We współczesnym świecie wymaga się wysokiej wydajności przy jak najniższych kosztach. Sytuacja ta dotyczy także sfery obróbki skrawaniem. Wielu wyspecjalizowanych producentów narzędzi do obróbki skrawaniem poszukuje nowatorskich rozwiązań zarówno konstrukcyjnych i materiałowych, aby tworzyć narzędzi przystosowane do bardzo wysokich prędkości skrawania, szybkich posuwów i dużych głębokości skrawania. Te parametry ciągną za sobą pewne niebezpieczeństwo. Obciążanie maszyn takimi parametrami może prowadzić do utraty stabilności wymiarowo-kształtowej podczas trwania obróbki [4]. Wówczas na nic zdadzą się bardzo imponujące parametry obróbki, podczas gdy nie można uzyskać zadanej dokładności przedmiotu obrabianego. Odpowiedzią na te wymagania jest odejście producentów od wszelakich ruchowych połączeń ślizgowych na rzecz połączeń tocznych np. w prowadnicach
Technika liniowa umożliwia sprawne procesy produkcyjne w wielu różnych sektorach przemysłu. Wykorzystuje urządzenia o złożonej budowie pozwalają na przemieszczanie elementów o znacznym ciężarze i dużej sztywności, dzięki czemu mają szerokie zastosowanie w wielu sektorach przemysłu. Technika liniowa polega na realizacji posuwu za pomocą wysokiej jakości precyzyjnych urządzeń takich jak prowadnice liniowe, wózki toczne oraz łożyska liniowe i wałki prowadzące. Konstrukcje tych urządzeń bazują na wysokiej precyzji pozwalając na przemieszczanie elementów o znacznych obciążeniach w ruchu liniowym. Prowadnice z szyną profilową umożliwiają przemieszczenie liniowe za pomocą łożyskowania kulkowego.
Rysunek 1 Przykłady zestawów liniowych: prowadnik-prowadnica
Prowadnica liniowa – co to jest?
Prowadnica liniowa to element mający szerokie zastosowanie w przemyśle produkcyjnym. Jest to kluczowe ogniwo linii produkcyjnej, które odpowiada za precyzję oraz powtarzalność w tworzenia produktu. Na konstrukcję tytułowego elementu składają się szyny profilowe oraz wózki toczne. Innowacyjne rozwiązania technologiczne sprawiają, że owe elementy składowe zabezpieczone są przed dostawaniem się do nich zanieczyszczeń. Prowadnice liniowe – jak wspominaliśmy, cechują się rozległym zastosowaniem. Występują w wielu urządzeniach zautomatyzowanych oraz maszynach – zarówno tych większych, jak i mniejszych. Doskonałym przykładem zastosowania prowadnic liniowych jest m.in. drukarka, bądź obrabiarka. Tytułowe elementy występują także w urządzeniach transportowych, maszynach pakujących oraz automatach spawalniczych. Podstawową zaletą stosowania prowadnic liniowych jest ich wysoka precyzja – dzięki temu pozwalają na sprawne funkcjonowanie wielu urządzeń.
Prowadnice liniowe zastosowanie i zalety
Zdecydowanie największą zaletą stosowania prowadnic liniowych jest ich wysoka precyzja oraz dokładność. Eksperci oraz użytkownicy cenią tytułowe urządzenia również ze względu na nieskomplikowaną budowę, prostotę montażu i bezawaryjną eksploatację.
Do korzyści, które niesie tytułowe rozwiązanie należy zaliczyć m.in. :
Wysoka dokładność
Z uwagi na fakt, że prowadnice liniowe charakteryzują się niskim oporem tarcia, do rozruchu wymagana jest nieznaczna wartość siły napędowej. Niski opór tarcia zapewnia także minimalizację występującego efektu nagrzewania. Tak więc, zmniejsza się opór tarcia, zaś dokładność zostaje utrzymana dla dłuższego okresu czasu w porównaniu z tradycyjnymi systemami ślizgowymi.
