Профильные рельсы HGR15 или HGR20 и каретки HGH или HGW: как выбрать, смонтировать и выставить

Профильные рельсы серии HG ставят на оси станков ЧПУ: рельс обозначают HGR, каретку HGH или HGW. Два самых частых вопроса при выборе: чем отличаются каретки HGH и HGW и что взять, HGR15 или HGR20. От типоразмера 15, 20 или 25, формы и длины каретки, класса точности и преднатяга зависят жёсткость и ресурс оси, а от монтажа зависит, получит ли станок ту точность, которую обещает каталог. Ниже разобраны маркировка с полным кодом каретки, размеры, нагрузки и моменты, класс точности, преднатяг, длина рельса, смазка и отдельным разделом порядок монтажа и выверки рельсов с допусками, моментами затяжки и типичными ошибками. Числа взяты из каталога HIWIN серии HG (G99TE24-2410) и инструкции HIWIN по монтажу, у других производителей обозначения и допуски отличаются.

Товар из статьи

Профильный рельс HGR20, 4000 мм (аналог HIWIN)

Профильные рельсы и круглые валы на опоре

Профильный рельс точнее и жёстче, чем круглые валы на опоре SBR, и держит большую нагрузку: в каретке серии HG четыре ряда шариков, дорожки имеют дуговой профиль, а шарики касаются их под углом 45°, поэтому по каталогу HIWIN грузоподъёмность вниз, вверх и вбок одинакова. Общее сравнение круглых валов и профильных рельсов есть в статье «вопросы при выборе фрезерного станка с ЧПУ», а здесь речь только о рельсах серии HG.

Как читать маркировку профильных рельсов и кареток HG

Название модели в каталоге HIWIN состоит из серии, формы каретки, типоразмера, класса нагрузки и способа крепления, после чего добавляют код преднатяга и класса точности. Расшифровка частей:

Полный код каретки: HGH20CAZAH и HGH20CAZAC

В объявлениях и подсказках поиска код пишут слитно: HGH20CAZAH, HGH20CAZAC, HGW20CCZAH. Такой код читается по схеме каталога HIWIN слева направо, и последняя буква относится к классу точности, а не к нагрузке:

Для фланцевой каретки схема та же: в HGW20CCZAH буквы CC означают тяжёлую нагрузку и крепление сверху или снизу. В полном названии заказной модели каталог HIWIN добавляет и другие части: число кареток на рельсе, исполнение рельса, число рельсов в комплекте, защиту от пыли. Например, HGW25CAE2R1600EZAPMII+DD/E2+RC в каталоге означает фланцевую каретку типоразмера 25, нестандартный корпус, две каретки на рельсе, нестандартный рельс длиной 1600 мм с креплением сверху, класс P, преднатяг ZA, нержавеющую сталь, комплект из двух рельсов, двойные уплотнения, самосмазывание и усиленные заглушки. В карточках магазина указан короткий код каретки, например HGH20CA и HGW20CC, а кода преднатяга и класса точности в нём нет, поэтому их при необходимости уточняют отдельно.

Типоразмер 15, 20 или 25: какой рельс ставить на станок ЧПУ

Типоразмер определяет ширину и высоту рельса, диаметр болтов, размеры каретки и её грузоподъёмность. Цифра в обозначении это размерный ряд: у HGR15 ширина рельса 15 мм, у HGR20 20 мм, у HGR25 23 мм. Шаг отверстий у всех трёх 60 мм, расстояние от торца до первого отверстия 20 мм. Каталог HIWIN не привязывает типоразмер к размеру станка: его выбирают расчётом нагрузки и моментов на каретки (пример ниже) и по размерам узла, а для оси с винтом ШВП каталог предлагает брать типоразмер по диаметру винта: при винте 35 мм в его примере выбран HG35. Данные для каретки CA стандартной длины (HGH, крепление сверху):

C это базовая динамическая грузоподъёмность, C0 статическая. Переход с HG15 на HG20 повышает C0 каретки CA в 1,56 раза (с 23,47 до 36,68 кН), масса рельса растёт в 1,52 раза (с 1,45 до 2,21 кг на метр). Переход с HG20 на HG25 даёт рост C0 в 1,44 раза (до 52,82 кН) при росте массы рельса в 1,45 раза (до 3,21 кг на метр). Значит, в выборе между HGR15 и HGR20 разница в грузоподъёмности каретки CA составляет 1,56 раза по C0 и 1,84 раза по C, а следующий шаг до HGR25 добавляет меньше.

