Профільні рейки HGR15 чи HGR20 і каретки HGH чи HGW: як обрати, змонтувати та виставити

Профільні рейки серії HG ставлять на осі верстатів ЧПУ: рейку позначають HGR, каретку HGH або HGW. Два найпоширеніші питання під час вибору: чим відрізняються каретки HGH і HGW і що взяти, HGR15 чи HGR20. Від типорозміру 15, 20 або 25, форми і довжини каретки, класу точності і попереднього натягу залежать жорсткість і ресурс осі, а від монтажу залежить, чи отримає верстат ту точність, яку обіцяє каталог. Нижче розібрано маркування з повним кодом каретки, розміри, навантаження і моменти, клас точності, попередній натяг, довжину рейки, мастило, а окремим розділом порядок монтажу і вивіряння рейок з допусками, моментами затягування і типовими помилками. Числа взято з каталогу HIWIN серії HG (G99TE24-2410) та інструкції HIWIN з монтажу, у інших виробників позначення і допуски відрізняються.

Товар зі статті

Профільна рейка HGR20, 4000 мм (аналог HIWIN)

Профільні рейки і круглі вали на опорі

Профільна рейка точніша і жорсткіша за круглі вали на опорі SBR та тримає більше навантаження: у каретці серії HG чотири ряди кульок, доріжки мають дугоподібний профіль, а кульки торкаються їх під кутом 45°, тому за каталогом HIWIN вантажопідйомність униз, угору і вбік однакова. Загальне порівняння круглих валів і профільних рейок є в статті «питання під час вибору фрезерного верстата з ЧПУ», а тут мова лише про рейки серії HG.

Як читати маркування профільних рейок і кареток HG

Назва моделі в каталозі HIWIN складається із серії, форми каретки, типорозміру, класу навантаження і способу кріплення, після чого додають код попереднього натягу і класу точності. Розшифрування частин:

Повний код каретки: HGH20CAZAH і HGH20CAZAC

В оголошеннях і підказках пошуку код пишуть злитно: HGH20CAZAH, HGH20CAZAC, HGW20CCZAH. Такий код читається за схемою каталогу HIWIN зліва направо, і остання літера належить до класу точності, а не до навантаження:

Для фланцевої каретки схема та сама: у HGW20CCZAH літери CC означають важке навантаження і кріплення зверху або знизу. У повній назві замовної моделі каталог HIWIN додає й інші частини: кількість кареток на рейці, виконання рейки, кількість рейок у комплекті, захист від пилу. Наприклад, HGW25CAE2R1600EZAPMII+DD/E2+RC у каталозі означає фланцеву каретку типорозміру 25, нестандартний корпус, дві каретки на рейці, нестандартну рейку завдовжки 1600 мм з кріпленням зверху, клас P, попередній натяг ZA, нержавіючу сталь, комплект із двох рейок, подвійні ущільнення, самозмащування і посилені заглушки. У картках магазину вказано короткий код каретки, наприклад HGH20CA і HGW20CC, а коду попереднього натягу і класу точності в ньому немає, тому їх за потреби уточнюють окремо.

Типорозмір 15, 20 чи 25: яку рейку ставити на верстат ЧПУ

Типорозмір визначає ширину і висоту рейки, діаметр болтів, розміри каретки та її вантажопідйомність. Цифра в позначенні це розмірний ряд: у HGR15 ширина рейки 15 мм, у HGR20 20 мм, у HGR25 23 мм. Крок отворів у всіх трьох 60 мм, відстань від торця до першого отвору 20 мм. Каталог HIWIN не прив’язує типорозмір до розміру верстата: його обирають розрахунком навантаження і моментів на каретки (приклад нижче) та за розмірами вузла, а для осі з гвинтом ШВП каталог пропонує брати типорозмір за діаметром гвинта: при гвинті 35 мм у його прикладі обрано HG35. Дані для каретки CA стандартної довжини (HGH, кріплення зверху):

C це базова динамічна вантажопідйомність, C0 статична. Перехід з HG15 на HG20 підвищує C0 каретки CA в 1,56 раза (з 23,47 до 36,68 кН), маса рейки зростає в 1,52 раза (з 1,45 до 2,21 кг на метр). Перехід з HG20 на HG25 дає зростання C0 в 1,44 раза (до 52,82 кН) при зростанні маси рейки в 1,45 раза (до 3,21 кг на метр). Отже, під час вибору між HGR15 і HGR20 різниця у вантажопідйомності каретки CA становить 1,56 раза за C0 і 1,84 раза за C, а наступний крок до HGR25 додає менше.

