La viteze moderate ale arborelui, rulmenții de rulare din oțel rămân o alegere tehnică solidă și economică. Sunt disponibile pe scară largă, robuste din punct de vedere mecanic, familiare echipelor de întreținere și dovedite în nenumărate aplicații de mașini-unelte.
Echilibrul se modifică pe măsură ce viteza axului crește.
Un ax de precizie cu viteză mare-nu este judecat numai dacă se poate roti la o turație specificată. Trebuie să mențină deformarea, preîncărcarea, rigiditatea, controlul temperaturii, finisarea suprafeței și durata de viață a rulmentului în timp ce funcționează sub sarcini de tăiere în schimbare. De asemenea, trebuie să supraviețuiască contaminării, ciclurilor de funcționare intermitente, efectelor electrice induse de motor-și expansiunii termice repetate.
În acest mediu, materialele ceramice avansate-în special nitrura de siliciu sau Si₃N₄-au devenit importante. Cea mai obișnuită configurație nu este un rulment cu ax complet ceramic. Este un rulment de arbore ceramic hibrid, care combină bile ceramice cu nitrură de siliciu cu inele interioare și exterioare din oțel de precizie.
Acest aranjament folosește ceramică acolo unde beneficiile de contact-laminare sunt cele mai mari, păstrând în același timp oțelul acolo unde geometria canalelor de rulare dovedite, practica de montare și gestionarea sarcinii încă contează.
Problema vitezei: forța centrifugă
Avantajul principal al bilelor ceramice într-un ax de precizie-înaltă este masa lor mai mică.
Nitrura de siliciu are o densitate de aproximativ 3,2 g/cm³, comparativ cu aproximativ 7,6–7,8 g/cm³ pentru oțelul pentru rulmenți. În termeni practici, o bilă ceramică poate fi cu aproximativ 58% mai ușoară decât o bilă de oțel de dimensiuni similare.
Această diferență devine mai importantă pe măsură ce viteza de rotație crește.
Forța centrifugă crește rapid cu viteza. O bilă de oțel mai grea aplică o forță mai mare pe calea de rulare exterioară pe măsură ce axul accelerează, crescând stresul de contact, frecarea, încărcarea cuștii și generarea de căldură. O minge de nitrură de siliciu mai ușoară reduce acea sarcină centrifugă. Rulmentul poate funcționa la o valoare DN mai mare-diametrul alezajului rulmentului înmulțit cu viteza de rotație-înainte ca limitele termice și mecanice să devină restrictive.
Rulmenții ceramici hibridi sunt selectați în mod obișnuit pentru sistemele de ax cu viteză mare-, deoarece masa mai mică a elementului de rulare- poate reduce căldura și poate sprijini o capacitate practică mai mare de viteză. Ghidurile de aplicare publicate citează rulmenți ceramici hibridi care funcționează peste 1,5 milioane DN în configurații adecvate, în timp ce proiectele avansate ale arborelui pot depăși 2,0 milioane DN, în funcție de geometria rulmentului, lubrifiere, preîncărcare, răcire și sistemul complet de ax.
Asta nu înseamnă că ceramica face automat fiecare ax mai rapid. Viteza axului este încă limitată de lubrifiere, designul cuștii, calitatea echilibrului, căldura motorului, preîncărcarea rulmentului și dinamica rotorului. Bilele ceramice îndepărtează pur și simplu unul dintre obstacolele majore: încărcarea centrifugă excesivă.
Căldură, preîncărcare și deriva termică
Căldura este o amenințare persistentă la adresa preciziei de prelucrare. Schimbă jocul lagărului, modifică preîncărcarea, schimbă creșterea axului și afectează punctul central al sculei.
Oțelul și nitrura de siliciu răspund diferit la temperatură. Nitrura de siliciu are un coeficient de dilatare termică mult mai scăzut decât oțelul pentru rulmenți. Comparațiile tipice publicate plasează nitrura de siliciu în jurul valorii de 3–4 × 10⁻⁶/K, în timp ce oțelul este de obicei în jur de 11–12,5 × 10⁻⁶/K.
Pentru un ax cu viteză mare-, expansiune mai mică poate face comportamentul rulmentului mai puțin sensibil la schimbarea temperaturii. Bilele ceramice transferă, de asemenea, mai puțină căldură între inelele rulmentului decât elementele de rulare din oțel. Acest lucru poate ajuta la reducerea-schimbarea preîncărcării determinată de temperatură care poate apărea în timpul-încălzirii.
Beneficiul trebuie descris cu atenție. Un rulment hibrid folosește în continuare piste de oțel, iar arborele, carcasa, lubrifiantul, motorul și circuitul de răcire influențează toate creșterea termică finală. Bilele de ceramică fac parte dintr-o strategie de-management termic, nu un substitut pentru una.
Totuși, atunci când toleranța de prelucrare este măsurată în microni, reducerea numărului și a severității variabilelor termice are valoare reală.
