Przy umiarkowanych prędkościach wrzeciona stalowe łożyska toczne pozostają rozsądnym i ekonomicznym wyborem inżynierskim. Są powszechnie dostępne, wytrzymałe mechanicznie, znane zespołom konserwacyjnym i sprawdzone w niezliczonych-zastosowaniach obrabiarek.
Równowaga zmienia się wraz ze wzrostem prędkości wrzeciona.
Precyzyjne wrzeciono-o dużej prędkości ocenia się nie tylko na podstawie tego, czy może się obracać z określoną prędkością obrotową. Musi utrzymywać bicie, napięcie wstępne, sztywność, kontrolę temperatury, wykończenie powierzchni i trwałość łożyska podczas pracy pod zmieniającymi się obciążeniami skrawającymi. Musi także przetrwać zanieczyszczenia, przerywane cykle pracy, efekty elektryczne-indukowane przez silnik i powtarzającą się rozszerzalność cieplną.
W tym środowisku ważne stały się zaawansowane materiały ceramiczne,-zwłaszcza azotek krzemu, czyli Si₃N₄-. Najbardziej powszechną konfiguracją nie jest w pełni ceramiczne łożysko wrzeciona. Jest to hybrydowe ceramiczne łożysko wrzeciona, łączące kulki ceramiczne z azotku krzemu z precyzyjnymi stalowymi pierścieniami wewnętrznymi i zewnętrznymi.
W tym układzie zastosowano ceramikę tam, gdzie-korzyści z kontaktu tocznego są największe, przy jednoczesnym zachowaniu stali tam, gdzie nadal liczy się sprawdzona geometria bieżni, praktyka montażu i zarządzanie obciążeniem.
Problem prędkości: siła odśrodkowa
Podstawową zaletą kulek ceramicznych w-precyzyjnym wrzecionie o dużej prędkości jest ich mniejsza masa.
Azotek krzemu ma gęstość około 3,2 g/cm3 w porównaniu z około 7,6–7,8 g/cm3 w przypadku stali łożyskowej. W praktyce kulka ceramiczna może być o około 58% lżejsza niż kula stalowa o podobnej wielkości.
Różnica ta staje się coraz ważniejsza wraz ze wzrostem prędkości obrotowej.
Siła odśrodkowa szybko rośnie wraz z prędkością. Cięższa kulka stalowa wywiera większą siłę na bieżnię zewnętrzną w miarę przyspieszania wrzeciona, zwiększając naprężenia kontaktowe, tarcie, obciążenie koszyka i wytwarzanie ciepła. Lżejsza kulka z azotku krzemu zmniejsza obciążenie odśrodkowe. Łożysko może pracować przy wyższej wartości DN-średnicy otworu łożyska pomnożonej przez prędkość obrotową-zanim ograniczenia termiczne i mechaniczne staną się restrykcyjne.
Hybrydowe łożyska ceramiczne są powszechnie wybierane do systemów wrzecion-o dużej prędkości, ponieważ niższa-masa elementów tocznych może redukować ciepło i zapewniać większą praktyczną prędkość. Opublikowane wytyczne dotyczące zastosowań przytaczają hybrydowe łożyska ceramiczne pracujące w odpowiednich konfiguracjach o średnicy powyżej 1,5 miliona DN, podczas gdy zaawansowane konstrukcje wrzecion mogą przekraczać 2,0 miliony DN w zależności od geometrii łożyska, smarowania, napięcia wstępnego, chłodzenia i całego układu wrzeciona.
Nie oznacza to, że ceramika automatycznie przyspiesza każde wrzeciono. Prędkość wrzeciona jest nadal ograniczona przez smarowanie, konstrukcję koszyka, jakość wyważenia, ciepło silnika, napięcie wstępne łożyska i dynamikę wirnika. Kulki ceramiczne po prostu usuwają jedną z głównych przeszkód: nadmierne obciążenie odśrodkowe.
Ciepło, obciążenie wstępne i dryf termiczny
Ciepło stanowi ciągłe zagrożenie dla dokładności obróbki. Zmienia luz łożyska, zmienia napięcie wstępne, przesuwa wzrost wrzeciona i wpływa na punkt środkowy narzędzia.
Stal i azotek krzemu różnie reagują na temperaturę. Azotek krzemu ma znacznie niższy współczynnik rozszerzalności cieplnej niż stal łożyskowa. W typowych opublikowanych porównaniach azotek krzemu wynosi około 3–4 × 10⁻⁶/K, podczas gdy stal zwykle wynosi około 11–12,5 × 10⁻⁶/K.
W przypadku wrzeciona o dużej-prędkości, mniejsze rozszerzanie może sprawić, że zachowanie łożyska będzie mniej wrażliwe na zmiany temperatury. Kulki ceramiczne przekazują także mniej ciepła pomiędzy pierścieniami łożyska niż stalowe elementy toczne. Może to pomóc w zmniejszeniu-zmiany obciążenia wstępnego spowodowanej temperaturą, która może wystąpić podczas-rozgrzewania.
Korzyści należy dokładnie opisać. Łożysko hybrydowe nadal wykorzystuje bieżnie stalowe, a wał wrzeciona, obudowa, smar, silnik i obwód chłodzący wpływają na końcowy wzrost temperatury. Kulki ceramiczne stanowią część strategii-zarządzania termicznego, a nie ją zastępują.
Mimo to, gdy tolerancję obróbki mierzy się w mikronach, zmniejszenie liczby i nasilenia zmiennych termicznych ma realną wartość.
