Немного истории

 

Направляющие с шариковыми или роликовыми каретками давно стали стандартом для машиностроения, а их прецизионные исполнения, в том  числе сверхпрецизионные и ультрапрецизионные, широко востребованы в мире для изготовления метрологических машин, установок для производства чипов, высокоточных станков и научного оборудования.

Особенностью российского рынка применения прецизионных направляющих является то, что этот рынок крайне узок, и такое производство в нашей стране отсутствует. Следствием этого положения является то, что подобные комплектующие являются заказной позицией с долгим сроком поставки.

В настоящее время в связи с санкционным давлением ситуация значительно ухудшилась. Предложение сократилось до буквально нескольких производителей, которые при этом зачастую не относятся к лидерам рынка по качеству. Но даже то предложение, что есть, в части ультрапрецизионных решений имеет сроки поставки, соизмеримые с годом. При этом можно столкнуться с ситуацией, когда после условного года ожидания вы получаете дефектные комплектующие и не имеете возможности это исправить, т. к. необходимо будет ждать еще год.

В такой реальности разработка новой качественной продукции крайне осложнена, а эксплуатирующееся оборудование находится под угрозой длительного простоя из-за ожидания комплектующих для ремонта.

Вместе с тем использование направляющих с шариковыми или роликовыми каретками, как многим, вероятно, известно, не единственный вариант для прецизионного машиностроения. В 1961 г. IBM применила технологию аэростатических подшипников в шпинделях больших жестких дисков, а уже в 1965 г. появляется первая координатно-­измерительная машина (КИМ) CheckMate на аэростатических подшипниках (рис. 1).

 

Рис. 1. Координатно-­измерительная машина на аэростатических подшипниках
 

 

С этого времени использование аэростатических подшипников прочно внедрилось в определенные типы машин, где они исторически получили преимущества. Сегодня аэростатические подшипники применяются в ограниченном ряде эксклюзивных высокоточных машин. Причина такого положения, как это часто бывает на рынке, в тотальном распространении доминирующей технологии, в нашем случае — направляющих с шариковыми или роликовыми каретками, создает препятствие развитию использования альтернативного и, возможно, не менее, а может быть в некоторых областях и даже более перспективного продукта — аэростатических подшипников.

 

Уникальность ситуации в России состоит в том, что этот скрытый потенциал аэростатических подшипников можно реализовать в условиях сложных внешних поставок направляющих с шариковыми или роликовыми каретками. Более того, глубокая локализация производства аэростатических подшипников в России позволяет обеспечить настоящий технологический суверенитет для создающихся вновь в России производств чипов и других высокотехнологичных отраслей. Все, начиная от производства сырья и заканчивая проектированием и производством самих подшипников ООО «Ганс», осуществляется в России (рис. 2).

 

Рис. 2. Аэростатические подшипники разработки и производства ООО «Ганс»

 

 

Немного о принципах работы аэростатических подшипников

 

В аэростатических подшипниках воздух выдувается в пространство между основанием и подшипником через одно или несколько отверстий или через пористый материал, например, графит (рис. 3).

 

Рис. 3. Типовая конструкция аэростатических подшипников

 

Уникальное преимущество аэростатических подшипников перед направляющими — это беспрецедентная точность и плавность хода. Это связано с тем, что, в отличие, от шариковых и роликовых кареток, аэростатический подшипник не обкатывает неровности, а летит над ними и практически не воспринимает локальные отклонения (рис. 4).

 

Рис. 4. Пояснение преимуществ аэростатических подшипников

 

Попробуем развеять возможные сомнения читателей в эффективности аэростатических подшипников

 

 

Миф № 1. Большой расход воздуха

 

При первом знакомстве с технологией аэростатических подшипников можно предположить, что для их функционирования требуется большой расход воздуха. На самом деле подшипники весьма экономичны. Так, подшипнику с диаметром 50 мм требуется в среднем всего порядка 1–1,5 литра воздуха в минуту. Для сравнения: обычному пневмоцилиндру диаметром 32 мм и ходом 100 мм при отнюдь не интенсивных 10 циклах в минуту движения туда-обратно требуется 10–11 литров воздуха в минуту. Учитывая, что аэростатический подшипник выполняет важнейшую функцию в машине и при этом кардинально сокращает затраты на трение и износ, — требуемый расход более чем приемлем.

