Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Координатно-расточные станки занимают особое место среди металлорежущего оборудования. Их основное назначение -- обработка отверстий с предельно высокой точностью взаимного расположения осей, задаваемого в прямоугольной или полярной системе координат. Точность позиционирования на уровне 0,002...0,006 мм и радиальное биение шпинделя менее 1 мкм достигаются не только за счёт общей жёсткости конструкции станка, но и благодаря применению ультрапрецизионных подшипников шпинделя, гидростатических направляющих стола и шарико-винтовых передач (ШВП) высших классов точности.
Среди мировых лидеров в производстве координатно-расточных станков выделяются швейцарские компании SIP (Societe Genevoise d'Instruments de Physique, ныне входит в Starrag Group) и Dixi Machines SA. В отечественном станкостроении данный класс оборудования представлен моделями Московского завода координатно-расточных станков (МЗКРС): 2А450, 2Д450, 2Е450 и их модификациями. Все эти станки объединяет общий принцип -- использование комплектующих наивысшего класса точности в критически важных узлах, определяющих геометрическую и кинематическую точность обработки.
В данной статье рассмотрены конструктивные решения по подшипниковым узлам шпинделя, системам направляющих перемещений стола и салазок, а также ШВП и опорным подшипникам ходовых винтов для перечисленных моделей координатно-расточных станков.
Станки SIP серий 640/720/740 -- двухстоечные координатно-расточные центры производства Швейцарии, выпускавшиеся с середины 1980-х годов. Модель SIP 740 имеет рабочую поверхность стола 1600 x 1240 мм, максимальную нагрузку на стол 2500 кг и ход по оси X -- 1500 мм, по оси Y -- 1000 мм. Диапазон частот вращения шпинделя составляет 30...2500 об/мин (три ступени), конус шпинделя ISO 45, мощность привода шпинделя -- 6,5 кВт. Направляющие выполнены по схеме прецизионных роликовых с V-образным профилем, шабренных вручную. Все шпиндели оснащены сверхточными подшипниками с регулируемым гидравлическим преднатягом.
Современные модели SIP серии 5000/7 (Starrag) развивают эти принципы: используются гидростатические шпиндельные подшипники с биением менее 1 мкм, стальные измерительные линейки и двунаправленное позиционирование с точностью менее 3 мкм по стандартам VDI/DGQ и ISO.
Координатно-расточные станки Dixi (Швейцария) представляют собой горизонтальные и вертикальные машины высшего класса точности. Модель Dixi 350 -- горизонтальный координатно-расточной станок с рабочей поверхностью стола 810 x 810 мм, нагрузкой до 2000 кг и перемещениями по осям X/Y/Z -- 1000/1000/1000 мм. Частота вращения шпинделя -- 10...3000 об/мин, конус ISO 50. Станина изготовлена из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, обеспечивающего максимальную стабильность и жёсткость. В более поздних моделях серии JIG (Dixi JIG 1200 и др.) применяется конструктивный принцип "коробка в коробке" (box-in-box), при котором салазки поддерживаются с обеих сторон, что обеспечивает обработку с точностью менее 1 мкм.
Серия одностоечных координатно-расточных станков МЗКРС представлена последовательно сменявшими друг друга моделями. Станок 2А450 (начало серийного выпуска -- 1977 г.) имеет рабочую поверхность стола 630 x 1100 мм и обеспечивает точность установки межцентровых расстояний 0,004 мм в прямоугольной системе координат и 5 угловых секунд в полярной. Класс точности станка -- А по ГОСТ 8-71.
Станок 2Д450 -- модернизированная версия с размерами стола 630 x 1120 мм. Вращение шпинделя осуществляется от регулируемого электродвигателя постоянного тока через ремённую передачу и двухступенчатую коробку скоростей, обеспечивающую бесступенчатое изменение частоты вращения в диапазоне 50...2000 об/мин. Вертикальная подача гильзы шпинделя реализована через червячную передачу, шлицевый вал и реечный механизм.
Модели 2Е450АФ30 и более поздние оснащены системами ЧПУ (Fanuc 0i mate MC), серводвигателями на осях X, Y и ШВП для привода подач. Направляющие всех перемещающихся органов имеют автоматизированный зажим для точной фиксации и повышения жёсткости несущей системы.
