Při středních otáčkách vřetena zůstávají ocelová valivá ložiska rozumnou a ekonomickou konstrukční volbou. Jsou široce dostupné, mechanicky odolné, znají je týmy údržby a osvědčily se v mnoha aplikacích obráběcích-nástrojů.
Vyvážení se mění se stoupající rychlostí vřetena.
Vysokorychlostní přesné vřeteno se neposuzuje pouze podle toho, zda se může otáčet při zadaných otáčkách. Musí zachovat házivost, předpětí, tuhost, regulaci teploty, povrchovou úpravu a životnost ložiska při provozu při měnícím se řezném zatížení. Musí také přežít kontaminaci, přerušované pracovní cykly, elektrické-efekty vyvolané motorem a opakovanou tepelnou roztažnost.
V tomto prostředí se staly důležitými pokročilé keramické materiály-zejména nitrid křemíku neboli Si₃N₄-. Nejběžnější konfigurací není plně keramické ložisko vřetena. Jedná se o hybridní keramické ložisko vřetena, kombinující keramické kuličky z nitridu křemíku s přesnými ocelovými vnitřními a vnějšími kroužky.
Toto uspořádání využívá keramiku, kde jsou výhody valivého{0}}kontaktu největší, zatímco zachovává ocel, kde stále záleží na osvědčené geometrii oběžné dráhy, montážním postupu a řízení zatížení.
Problém rychlosti: Odstředivá síla
Hlavní výhodou keramických kuliček ve vysokorychlostním{0}}přesném vřetenu je jejich nižší hmotnost.
Nitrid křemíku má hustotu asi 3,2 g/cm³ ve srovnání s přibližně 7,6–7,8 g/cm³ u ložiskové oceli. Z praktického hlediska může být keramická kulička asi o 58 % lehčí než ocelová kulička podobné velikosti.
Tento rozdíl se stává důležitějším, když se rychlost otáčení zvyšuje.
Odstředivá síla rychle stoupá s rychlostí. Těžší ocelová kulička působí větší silou na vnější oběžnou dráhu, když se vřeteno zrychluje, zvyšuje kontaktní napětí, tření, zatížení klece a tvorbu tepla. Lehčí kulička z nitridu křemíku snižuje toto odstředivé zatížení. Ložisko může pracovat s vyšší hodnotou DN-průměr díry ložiska vynásobený rychlostí otáčení-, než se tepelné a mechanické limity stanou omezujícími.
Hybridní keramická ložiska jsou běžně vybírána pro vysokorychlostní systémy vřeten, protože nižší hmotnost valivého prvku- může snížit teplo a podporovat vyšší praktické otáčky. Publikované pokyny pro použití uvádějí hybridní keramická ložiska pracující nad 1,5 milionu DN ve vhodných konfiguracích, zatímco pokročilé konstrukce vřeten mohou překročit 2,0 milionu DN v závislosti na geometrii ložiska, mazání, předpětí, chlazení a kompletním systému vřetena.
To neznamená, že keramika automaticky zrychlí každé vřeteno. Otáčky vřetena jsou stále omezeny mazáním, konstrukcí klece, kvalitou vyvážení, teplem motoru, předpětím ložisek a dynamikou rotoru. Keramické kuličky jednoduše odstraní jednu z hlavních překážek: nadměrné odstředivé zatížení.
Teplo, předpětí a teplotní drift
Teplo je trvalou hrozbou pro přesnost obrábění. Mění vůli ložiska, mění předpětí, posouvá růst vřetena a ovlivňuje střed nástroje.
Ocel a nitrid křemíku reagují na teplotu odlišně. Nitrid křemíku má mnohem nižší koeficient tepelné roztažnosti než ložisková ocel. Typická publikovaná srovnání uvádí nitrid křemíku kolem 3–4 × 10⁻⁶/K, zatímco ocel je běžně kolem 11–12,5 × 10⁻⁶/K.
U vysokootáčkového vřetena může nižší roztažnost způsobit, že chování ložiska bude méně citlivé na změnu teploty. Keramické kuličky také přenášejí méně tepla mezi ložiskovými kroužky než ocelová valivá tělesa. To může pomoci snížit teplotní-změnu předpětí, ke které může dojít během zahřívání-.
Přínos by měl být pečlivě popsán. Hybridní ložisko stále používá ocelové kroužky a hřídel vřetena, pouzdro, mazivo, motor a chladicí okruh ovlivňují konečný tepelný růst. Keramické koule jsou součástí strategie tepelného-řízení, nikoli její náhradou.
Přesto, když se tolerance obrábění měří v mikronech, snížení počtu a závažnosti tepelných proměnných má skutečnou hodnotu.