Расчёт: как типоразмер влияет на ресурс

По каталогу HIWIN номинальный ресурс шариковой направляющей L = (C / P)³ x 50 км, а при динамических нагрузках нагрузку P умножают на коэффициент fw. Пример: на каретку действует нагрузка 2 кН при скорости 15-60 м/мин и небольших ударах, берём fw = 1,5. Для HGH15CA (C = 14,7 кН) ресурс (14,7 / 3)³ x 50 = 5882 км, для HGH20CA (C = 27,1 кН) (27,1 / 3)³ x 50 = 36 857 км. Рост C в 1,84 раза даёт рост ресурса в 6,27 раза, потому что ресурс зависит от куба отношения C к P. Для статической нагрузки по формуле fSL = C0 / P коэффициент запаса при P = 2 кН равен 11,7 у HGH15CA и 18,3 у HGH20CA, при этом каталог требует минимум 1,0-3,0 при нормальной нагрузке и 3,0-5,0 при ударах и вибрации.

Каретки для рельсов HG: квадратная HGH или фланцевая HGW

В каталоге HIWIN каретки HGH называют высокими по монтажной высоте, а HGW и HGL низкими. Рельс у них один, дорожки качения общие, различаются корпус, крепёж и габариты. Длина корпуса в одном типоразмере у HGH и HGW одинакова: 61,4 мм у 15, 77,5 мм у 20 и 84 мм у 25.

В типоразмере 20 высота у обеих одинакова, 30 мм, у типоразмеров 15 и 25 фланцевая каретка ниже квадратной на 4 мм. Фланцевая шире: у 20 разница 19 мм (63 против 44 мм), и стол крепится по более широкой базе, в том числе снизу. Квадратная узкая и подходит там, где места по ширине мало. Паспортные значения грузоподъёмности и допустимых моментов в каталоге у HGH и HGW одного типоразмера и длины одинаковы, так что выбор определяют габариты, высота оси и способ крепления стола, а не нагрузка.

Стандартная CA и удлинённая HA каретка

Буква H вместо C означает сверхтяжёлую нагрузку: корпус длиннее, в нём больше шариков под нагрузкой. В типоразмере 15 удлинённой каретки нет, в типоразмерах 20 и 25 она есть.

Удлинение корпуса на 14,7 мм у типоразмера 20 (на 19%) повышает C0 на 31%, MR на 30% и MP на 71%. У типоразмера 25 корпус длиннее на 20,6 мм (на 24,5%), C0 растёт на 31%, MR на 33%, MP на 49%. Больше всего растёт момент MP, потому что в длинном корпусе база, на которой каретка держит наклон, больше. Удлинённую каретку ставят, когда на рельсе не хватает места для двух стандартных. Отверстия крепления у HA стоят дальше друг от друга: у HGH20HA C = 50 мм против 36 мм у HGH20CA, поэтому стол размечают под выбранную каретку.

Направления нагрузки и моменты

Каретка HG воспринимает нагрузку в трёх направлениях: радиальную (на каретку сверху вниз), обратную радиальную (вверх) и боковую, и в каждом направлении грузоподъёмность по каталогу одинакова. Кроме сил, на каретку действуют три момента: MR вращает её вокруг оси рельса, MP наклоняет вперёд и назад вдоль рельса, MY поворачивает в плоскости основания. Допустимые статические моменты приведены в таблице выше.

Пример: боковая сила резания 100 Н на плече 200 мм над рельсом даёт момент 20 Н·м, то есть 0,02 кН·м. Допустимый MR у каретки HGH20CA 0,27 кН·м, запас по формуле fSM = M0 / M равен 13,5. Если момент делят две каретки на одном рельсе, нагрузка на каждую меньше, потому что расстояние между каретками работает как плечо.

Схема оси

Типовая схема оси станка два рельса и по две каретки на каждом. По каталогу HIWIN направляющая воспринимает нагрузку сверху вниз, снизу вверх и справа налево, а положение монтажа выбирают по требованиям машины и направлению нагрузки. Для оси Z со шпинделем нагрузкой на каретки становится вес шпинделя и сила резания на плече, поэтому проверяют моменты MR и MP, а не только вертикальную силу.

Класс точности рельса и каретки

У серии HG пять классов: C нормальный, H высокий, P прецизионный, SP сверхпрецизионный и UP ультрапрецизионный. Класс задаёт допуски высоты и ширины каретки относительно рельса и ходовую параллельность: отклонение поверхности каретки от базовой поверхности рельса при проходе по всей длине. Допуск высоты H для типоразмеров 15 и 20 равен ±0,1 мм у класса C и ±0,03 мм у класса H. Каталог HIWIN предлагает выбирать класс по точности самого оборудования.

Ходовая параллельность растёт с длиной: у рельса 4000 мм класс C допускает 37 мкм, класс P 21 мкм. У HIWIN есть невзаимозаменяемое исполнение, где рельсы и каретки идут комплектом и доступны все пять классов, и взаимозаменяемое, где детали можно менять между собой, а классы только C, H и P. В карточке рельса HGR20 магазин указывает размеры по каталогу HIWIN и класс точности C (стандартный).