Розрахунок: як типорозмір впливає на ресурс

За каталогом HIWIN номінальний ресурс кулькової направляючої L = (C / P)³ x 50 км, а при динамічних навантаженнях навантаження P множать на коефіцієнт fw. Приклад: на каретку діє навантаження 2 кН при швидкості 15-60 м/хв і невеликих ударах, беремо 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. Зростання C в 1,84 раза дає зростання ресурсу в 6,27 раза, бо ресурс залежить від куба відношення C до P. Для статичного навантаження за формулою fSL = C0 / P коефіцієнт запасу при P = 2 кН дорівнює 11,7 у HGH15CA і 18,3 у HGH20CA, при цьому каталог вимагає мінімум 1,0-3,0 при нормальному навантаженні і 3,0-5,0 при ударах і вібрації.

Каретки для рейок HG: квадратна HGH чи фланцева HGW

У каталозі HIWIN каретки HGH називають високими за монтажною висотою, а HGW і HGL низькими. Рейка в них одна, доріжки кочення спільні, відрізняються корпус, кріплення і габарити. Довжина корпусу в одному типорозмірі у HGH і HGW однакова: 61,4 мм у 15, 77,5 мм у 20 і 84 мм у 25.

У типорозмірі 20 висота в обох однакова, 30 мм, у типорозмірах 15 і 25 фланцева каретка нижча за квадратну на 4 мм. Фланцева ширша: у 20 різниця 19 мм (63 проти 44 мм), і стіл кріпиться по ширшій базі, зокрема знизу. Квадратна вужча і підходить там, де місця по ширині мало. Паспортні значення вантажопідйомності й допустимих моментів у каталозі в HGH і HGW одного типорозміру та довжини однакові, тож вибір визначають габарити, висота осі і спосіб кріплення столу, а не навантаження.

Стандартна CA і подовжена HA каретка

Літера H замість C означає надважке навантаження: корпус довший, у ньому більше кульок під навантаженням. У типорозмірі 15 подовженої каретки немає, у типорозмірах 20 і 25 вона є.

Подовження корпусу на 14,7 мм у типорозмірі 20 (на 19%) підвищує C0 на 31%, MR на 30% і MP на 71%. У типорозмірі 25 корпус довший на 20,6 мм (на 24,5%), C0 зростає на 31%, MR на 33%, MP на 49%. Найбільше зростає момент MP, бо в довгому корпусі база, на якій каретка тримає нахил, більша. Подовжену каретку ставлять, коли на рейці не вистачає місця для двох стандартних. Отвори кріплення в HA стоять далі один від одного: у HGH20HA C = 50 мм проти 36 мм у HGH20CA, тому стіл розмічають під вибрану каретку.

Напрями навантаження і моменти

Каретка HG сприймає навантаження в трьох напрямах: радіальне (на каретку зверху вниз), зворотне радіальне (угору) і бокове, і в кожному напрямі вантажопідйомність за каталогом однакова. Крім сил, на каретку діють три моменти: MR обертає її навколо осі рейки, MP нахиляє вперед і назад уздовж рейки, MY повертає в площині основи. Допустимі статичні моменти наведено в таблиці вище.

Приклад: бокова сила різання 100 Н на плечі 200 мм над рейкою дає момент 20 Н·м, тобто 0,02 кН·м. Допустимий MR каретки HGH20CA становить 0,27 кН·м, запас за формулою fSM = M0 / M дорівнює 13,5. Якщо момент ділять дві каретки на одній рейці, навантаження на кожну менше, бо відстань між каретками працює як плече.

Схема осі

Типова схема осі верстата це дві рейки і по дві каретки на кожній. За каталогом HIWIN направляюча сприймає навантаження зверху вниз, знизу вгору і справа ліворуч, а положення монтажу обирають за вимогами машини і напрямом навантаження. Для осі Z зі шпинделем навантаженням на каретки стає вага шпинделя і сила різання на плечі, тому перевіряють моменти MR і MP, а не лише вертикальну силу.

Клас точності рейки і каретки

У серії HG п’ять класів: C нормальний, H високий, P прецизійний, SP надпрецизійний і UP ультрапрецизійний. Клас задає допуски висоти і ширини каретки відносно рейки та ходову паралельність: відхилення поверхні каретки від базової поверхні рейки під час проходу по всій довжині. Допуск висоти H для типорозмірів 15 і 20 дорівнює ±0,1 мм у класі C і ±0,03 мм у класі H. Каталог HIWIN пропонує обирати клас за точністю самого обладнання.

Ходова паралельність зростає з довжиною: у рейки 4000 мм клас C допускає 37 мкм, клас P 21 мкм. У HIWIN є невзаємозамінне виконання, де рейки і каретки йдуть комплектом і доступні всі п’ять класів, та взаємозамінне, де деталі можна міняти між собою, а класи лише C, H і P. У картці рейки HGR20 магазин вказує розміри за каталогом HIWIN і клас точності C (стандартний).

