Триботехника (конструирование, изготовление и эксплуатация машин)
Гаркунов Д.Н.
МСХА, 2002 г.
11. Материалы для направляющих скольжения металлорежущих станков.
Длительное сохранение точности металлорежущих станков в значительной степени определяется эксплуатационными характеристиками направляющих и условиямиработы последних. В современных тяжелых и среднихстанках наиболее распространенными, простыми по конструкции и дешевыми являются направляющие скольжения. Отличительными особенностями условий их работы принято считать переменность давления и широкий диапазон скоростей скольжения, загрязнение отходами обработки (металлической стружкой, окалиной, литейной коркой и т.д.), ненадежность смазки.
Меры по повышению эксплуатационных характеристик направляющих скольжения имеют целью увеличение их износостойкости. В том числе повышение задиростойкости, уменьшение сил трения, обеспечение равномерного, без скачков, перемещения узлов при малых подачах, демпфирование колебаний и технологичность. Все эти показатели в значительной степени определяются свойствамиматериалов пар трения. Последние, как правило, следует комплектовать из разнородных материалов, имеющих неодинаковую природу, состав, микроструктуру или твердость. Однако эти показателиматериалов должны находиться в определенных соотношениях. В противном случае, вследствие более интенсивного схватывания, развития процесса "шаржирования" или из-за повышенного содержания структурных составляющих высокой твердости в одном из элементов, износостойкость пары снижается, ухудшаются также и характеристики трения.
При распределении свойствматериалов сопряженных направляющих учитывается влияние их на точность станка. Направляющие большой длины, обычно у станин и стоек, следует изготовлять из более износостойкого и твердого материала. Сопряженные направляющие относительно меньшей длины (столов, салазок, бабок) изготовляют из менее твердого материала; интенсивность изнашивания их более высокая.
В дальнейшем при рассмотрении характеристик пар трения узлов станков первым указан материал направляющих меньшей длины в паре трения (столов, салазок, бабок), вторым - материал сопряженных направляющих большей длины (станин, стоек, поперечин).
Узлы с направляющими скольжения из однородных металлов (пара чугун-чугун). Подвижные узлы станков с парами трения чугун-чугун и чугун-закаленный чугун имеют довольно широкое распространение в металлорежущих станках различных типов. Такая пара, отличаясь высокой технологичностью, малой стоимостью, относительно высокой работоспособностью, надежно работает лишь при условиях хорошей смазки и защиты от загрязнений поверхностей трения. При эксплуатации станков обеспечить такие условияработы затруднительно, имеет место образование задиров на направляющих, которые резко увеличивают скорость изнашивания. В результате пара трения не обеспечивает длительной надежной работы направляющих без ремонта и не отвечает современным требованиям при возросшей интенсивности использования станков.
Пару трения чугун-чугун можно применять: для менее ответственных направляющих, износ которых не оказывает прямого влияния на точность работы станка; для направляющих с легкими условиямиработы — малыми величиной и неравномерностью давления, малой интенсивностью использования в единицу времени, если имеется надежная смазка и защита направляющих от загрязнений. В узлах с этой парой необходимо использовать антискачковые противозадирные смазочные материалы, а также упрочнение закалкой.
Пара трения чугун-закаленный чугун в значительной степени лишена недостатков предыдущей пары. При работе с загрязненным смазочным материалом в условиях высоких и неравномерных давлений на поверхностяхтрения закалка повышает износостойкость направляющих до 2-х раз, а задиростойкость - многократно. Износостойкость увеличивается у обеих сопряженных направляющих, но обычно в большей мере у более короткой направляющей - незакаленной.
Область применения этой пары - узлы станков с интенсивным режимом работы, к которым не предъявляются высокие требования равномерности перемещения при малых подачах (специальные, специализированные и универсальные станки различных типов). Значительное коробление деталей с закаленными направляющими и невозможность пригонки сопряженных поверхностейтренияшабрением ограничивает область их применения, главным образом;станками нормальной точности.
Наибольшая износостойкость и лучшие характеристики трения, возможные для данных пар, достигаются только при строго определенных микроструктуре и твердости чугуна. Требования к характеристикамчугуна для направляющих станины (стойки) зависят от материала сопряженных направляющих стола (салазок). Однако при отливкестанин (стоек) технологически затруднительно обеспечить в каждом частном случае требуемую структуру чугуна. Поэтому рекомендуемые микроструктура и твердостьчугуна направляющих несколько усреднены, но близки к оптимальным для большинства пар трения. Наиболее высокую износостойкость имеют направляющие из чугуна с чисто перлитнойструктурой металлической основы и равномерно распределенным пластинчатым графитом. Микротвердостьперлита должна быть возможно более высокой, не менее 3000 МПа. Оптимальная длина графитовых включенийчугуна 200-300 мкм (балл Град 180 по ГОСТ 3443-77), макротвердость не менее НВ 170. Снижение твердостичугуна с НВ 180 до НВ 150 приводит к увеличению интенсивности изнашивания направляющих станины до 1,5 раза. В узлах с парой трения чугун-чугун большое влияние на износостойкость направляющих оказывают свободные включения в микроструктуречугуна направляющих салазок (столов). Зависимости величины износа элементов пары от параметровчугуна нелинейны. Отклонение размеров графитовых включений от оптимальных (250 мкм) увеличивает интенсивность изнашивания сопряженных направляющих стола более чем в 1,5 раза. Наличие твердых включений карбидного типа в чугуне направляющих стола (салазок) в количестве до 5 % снижает износ в 1,5-1,7 раза. Большее содержание включенийприводит к повышенному износу сопряженных направляющих станины.