Конечно, для питания аэростатических подшипников необходима подготовка воздуха более высокого качества. Кроме обычного фильтра на 5 мкм необходим дополнительный субмикронный фильтр 0,01 мкм и мембранный осушитель с точкой росы – 20 °C. Это не экзотика и в прецизионных машинах, медицинском и различном пищевом оборудовании является стандартом. И при необходимости ООО «Ганс» подберет и поставит комплекты подготовки воздуха для вас.

 

 

Миф № 2. Малая жесткость

 

Попробуем сравнить жесткости на реальных примерах. Для сравнения возьмем шариковую каретку Hiwin серии QH широко распространенного типоразмера 20 мм тяжелой серии (C) с средним преднатягом (ZA). Жесткость каретки составляет 290 Н/мкм, а габариты (ширина × длина × высота) — 44×76,7×30 мм. Близкий по жесткости аэродинамический подшипник габаритами (ширина × длина ×  высота) 75×150×50 мм имеет жесткость 324 Н/мкм. 
Таким образом, в типоразмере шариковой каретки 20 мм габариты аэростатического подшипника той же жесткости примерно в два раза больше.

Необходимо отметить, что аэростатические подшипники ограничивают перемещение только по одному направлению, в отличие от классических направляющих с шариковыми или роликовыми каретками. Вместе с тем, в отличие от направляющих с шариковыми или роликовыми каретками, существует возможность превращать сами силовые элементы конструкции в аэростатические подшипники (встраивать), что позволяет делать машины достаточно элегантными и при этом очень жесткими.

Широко и успешно используются решения, где вместо дополнительного подшипника для исключения движения в противоположную сторону используются преднатяг весом, магнитной силой или вакуумом.

По нашему опыту, отличие аэростатических подшипников от шариковых кареток скорее можно считать особенностями, которые накладывают свой отпечаток на компоновку и при правильном проектировании не создают проблем, и даже дают свои плюсы, такие как отсутствие необходимости в организации смазки и практически неограниченный ресурс.

Конечно, аэростатические подшипники не могут повсеместно заменить шариковые каретки с рельсовыми направляющими, но вы сможете сделать свою машину более локализованной, а может быть, и более совершенной в тех местах, где такая замена возможна.

Более того, быть может, вы окажетесь первооткрывателем в ­каких-то новых и оригинальных использованиях аэростатических подшипников, как, например, сделал в своей машине немецкий производитель высокоточного оборудования, который использовал их для поддержки энергоцепей (рис. 5).

 

Рис. 5. Использование аэростатических подшипников для поддержания энергоцепей

 

ООО «Ганс» непрерывно изучает особенности проектирования машин с аэростатическими пятками и, если необходимо, мы можем спроектировать и произвести машину по техническому заданию заказчика (рис. 6).

 

Рис. 6. Пример прецизионного фрезерного станка с компьютерным зрением и панелью оператора, разработанный и произведенный ООО «Ганс» под заказ

 

 

Миф № 3. Аэростатический подшипник легко повредить

 

ООО «Ганс» производит аэростатические подшипники из пористого материала, а именно — графита. Графит имеет твердость по шкале Мооса всего 1 из 10 возможных и, конечно, считается мягким. Но на самом деле такое решение является плюсом для живучести машины.
В случае аварии, если подшипники двигаются по направляющей без воздуха или зазор по ­каким-то причинам сократился до нуля, это не наносит вреда направляющей поверхности, а за счет того, что графит как бы сам смазывает себя, то, по нашим наблюдениям, подшипник страдает незначительно.

Необходимо отметить полезную особенность аэростатического подшипника. При нагружении его больше нормы воздушный зазор уменьшается и одновременно значительно возрастает его жесткость, что препятствует дальнейшему уменьшению зазора.

За время наших наладок было множество ударных и значительных вибрационных воздействий на аэростатические подшипники, и они с честью справлялись с этим.

В Телеграм-канале ООО «Ганс» (https://t.me/hans_just_precision_technologies) представлен эксперимент, в котором поверхность нашего подшипника пропиливается и он все равно продолжает работать дальше (рис. 7).

 

Рис. 7. Даже после пропиливания аэростатический подшипник сохраняет свою работоспособность

 

 

Если говорить об абразивной пыли на направляющей поверхности, то зазор между подшипником всего 5 мкм, и из него постоянно выходит воздух, который расчищает путь перед собой.

