При умеренных скоростях шпинделя стальные подшипники качения остаются разумным и экономичным инженерным выбором. Они широко доступны, механически прочны, знакомы специалистам по техническому обслуживанию и проверены на бесчисленных станках-.
Баланс меняется по мере увеличения скорости шпинделя.
Высокоскоростной-прецизионный шпиндель оценивается не только по тому, может ли он вращаться с заданной частотой вращения. Он должен сохранять биение, предварительную нагрузку, жесткость, контроль температуры, качество поверхности и срок службы подшипника при работе при изменяющихся нагрузках резания. Он также должен выдерживать загрязнение, прерывистые рабочие циклы, электрические воздействия,-индуцированные двигателем, и многократное тепловое расширение.
В этих условиях важное значение приобретают современные керамические материалы,-особенно нитрид кремния, или Si₃N₄-. Наиболее распространенной конфигурацией является не полностью керамический подшипник шпинделя. Это гибридный керамический подшипник шпинделя, сочетающий керамические шарики из нитрида кремния с внутренним и внешним кольцами из прецизионной стали.
В этой конструкции используется керамика, где преимущества контакта качения-наибольшие, при этом сохраняется сталь, где проверенная геометрия дорожек качения, практика монтажа и управление нагрузкой по-прежнему имеют значение.
Проблема скорости: центробежная сила
Основным преимуществом керамических шариков в высокоскоростном прецизионном шпинделе является их меньшая масса.
Нитрид кремния имеет плотность около 3,2 г/см³ по сравнению с примерно 7,6–7,8 г/см³ для подшипниковой стали. С практической точки зрения керамический шар может быть примерно на 58% легче стального шара аналогичного размера.
Эта разница становится более важной по мере увеличения скорости вращения.
Центробежная сила быстро возрастает с увеличением скорости. Более тяжелый стальной шарик прикладывает большую силу к внешней дорожке качения по мере ускорения шпинделя, увеличивая контактное напряжение, трение, нагрузку на сепаратор и выделение тепла. Более легкий шарик из нитрида кремния снижает центробежную нагрузку. Подшипник может работать при более высоком значении DN-диаметра отверстия подшипника, умноженном на скорость вращения-до того, как тепловые и механические ограничения станут ограничительными.
Гибридные керамические подшипники обычно выбирают для высокоскоростных-шпиндельных систем, поскольку меньшая масса-элемента качения может снизить нагрев и обеспечить более высокую практическую скорость вращения. В опубликованных руководствах по применению упоминаются гибридные керамические подшипники, работающие при диаметре более 1,5 миллиона DN в подходящих конфигурациях, в то время как усовершенствованные конструкции шпинделей могут превышать 2,0 миллиона DN в зависимости от геометрии подшипника, смазки, предварительного натяга, охлаждения и всей системы шпинделя.
Это не означает, что керамика автоматически ускоряет каждый шпиндель. Скорость шпинделя по-прежнему ограничивается смазкой, конструкцией сепаратора, качеством балансировки, нагревом двигателя, предварительным натягом подшипника и динамикой ротора. Керамические шарики просто устраняют одно из главных препятствий: чрезмерную центробежную нагрузку.
Нагрев, предварительная нагрузка и тепловой дрейф
Тепло представляет собой постоянную угрозу точности обработки. Он изменяет зазор подшипника, изменяет предварительную нагрузку, смещает рост шпинделя и влияет на центральную точку инструмента.
Сталь и нитрид кремния по-разному реагируют на температуру. Нитрид кремния имеет гораздо меньший коэффициент теплового расширения, чем подшипниковая сталь. Типичные опубликованные сравнения показывают, что нитрид кремния составляет около 3–4 × 10⁻⁶/K, тогда как сталь обычно составляет около 11–12,5 × 10⁻⁶/K.
Для высокоскоростного-шпинделя меньшее расширение может сделать поведение подшипника менее чувствительным к изменению температуры. Керамические шарики также передают меньше тепла между кольцами подшипника, чем стальные тела качения. Это может помочь уменьшить изменение предварительной нагрузки,-зависимое от температуры, которое может произойти во время прогрева-.
Выгоду следует подробно описать. В гибридном подшипнике по-прежнему используются стальные кольца, а вал шпинделя, корпус, смазка, двигатель и контур охлаждения — все это влияет на окончательный температурный рост. Керамические шарики – это часть стратегии-управления температурным режимом, а не ее замена.
Тем не менее, когда допуск на обработку измеряется в микронах, уменьшение количества и серьезности тепловых переменных имеет реальную ценность.