Преднатяг Z0, ZA, ZB

Преднатяг это постоянное поджатие шариков в каретке: шарики больше дорожки, поэтому зазор отрицательный. Он повышает жёсткость, но снижает номинальный ресурс. Каталог HIWIN задаёт три класса в долях базовой динамической нагрузки C:

Для каретки HGH20CA (C = 27,1 кН) это Z0 до 0,54 кН, ZA от 1,36 до 1,90 кН, ZB от 2,71 до 3,25 кН. Радиальная жёсткость HG20C по каталогу 232 Н/мкм при Z0, 460 при ZA и 678 при ZB, поэтому при нагрузке 1000 Н прогиб по формуле δ = P / k равен 4,3, 2,2 и 1,5 мкм. Больший преднатяг требует более точного основания: допуск параллельности рельсов для HG20 падает с 25 мкм при Z0 до 20 мкм при ZA и 18 мкм при ZB (см. раздел о монтаже). Для типоразмеров меньше HG20, то есть для HG15, каталог рекомендует преднатяг не выше ZA, чтобы не сократить ресурс.

У других производителей обозначения иные: у PMI серии MSA преднатяг FC, F0, F1 с диапазонами 0-0,02C, 0,03-0,05C и 0,05-0,08C, то есть F0 не равен ZA. Поэтому каретки сравнивают по числам каталога, а не по буквам.

Длина рельса и стыки

Длина рельса связана с отверстиями формулой L = (n - 1) x P + 2 x E, где n число отверстий, P шаг (60 мм у типоразмеров 15, 20 и 25), E расстояние от центра крайнего отверстия до торца (стандартно 20 мм). Пример: рельс с 17 отверстиями имеет длину (17 - 1) x 60 + 2 x 20 = 1000 мм, с 27 отверстиями 1600 мм, с 67 отверстиями 4000 мм, как у заготовки рельса HGR20. Стандартные длины HG20 и HG25 начинаются с 220 мм, у HG15 с 160 мм. Если нужна нестандартная длина, E оставляют не больше половины шага, то есть 30 мм: длинный свободный конец рельса неустойчив.

Максимальная длина рельса HG 4000 мм. Для более длинной оси рельс собирают из частей. По инструкции HIWIN стыкуют по стрелкам и порядковым номерам на рельсах, а у пары рельсов стыки разносят по длине, чтобы погрешность стыка не оказалась в одном сечении на обоих рельсах.

Монтаж и выверка профильных рельсов

Точность оси определяют не только класс рельса и каретки, но и качество опорных поверхностей: рельс при затяжке болтов прижимается к основанию и повторяет его форму. В каталоге HIWIN сказано, что точность профильного рельса зависит от прямолинейности и ровности опорных поверхностей, а не прижатый к ним рельс может иметь большие отклонения прямолинейности. Каретка компенсирует небольшие неровности самоустановкой, но только в пределах допусков ниже.

Подготовка основания

Основание очищают от грязи (в инструкции HIWIN на этом шаге показан масляный брусок). Рельсы поставляются с антикоррозионным маслом, его удаляют до перемещения кареток. Затем проверяют размеры базовых буртиков и радиусов в углах:

Слишком высокий буртик мешает каретке, а слишком большая галтель ухудшает точность рельса: так сказано в инструкции HIWIN. Допуски на основание под два рельса:

Допустимый перепад высоты пропорционален расстоянию между рельсами. На форуме chipmaker участники обсуждали монтаж на неровную станину: один описывает рельсы на профильной трубе с отклонениями 0,1 мм на 150 мм и до 1 мм на 1000 мм, которые работают, но выдавливают смазку, другой замечает, что основания шлифуют или шабрят именно ради этого. Разница между этими данными и допуском 25 мкм у HG20 показывает, что «работает» и «работает точно и долго по каталогу» разные требования.

Базовая кромка и порядок установки рельса

1. Найти базовую сторону рельса: её указывают стрелки на верхней поверхности, у коротких рельсов стрелка на торце. У невзаимозаменяемых направляющих на рельсе есть метка MA для мастер-рельса: его ставят первым, нечётный номер мастер, чётный подчинённый (001 и 002 идут парой).
2. Уложить рельс на основание и прижать к базовой кромке станины. Вставить болты и проверить, что резьба входит без перекоса.
3. Затянуть прижимные винты по очереди, чтобы рельс плотно лёг на кромку. Без прижимных винтов рельс прижимают к кромке тисками или струбциной, затянув болты временно.
4. Затянуть болты рельса динамометрическим ключом тремя ступенями по порядку от одного конца рельса к другому.
5. Запрессовать заглушки в отверстия резиновым молотком через прокладку (в инструкции медная или металлическая пластина) вровень с рельсом, не выше, заусенцы снять. Заглушки защищают каретку от пыли и сохраняют ресурс и точность.