Шпиндель координатно-расточного станка -- ключевой узел, определяющий точность обработки. Опоры шпинделя должны обеспечивать радиальное биение не более 0,5...1,0 мкм, высокую статическую и динамическую жёсткость, минимальный нагрев при длительной работе и стабильность параметров во времени. В прецизионных станках применяются три основных типа шпиндельных опор: подшипники качения сверхвысокой точности, гидростатические подшипники и аэростатические подшипники.
Для координатно-расточных станков класса точности А и выше наиболее распространены радиально-упорные шариковые подшипники классов точности P2 (ABEC 9) и P4 (ABEC 7) по ISO 492. Эти подшипники обеспечивают радиальное биение внутреннего кольца не более 1,5 мкм (класс P2) и 2,5 мкм (класс P4) при диаметре вала 50 мм по ISO 492, что критически важно для координатного растачивания.
В станках SIP серий 640/720/740 шпиндельные опоры выполнены на сверхточных подшипниках с переменным гидравлическим преднатягом. Такая система позволяет автоматически компенсировать тепловые деформации и изменение нагрузки на шпиндель. Двигатель установлен соосно со шпинделем, что исключает влияние ремённых передач на точность вращения. Диаметр гильзы шпинделя (пиноли) составляет 130...135 мм, обеспечивая высокую изгибную жёсткость.
В современных моделях SIP (серия 5000/7) используются гидростатические шпиндельные подшипники, обеспечивающие биение менее 1 мкм. Масляная плёнка между шейкой вала и корпусом подшипника полностью исключает механический контакт, что обеспечивает практически неограниченный ресурс опоры и отсутствие износа.
В станках 2А450 и 2Д450 шпиндель установлен на прецизионных радиально-упорных шариковых подшипниках с преднатягом. Передняя опора (нижняя, со стороны инструмента) выполнена на паре радиально-упорных подшипников, установленных по схеме "тандем" или "O-образная" (спина к спине, DB), что обеспечивает высокую радиальную и осевую жёсткость. Задняя опора (верхняя) -- радиально-упорный или радиальный подшипник, компенсирующий тепловые удлинения вала.
Паспорт станка 2Д450 содержит раздел "Подшипники, установленные на станке", в котором перечислены все подшипники с указанием класса точности, посадочных размеров и места установки. Шпиндельные подшипники имеют класс точности не ниже P4 (ABEC 7), а в ряде исполнений -- P2 (ABEC 9).
Радиально-упорные подшипники для шпинделей координатно-расточных станков выпускаются с контактными углами 15 градусов (обозначение C), 25 градусов (обозначение A, AC) и 40 градусов (обозначение B). Для шпинделей с преобладающими радиальными нагрузками и высокими частотами вращения применяют подшипники с углом 15 градусов. При значительных осевых нагрузках (глубокое растачивание, фрезерование) предпочтительнее угол 25 градусов. Подшипники с углом 40 градусов используются в опорах, где преобладают осевые нагрузки.
Гидростатические направляющие -- бесконтактные системы линейного перемещения, в которых между подвижным и неподвижным элементами создаётся масляная плёнка. Масло подаётся под давлением в специальные карманы, растекается по площади контакта и вытекает через калиброванный зазор, создавая масляную подушку толщиной 10...30 мкм. Такая конструкция полностью исключает механический контакт между направляющими, обеспечивая практически нулевой износ и плавность перемещения при любых скоростях, включая сверхмалые подачи.
Гидростатические направляющие впервые стали применяться в середине XX века именно в прецизионных станках: координатно-расточных, шлифовальных и измерительных машинах, где требовались перемещения с точностью до 0,001 мм. Жёсткость гидростатической опоры на сжатие достигает 1300 Н/мкм при использовании системы с двумя рельсами и четырьмя каретками, что сопоставимо с жёсткостью роликовых направляющих качения.
В станках SIP серий 640/720/740 применяются прецизионные направляющие с V-образным профилем на одной стороне. Роликовые опоры обеспечивают практически безфрикционное перемещение (двунаправленная точность позиционирования менее 3 мкм). Направляющие поверхности шабрятся вручную -- от станины до линейных направляющих, шпиндельных головок и осей. Этот трудоёмкий процесс обеспечивает идеальную геометрию и долговременную точность.
Роликовые направляющие SIP имеют V-образный профиль, благодаря которому тепловое расширение происходит строго параллельно другим ответственным компонентам и измерительным системам. Это обеспечивает сохранение точности даже при колебаниях температуры до 1 градуса C в час и 4 градусов C в сутки.
