN, като броят на ролките в един поток достига до 32 - 60 броя.

Носещата способност на сачмените релсови направляващи е значително по-малка при равни размери на сечението. Статичното натоварване върху една сачма (в зависимост от диаметъра й) е не повече от 15 до 240 N, като диаметърът може да се променя от 5 до 20 mm.

При използване на кръгов профил и сачми с близки радиуси и удължена количка (с цел увеличаване на броя на търкалящите тела в един поток), носещата способност на сачмените релсови направляващи може да се окаже по-голяма от аналогичния типоразмер ролкови релсови направляващи.

Сред сачмените релсови направляващи с най-голяма носеща способност в радиално направление се характеризира Х-схемата с a = 45° и a = 90°.

По отношение на точността, производителите предлагат различни класове на точност на релсовите търкалящи направляващи, обикновено три или четири.

Фактори, влияещи върху стабилността
Друг критерий се явява статичната стабилност на релсовите търкалящи направляващи. Тя зависи от вида на самите направляващи (ролкови, сачмени), от предварителната стегнатост и др.

Стабилността се оценява в радиална посока ССТR, в обратна на радиалната посока ССТR, в странично направление ССТQ. Обикновено, производителите посочват стабилността на направляващите в монтирано състояние с подвижния орган.
Предварителната стегнатост оказва съществено влияние върху стабилността.
Използват се различни класове предварителна стегнатост, които при отделните производители се различават както по самия брой, така и по заложените стойности. Също така, един производител може да използва различни по брой класове за отделните си продукти. Прието е предварителната стегнатост да се задава като част от базовата динамична товароносимост С, например.

Производителите не винаги предоставят зависимости, свързващи статичната стабилност с предварителната стегнатост; обикновено се отбелязва, че с нарастване на предварителната стегнатост статичната стабилност се увеличава.

Успоредно с положителния ефект, свързан с повишаване на статичната стабилност, е добре да се има предвид, че предварителната стегнатост може да има и негативно въздействие. Колкото по-голяма е нейната стойност, толкова по-кратък е експлоатационният ресурс на направляващите, толкова по-голям е коефициентът на триене, толкова по-малки са скоростните възможности на количките. Тъй като предварителната стегнатост предизвиква еластични деформации на търкалящите елементи, те губят способността си да компенсират грешките при монтажа. Следователно, колкото по-висока е предварителната стегнатост, толкова по-високи са изискванията към точността на монтажните операции при установяване на направляващите върху машината.

Нисък коефициент на триене
Сред критериите за избор е и коефициентът на триене. При ролковите и сачмените направляващи той е в границите на m= 0,002 - 0,01. по-малки стойности на m могат да се получат при сачмените направляващи с намален брой на търкалящите тела.
Силата на триене в чистачите-уплътнения Fупл не зависи от изпълнението на количката и предварителната стегнатост. За релсови търкалящи направляващи среден типоразмер Fупл обикновено се движи в границите 20 - 50 N.

Ниският коефициент на триене, практическото отсъствие на разлика между коефициентите на триене при покой и движение предпоставя редица достойнства на релсовите търкалящи направляващи като малка стойност на задвижващата сила, плавен и спокоен ход благодарение на практическото отсъствие на стик-слип ефект, възможност за отработване на много малки премествания и движение с много малки подавателни скорости, точно позициониране, възможност за движение с особено високи скорости и ускорения, висока стабилност, висока точност при реверсиране на движение, повишено съпротивление при възприемането на знакопроменливи натоварванията, голяма носеща способност, значително повишен експлоатационен ресурс. Недостатък е известното наличие на механичен хистерезис, дължащ се на неизбежното плъзгане при деформиране на контактните повърхнини при търкаляне и наличието на плъзгащи се чистачи-уплътнители. 

Скорости и ускорения
Максималната скорост на движение на количката обикновено надхвърля скоростите на установъчните движения при съвременните металорежещи машини с ЦПУ. Допустимите максимални скорости при ролковите и сачмените релсови направляващи практически не се различават. По отношение на максимално допустимите ускорения при сачмените релсови направляващи, те са съществено по-високи, отколкото при ролковите.

Важен критерий при избора е и шумът. Той може да бъде намален при използване на челни плочи от пластмаса. Шумът намалява и при прилагането на пластмасово покритие на възвратния канал и при всички мерки, водещи до подобряване на условията на влизане и излизане на търкалящите тела в/от възвратния канал. 

Използването на сепаратор от подходящ материал също оказва съществено влияние върху нивото на шума.

Условията на експлоатация и предварителната стегнатост оказват влияние върху експлоатационния ресурс.

Високата предварителна стегнатост ускорява износването
на работните повърхнини на релсовите шини. По този начин, след определен период е възможно превръщането на стегнатостта в хлабина, което води до намаляване на статичната стабилност и точността на движение. Това обстоятелство бележи края на експлоатационния ресурс на направляващата. Други причини за намаляване на експлоатационния ресурс са бринелирането на работните повърхнини (при недопустимо големи статични и динамични натоварвания), последствията от умората на материала, поява на корозия и др. За предотвратяване на корозията се прилагат като опции различни фирмени покрития.

Фирмите-производители посочват ресурса на релсовите търкалящи направляващи при идеални условия на експлоатация - като стандартен се приема експлоатационен ресурс от 10 000 km.

Статията е разработена със съдействието на доц. Пламен Угринов.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top