Момент затяжки

Каталог HIWIN задаёт момент для болтов рельса по материалу основания:

В алюминии момент в 2 раза меньше, чем в стали (4,41 против 8,83 Н·м для M5). Для болтов кареток в сталь: HGH15 M4 3,92 Н·м, HGW15 и HGH20 M5 8,83 Н·м, HGW20 и HGH25 M6 13,73 Н·м, HGW25 M8 30,41 Н·м. Недотяжка, по инструкции HIWIN, сильно снижает точность направляющей.

Выверка второго рельса

Если у второго рельса есть боковая кромка, его ставят так же, как первый. Если кромки нет, второй рельс выставляют параллельно первому одним из способов из инструкции HIWIN:

1. Поставить линейку между рельсами параллельно базовой стороне первого рельса, измеряя индикатором часового типа. Вдоль линейки выставить второй рельс, затем затянуть болты по порядку от одного конца к другому.
2. Закрепить на столе две каретки первого рельса. Второй рельс и одну его каретку временно закрепить на основании и на столе. Индикатор на столе привести в контакт с боковой стороной каретки второго рельса и провести стол от одного конца к другому, подгоняя рельс по показаниям, после чего затянуть болты по порядку.
3. Если у первого рельса нет боковой кромки, используют временную базу: две каретки закрепляют вплотную мерной планкой, по базовой плоскости на станине выставляют прямолинейность рельса от одного конца к другому, двигают каретки и затягивают болты по порядку. Прямолинейность боковой базы рельса можно проверить и линейкой с индикатором.

Установка кареток и стола

Стол осторожно кладут на каретки и вручную поджимают болты. Каретки прижимают к базовой кромке стола винтами, затем болты затягивают равномерно по очереди, на мастер-стороне и на подчинённой, динамометрическим ключом по моменту из таблицы. Каретку не снимают с рельса без монтажной вставки: после снятия шарики могут выпасть, хотя каретка HG имеет удерживатель, который помогает им оставаться в корпусе.

Если на оси действуют сильные вибрации, удары или боковые силы, каталог HIWIN рекомендует крепить рельс с упорными кромками и прижимами с обеих сторон, чтобы рельсы и каретки не сместились.

Смазка и защита от пыли

Смазку подают через маслёнку на торце каретки, а для подачи масла к кареткам в каталоге есть ручные насосы, распределители и трубки: система смазки для ЧПУ. Каталог HIWIN: проверять смазку каждые 100 км пробега или раз в 3-6 месяцев. Объём консистентной смазки на заполнение каретки:

Масло вместо смазки допускается: каталог рекомендует вязкость 30-150 сСт и подачу через штуцер для масляной системы. Защита от пыли: стандартные торцевые и нижние уплотнения, вариант ZZ добавляет скребок, DD двойные уплотнения, KK двойные уплотнения и скребок. Для деревообработки и обработки стекла и камня HIWIN предлагает усиленные уплотнения SW и ZW, которые повышают сопротивление ходу на 14,7-39,2 Н. Максимальное сопротивление одного торцевого уплотнения у HG20 равно 2,75 Н. Исполнение уплотнений конкретной каретки проверяют по полученному изделию.

Типичные ошибки при монтаже

Оригинал HIWIN и аналоги: что сверять по размерам

Все числа в статье взяты из каталога HIWIN. В карточках магазина рельс HGR20 и каретки HGH20CA, HGW20CC названы аналогом HIWIN, размеры рельса указаны по каталогу HIWIN с классом точности C (стандартный), а размеры каретки по чертежу совпадают с каталогом HIWIN. Больше этого карточки не утверждают, поэтому и здесь нет заявлений о взаимозаменяемости с конкретной оригинальной моделью HIWIN, другого производителя или другой партии.

Перед проектированием стола и основания сверяют по каталогу и по полученному изделию те размеры, от которых зависит посадка: у рельса ширину, высоту, шаг и диаметр отверстий и болт крепления, у каретки высоту H, ширину W, схему отверстий B x C и резьбу крепления, а также наличие маслёнки и тип уплотнений. Коды преднатяга и класса точности сравнивают по числам каталога, а не по буквам: у PMI, например, F0 не равен ZA.

Правильный выбор рельса и каретки сводится к расчёту нагрузки и моментов по каталогу, к преднатягу, который под силу основанию, и к аккуратному монтажу по базовой кромке с динамометрическим ключом. Привод оси выбирают отдельно: расчёт ремня, ШВП и рейки на одной оси разобран в статье «выбор привода оси: ремень, ШВП или рейка».