В настоящее время линейные направляющие качения представляют собой основной тип направляющих, применяемых в высокоскоростных станках,  а также используемых в обрабатывающих центрах, оснащенных программным управлением.

ЛНК — линейные направляющие качения – изготавливаются как цилиндрическая или призматическая направляющая, по которой посредством фасонных роликов либо роликовых или шариковых тел качения,  циркулирующих в обойме, движутся каретки; образуют суппорт или стол автоматизированного станка.

 Качение или скольжение

ЛНК имеют следующие преимущества, в сравнении с направляющими скольжения:

• меньше потеря на трение, в результате чего – снижение в разы сил негативного сопротивления перемещению;
• высокий уровень точности установочных передвижений;
• высокая допустимая скорость перемещения, а также ускорения (до 100м/с²);
• отсутствие зазоров, жесткость подвижных сопряжений, возможность разработки преднатяга;
• долговечность (увеличенный ресурс).

Линейные направляющие качения обеспечивают передвижение подвижных узлов оборудования с сохранением заданной точности и жесткости, а также  необходимого ресурса.

Существуют и недостатки ЛНК, если сравнивать их с направляющими скольжения: это высокая трудоемкость, завышенная стоимость производства,  повышенный уровень чувствительности к загрязнениям, пониженный уровень демпфирования вдоль направляющих в статичном состоянии.

Классификация

Линейные направляющие качения классифицируются следующим образом:

• исходя из формы направляющих поверхностей (цилиндрические, призматические — направляющие с плоскими гранями);
• исходя из типов тел качения (шариковые, роликовые);
• исходя из способа создания натяга (с преднатягом, создаваемым специальными конструктивными  элементами, без преднатяга, с частичным регулируемым преднатягом, возникающим  в горизонтальном направлении).

Выделяют основные типы унифицированных линейных направляющих качения, производимых ведущими мировыми машиностроительными компаниями:

• цилиндрические ЛНК: охватываются фасонными роликами (как правило, четырьмя), имеют оси, закрепленные в подвижной каретке;
• цилиндрические ЛНК:  охватываются линейными подшипниками качения посредством втулок с циркулирующими в них шариками;
• призматические с циркуляцией шариков: объединены гибким сепаратором;
• призматические с циркуляцией роликов: объединены гибким сепаратором.

Разработкой теоретических основ расчета и проектирования ЛНК, основанных на циркуляции тел качения, занимались в ЭНИМСе в 70-е гг. 20 века: был обобщен опыт отечественного и зарубежного станкостроения.

Однако с внедрением данных прогрессивных разработок советское станкостроение стало отставать от передовых зарубежных машиностроительных компаний – японских, немецких, швейцарских, и отечественные предприятия были вынуждены приобретать эти дорогостоящие элементы у зарубежных фирм.

Разработку и производство ЛНК с циркуляцией роликов или шариков ведет японская компания THK CO. Позднее фирма SBC Lineral CO из Южной Кореи становится крупным азиатским концерном по производству систем и компонентов линейных перемещений. Крупнейшим европейским производителем таких систем считается также немецкая компания Schaeffler KG, которая создала  свои представительства на территории России —  в Москве, а также в Минске, Киеве, Прибалтике и других странах. В нашей стране отдельные элементы таких систем производит Липецкий станкозавод.

Максимально просты по исполнению и менее трудоемки цилиндрические направляющие от Schaeffler KG, оснащенные охватывающими фасонными роликами. Здесь несущая шина, имеющая закрепленные по краям скалки цилиндрической формы, образует направляющую.  По направляющей движется каретка с фасонными роликами. Ролики имеют оси, закрепленные в каретке так, что к направляющим скалкам примыкают их образующие. Поэтому непараллельность скалок допускается не более 0,05 мм по всей длине хода, при этом оси роликов на одной стороне имеют эксцентриситет 0,5–1,0 мм,  дающий возможность при сборке выполнять регулировку величины зазора.

Компанией разработано семь типоразмеров унифицированных направляющих, которые различаются между собой диаметром скалок, конструктивными особенностями несущей шины, а также расстоянием между осями скалок. Различия также в вариантах их крепежа к станине, позволяющих разнести скалки на заданное расстояние.

 ЦНК

ЦНК — цилиндрические направляющие качения – включают направляющие, устанавливаемые на концевых опорах. Каретка перемещается по ним посредством линейных шариковых подшипников определенной конструкции. Данные подшипники производятся компаниями Schaeffler KG и SBС Linear. По конструкции ЦНК от данных производителей очень схожи. Линейные подшипники таких фирм могут быть оснащены открытым (для установки на направляющих, которые закрепляются на специальном рельсе), разрезным (для регулирования преднатяга) и закрытым профилем.

Конструктивно цилиндрический шариковый подшипник включает тонкостенную стальную втулку, внутри которой имеется пластмассовый сепаратор, оснащенный 6-ю рядами шариков. С торцевых сторон сепаратор покрыт защитными кольцами. Чтобы крепить подшипник в корпусе каретки, снаружи предусмотрены 2 узких паза с прямоугольным сечением под стопорные кольца.