На равномерность скольжения этой пары оказывает влияние соотношение размеров графитовых включений чугуна. Для направляющих стола рекомендуется чугун с большим размером графитовых включений и меньшей твердости, чем у чугуна сопряженных направляющих станин. Пары трения из чугуна с одинаковым размером графитовых включений (54 мкм) и равной твердости (НВ 180) при низких скоростяхскольжения имеют вдвое большую величину скачков и диапазона нагрузок с неравномерным скольжением.
В соответствии с требованиями высокой износостойкости и равномерности скольжения для направляющих стола (салазок) следует применять чугун с чисто перлитной металлической основой, равномерно распределенным пластинчатым графитом. Микротвердостьперлита должна быть высокой. Содержание твердых включений в металлической основе допускается не более 5% (балл 1Д4 по ГОСТ 3443-77). Размер графитовых включенийчугуна направляющих стола должен быть на 30-50 мм больше, чем у чугуна направляющих станины. твердость Н В направляющих стола (салазок) должна быть ниже твердости направляющих станины на 10-15 единиц, но не менее НВ 170.
В паре чугун-закаленный чугунглубина закаленного слоя направляющих должна быть не менее 2,5 мм, твердость — HRC 48-53. Требования к микроструктуре чугуна, предназначенного для закалки, по характеристикам металлической основы те же, что и для нетермо-обработанного чугуна, но длина графитовых включений должна быть несколько меньше. Наибольшее повышение износостойкости (в 2 раза) наблюдается у закаленного чугуна с длиной включений от 50 до 150 мкм. Закалка чугуна с включениями больше 220 мкм менее эффективна и обеспечивает увеличение его износостойкости в 1,3-1,5 раза.
Возможность получения накладных направляющих из чугунаметодом непрерывного литья позволила применить для них изотермическую закалку до твердости НВ 260-300, которая повышает износостойкостьчугуна в 1,6-1,8 раза. Несмотря на несколько меньшие износостойкость и твердость, коробление направляющих при этом виде термообработки значительно меньше. Узлы с направляющими скольжения из неоднородных металлов, (пара цветной сплав-чугун). Пары тренияцветной сплав-чугун следует применять в узлах трения с высоким давлением и вероятностью задиров поверхностей трения, главным образом - в тяжелых станкахмассой более Ютив станкахсреднихразмеров при давлении на направляющие более 3 МПа. В тяжелых станках недостаточная жесткость корпусных деталей приводит к различного рода деформациям — упругим, температурным, от остаточных напряжений (литейным). Для таких станков характерна меньшая точность обработки направляющих большой длины и площади, а также пониженное качество чугуна крупных отливок. Все эти факторы вызывают появление высоких местных давлений на поверхностяхтрения и, в сочетании с загрязнением направляющих отходами обработки, нарушением режимов смазки, создают опасность появления задиров и высокую интенсивность изнашивания направляющих, особенно в узлах с компоновкой типа стойка-поперечина, поперечина-салазки суппорта, стойка-салазки продольно-фрезерных, токарно-карусельных, зу-бофрезерных станков.
При очень высоком давлении (более 10 МПа) накладные направляющие необходимо изготовлять из литой высокооловянной бронзы (БрО10Ф1). При меньшем давлении для направляющих следует применять цинковые сплавы (ЦАМ10-5) и безоловянные бронзы (БрА9Мц2).
Во всех случаях предпочтение следует отдавать бронзам в виде листового проката, что резко снижает расход цветного металла и стоимость направляющих.
В безоловянных бронзах повышение твердости и наличие свободных твердых включений в микроструктуре не приводит к увеличению их износостойкости. Низкую износостойкость имеют алюминиевые бронзы с высоким (более 10%) содержанием алюминия (типа БрА10Ж4Н4), поэтому для направляющих станков они не рекомендуются. Наиболее целесообразно применение для этих целей однофазных алюминиевых или сурьмянистых бронз (БрСу7, БрСу7Н4) относительно высокой износостойкости.
Износостойкость оловянных бронз выше, чем алюминиевых, и существенно зависит от их микроструктуры и твердости. С увеличением содержания олова износостойкостьбронз возрастает. Применять для накладных направляющих бронзу с низким содержанием олова (4%) нельзя из-за повышенной скорости изнашивания сопряженных направляющих из чугуна.
Наличие свободных твердых включенийинтерметаллидов (например, интерметаллидов никеля) в пределах 15-20% увеличивает износостойкость цветного сплава более чем в 1,5 раза. Более высокое содержание включений влияет на долговечность узла отрицательно. Включения низкой твердости (свинца) в оловянных бронзах существенно (до 1,7 раза) снижают износостойкость накладных направляющих станков.