Twardość i odporność na zużycie
Azotek krzemu jest znacznie twardszy niż stal łożyskowa. W jednym reprezentatywnym porównaniu azotek krzemu ma wartość około 1600 HV w porównaniu z około 700 HV dla stali, przy wyższym module sprężystości wynoszącym około 310 GPa w porównaniu z 190 GPa w przypadku stali.
Praktycznym rezultatem jest większa odporność na zużycie styków tocznych-, gdy łożysko jest prawidłowo dobrane, nasmarowane i zmontowane. Twardsze kulki ceramiczne mogą utrzymać wysoce wypolerowaną powierzchnię toczną, zmniejszając straty na skutek tarcia i ograniczając uszkodzenia ścierne spowodowane drobnymi zanieczyszczeniami.
Jest to szczególnie istotne w przypadku precyzyjnego szlifowania, wiercenia PCB,-frezowania z dużą prędkością, sprzętu półprzewodnikowego, produkcji elementów optycznych i automatycznej kontroli. W tych zastosowaniach stan łożyska jest bezpośrednio powiązany z wibracjami, wykończeniem powierzchni, powtarzalnością i częstotliwościami konserwacji.
Ceramika nie jest niezniszczalna. Jest twardy, ale pozostaje kruchy w porównaniu ze stalą. Poważne obciążenia udarowe, zła praktyka montażu, nadmierne napięcie wstępne, niewspółosiowość i zanieczyszczenia mogą uszkodzić każde łożysko-precyzyjne. Łożysko hybrydowe należy wybierać na podstawie rzeczywistych warunków pracy, a nie tylko jako ulepszenie.
Izolacja elektryczna jest często pomijana
Nowoczesne wrzeciona często współpracują z napędami o zmiennej-częstotliwości, systemami serwo i silnikami-o dużej prędkości. W pewnych warunkach przez łożysko może przejść wyładowanie elektryczne, powodując uszkodzenie bieżni-jak rowki lub tarę.
Kulki ceramiczne są izolacją elektryczną. W hybrydowym łożysku ceramicznym przerywają one normalną-ścieżkę elektryczną styku tocznego pomiędzy stalowymi pierścieniami. Może to zmniejszyć ryzyko powstania łuku elektrycznego w łożysku, szczególnie w przypadku silników i wrzecion wrażliwych elektrycznie.
Sformułowanie również ma tutaj znaczenie: łożysko hybrydowe niekoniecznie jest łożyskiem w pełniizolowany układ łożyskponieważ jego stalowe pierścienie pozostają przewodzące. Tam, gdzie wymagana jest całkowita izolacja elektryczna, projektanci mogą potrzebować powłok izolacyjnych, w pełni ceramicznych układów łożysk, rozwiązań w zakresie uziemienia-wału lub innych środków ograniczających ryzyko wystąpienia porażenia elektrycznego.
Ceramika kontra stal w skrócie
| Współczynnik wydajności | Stalowe łożysko wrzeciona | Hybrydowe ceramiczne łożysko wrzeciona |
|---|---|---|
| Gęstość-elementów tocznych | Wyższy | Niżej; zmniejszone obciążenie odśrodkowe |
| Wysoka-możliwość działania | Sprawdzone przy umiarkowanej-do-szybkości | Często preferowane w przypadku wrzecion-o bardzo dużej prędkości |
| Wytwarzanie ciepła | Wyższe przy równoważnych ekstremalnych prędkościach | Potencjalnie niższy ze względu na zmniejszoną masę i tarcie |
| Rozszerzalność cieplna | Wyższy | Kulki ceramiczne rozszerzają się mniej |
| Twardość i odporność na zużycie | Dobry | Wyższa twardość-elementów tocznych |
| Zachowanie elektryczne | Przewodząca ścieżka toczenia | Kulki ceramiczne zapewniają przerwę elektryczną |
| Tolerancja uderzenia | Generalnie bardziej wybaczający | Wymaga ostrożnej obsługi i prawidłowego napięcia wstępnego |
| Koszt | Niższy koszt początkowy | Wyższy koszt początkowy, potencjalnie niższe ryzyko w cyklu życia |
Precyzja zależy od całego systemu
Łożysko ceramiczne nie jest w stanie skorygować źle wyważonego wirnika, niestabilnej podstawy maszyny, nieodpowiedniego układu chłodzenia lub obudowy wrzeciona poruszającej się przy każdej zmianie temperatury. Wysoka-precyzja wynika z systemu: doboru łożysk, strategii napięcia wstępnego, smarowania, sterowania silnikiem, sztywności obudowy, izolacji drgań, konstrukcji termicznej i metrologii.
Jest to jeden z powodów, dla których UNPARALLELED® podchodzi do precyzyjnych komponentów ceramicznych obok precyzyjnego granitu, odlewów mineralnych, precyzyjnego metalu i innych materiałów konstrukcyjnych. W sprzęcie-najwyższej klasy wrzeciono nie jest izolowaną częścią. Jest częścią łańcucha precyzyjnego, który obejmuje ramę maszyny, odniesienie do prowadnicy, interfejsy montażowe, stabilność środowiskową i możliwości pomiarowe.
Dla nabywców i menedżerów ds. jakości najlepszym pytaniem nie jest po prostu: „Czy łożyska ceramiczne są lepsze od stali?” Brzmi ono: „Czy technologia hybrydowych łożysk ceramicznych poprawi prędkość wrzeciona, zachowanie temperaturowe, niezawodność elektryczną i żywotność w naszych rzeczywistych warunkach pracy?”
W przypadku wielu-wysokoobrotowych wrzecion precyzyjnych odpowiedź brzmi „tak”. Dla innych bardziej praktycznym wyborem pozostaje dobrze-zaprojektowane łożysko stalowe. Różnica polega na dowodach inżynieryjnych, a nie na modzie materialnej.