Компанией Schaeffler KG выпускаются цилиндрические направляющие, а также линейные подшипники семи типоразмеров, различающихся посадочным диаметром d (12;16;20;25;30;40;50 мм), а также габаритными размерами.

В зависимости от того, к какому типоразмеру относится подшипник, и сколько цепочек шариков имеется в блоке качения, возрастает и допускаемая на него  статическая нагрузка от 570 до 8000Н, а также динамическая нагрузка  — от 640 до 9200Н.

Аналогичные типоразмеры линейных подшипников, выпускаемых SBC,  имеют допустимые статические и динамические нагрузки менее указанных  на 30%.

ШНК

ЛНК с циркулирующими шариками — ШНК – представляют собой сборочные единицы, в состав которых входит направляющий рельс,  призматическая форма, имеющая четыре  базовых дорожки и одну либо несколько кареток с телами качения (шариками), циркулирующими по замкнутым каналам. Расположение рядов шариков  — под 45° к горизонтальной поверхности; их перемещение производится по рельсу — закаленным дорожкам качения, и несущей части каретки. Ряды шариков и дорожки качения находятся в двухточечном контакте. В целях оптимальной нагрузочной способности ШНК, твердость рельсовых дорожек качения должна быть в диапазоне 58–62 HRC.

Смазка направляющих выполняется посредством масла или пластичной смазки через пресс-масленку, лежащую в «голове» каретки. Чтобы в блок качения не попадала пыль и грязь, каретки уплотняют с торцов с помощью фронтальных скребок и продольных уплотнителей. Такие направляющие принимают силы в разных направлениях, исключение составляет лишь направление перемещения,  а также моменты относительно X,Y,Z –осей.

ШНК работают в скоростном диапазоне до 6 м/с и могут иметь ускорение до 100 м/с². Такие направляющие целесообразно применять для точного позиционирования, а также для быстрого перемещения рабочего органа автоматизированных машин, которые подвержены высоким динамическим нагрузкам.

Компания Schaeffler KG производит ШНК двух видов:

• оснащенные сепараторными квадрозвеньями (с малой шумностью);
• оснащенные полным набором шариков.

Шариковые направляющие качения с сепараторными квадрозвеньями применяются для тел качения, объединяются одним пластиковым сегментом и образуют группу из 4-х, которая носит название «сепараторное квадрозвено». Поскольку шарики не касаются друг друга, такие направляющие качения обладают свойством малошумности. ШНК целесообразно применять в быстроходных машинах, имеющих низкий уровень шума.

Шариковые направляющие качения, имеющие полный набор тел качения (шариков), выглядят внешне аналогично варианту с квадрозвеньями, при этом отличие заключается в большом количестве шариков, находящихся между рельсовыми дорожками качения и кареткой. Благодаря этому, ШНК имеют большую нагрузочную способность. Для варианта с полным набором шариков допустимы динамические нагрузки — моменты М_ох,М_оу, М_оz вдвое больше, нежели в варианте с квадрозвеньями.

Поставка ШНК ведется с различными величинами преднатяга в паре качения. В случае средних нагрузок и необходимости повышенной жесткости рекомендовано создание предварительного натяга около 40 мкм. На указанный коэффициент трения качения в шариковых направляющих качения влияет величина преднатяга, исполнение торцевых уплотнений каретки, соотношение воздействующих на каретку сил. Показатель может варьироваться в диапазоне 0,002-0,01.

РНК

ЛНК с циркуляцией роликов  — РНК – это 1-2 направляющих рельса с призматической формой, на которых движется каретка с роликами в гибком сепараторе. Ролики с цилиндрической формой чередуются в сепараторе в перпендикулярном направлении относительно друг друга. Благодаря этому распределение нагрузки на рельсы выполняется более равномерно. Перемещение  роликов выполняется по замкнутой траектории, потому ход каретки ограничивается только габаритами рельсов, которые можно  стыковать по длине.

РНК — это наиболее грузоподъемные среди направляющих, имеющих циркуляцию тел качения. Их используют преимущественно в станках прецизионного типа с высокими динамическими нагрузками,  в которых требуются высокая жесткость и точность передвижения рабочего органа.

Максимальную популярность получили линейные РНК от производителей  ТНК СО, SВS Linear и Schaeffler КG.

Компания Schaeffler KG занимается разработкой и выпуском РНК девяти  типоразмеров, которые различаются сечением направляющего рельса и  каретки, а также допустимой грузоподъемностью. Каналы на каретке предназначены для возврата роликов. Удержание роликов происходит посредством каретки, они не выпадают, что делает проще сборку направляющих. Ряды цилиндрических роликов имеют возможность принимать прижимающие, боковые и отрывающие силы.

