Истината за високоскоростните лагери за CNC шпиндели

Истината за високоскоростните лагери: Бърз отговор

Високоскоростният лагер не е просто лагер с голям брой обороти в минута в листа с данни. При CNC шпиндел използваемата скорост зависи от цялата лагерна система: размер на лагера, материал на търкалящия елемент, вътрешен дизайн, контактен ъгъл, предварително натоварване, разположение, клас на точност, метод на смазване, прилягания, охлаждане, натоварване, контрол на замърсяването и термично поведение на шпиндела.

Ето защо два лагера с подобни размери могат да имат много различна способност за скорост, повишаване на температурата, твърдост, шум и експлоатационен живот. Това е и причината лагер, който работи добре при 24 000 RPM в един шпиндел, може да не е подходящ за същата скорост в по-голям, по-тежко натоварен, различно смазан шпиндел.

Ключови изводи: оценете високоскоростните шпинделни лагери като част от система. Максималните обороти са само един вход. Факторът на скоростта, предварителното натоварване, смазването, термичната стабилност, твърдостта, товароносимостта, разположението на лагера и качеството на монтажа определят дали лагерът може да работи надеждно в истинския шпиндел.

Попитайте относно избора на лагер на шпиндела с ЦПУ

Какво представляват високоскоростните лагери?

Високоскоростните лагери са конструкции на лагери, оптимизирани да работят при повишена скорост на въртене, като същевременно контролират триенето, генерирането на топлина, центробежните ефекти, поведението при смазване, вибрациите и точността на работа. В приложенията за машинни инструменти и CNC шпиндели най-често срещаните високоскоростни решения включват супер прецизни сачмени лагери с ъглов контакт , често доставяни като съвпадащи комплекти с определено предварително натоварване.

В зависимост от архитектурата на шпиндела, високоскоростните сачмени лагери с ъглов контакт могат да се комбинират с цилиндрични ролкови лагери или други типове лагери, за да осигурят необходимия баланс на радиална опора, аксиална опора, твърдост, способност за термично разширение и скорост.

Защо RPM сам по себе си е лош показател за сравнение

20 mm лагер, работещ при 30 000 RPM, и 80 mm лагер, работещ при 30 000 RPM, не изпитват същото състояние на скоростта. По-големият лагер има по-висока скорост на търкалящия елемент и центробежни ефекти. Поради тази причина инженерите на лагерите често използват параметър на скоростта, базиран на скоростта на въртене и средния диаметър на лагера.

Коефициент на скорост = n × d _m

където n = скорост на въртене в r/min

d _m = (d + D) ÷ 2 , където d е диаметърът на отвора на лагера, а D е външният диаметър в mm.

Стойността n × d _m е полезна за сравняване на тежестта на скоростта, но все още не е универсална граница за преминаване/неуспех. Допустимата стойност зависи от серията лагери, клетката, материала на сачмата, предварителното натоварване, смазването, отвеждането на топлината, натоварването, напасванията и проектните данни на производителя.

6 фактора, които всъщност определят производителността на високоскоростния лагер

1. Размер на лагера и вътрешна геометрия

По-малките търкалящи се елементи и оптимизираната вътрешна геометрия могат да намалят центробежната сила и триенето при висока скорост. Въпреки това, намаляването на размера на топката може също да промени товароносимостта и твърдостта. Следователно високоскоростният дизайн включва компромис между скорост, твърдост, товароносимост, повишаване на температурата и необходимия живот на шпиндела.

2. Контактен ъгъл

Сачмените лагери с ъглов контакт предават натоварване по контактен ъгъл между сачмите и каналите. По-малките контактни ъгли обикновено се свързват с конструкции на шпиндел с по-висока скорост, докато по-големите контактни ъгли могат да осигурят по-голяма способност за аксиално натоварване. Правилният ъгъл трябва да бъде избран около натоварването на рязане на шпиндела, изискването за аксиална твърдост, интерфейса на инструмента, разположението на лагерите и целевата скорост.

Не избирайте контактен ъгъл само от скоростта. Лагер с отлична теоретична способност за скорост може да бъде лош избор, ако шпинделът изисква по-голяма аксиална твърдост или капацитет на натиск, отколкото устройството може да осигури.

3. Предварително натоварване

Предварителното натоварване премахва вътрешния луфт и може да подобри твърдостта на шпиндела и точността на движение. Но повече предварително натоварване не винаги е по-добро. Прекомерното предварително натоварване увеличава вътрешното контактно натоварване, триенето и топлината, което може да намали постижимата скорост и живота на лагера.

4. Метод на смазване и количество на смазочния материал

Високоскоростните шпинделни лагери са изключително чувствителни към смазване. Твърде малко смазка може да причини неадекватно образуване на филм и износване. Твърде много грес може да увеличи разбиването, триенето и температурата, особено по време на разработка.

5. Топлинно управление

Тъй като температурата на лагера се повишава, вискозитетът на смазката пада и лагерните пръстени, валът, корпусът и компонентите на шпиндела се разширяват. Тези промени могат да променят работното предварително натоварване и хлабината при движение. Шпиндел, който е стабилен, когато е студен, може да се държи различно след дълъг цикъл на висока скорост.

