Гидростатические направляющие



В станкостроительной промышленности гидростатические линейные направляющие считаются лучшим техническим решением для гашения вибрации при нагрузке системы. Направляющие также выдерживают большие нагрузки и могут работать в условиях загрязнения. Однако всегда существовало одно препятствие: большинство традиционных гидростатических направляющих сравнительно дороги, сложны в установке и требуют больше дополнительной аппаратуры, чем обычные линейные направляющие. По этим причинам они были не особенно распространены.


 
Сегодня новейшие компактные гидростатические линейные направляющие решают старые проблемы. Построенные в габаритах стандартных рельсовых направляющих качения, они занимают такое же пространство, как обычные роликовые танкетки и рельсовые направляющие - принося инженерам и производителям машин выгоду непревзойденного демпфирования и не требуя компромиссов установки.

Основные операции
 

Гидростатические направляющие состоят из каретки с карманами давления, которая едет по отполированным направляющим и приводится в движение устойчивым давлением масла. Каждая каретка состоит из стальной пластины, имеющей два оконечника. В один оконечник интегрированный регулятор давления подает масло в карман давления каретки; в другой всасывающий оконечник потерявшее давление масло уходит для дальнейшей циркуляции. Именно масляные карманы давления обеспечивают движение.

Одним из нескольких факторов, который напрямую влияет на точность, является допуски гидростатических направляющих. А точнее, масло гидросистемы подается в область движения и находится под постоянным давлением: встроенные заслонки установлены так, чтобы каретка оптимально позиционированлась на направляющей и двигалась с равномерным распространением зазора 0.015 мм.

Стаканы с водой показывают, как рельсовая направляющая качения передает гораздо больше вибрации, чем гидростатическая направляющая.

Именно эта интегрированная система управления гидравликой и есть то, что позволяет устройству вписаться в те же самые габариты, что и у обычных рельсовых направляющих качения.

Сколько масла и какое давление требуются? У гидростатической направляющей с рельсом шириной 45 мм расход приблизительно 1.2 литров в минуту при рабочем давлении 100 бар с классом вязкости масла ISO VG 46.

Чтобы предотвратить повреждение в случае поломки из-за частичной или полной потери давления, карманы рабочего давления созданы из скользящего материала, что создает отказоустойчивую систему. Обратите внимание на то, что, чтобы защитить эту подкладку во время установки, каретка должна быть смазана прежде, чем будет смонтирована на рельс.


Жесткость, точность и работа


Можно предположить, что перемещение грузов на масляной пленке не обеспечит необходимую жесткость. Однако, наоборот, жесткость на растяжение/сжатие гидростатической направляющей примерно равна жесткости роликовых подшипников. Обратите внимание на то, что условия приведены для системы с двумя рельсами и четырьмя каретками (по две каретки на рельс). С этими условиями жесткость на сжатие составляет 1300 Н/мкм; на растяжение и в боковом направлении это - 1200 Н/мкм и 950 Н/мкм соответственно.
Это, включая деформацию гидростатической направляющей и винтовых соединений в сопряженной конструкции. Жесткость каретки предотвращает любую деформацию карманов давления, которая имеет решающее значение при поддержании равномерного распределения давления внутри каретки.

Жесткость может также быть повышена посредством увеличения давления масла регулированием клапана. В шариковых направляющих для повышения жесткости необходимо увеличить преднатяг — т. е. возникает более высокая нагрузка на элементы качения. К сожалению, это также приводит к увеличению трения качения и уменьшению срока службы подшипников.

У гидростатических кареток же при увеличении давления не происходим увеличения трения, и нет никакого влияния на срок службы системы. Трение здесь независимо от нагрузки (пока не достигнут предел нагрузки).

Точность движения частично зависит от прямолинейности, точности и жесткости конструкции, на которой установлена гидростатическая направляющая.

Прямолинейность достигается, только когда направляющая плотно прижата к уровню контрольной поверхности. Производители предоставляют информацию и руководства с указанием допусков по прямолинейности и др. допустимым отклонениям; выход за указанные пределы уменьшают точность, увеличивают общую нагрузку, и могут даже привести к неработоспособности системы.

В общем, монтажные поверхности должны быть отшлифованы или отфрезерованы на прецизионном станке (средняя шероховатость Ra1.6). Если приложение требует особенно высокой точности движения, или используются мягкие основания и подвижные направляющие, рекомендуется привлечение производителя к решению такой задачи.

Кинематические характеристики гидростатических рельсов также хороши. Как правило, это ускорение до 100 м/сек2 (приблизительно 10g) и скорость 120 м/мин.

Здесь приведены значения для двух классов направляющих.

Демпфирование


Вибрация в станках – получаемая в результате касания режущей кромкой заготовки, износа инструмента и др. - достаточно серьезная проблема. Возникающие многочисленные резонансные явления способны значительно ухудшить точность обработки и качество поверхности. Пленка смазки, отделяющая компоненты в системах гидростатических направляющих, гасит вибрации и ослабляет эти эффекты.

Каретки в традиционных направляющих не могут обеспечить демпфирование; для изоляции от смежных элементов они требуют дополнительных приспособлений, таких как пассивные демпфирующие элементы (прокладки, пружины и т.п.).
Обычно производители механизмов подавляют колебания, объединяя гидростатические элементы в скользящие части механизма. Эти скользящие части движутся с особой точностью. Это решение очень дорого и требует большого количества дополнительной аппаратуры. Другой недостаток – высокая потеря масла во время работы, которая потребовала возврата загрязненного масла и обслуживания процесса фильтрации высокой очистки.

Преимущество новых версий гидростатических направляющих состоит в том, что они объединяют высококачественное виброгашение традиционного способа с эксплуатационными качествами и гибкостью профильных рельсов. Новые ГС рельсы могут демпфировать 470 000 кг в секунду.


На точность движения гидростатической направляющей влияет точность монтажной поверхности
 

Особые характеристики


Системы гидростатических направляющих могут поставляться длиной до 5900 мм при специальном запросе. Из-за герметичности кареток, наращивание направляющих невозможно. Кроме того, каретки подгоняются к рельсу и не могут быть заменены. Трубка подачи масла к карманам под давлением, должна иметь больший диаметр, чем у входа в каретку, чтобы гарантировать поток на входе.



 На выходе из каретки, диаметр должен расшириться, чтобы гарантировать, что динамическое давление не превысит 0.2 бар. Гидравлический блок должен также быть оснащен датчиком давления. Упругое манжетное уплотнение на торцевой поверхности и уплотнительная лента на нижней стороне каретки защищают от загрязнения и поддерживают давление масла в гидравлической системе каретки.
Результаты механической обработки: Гидростатические направляющие против обычных роликовых направляющих

В процессе ВСО, в частности в устройствах шлифовки высокой точности, гидростатические опоры повышают допустимые усилия и скорость резания, улучшают качество поверхности и точность обработки. Поскольку новейшие гидростатические направляющие соответствуют стандартам DIN, они имеют одинаковые установочные размеры с классическими профильными направляющими. Эта особенность позволяет инженерам выпускать несколько версий одного станка с разной ценой и характеристиками. Например, стандартные направляющие могут обеспечивать прекрасное качество поверхности и точность стандартной механической обработки, но их можно заменить гидростатическими направляющими, чтобы получить повышенную скорость и глубину резания, и долговечность (при тех же качестве и точности) для того же самого станка.