Wysoka sztywność
Konstrukcja szyny oraz wózków liniowych gwarantuje taką samą nośność we wszystkich kierunkach (promieniowym, odwrotnie promieniowym i poprzecznym), a także samokompensację pozwalającą na zmniejszenie wpływu błędów montażowych. Ponadto podniesienie sztywności prowadnic można uzyskać dzięki zastosowaniu napięcia wstępnego, dzięki czemu nadają się one do każdego rodzaju aplikacji.
Prosta obsługa
W porównaniu z wymagającymi czasochłonnego łuszczenia powierzchni tradycyjnymi prowadnicami ślizgowymi, prowadnice liniowe gwarantują wysoką precyzję nawet wtedy, gdy powierzchnia montażowa jest frezowana lub szlifowana. Ponadto wymienność prowadnic liniowych zapewnia bezproblemową instalację, a także późniejszą rozbudowę lub remont urządzenia.
Wysokie prędkości przesuwu
Wózek toczny, szyna profilowa oraz element toczny są w punkcie styku systemu toczenia. W związku z małymi wartościami oporów tarcia, wymagana siła napędowa jest znacznie niższa w porównaniu do systemów ślizgowych, co zapewnia niewielki pobór mocy. Co więcej, efekt nagrzewania jest znikomy nawet dla wysokich prędkości przesuwu.
Funkcjonowanie prowadnic liniowych gwarantuje ponadto swobodny ruch określonego urządzenia. W konsekwencji prowadnice liniowe stosowane są w coraz większej liczbie urządzeń praktycznie w każdej dziedzinie przemysłu. Znaczenie oraz rola tytułowych urządzeń rośnie z każdym dniem, dlatego aktualnie prowadnice liniowe stanowią jeden z kluczowych elementów automatyki przemysłowej.
Jak pokazano na poniższych schematach, za każdym razem, gdy kulka toczy się, występuje poślizg o wartości proporcjonalnej do różnicy pomiędzy obwodami wewnętrznej i zewnętrznej powierzchni kulki w kontakcie z bieżnią (π d1) i (π d2).
» Poślizg ten nazywany jest poślizgiem różnicowym. Kiedy różnica pomiędzy obwodami jest zbyt duża, poślizg występuje w trakcie toczenia się kulki.
» Współczynnik tarcia pomiędzy kulką i bieżnią jest kilkukrotnie niższy w przypadku wystąpienia poślizgu niż w sytuacji, gdy poślizg ten nie występuje – wtedy bowiem opór tarcia znacznie wzrasta.
» Nawet pod naprężeniem wstępnym lub regularnym, kulka i bieżnia stykają się ze sobą w dwóch punktach w kierunku obciążenia, jak pokazano na schematach. Tak więc różnica pomiędzy d1 i d2 może być mała, tak samo jak poślizg różnicowy.
» Taka konstrukcja pozwala na płynne toczenie.
Tabela porównawcza konstrukcji czterorzędowej z jednakowym poziomem obciążenia i konstrukcji dwurzędowej bazującej na stylu gotyckim
Wałek podparty
Wałek podparty na szeroką skalę wykorzystywane jest w technice liniowej. Wałki podparte mają tam swoje istotne miejsce i przyczyniają się do uzyskania konkretnych, bardzo precyzyjnych produktów.
To za ich przyczyną możliwe jest oczekiwane przemieszanie się na całej długości. Konieczny jest jednak odpowiedni montaż wałków na śrubach o niskiej tolerancji płaskości. Dzięki temu ruch będzie się odbywał precyzyjnie, płasko i bez zbędnego ukosowania. Wałki na podporach charakteryzują się poza tym wysoką trwałością. Jest to spowodowane określonymi warunkami produkcji, a więc hartowaniu indukcyjnemu na głębokość od 0,4 mm do 3,2 mm. Co ważne, wałek podparty odznacza się także dużą gładkością. Nie ma tu zbędnej chropowatości powierzchni, stąd praca łożysk może się odbywać na oczekiwanym poziomie precyzji.