В станках 2А450 и 2Д450 стол и салазки перемещаются по шабренным направляющим скольжения с антифрикционными накладками. Станина выполнена из качественного чугуна и включает две плоские и одну Т-образную направляющую. Для повышения плавности хода и устранения скачкообразного перемещения (stick-slip) при малых подачах предусмотрена централизованная система смазки направляющих.
В модернизированных станках 2Е450АФ30 и более поздних модификациях установлена телескопическая защита направляющих по оси X, а также автоматизированный зажим на направляющих всех перемещающихся рабочих органов, обеспечивающий точную фиксацию и дополнительное повышение жёсткости несущей системы.
Гидростатические: бесконтактное перемещение, нулевой износ, отсутствие stick-slip, высокое демпфирование вибраций, сложная гидросистема, потребность в постоянном давлении масла.
Роликовые качения (Schneeberger, THK, HIWIN): низкий коэффициент трения (0,002...0,004), высокая жёсткость, стандартизированные типоразмеры, требуют защиты от загрязнений.
Шабренные скольжения: высокая демпфирующая способность, хорошая несущая способность, склонность к stick-slip при малых скоростях, постепенный износ.
Аэростатические: минимальное трение, высокая точность, низкая демпфирующая способность, низкая несущая способность, чувствительность к загрязнениям.
Шарико-винтовые передачи в координатно-расточных станках обеспечивают преобразование вращательного движения серводвигателя в точное линейное перемещение стола, салазок или шпиндельной бабки. Основные требования к ШВП координатно-расточных станков: минимальная накопленная погрешность шага, высокая осевая жёсткость, отсутствие мёртвого хода (люфта) и долговременная стабильность характеристик.
Для координатно-расточных станков применяются ШВП высших классов точности: C0 (ультрапрецизионный), C1 и C3 по стандартам ISO 3408 / DIN 69051 / JIS B 1192. Классы C5 и ниже для данного оборудования не применяются.
В координатно-расточных станках SIP 640/720/740 и Dixi 220/350 применяются прецизионные ШВП класса C0 или C1, шлифованные с последующей финишной доводкой. Особенности конструкции ШВП этих станков: применение двойных гаек с регулируемым преднатягом для полного устранения осевого люфта, использование систем охлаждения винта (пропуск хладагента через полый вал) для компенсации теплового удлинения и измерение перемещений стальными или стеклянными линейками, независимыми от ШВП.
Ранние модели SIP (Hydroptic 6A/7A) использовали прецизионные ходовые винты с трапецеидальным профилем и оптические шкалы для измерения перемещений. Ходовые винты этих станков имели увеличенный шаг (1 оборот = 1 дюйм), что снижало погрешность от разбивки гайки.
В модернизированных станках 2Е450АФ30 с ЧПУ приводы подач по осям X и Y -- независимые, через ШВП с использованием высокомоментных серводвигателей. Привод подачи по оси Z (шпиндельная коробка и пиноль) также независимый, с высокомоментным серводвигателем. Применяются ШВП класса C1...C3 с двойной преднатянутой гайкой.
В более ранних моделях (2А450, 2Д450) перемещения стола и салазок осуществлялись через червячные пары и реечные механизмы, а точность позиционирования обеспечивалась оптической измерительной системой с ценой деления 0,001 мм.
Если требуемая точность позиционирования станка по оси X составляет ±3 мкм при ходе 1000 мм, а перемещения контролируются линейной измерительной системой с обратной связью, то допустимая накопленная погрешность шага ШВП может быть больше ±3 мкм, так как система компенсирует погрешности винта. Однако для минимизации остаточной погрешности и обеспечения плавности хода рекомендуется применять ШВП не ниже класса C1 (накопленная погрешность ≤5 мкм на 300 мм).
При отсутствии обратной связи по линейной измерительной системе (управление по энкодеру двигателя) требуется ШВП класса C0 с накопленной погрешностью ≤3,5 мкм на 300 мм.
Опорные подшипники ходового винта ШВП воспринимают осевые нагрузки от перемещения стола, обеспечивают точность и жёсткость осевого позиционирования и передают крутящий момент от привода к винту. Для координатно-расточных станков применяются специализированные радиально-упорные подшипники для опор ходовых винтов (Ball Screw Support Bearings) классов точности P4 и P5 (ABEC 7 и ABEC 5).
