Износ направляющих

Сохранение точности металлорежущих станков в значительной мере зависит от интенсивности изнашивания направляющих. В тя­желых станках трудоемкость ремонта направляющих доходит до 40—50% трудоемкости капитального ремонта станка. Повышение долговечности направляющих отстает от роста производительности станков. Скорость изнахпивания незакаленных направляющих станины токарных станков за последние 60…100 лет увеличилась в 4—5 раз. Повышение долговечности направляющих особенно актуально в связи с интенсификацией использования станков и все возрастающими требованиями к точности обработки.

Причины изнашивания

Направляющие прямолинейного движения подвержены значи­тельному износу вследствие: а) невозможности полной изоляции от попадания отходов обработки — металлической стружки, песка, абразива, окалины; б) несовершенной смазки; в) отсутствия условий для гидродинамического трения ввиду медленных пере­мещений (направляющие подачи), а также частых остановок и реверсирования движения. При работе направляющих прямоли­нейного движения в станках ряда типов начальная точность контакта в процессе эксплуатации снижается из-за неравномерного износа по длине, деформаций и т. д.; это вызывает изменение условий изнашивания, вследствие чего не происходит полной приработки и интенсивность изнашивания не падает.

Виды изнашивания направляющих

Основными видами изнашивания направляющих скольжения металлорежущих станков являются: 1) абразивное изнашивание; 2) схватывание; 3) изнашивание в условиях чистой смазки и отсут­ствия схватывания (условное объединяющее наименование не­скольких видов изнашивания).

Вид изнашивания направляющих определяется на основе ана­лиза условий работы, изучения характера разрушения поверхности и наблюдения за закономерностями процесса изнашивания. В комплекс условий работы направляющих, определяющий вид изнашивания, входят давление, скорость скольжения, температура поверхностей трения, наличие загрязнения направляющих отхо­дами обработки, смазка, размеры направляющих. У разных видов изнашивания может быть одинаковый характер разрушения. Например, отделяющиеся при разных видах изнашивания частицы металла одной детали, попадая между поверхностями сопряженных деталей, царапают и разрушают их, создавая одинаковые внешние признаки повреждения.

На разных участках направляющих одного движения данного станка могут иметь место несколько видов изнашивания. Практи­чески важно установить основной вид изнашивания, определяющий интенсивность процесса, что позволит правильно выбрать пути повышения долговечности направляющих.

Абразивное изнашивание наблюдается в основном при загряз­нении направляющих или масла твердыми частицами (отходами обработки). Абразивное изнашивание — результат режущего, ца­рапающего или иного действия твердых частиц, шаржирующих сопряженные направляющие либо перемещающихся между ними. К этому же виду изнашивания относится режущее или царапаю­щее действие твердых структурных элементов или шероховатой более твердой поверхности сопряженной направляющей. Абразивное изнашивание — наиболее распространенный вид из­нашивания направляющих — отличается высокой интенсивностью.

В период приработки на направляющих станины, например, токарного станка с парой трения чугун — чугун (незакаленные) происходит истирание и сглаживание обработочных неровностей; одновременно вследствие попадания извне загрязняющих элемен­тов образуются продольные риски. Постепенно, обычно до исчез­новения следов обработки, появляются отдельные более крупные риски — царапины глубиной 15—50 мк (иногда более), вырезае­мые и выдавливаемые крупными прочными твердыми частицами металла или абразива, попадающими в область трения. Царапины отличаются от задиров внешним видом, имея заглаженный профиль без характерных для задиров рваных очертаний дна и стенок. После окончания приработки устанавливается примерно посто­янная шероховатость поверхности. Изношенные зака­ленные чугунные и стальные направляющие станин имеют более тонкий микрорельеф, риски и царапины значительно мень­шего сечения.

Особенностями абразивного изнашивания пар трения пласт­масса — чугун в направляющих являются: а) изнашивание срав­нительно мягкой пластмассы шероховатой твердой металлической направляющей (воздействие подобно напильнику) и б) неравно­мерность износа элементов пары в поперечном сечении [441.