Но даже если подшипник будет поврежден, вы сможете оперативно заменить его у нас в ООО «Ганс» на новый, ведь все производство располагается в России и используются российские материалы.

Также использование в станке защитной гофры или телескопической защиты позволит значительно снизить вероятность повреждения.

 

 

Миф № 4. Направляющие для аэростатических подшипников необходимо делать из гранита, и это ограничивает возможности

 

Действительно, гранит (габбро-­диабаз) как направляющая хорошо сочетается в применении с аэростатическими подшипниками. Модуль упругости (фактически это показатель жесткости) и плотность габбро-­диабаза, как ни удивительно, близки к показателям алюминия, а алюминий повсеместно применяется в аэрокосмической технике именно из-за этого выгодного сочетания, которое позволяет сделать конструкцию жестче при меньшем весе.

Конечно, есть у габбро-­диабаза и некоторые свой­ства, такие как хрупкость и плохое сопротивление растяжению, которые не позволяют ему быть авиационным материалом, но в производстве высокоточных станков эти свой­ства не так важны.
Габбро-­диабаз имеет хорошую температурную стабильность размеров. Коэффициент его теплового расширения составляет всего 6 мкм/°C.

Все вышесказанное делает габбро-­диабаз эффективным для конструкций с динамичным и/или точным перемещением. Поэтому ООО «Ганс» наладило поставки для своего производства деталей из габбро-­диабаза и освоило технологии их прецизионной доводки.

Чугун не нашел широкого применения в конструкциях с аэростатическими подшипниками. Он, в отличие от габбро-­диабаза, имеет менее выгодное сочетание характеристик жесткость — ­масса (хотя литье позволяет частично конструктивно компенсировать это) и к тому же в отсутствии смазки ржавеет. При этом смазка для аэростатических подшипников вредна.

Вместо чугуна в качестве материала направляющей с успехом используются нержавеющие сплавы. Однако, как и у чугуна, у стали характеристики жесткость-­масса хуже, чем у габбро-­диабаза. Также коэффициент линейного расширения у некоторых наиболее доступных нержавеющих сплавов значительно выше, а твердость — ниже. Конечно, есть и плюсы, состоящие в гораздо меньшей хрупкости по сравнению с габбро-­диабазом и возможности делать более изящные конструкции.

Как ни удивительно, но для конструкций с аэростатическими подшипниками можно использовать обыкновенный алюминиевый сплав. Достаточно просто сделать твердое анодирование. Да, алюминий имеет высокий коэффициент температурного расширения — 22 мкм/°C, но это не влияет на точность, если определение координат происходит по стеклянной оптической шкале внутри корпусного линейного энкодера. Более того, энкодер тоже изготовлен из алюминиевого сплава, что сводит к минимуму ошибки от разности теплового расширения конструкции и энкодера. Интересно, что высочайшая теплопроводность алюминия позволяет конструкции быстро выходить на установившийся температурный режим и иметь очень однородное распределение поля температур по конструкции. Описанные качества позволяют быстро начать работу и минимизировать температурные деформации конструкции из-за неравномерности прогрева.

В противоположность алюминию очень низкий коэффициент теплопроводности гранита приводит к тому, что он может прогреваться практически 8 часов, т. е., по сути, всю рабочую смену, и все это время конструкция будет непрерывно деформироваться. Получается, когда смена закончится, он выйдет на стабильное состояние, но работа окончена, и деформация пойдет обратно.

Использование алюминия позволяет сделать использование аэростатических подшипников доступным практически всем машиностроителям, и ООО «Ганс» в своих машинах наряду с габбро-­диабазом использует элементы из алюминия и имеет перспективные проекты производства компактных машин полностью из алюминия.

 

 

Заключение

 

Современное проектирование и производство высокоточного оборудования опирается на мультидисциплинарный анализ и экспериментальные работы, без которых невозможно получить характеристики, соответствующие лучшим мировым образцам. ООО «Ганс» непрерывно совершенствует свои рабочие процессы и технологии. И мы рады сотрудничеству с машиностроителями России для создания нового уровня отечественных технологий и качества.

 

ООО «Ганс»
111024, г. Москва, Авиамоторная ул., д. 55, к. 1
+7 (495) 147‑60‑44, belavskiy_s@hansmill.ru

 

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 5-2025