Для устранения осевого люфта и повышения жёсткости опорные подшипники ходовых винтов устанавливаются с преднатягом. В координатно-расточных станках типичная величина преднатяга составляет 3...8 % от динамической грузоподъёмности подшипника. Чрезмерный преднатяг приводит к перегреву и ускоренному износу, недостаточный -- к появлению люфта и снижению точности.
Ведущие производители (SKF, NSK, FAG/Schaeffler) выпускают специализированные подшипники для опор ШВП с заводской установкой преднатяга: лёгкий (L), средний (M) и тяжёлый (H). Для координатно-расточных станков, как правило, применяется средний преднатяг (M).
Системы классификации точности подшипников качения определены международными стандартами ISO 492 (подшипники качения -- допуски), ГОСТ 520-2011 и стандартами ABMA/ABEC (Annular Bearing Engineering Committee). Для координатно-расточных станков применяются подшипники двух наивысших классов.
Стандартные шпиндельные подшипники изготавливаются из подшипниковой стали 52100 (ШХ15 по ГОСТ 801). Для повышения быстроходности и снижения нагрева применяются гибридные подшипники с телами качения из нитрида кремния (Si3N4). Керамические шарики имеют массу на 60 % меньше стальных, коэффициент теплового расширения примерно в 4 раза ниже, а электрическое сопротивление -- на несколько порядков выше, что исключает повреждение подшипников токами вала при работе с частотно-регулируемыми приводами.
Точность ШВП регламентируется стандартами ISO 3408 (части 1-5), DIN 69051 и JIS B 1192. Основные контролируемые параметры: средняя погрешность хода (ep), максимальное отклонение хода на длине 300 мм (ν300) и отклонение хода на одном обороте (ν2π). Для координатно-расточных станков отклонение на длине 300 мм не должно превышать 3,5 мкм (класс C0) или 5 мкм (класс C1).
Координатно-расточные станки устанавливаются в изолированных помещениях с постоянной температурой 20 ± 1 градус C. Колебания температуры приводят к тепловым деформациям станины, шпинделя и ходовых винтов, непосредственно влияющим на точность. Тепловое удлинение стали составляет примерно 12 мкм/м на каждый градус, чугуна -- около 10 мкм/м на каждый градус. Перед началом точной обработки рекомендуется прогревать станок в течение 30...60 минут на средних оборотах шпинделя.
Шпиндельные подшипники координатно-расточных станков смазываются консистентной смазкой (закрытые исполнения) или циркуляционным маслом (открытые шпиндели с масляным туманом или масловоздушной смазкой). Для подшипников класса P2/P4 применяются высокоочищенные масла вязкостью ISO VG 10...32. Периодичность замены смазки определяется паспортом станка и контролируется по вибрационным характеристикам.
ШВП смазываются пластичной смазкой или маслом через автоматические лубрикаторы. Загрязнение ШВП металлической стружкой и абразивными частицами -- основная причина преждевременного износа и потери точности. Необходимо контролировать состояние защитных кожухов, телескопических щитков и гофрированных чехлов.
Состояние шпиндельных подшипников контролируется по следующим параметрам: радиальное и осевое биение шпинделя (измерение индикатором с ценой деления 0,001 мм), температура наружного кольца подшипника (не более 50...55 градусов C при установившемся режиме), уровень вибрации (виброскорость не более 0,7...1,1 мм/с для прецизионных станков).
1. Увеличение радиального биения шпинделя свыше паспортного значения.
2. Появление посторонних шумов при вращении на средних и высоких оборотах.
3. Повышенный нагрев подшипникового узла (превышение рабочей температуры на 10...15 градусов C и более).
4. Появление осевого люфта шпинделя.
5. Ухудшение шероховатости обработанной поверхности при неизменных режимах резания.
Монтаж подшипников класса P2/P4 выполняется в чистом помещении при температуре, близкой к 20 градусов C. Посадочные поверхности вала и корпуса должны иметь шероховатость Ra ≤ 0,2 мкм, допуски на цилиндричность и круглость -- не хуже IT3. Подшипники устанавливаются методом теплового расширения кольца (нагрев до 80...100 градусов C в масляной ванне) или с помощью гидравлической оснастки. Применение ударных инструментов недопустимо.
Для ремонта, модернизации и обслуживания координатно-расточных станков SIP, Dixi и серии 2А450/2Д450/2Е450 доступны следующие категории прецизионных комплектующих:
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.