Отдельные участки пластмассы со временем шаржируются твердыми частицами; изнашиваясь при этом меньше, эти участки постепенно приобретают выпуклую форму и внедряются в чугун­ную направляющую станков, вырезая заглаженную канавку. На изношенных направляющих станины, например, тяжелых то­карных и расточных станков глубина канавок достигает несколь­ких десятых миллиметра, ширина — нескольких миллиметров.

При загрязнении направляющих отходами обработки интенсив­ность изнашивания резко увеличивается; трение также, увеличивается. Интенсивность изнашивания повышается: с увеличением размеров частиц загрязнения (в пределах, меньших величины зазоров в направляющих); с повышением твердости, прочности и остроты кромок частиц; при недостаточной точности контакта в направляющих. Абразив имеет следующую твердость HV: чугунная пыль 320—692 кГ/мм² ; песок 645— 840 кГ/мм² ; электрокорунд 1145—1345 кГ/мм² ; окалина стали 45 580—715 кГ/мм² ; окалина стали 20Х 675—905 кГ/мм². При меньшей, чем у направляющих, твердости частиц или не­большом различии в твердости частицы перекатываются и дро­бятся, интенсивность износа при этом существенно снижается.

Абразивные частицы, загрязняющие смазку в станках, в по­рядке возрастания абразивной способности располагаются: сталь­ная и чугунная стружка, окалина, песок, электрокорунд. Значи­тельное повышение износостейкости стальных и чугунных направ­ляющих достигается термической обработкой до твердости, пре­восходящей твердость абразивных частиц. Закалочные структуры (сорбит, троостит) уступают по твердости песку и окалине, мар­тенсит превосходит их.

С точностью, достаточной для практического использования, можно принимать, что износ U возрастает прямо пропорционально увеличению давления (в исследованных пределах до 50 кГ/мм² ).

Интенсивность абразивного изнашивания направляющих по­дачи (отношение износа к пути трения) практически не зависит от скорости скольжения в пределах, соответствующих распространенным в большинстве станков скоростям подачи до 0, 8 м/мин. При работе с чистой смазкой с увеличением скорости скольжения интенсивность изнашивания направляющих сни­жается (при отсутствии существенного нагрева направляющих) за счет повышения доли жидкостного трения.

Скорость изнашивания (отношение износа ко времени ра­боты) — в период приработки и установившегося изнашивания обычно резко не отличается. Скорость изнашивания в период установившегося изнашивания может быть даже выше, чем в процессе прира­ботки, вследствие снижения точности контакта в результате не­равномерного по длине износа пары трения при возвратно-поступа­тельном движении и увеличения количества загрязняющих эле­ментов, попадающих в область трения.

В период установившегося изнашивания можно принять, что величина износа прямо пропорциональна пути трения и времени работы.

Схватывание в направляющих возникает вследствие адгезии между непосредственно соприкасающимися свежими поверхно­стями, обнажаемыми при разрыве поверхностных пленок в процессе совместного пластического деформирования контактной зоны и последующего разрушения сцепившихся контактов (мостиков сварки) на некоторой глубине от поверхности в менее прочной зоне. Схватывание проявляется наиболее интенсивно при отсут­ствии или остром недостатке смазки обычно после изнашивания обработочных штрихов на отдельных сглаженных участках на­правляющих. Схватывание наблюдается в разных формах в по­рядке нарастания интенсивности: перенос металла с одной направ­ляющей (например, с латунной) на сопряженную (чугунную); вырывание частиц (пара трения чугун — чугун) с образованием рисок и более крупных повреждений — задиров; заедание направ­ляющих — значительное повреждение поверхностей с резким возрастанием силы трения.

Задиры — тяжелые аварийные повреждения направляющих — возникают при одновременном лавинообразном схватывании на значительной площади; задиры напоминают пропаханные канавки переменной ширины и глубины с грубыми рваными очертаниями дна и стенок. Глубина задиров на чугунных незакаленных направ­ляющих в большинстве случаев составляет 0, 2—0, 4 мм в станках средних размеров идо 1—2 мм и более в тяжелых станках; ширина задиров — более 1 мм, в отдельных случаях может измеряться десятками или даже сотнями миллиметров. Задиры сопровожда­ются другими видами разрушения (усилением абразивного изна­шивания и т. д.) и приводят к резкой интенсификации износа направляющих. Задиры возникают обычно в паре трения чугун-чугун (незакаленных) на направляющих движения подачи токар­ных, револьверных, расточных, фрезерных и других станков, а также на направляющих главного движения — круговых на­правляющих карусельных станков, направляющих продольно-строгальных и других станков. По результатам эксплуатационных наблюдений около 50% токарных и револьверных станков средних размеров с незакаленными чугунными направляющими после 1—2 лет двухсменной службы имели задиры на направляющих; при сроке службы свыше 2—3 лет задиры на направляющих по­являлись у 75% станков указанных типов.