Попередній натяг Z0, ZA, ZB

Попередній натяг це постійне підтискання кульок у каретці: кульки більші за доріжку, тому зазор від’ємний. Він підвищує жорсткість, але знижує номінальний ресурс. Каталог HIWIN задає три класи в частках базового динамічного навантаження C:

Для каретки HGH20CA (C = 27,1 кН) це Z0 до 0,54 кН, ZA від 1,36 до 1,90 кН, ZB від 2,71 до 3,25 кН. Радіальна жорсткість HG20C за каталогом 232 Н/мкм при Z0, 460 при ZA і 678 при ZB, тому при навантаженні 1000 Н прогин за формулою δ = P / k дорівнює 4,3, 2,2 і 1,5 мкм. Більший попередній натяг потребує точнішої основи: допуск паралельності рейок для HG20 падає з 25 мкм при Z0 до 20 мкм при ZA і 18 мкм при ZB (див. розділ про монтаж). Для типорозмірів менших за HG20, тобто для HG15, каталог рекомендує попередній натяг не вище ZA, щоб не скоротити ресурс.

У інших виробників позначення інші: у PMI серії MSA попередній натяг FC, F0, F1 з діапазонами 0-0,02C, 0,03-0,05C і 0,05-0,08C, тобто F0 не дорівнює ZA. Тому каретки порівнюють за числами каталогу, а не за літерами.

Довжина рейки і стики

Довжина рейки пов’язана з отворами формулою L = (n - 1) x P + 2 x E, де n кількість отворів, P крок (60 мм для типорозмірів 15, 20 і 25), E відстань від центра крайнього отвору до торця (стандартно 20 мм). Приклад: рейка з 17 отворами має довжину (17 - 1) x 60 + 2 x 20 = 1000 мм, з 27 отворами 1600 мм, з 67 отворами 4000 мм, як у заготовки рейки HGR20. Стандартні довжини HG20 і HG25 починаються з 220 мм, у HG15 з 160 мм. Якщо потрібна нестандартна довжина, E залишають не більше половини кроку, тобто 30 мм: довгий вільний кінець рейки нестійкий.

Максимальна довжина рейки HG становить 4000 мм. Для довшої осі рейку збирають із частин. За інструкцією HIWIN стикують за стрілками і порядковими номерами на рейках, а в пари рейок стики розносять по довжині, щоб похибка стику не опинилася в одному перерізі на обох рейках.

Монтаж і вивіряння профільних рейок

Точність осі визначають не лише клас рейки і каретки, а й якість опорних поверхонь: рейка під час затягування болтів притискається до основи і повторює її форму. У каталозі HIWIN сказано, що точність профільної рейки залежить від прямолінійності й рівності опорних поверхонь, а не притиснута до них рейка може мати більші відхилення прямолінійності. Каретка компенсує невеликі нерівності самовстановленням, але лише в межах допусків, наведених нижче.

Підготовка основи

Основу очищають від бруду (в інструкції HIWIN на цьому кроці показано масляний брусок). Рейки постачаються з антикорозійним маслом, його видаляють до переміщення кареток. Потім перевіряють розміри базових буртиків і радіусів у кутах:

Занадто високий буртик заважає каретці, а занадто велика галтель погіршує точність рейки: так сказано в інструкції HIWIN. Допуски на основу під дві рейки:

Допустимий перепад висоти пропорційний відстані між рейками. На форумі chipmaker учасники обговорювали монтаж на нерівну станину: один описує рейки на профільній трубі з відхиленнями 0,1 мм на 150 мм і до 1 мм на 1000 мм, які працюють, але видавлюють мастило, інший зауважує, що основи шліфують або шабрять саме заради цього. Різниця між цими даними і допуском 25 мкм у HG20 показує, що «працює» і «працює точно і довго за каталогом» це різні вимоги.

Базова кромка і порядок встановлення рейки

1. Знайти базову сторону рейки: її вказують стрілки на верхній поверхні, у коротких рейок стрілка на торці. У невзаємозамінних направляючих на рейці є мітка MA для мастер-рейки: її ставлять першою, непарний номер мастер, парний підпорядкований (001 і 002 йдуть парою).
2. Покласти рейку на основу і притиснути до базової кромки станини. Вставити болти й перевірити, що різьба входить без перекосу.
3. Затягнути притискні гвинти по черзі, щоб рейка щільно лягла на кромку. Без притискних гвинтів рейку притискають до кромки лещатами або струбциною, затягнувши болти тимчасово.
4. Затягнути болти рейки динамометричним ключем трьома ступенями по порядку від одного кінця рейки до другого.
5. Запресувати заглушки в отвори гумовим молотком через прокладку (в інструкції мідна або металева пластина) врівень з рейкою, не вище, задирки зняти. Заглушки захищають каретку від пилу і зберігають ресурс і точність.