Duritate și rezistență la uzură
Nitrura de siliciu este semnificativ mai dura decât oțelul pentru rulmenți. O comparație reprezentativă listează nitrura de siliciu la aproximativ 1.600 HV față de aproximativ 700 HV pentru oțel, alături de un modul elastic mai mare de aproximativ 310 GPa, comparativ cu 190 GPa pentru oțel.
Rezultatul practic este o rezistență mai bună la uzura contactului de rulare- atunci când rulmentul este specificat, lubrifiat și asamblat corect. Bilele ceramice mai dure pot menține o suprafață de rulare foarte lustruită, reducând pierderile prin frecare și limitând daunele abrazive cauzate de contaminarea minoră.
Acest lucru este relevant în special în șlefuirea de precizie, găurirea PCB, frezarea-de mare viteză, echipamentele semiconductoare, producția optică și inspecția automată. În aceste aplicații, starea rulmentului este direct legată de vibrații, finisare a suprafeței, repetabilitate și intervale de întreținere.
Ceramica nu este indestructibila. Este dur, dar rămâne fragil în comparație cu oțelul. Sarcinile puternice de impact, practica de asamblare defectuoasă, preîncărcarea excesivă, alinierea greșită și reziduurile pot deteriora orice rulment de-înaltă precizie. Un rulment hibrid ar trebui selectat pe baza condițiilor reale de funcționare, nu doar ca o actualizare.
Izolația electrică este adesea trecută cu vederea
Axele moderne funcționează frecvent cu variatoare de-frecvență, sisteme servo și motoare de-înaltă viteză. Descărcările electrice se pot deplasa printr-un rulment în anumite condiții, producând deteriorări asemănătoare cu caneluri sau plăci de spălat-pe canalele de rulare.
Bilele ceramice sunt izolatoare electric. Într-un rulment ceramic hibrid, aceștia întrerup calea electrică de contact-normală între inelele de oțel. Acest lucru poate reduce riscul de arc electric prin rulment, în special în aplicațiile cu motor și ax sensibile la electricitate.
Formularea contează și aici: un rulment hibrid nu este neapărat un completsistem de rulment izolatdeoarece inelele sale de oțel rămân conductoare. Acolo unde este necesară izolarea electrică completă, proiectanții pot avea nevoie de acoperiri izolate, aranjamente complete de lagăre ceramice, soluții de împământare a arborelui-sau alte măsuri de atenuare a energiei electrice.
Ceramica vs. Oțel dintr-o privire
| Factorul de performanță | Rulment ax din oțel | Rulment ceramic hibrid al axului |
|---|---|---|
| Densitatea-elementului rulant | Superior | Inferioară; încărcare centrifugă redusă |
| Capacitate de{0}}înaltă viteză | Dovedit la viteză moderată-la-mare | Adesea preferat pentru axele cu viteză foarte mare- |
| Generare de căldură | Mai mare la viteze extreme echivalente | Potențial mai scăzută datorită masei și frecării reduse |
| Expansiunea termică | Superior | Bilele de ceramică se extind mai puțin |
| Duritate și rezistență la uzură | Bun | Duritate mai mare-elementului de rulare |
| Comportament electric | Calea de rulare conductivă | Bilele ceramice asigură întrerupere electrică |
| Toleranță la impact | În general, mai iertător | Necesită manipulare atentă și preîncărcare corectă |
| Cost | Cost inițial mai mic | Cost inițial mai mare, risc potențial mai mic pe ciclul de viață |
Precizia depinde de întregul sistem
Un rulment ceramic nu poate corecta un rotor echilibrat prost, o bază instabilă a mașinii, un sistem de răcire inadecvat sau carcasa axului care se mișcă la fiecare schimbare de temperatură. Precizia-de viteză mare vine din sistem: selecția rulmenților, strategia de preîncărcare, lubrifierea, controlul motorului, rigiditatea carcasei, izolarea la vibrații, designul termic și metrologia.
Acesta este unul dintre motivele pentru care UNPARALLELED® abordează componentele ceramice de precizie alături de granit de precizie, turnare minerală, metal de precizie și alte materiale structurale. În echipamentele de vârf-, axul nu este o piesă izolată. Face parte dintr-un lanț de precizie care include cadrul mașinii, referința ghidajului, interfețele de montare, stabilitatea mediului și capacitatea de măsurare.
Pentru cumpărători și manageri de calitate, cea mai bună întrebare nu este pur și simplu: „Sunt rulmenții ceramici mai buni decât oțelul?” Este: „Tehnologia hibridă a rulmenților ceramici va îmbunătăți viteza acestui ax, comportamentul la temperatură, fiabilitatea electrică și durata de viață în condițiile noastre reale de funcționare?”
Pentru multe-fusuri de precizie de mare viteză, răspunsul este da. Pentru alții, un lagăr-din oțel bine proiectat rămâne alegerea mai practică. Diferența constă în dovezile inginerești, nu în moda materială.