Tvrdost a odolnost proti opotřebení
Nitrid křemíku je výrazně tvrdší než ložisková ocel. Jedno reprezentativní srovnání uvádí nitrid křemíku při přibližně 1 600 HV oproti přibližně 700 HV pro ocel, spolu s vyšším modulem pružnosti zhruba 310 GPa ve srovnání s 190 GPa pro ocel.
Praktickým výsledkem je lepší odolnost proti opotřebení valivého{0}}kontaktu, když je ložisko správně specifikováno, namazáno a smontováno. Tvrdší keramické kuličky mohou udržovat vysoce leštěný valivý povrch, snižují třecí ztráty a omezují abrazivní poškození způsobené drobným znečištěním.
To je důležité zejména při přesném broušení, vrtání desek plošných spojů, vysokorychlostním frézování-, polovodičových zařízeních, optické výrobě a automatizované kontrole. V těchto aplikacích stav ložiska přímo souvisí s vibracemi, povrchovou úpravou, opakovatelností a intervaly údržby.
Keramika není nezničitelná. Je tvrdý, ale ve srovnání s ocelí zůstává křehký. Silné nárazové zatížení, špatné postupy montáže, nadměrné předpětí, nesouosost a nečistoty mohou poškodit jakékoli-přesné ložisko. Hybridní ložisko by mělo být vybráno na základě skutečných provozních podmínek, nikoli pouze jako modernizace.
Elektrická izolace je často přehlížena
Moderní vřetena často pracují s proměnnými-frekvenčními pohony, servosystémy a vysokorychlostními-motory. Elektrický výboj může za určitých podmínek procházet ložiskem a způsobovat rýhování nebo poškození oběžných drah podobně-.
Keramické kuličky jsou elektricky izolující. V hybridním keramickém ložisku přerušují běžnou elektrickou dráhu valivého{1}}kontaktu mezi ocelovými kroužky. To může snížit riziko elektrického oblouku skrz ložisko, zejména u elektricky citlivých aplikací motoru a vřetena.
Zde také záleží na formulaci: hybridní ložisko nemusí být nutně plnohodnotnéizolovaný nosný systémprotože jeho ocelové kroužky zůstávají vodivé. Tam, kde je vyžadována úplná elektrická izolace, mohou konstruktéři potřebovat izolované povlaky, kompletní uspořádání keramických ložisek, řešení pro uzemnění hřídele nebo jiná opatření pro zmírnění elektrických dopadů.
Keramika vs. ocel na první pohled
| Výkonový faktor | Ocelové ložisko vřetena | Hybridní keramické ložisko vřetena |
|---|---|---|
| Hustota-valivých prvků | Vyšší | Spodní; snížené odstředivé zatížení |
| Vysoká{0}}rychlost | Ověřeno při střední-až{1}}vysoké rychlosti | Často se upřednostňuje pro velmi-rychlostní vřetena |
| Tvorba tepla | Vyšší při ekvivalentních extrémních rychlostech | Potenciálně nižší díky snížené hmotnosti a tření |
| Tepelná roztažnost | Vyšší | Keramické kuličky se méně roztahují |
| Tvrdost a odolnost proti opotřebení | Dobrý | Vyšší tvrdost valivého-prvku |
| Elektrické chování | Vodivá valivá dráha | Keramické kuličky zajišťují elektrické přerušení |
| Odolnost vůči nárazu | Obecně shovívavější | Vyžaduje pečlivé zacházení a správné předpětí |
| Náklady | Nižší počáteční náklady | Vyšší počáteční náklady, potenciálně nižší riziko životního cyklu |
Přesnost závisí na celém systému
Keramické ložisko nemůže opravit špatně vyvážený rotor, nestabilní základnu stroje, nedostatečný chladicí systém nebo pouzdro vřetena, které se pohybuje při každé změně teploty. Vysoká-přesnost otáček vychází ze systému: výběr ložisek, strategie předpětí, mazání, řízení motoru, tuhost pouzdra, izolace vibrací, tepelný design a metrologie.
To je jeden z důvodů, proč se UNPARALLELED® přibližuje přesným keramickým součástem vedle přesné žuly, minerálního odlitku, přesného kovu a dalších konstrukčních materiálů. U zařízení vyšší třídy-není vřeteno izolovanou součástí. Je součástí přesného řetězce, který zahrnuje rám stroje, referenci vodicích drah, montážní rozhraní, stabilitu prostředí a možnosti měření.
Pro nákupčí a manažery kvality není nejlepší otázkou jednoduše: "Jsou keramická ložiska lepší než ocel?" Zní: "Zlepší technologie hybridních keramických ložisek rychlost, teplotní chování, elektrickou spolehlivost a životnost tohoto vřetena za našich skutečných provozních podmínek?"
Pro mnoho-rychlostních přesných vřeten je odpověď ano. Pro ostatní zůstává praktičtější volbou dobře{2}}navržené ocelové ložisko. Rozdíl spočívá v technických důkazech, nikoli v materiální módě.