Твердость и износостойкость
Нитрид кремния значительно тверже подшипниковой стали. В одном репрезентативном сравнении указано, что нитрид кремния имеет примерно 1600 HV по сравнению с примерно 700 HV для стали, а также более высокий модуль упругости примерно 310 ГПа по сравнению с 190 ГПа для стали.
Практический результат – лучшая стойкость к износу-контактов качения, если подшипник правильно подобран, смазан и собран. Более твердые керамические шарики сохраняют полированную поверхность качения, уменьшая потери на трение и ограничивая абразивные повреждения от незначительного загрязнения.
Это особенно актуально в сфере прецизионного шлифования, сверления печатных плат, высокоскоростного-фрезерования, полупроводникового оборудования, оптического производства и автоматизированного контроля. В этих случаях состояние подшипников напрямую связано с вибрацией, качеством поверхности, повторяемостью и интервалами технического обслуживания.
Керамика не является неразрушимой. Он твердый, но остается хрупким по сравнению со сталью. Сильные ударные нагрузки, неправильная сборка, чрезмерная предварительная нагрузка, несоосность и мусор могут привести к повреждению любого прецизионного-подшипника. Гибридный подшипник следует выбирать исходя из реальных условий эксплуатации, а не просто в качестве модернизации.
Электрическую изоляцию часто упускают из виду
Современные шпиндели часто работают с частотно-регулируемыми-приводами, сервосистемами и высокоскоростными-двигателями. Электрический разряд при определенных условиях может проходить через подшипник, вызывая рифленые или-повреждения на дорожках качения.
Керамические шарики являются электроизолирующими. В гибридном керамическом подшипнике они прерывают нормальный электрический контакт -качения между стальными кольцами. Это может снизить риск возникновения электрической дуги в подшипнике, особенно в электрочувствительных двигателях и шпинделях.
Здесь также имеет значение формулировка: гибридный подшипник не обязательно является полностьюизолированная подшипниковая системапотому что его стальные кольца остаются проводящими. Если требуется полная электрическая изоляция, проектировщикам могут потребоваться изолирующие покрытия, полностью керамические подшипниковые узлы, решения для заземления вала- или другие меры по снижению электрического напряжения.
Краткий обзор керамики и стали
| Фактор производительности | Стальной подшипник шпинделя | Гибридный керамический подшипник шпинделя |
|---|---|---|
| Плотность подвижных-элементов | Выше | Ниже; уменьшенная центробежная нагрузка |
| Высокая-скорость | Проверено на средних---высоких скоростях. | Часто предпочтительнее для очень высокоскоростных-шпинделей. |
| Выработка тепла | Выше при эквивалентных экстремальных скоростях | Потенциально ниже из-за уменьшения массы и трения. |
| Тепловое расширение | Выше | Керамические шарики расширяются меньше |
| Твердость и износостойкость | Хороший | Более высокая твердость-элементов качения |
| Электрическое поведение | Проводящая дорожка качения | Керамические шарики обеспечивают электрическое прерывание. |
| Устойчивость к ударам | Обычно более снисходительный | Требует осторожного обращения и правильной предварительной нагрузки. |
| Расходы | Более низкая первоначальная стоимость | Более высокая первоначальная стоимость, потенциально более низкий риск жизненного цикла |
Точность зависит от всей системы
Керамический подшипник не может исправить плохо сбалансированный ротор, нестабильное основание машины, неадекватную систему охлаждения или корпус шпинделя, который перемещается при каждом изменении температуры. Высокая-точность достигается благодаря системе: выбору подшипников, стратегии предварительной нагрузки, смазке, управлению двигателем, жесткости корпуса, виброизоляции, термическому расчету и метрологии.
Это одна из причин, по которой UNPARALLELED® приближает прецизионные керамические компоненты к прецизионному граниту, минеральному литью, прецизионному металлу и другим конструкционным материалам. В высокотехнологичном-оборудовании шпиндель не является изолированной частью. Это часть прецизионной цепочки, включающей корпус машины, опорные направляющие, монтажные интерфейсы, устойчивость к воздействию окружающей среды и возможности измерения.
Для закупщиков и менеджеров по качеству лучший вопрос не просто: «Керамические подшипники лучше стальных?» Вопрос в следующем: «Улучшит ли технология гибридных керамических подшипников скорость, температурные характеристики, электрическую надежность и срок службы этого шпинделя в наших реальных условиях эксплуатации?»
Для многих высокоскоростных прецизионных шпинделей ответ — да. Для других более практичным выбором остается-хорошо спроектированный стальной подшипник. Разница заключается в технических доказательствах, а не в материальной моде.