Для того, чтобы обеспечить периодическую смазку направляющих (посредством пластичной смазки или масла), каждая из кареток оснащается пресс-масленкой и штуцером для подвода смазки. В целях надежной сохранности системы качения от грязи и пыли, применяется уплотнение кареток с торцовых сторон фронтальными скребками, имеющими две кромки, удерживающие внутреннюю смазку каретки;  с боковых сторон уплотняются продольными верхними и двойными нижними скребками.

РНК от Schaeffler KG могут применяться для передвижения рабочих органов, на которые дается высокая динамическая нагрузка; скорость — до 3 м/с; ускорение — до 100 м/с².

Для применения в прецизионных станках компания разработала вариант РНК, который дополнен демпфирующим блоком RUDS, предназначенным гасить колебания, получаемые в сопряжении направляющего рельс — тела качения, оказывающие влияние на точность и качество обработки. Демпфирование вибраций выполняется посредством образования тонкой смазочной (масляной) пленки между направляющей и роликами.

Дальнейшим этапом развития РНК-систем является разработка гидростатических опор качения, где зазор между кареткой и направляющим рельсом непрерывно снабжается маслом под давлением (~ 2-х литров в  минуту). Создание необходимого натяга в данных опорах происходит давлением масла, равным 5МПа. Регулирование величины натяга выполняется с помощью дросселя.

Компания THK CO разрабатывает и производит линейные РНК  — SRG  — шести типоразмеров, имеющих сечение каретки 36´70-90´170 мм. Таким образом, длина каретки увеличивается от 95 до 303 мм. Компания комплектует собственные направляющие посредством рельс стандартной длины 220-3000 мм.

В целях защиты от грязи и пыли применяются уплотнения торцевого типа, а также боковые уплотнения и грязесъёмники. Крепление торцевых  уплотнений выполняется к двум торцам каретки и не позволяет попадать с поверхности рельса в область тел качения различных веществ и влаги. С помощью боковых уплотнений выполняется защита каретки от инородных тел и пыли сбоку и снизу, и обеспечивается эффективная защита от утечки смазочных материалов из каретки.

Применяемые в конструкции каретки скребки бесконтактного типа, выполненные из металла, служат для удаления довольно крупных и твердых частиц, которые налипают на рельс. Контактные многослойные полимерные скребки касаются рельса по всему сечению и эффективно выполняют функцию защиты от микроскопических  частиц и пыли.

Компания SBC производит роликовые ЛНК пяти типоразмеров, которые имеют различия в размерах сечения каретки и направляющего рельса, длине  хода, величине допускаемой нагрузки на ролик, возрастающей с 0,127 до 4,36кН (серия SCVR 9). На основе РНК, относящихся к сериям SCVR 6 и SCVR 9, фирма SBC производит позиционирующие столы, а также высокоточные грузовые платформы, имеющие нагрузочную способность до 120 кН.

Основанные на РНК системы перемещения имеют различия в высокой нагрузочной способности, жесткости, точности и плавности хода. Они компактны и просты в обслуживании. Их жесткость растет с ростом преднатяга. Но стоит учитывать, что с ростом натяга увеличивается сила сопротивления перемещению (указанный коэффициент трения возрастает с 0,002–0,004 до 0,01), а также уменьшается период эксплуатации.

Выводы

Таким образом, основное преимущество ЛНК, в сравнении с направляющими скольжения, — это небольшая величина коэффициента трения, на которую практически не оказывает влияния скорость. Также ЛНК отличаются высокой точностью перемещений (геометрия хода имеет отклонение не более 5 мкм).

В потери на трение линейных направляющих качения входят потери, вызванные трением тел качения о сепаратор, а также потери, пропорциональные нагрузке. Для передвигаемых узлов со средними габаритами сила трения составляет не более 20–50 Н, при этом условный приведенный коэффициент трения лежит в диапазоне 0,004–0,01. ЛНК имеют одинаковые трения движения и покоя.

В ЛНК жесткость зависит от точности производства тел и направляющих качения. При увеличении отклонений диаметра роликов и шариков возрастает неравномерность нагрузки тел качения, в результате чего снижается  жесткость. При создании преднатяга растет жесткость ЛНК в три и более раза, если сравнивать с жесткостью в случае нулевого натяга.

Максимальную нагрузочную способность имеют РНК, имеющие циркуляцию роликов в гибкой обойме, где максимальная статическая нагрузка на каждый ролик достигает 0,127 до 4,36 кН, что зависит от диаметра и длины ролика, а максимальное число роликов в обойме достигает 32–60.

ШНК имеют нагрузочную способность существенно ниже, нежели РНК (в 20–30 раз) в случае равных размеров сечения. В ШНК допустимая  нагрузка составляет 15–240Н на один шарик, что зависит от его диаметра, изменяемого в диапазоне  5-20мм.

Внедрение в сферу машиностроения централизованно производимых унифицированных направляющих качения, оснащенных циркулирующими роликами или шариками, дает возможность разрабатывать высокопроизводительные станки, обрабатывающие центры с ПУ, в которых имеется возможность реализовать скорости установочных перемещений в размере до 6м/с, а ускорения  — до 100м/с².