Рассмотрим принципиальную конструкцию рельсовых направляющих качения (см. рисунок 1).
Рис. 1. Рельсовая направляющая качения: принципиальная конструкция
Рельс (см. рисунок 1, обозначение 1) с обеих сторон оснащен продольным параллельными опорными дорожками (обозначение 2) для тел качения (шариков или роликов). Форма и число дорожек определяется тем, к какому типу относятся тела качения, и какие эксплуатационные характеристики имеет система.
На рельс монтируется подвижная каретка (3), которая оснащена внутренними продольными опорными поверхностями (их число и форма полностью соответствуют опорным рельсовым дорожкам), а также продольными каналами (4), предназначенными для возврата тел качения. В торцах каретки закрепляются торцовые плиты (крышки) (5), которые обеспечивают замкнутое передвижение тел качения в направлении с опорных кареточных дорожек в каналы возврата и в обратном направлении. В каретке имеются ограничители (6), предназначенные для предохранения тела качения от возможности выпадения в случае аварийного смещения каретки с рельса. Каретка и рельс оснащены опорными поверхностями (7, 8), предназначенными для установки на статичный и подвижный станочный узел, а также монтажными отверстиями (9, 10) для крепежа.
Максимально распространенными в промышленности, а именно – в точном машиностроении и сфере станкостроения, являются шариковые рельсовые направляющие качения, имеющие радиус кривизны дорожек, близкий к радиусу шариков. Шарики здесь при приложении нагрузки имеют поверхность контакта не меньшую, чем поверхность контакта роликов при рассмотрении системы роликовых направляющих (особенности если имеются такие погрешности монтажа, как разновысотность, непараллельность или извернутость). Как результат, нагрузочная способность у определенных модификаций шариковых направляющих при аналогичных размерах может быть даже выше, нежели у направляющих роликового типа. К примеру, японской компанией ТНК, занимающейся производством и шариковых, и роликовых направляющих в ограниченном количестве, приводится сопоставление способности к нагрузкам шариковых направляющих, относящихся к 25-му типоразмеру, с удлиненной кареткой SNR_25LC и С=57кН и С0=101кН, и роликовых направляющих, имеющих тот же типоразмер SRG_25LC и С=34,2кН и С0=75кН.
При этом у направляющих шарикового типа даже в случае определенных монтажных погрешностей не может возникнуть блокировка (заедание) каретки, что зачастую возникает при использовании роликовых направляющих в аналогичных погрешностях и даже меньших в результате перекоса роликов.
Шариковые рельсовые направляющие имеют два принципа конструкции контакта шариков и сопряженных поверхностей рельса и каретки: первый – это контакт по 2-м точкам (в случае кругового контура дорожек, как изображено на рисунке 1 а1), и второй — контакт по 4-м точкам (в случае контура дорожек по типу «стрельчатая арка», как показано на рисунке 1 б1). В сравнении арочным, у кругового контура дорожек имеется несомненное преимущество по указанным далее причинам.
Рис 1 а1 Рис. 1 б1
В случае приложения нагрузки и в случае преднатяга границы контактной зоны кругового контура, которая определяется диаметрами d1 и d2 (В и А на рисунке 1 а2), являются близкими к диаметру шариков. Они имеют окружные скорости по соотношению к оси вращения шарика, мало отличающиеся друг от друга, поэтому дифференциальное проскальзывание шариковой поверхности по отношению к дорожке достаточно мало. Такое преимущество способно обеспечить плавный и легкий ход каретки. При аналогичной нагрузке в случае готического контура границы контактных зон (В и А на рисунке 1 б2) отличаются большой разницей дистанций от оси вращения шарика, в результате чего возникает резкое увеличение дифференциального проскальзывания (см. рисунок 1 б3), что ведет к тому, что увеличивается трение, сопротивление движению каретки, а также уменьшается долговечность системы.