Схватывание, сопровождаемое образованием задиров, а также интенсивное абразивное изнашивание являются недопустимыми видами разрушения направляющих.

Изнашивание в условиях чистой смазки и отсутствия схваты­вания включает в себя группу видов изнашивания, для которых характерны усталостные разрушения из-за повторного механиче­ского взаимодействия неровностей, изнашивание при хрупком разрушении наклепанного слоя, разрушение пленок окислов и т. д.

В отличие от абразивного изнашивания и схватывания при изнашивании в условиях чистой смазки и отсутствия схва­тывания разрушению подвергаются особо тонкие слои; интенсив­ность изнашивания направляющих при этом небольшая. Изна­шивание протекает наиболее интенсивно в период приработки.

Причины задиров на направляющих

Изучение работы направляющих станков показывает, что увеличению износа, особенно усилению схватывания и образованию задиров, способ­ствуют следующие факторы:

1. Высокие местные давления в зонах контакта вследствие нару­шения начальной точности контакта в направляющих в эксплуата­ции.

Причинами этого являются:

а) деформации станин и столов (салазок), в том числе: упругие деформации от сил резания и веса заготовок, упругие деформации столов при неправильном закреп­лении заготовок и нежестких станин при неравномерном оседании фундамента и т. д.; деформации вследствие остаточных напряже­ний, включая деформации столов (салазок) в результате наклепа (см. выше); температурные деформации, особенно планшайб и оснований карусельных станков;

б) неравномерный износ сопря­женных направляющих прямолинейного движения, особенно в продольном речении (даже при равномерной нагрузке), что опре­деляется кинематическими особенностями пары трения, неодина­ковыми условиями загрязнения направляющих (но их длине), а в универсальных станках также непостоянством длины хода столов и салазок и неодинаковым использованием различных участков направляющих по длине.

Высокие местные давления особенно характерны для направ­ляющих тяжелых станков, где наряду с указанными факторами сказывается меньшая точность обработки направляющих. Этим, а также пониженным качеством чугуна крупных отливок объяс­няется относительно большая роль схватывания в тяжелых станках.

2. Загрязнение направляющих отходами обработки. Наличие твердых частиц металла и абразива в масляном слое между поверх­ностями трения резко усиливает схватывание.

Это объясняется:

а) снятием стружки с поверхностей трения и пластической дефор­мацией — повышением вследствие этого напряжений в контакте за счет вытеснения объемов наклепанного металла в отвалы по бо­кам канавок, прорезаемых и выдавливаемых частицами, и обра­зованием ювенильных поверхностей, обладающих повышенной склонностью к схватыванию;

б) разрушением сплошности масляной пленки и снижением гидродинамического эффекта смазки в результате образования продольных рисок; в) поглощением смазки загрязняющими частицами, обладающими развитой по­верхностью; при малом количестве масла это может создавать условия, характерные для трения несмазанных поверхностей.

При нарушении точности контакта в направляющих увеличи­вается проникновение в область трения отходов обработки, что значительно усиливает износ.

3. Отсутствие или недостаток смазки. Во многих случаях причиной увеличения износа и образования задиров на направ­ляющих было отсутствие смазки (повреждение системы смазки, несвоевременная заливка масла и т. д.). Недостаток смазки может наблюдаться: на вертикальных направляющих; на горизонталь­ных направляющих (в большей мере на вертикальных и наклон­ных гранях) при проточной смазке, особенно при подаче масла без принудительного давления и постоянной малой длине хода стола (салазок); на планках, куда смазка поступает самотеком с других граней, и т. д.