Podpora wałka to niezbędny element, przyczyniający się do tego, że maszyna działał sprawnie i szybko. Podpory wałków sprawiają, że wałek nie ugina się po wpływem nadmiernego obciążenia lub pod wpływem swojego ciężaru na dużej długości. Stosując podpory wałka na całej długości możemy budować tak zwany tor liniowy, który może osiągnąć długość nawet kilku metrów! Podpora wałka wykonana jest z wysokiej jakości aluminium oraz posiada nawiercone otwory pod śruby montażowe.
Wałki podparte zalety
– Proste i ekonomiczne prowadzenie liniowe
– Wysoka precyzja
– Duża nośność
– Niewielkie opory toczenia
Precyzyjne wałki prowadzące w połączeniu z takimi elementami, jak łożyska, podpory, czy wsporniki krańcowe, stanowią wytrzymałe systemy liniowe.
Wałek z podporą zastosowanie
Wałek podparty często stosowany jest w:
▪ przesuwnych elementach obudów różnego rodzaju obrabiarek i maszyn przemysłowych, np. odsuwana pokrywa szlifierki lub frezarki,
▪ konstrukcjach ruchomych obrabiarek i przyrządów, np. zespół dociskowy w szlifierce pasowej, ruchomy stół frezarki,
▪ pilarkach tarczowych, np. przesuwna tarcza pilarki tarczowej stołowej, regulowane ramię pilarki tarczowej ramieniowej lub ukośnej (tzw. ukośnicy),
▪ maszynach dziewiarskich,
▪ drukarkach,
▪ gilotynach krążkowych, obcinarkach-trymerach,
▪ krajalnicach,
▪ maszynach budowlanych, np. przesuwne drzwi kabiny koparki,
▪ robotach przemysłowych,
▪ cylindrach pneumatycznych,
Przykłady konstrukcji
Prowadnica liniowa czy wałek z podporą? – podsumowanie
Przyczyn odejścia, od starych rozwiązań połączeń ruchowych ślizgowych na rzecz nowoczesnych połączeń ruchowych tocznych, jest kilka. Mianowicie przy wyższych prędkościach posuwów, zarówno ustawczych jak i roboczych, w prowadnicach tocznych wydziela się mniej ciepła na skutek zmniejszonego tarcia, a co za tym idzie, jest mniejsza deformacja cieplna elementów odpowiadających m.in. za dokładność wymiarową. Zmniejszenie oporów tarcia pomiędzy elementami połączeń ruchowych pozwala na zastosowanie napędów o mniejszej mocy, a więc energooszczędnych, przy podwyższeniu dynamiki napędu co bardzo ułatwia i poprawia jego sterowanie.
Współczynnik tarcia w połączeniach prowadnicowych tocznych jest 50-100 razy mniejszy niż w połączeniach prowadnicowych ślizgowych (przeciętnie u = 0,002). Pozwala to na uzyskiwanie bardzo dokładnych przemieszczeń ustawczych (0,5 -1 um), trudnych do osiągnięcia przy prowadnicach ślizgowych ze względu na możliwość występowania zjawiska „stick-slip”. Istotną cechą połączeń prowadnicowych tocznych jest dokładność ich wykonania, a w szczególności takie wskaźniki dokładności, jak płaskość, falistość i chropowatość powierzchni prowadnicy i prowadnika, wzajemne położenie prowadnic (prostoliniowość i równoległość) oraz błędy kształtowo-wymiarowe elementów tocznych. Ponieważ elementy toczne stykają się z bieżniami punktowo (kulki) lub liniowo (wałki), sztywność statyczna połączeń prowadnicowych tocznych jest na ogół mniejsza niż połączeń prowadnicowych ślizgowych. Zastosowanie jednak prowadnic tocznych umożliwia zupełne usunięcie luzów w połączeniu, dzięki wstępnemu naprężeniu, co, nie zwiększając wyraźnie oporów tarcia, daje dodatkową korzyść w postaci wzrostu sztywności. Dla zapewnienia dostatecznej trwałości prowadnice toczne powinny być starannie osłonięte oraz smarowane, co nowoczesnych konstrukcjach takich zespołów jest zapewnione przez ich producentów.
W kolejnych artykułach opisujemy:
Jaki smar do prowadnic liniowych? – Smarowanie prowadnic