Момент затягування

Каталог HIWIN задає момент для болтів рейки за матеріалом основи:

В алюмінії момент у 2 рази менший, ніж у сталі (4,41 проти 8,83 Н·м для M5). Для болтів кареток у сталь: HGH15 M4 3,92 Н·м, HGW15 і HGH20 M5 8,83 Н·м, HGW20 і HGH25 M6 13,73 Н·м, HGW25 M8 30,41 Н·м. Недостатнє затягування, за інструкцією HIWIN, сильно знижує точність направляючої.

Вивіряння другої рейки

Якщо в другої рейки є бокова кромка, її ставлять так само, як першу. Якщо кромки немає, другу рейку виставляють паралельно першій одним зі способів з інструкції HIWIN:

1. Поставити лінійку між рейками паралельно базовій стороні першої рейки, вимірюючи індикатором годинникового типу. Вздовж лінійки виставити другу рейку, потім затягнути болти по порядку від одного кінця до другого.
2. Закріпити на столі дві каретки першої рейки. Другу рейку і одну її каретку тимчасово закріпити на основі й на столі. Індикатор на столі привести в контакт з боковою стороною каретки другої рейки і провести стіл від одного кінця до другого, підганяючи рейку за показаннями, після чого затягнути болти по порядку.
3. Якщо в першої рейки немає бокової кромки, використовують тимчасову базу: дві каретки закріплюють упритул мірною планкою, за базовою площиною на станині виставляють прямолінійність рейки від одного кінця до другого, рухають каретки і затягують болти по порядку. Прямолінійність бокової бази рейки можна перевірити і лінійкою з індикатором.

Встановлення кареток і столу

Стіл обережно кладуть на каретки і вручну підтискають болти. Каретки притискають до базової кромки столу гвинтами, потім болти затягують рівномірно по черзі, на мастер-стороні і на підпорядкованій, динамометричним ключем за моментом із таблиці. Каретку не знімають з рейки без монтажної вставки: після зняття кульки можуть випасти, хоча каретка HG має утримувач, який допомагає їм залишатися в корпусі.

Якщо на осі діють сильні вібрації, удари або бокові сили, каталог HIWIN рекомендує кріпити рейку з опорними кромками і притисками з обох боків, щоб рейки і каретки не змістилися.

Мастило і захист від пилу

Мастило подають через маслянку на торці каретки, а для подачі масла до кареток у каталозі є ручні насоси, розподільники і трубки: система змащення для ЧПУ. Каталог HIWIN: перевіряти мастило кожні 100 км пробігу або раз на 3-6 місяців. Обсяг консистентного мастила на заповнення каретки:

Масло замість мастила допускається: каталог рекомендує в’язкість 30-150 сСт і подачу через штуцер для масляної системи. Захист від пилу: стандартні торцеві та нижні ущільнення, варіант ZZ додає скребок, DD подвійні ущільнення, KK подвійні ущільнення і скребок. Для деревообробки та обробки скла і каменю HIWIN пропонує посилені ущільнення SW і ZW, які підвищують опір ходу на 14,7-39,2 Н. Максимальний опір одного торцевого ущільнення в HG20 дорівнює 2,75 Н. Виконання ущільнень конкретної каретки перевіряють за отриманим виробом.

Типові помилки під час монтажу

Оригінал HIWIN і аналоги: що звіряти за розмірами

Усі числа в статті взято з каталогу HIWIN. У картках магазину рейка HGR20 і каретки HGH20CA, HGW20CC названо аналогом HIWIN, розміри рейки вказано за каталогом HIWIN з класом точності C (стандартний), а розміри каретки за кресленням збігаються з каталогом HIWIN. Більше за це картки не стверджують, тому й тут немає заяв про взаємозамінність з конкретною оригінальною моделлю HIWIN, іншого виробника чи іншої партії.

Перед проєктуванням столу і основи звіряють за каталогом і за отриманим виробом ті розміри, від яких залежить посадка: у рейки ширину, висоту, крок і діаметр отворів та болт кріплення, у каретки висоту H, ширину W, схему отворів B x C і різьбу кріплення, а також наявність маслянки і тип ущільнень. Коди попереднього натягу і класу точності порівнюють за числами каталогу, а не за літерами: у PMI, наприклад, F0 не дорівнює ZA.

Правильний вибір рейки і каретки зводиться до розрахунку навантаження і моментів за каталогом, до попереднього натягу, який під силу основі, і до акуратного монтажу від базової кромки з динамометричним ключем. Привід осі обирають окремо: розрахунок ременя, ШВП і рейки на одній осі розібрано в статті «вибір приводу осі: ремінь, ШВП чи рейка».