Рис. 1 а2 Рис. 1 б2
Рис. 1 а3 Рис. 1 б3
В результате монтажных перекосов каретки и рельса при воздействии боковой нагрузки в случае кругового контура положение контактных точек А и В слегка смещается, что не способно привести к нарушению плавности передвижения и уменьшению износостойкости. При готическом контуре в аналогичных условиях изменение контактных зон существенно, что способно привести к увеличению трения, усилию сопротивления движению, а также уменьшению долговечности. Таким образом, в контуре «стрельчатая арка» завышенные требования к точности установки рельса и каретки.
В случае кругового контура при контакте шарика и дорожек каретки и рельса в 2-х точках под воздействием нагрузок деформирование шарика выполняется плавно, искажение формы несущественное. В контуре по типу «стрельчатая арка» шарик контактирует в 4-х точках, под нагрузкой искажение его формы гораздо сильнее, происходит потеря «шарообразности». Все это способно привести к затруднению свободного качения и возрастанию сил сопротивления движению каретки. При этом для того, чтобы увеличить преднатяг в контуре «стрельчатая арка», потребуется гораздо большее усилие, нежели в случае кругового контура, что может значительно влиять на потерю несущей способности и износостойкости направляющих. Приведенные и некоторые другие обстоятельства, которые являются их следствием, обеспечивают популярность именно кругового контура контактных дорожек каретки и рельса с касанием шарика в 2-х точках. Изображение рельса с кареткой данного типа приведено на рисунке 2.
Рис. 2. Рельсовая направляющая качения с кареткой
Разные производители сегодня предлагают рельсовые направляющие качения в широком ассортименте десятков и даже сотен типоразмеров. Выбирать нужную серию и типоразмер рельсовых направляющих и кареток следует аналогично выбору подшипников качения, исходя из инженерных расчетов. В данном случае нужно учитывать тип станка (механизма, машины) и его габариты, характер применения, технологический цикл, диапазон рабочих температур и прочие параметры, которые определяют технические условия применения систем рельсовых направляющих.
Отечественные машиностроители прекрасно знакомы с продукцией основных фирм-производителей элементов систем линейных направляющих и перемещений. Их перечень доступен в научно-технических библиотеках и на определенных сайтах. Образцы продукции постоянно демонстрируются на специализированных выставках, к примеру, на московских выставках «Металлообработка» и «Машиностроение». На протяжении многих лет на отечественном производстве применялись направляющие ТНК, Rехroth, INА, Thomson и пр., к примеру, в составе серийной продукции и экспериментальных типов станков завода тяжелого станкостроения г.Иваново (в частности, INA и Rexroth), а также на Стерлитамакском станкостроительном и Савеловском машиностроительном заводах (Rexroth, ТHK).
В России рельсовые направляющие качения соизмеримого качества не производятся. В Липецке на станкостроительном заводе экспериментально начата работа над изготовлением шариковых РНК минимальными сериями по предзаказу. Сегодня завод может производить 4 модели подобных направляющих (СМ25_ТА, СМ25_ТУ, СМ45_ТА и СМ15), но недостаточное число типоразмеров и конструкций, узкие технические параметры (не производятся классы точности Р, SР и UР) не дает возможности отечественному производителю занять достойное место на рынке компонентов для нужд машиностроения. Информацию о данной продукции, описание ее характеристик и производственных возможностей, включая инструкцию по эксплуатации (руководство 2-29849377_РЭ), можно получить на значительном количестве предприятий, но в сфере станкостроения, в машиностроении и промышленности преимущество имеют зарубежные компании.
SBC занимается производством цилиндрических, роликовых V-образных и шариковых рельсовых направляющих качения и кареток к ним, а так же дополнительного оборудования и компонентов. На основе данной элементной базы идет производство линейных модулей и готовых систем линейных перемещений. Компания SBC выпускает продукцию, имеющую современный технический уровень, представленную в каждой из категорий несколькими сериями, имеющими десятки типоразмеров для разного применения, и, как следствие, более приемлемую стоимость и сроки поставки. Благодаря указанным преимуществам, продукция данного производителя наиболее предпочтительна для отечественного потребителя, нежели продукция других компаний, указанных выше.