Поради това ефективният дизайн на шпиндела взема предвид генерирането на топлина от лагера заедно с охлаждането на корпуса, растежа на вала, топлината на двигателя, охлаждащата течност или водно охлаждащите вериги, температурата на смазване и процедурите за загряване.

6. Клас на точност, пасвания, монтаж и чистота

Свръх прецизните лагери могат да използват класове на толерантност като ISO P4, P2 или специфични за производителя степени на точност. Тези класове са важни, но сами по себе си не гарантират окончателното биене на шпиндела. Геометрията на вала, геометрията на корпуса, правоъгълността на рамото, приляганията, силата на затягане, съвпадащата ориентация на комплекта, чистотата на сглобяването и състоянието на държача на инструмента влияят на резултата от сглобяването.

При висока скорост малки грешки при сглобяване и замърсяване могат да станат основни източници на топлина, вибрации и преждевременно износване.

Хибридни керамични срещу стоманени лагери за високоскоростни шпиндели

Хибридните керамични лагери обикновено използват търкалящи елементи от силициев нитрид (SiN ₃) ₄със стоманени лагерни пръстени. Не са изцяло керамични лагери. Техните по-леки керамични топки могат да намалят центробежните ефекти при висока скорост на въртене и могат да поддържат по-ниско триене и по-ниско генериране на топлина в правилно проектирани шпинделни системи.

Въпреки това, керамичните топки не правят автоматично всяко вретено по-добро. Цената, натоварването, предварителното натоварване, смазването, ударното натоварване, архитектурата на шпиндела, целевата скорост и необходимата коравина все още трябва да бъдат взети предвид.

Разположението на лагерите е толкова важно, колкото и самият лагер

Шпинделите на машинните инструменти рядко разчитат на един изолиран лагер. Ъгловите контактни лагери често се монтират като съвпадащи двойки или комплекти. Разположението определя как шпинделът се справя с аксиално натоварване, радиално натоварване, моментно натоварване, твърдост и топлинно разширение.

6 често срещани мита за високоскоростните шпинделни лагери

Мит 1: Лагерът с най-висок рейтинг на оборотите винаги е по-добър

Невярно. Оценката на скоростта е валидна само при определени условия на изпитване и приложение. Натоварването, смазването, предварителното натоварване, охлаждането, разположението на лагерите, монтажите и околните компоненти влияят върху постижимата скорост в действителния шпиндел.

Мит 2: Керамичните лагери винаги са по-добри от стоманените

Невярно. Хибридните керамични лагери могат да осигурят важни предимства при висока скорост, но добре проектираният стоманен лагер може да бъде правилният инженерен и търговски избор при по-ниска или умерена скорост. Подходящото приложение е по-важно от етикета на материала.

Мит 3: По-високото предварително натоварване винаги означава по-висока прецизност

По-високото предварително натоварване може да увеличи твърдостта, но прекомерното предварително натоварване увеличава топлината и вътрешното напрежение. При висока скорост топлинният ефект може да стане достатъчно голям, за да намали надеждността и маржа на скоростта.

Мит 4: Повече грес означава по-добра защита

Невярно. Излишната грес може да доведе до разбиване и необичайна топлина. Високоскоростните шпинделни лагери изискват правилния тип грес, контролирано количество за пълнене и правилна процедура за разработване.

Мит 5: P4 или P2 лагер автоматично гарантира ниско биене на върха на инструмента

Невярно. Прецизността на лагера е един от участниците. Окончателното биене на инструмента също зависи от шпинделния вал, конуса, леглата на лагера, монтажа, държача на инструмента, цангата, гайката, режещия инструмент, замърсяването и дължината на измервателния уред.

Мит 6: Всяка ранна повреда на лагера е проблем с качеството на лагера

Възможни са дефекти на лагера, но ранната повреда може също да е резултат от замърсяване, неправилно закрепване, прекомерно предварително натоварване, недостатъчно или прекомерно смазване, повреда на охлаждането, повреда при катастрофа, електрически ефекти, дисбаланс, претоварване, неправилна инсталация или работа извън планираната скорост/натоварване.

Високоскоростни лагери срещу стандартни лагери

Как да изберете високоскоростен лагер за CNC шпиндел

Надеждният избор започва с условията на работа на шпиндела, а не с номер на част на лагера, копиран от друга машина.

1. Определете реалния диапазон на скоростта и работния цикъл

Запишете нормални работни обороти в минута, максимални обороти в минута, честота на ускорение, време, прекарано на висока скорост, стратегия за загряване и дали шпинделът работи непрекъснато или с прекъсвания. Шпиндел, който докосва 24 000 RPM за кратки цикли на гравиране, има различни термични изисквания от този, който остава близо до максимална скорост в продължение на часове.

2. Дефинирайте радиални, аксиални и моментни натоварвания

Натоварването при рязане зависи от материала, диаметъра на ножа, стърчането на инструмента, подаването, дълбочината на рязане, интерфейса на държача на инструмента и стратегията за обработка. Лагерният комплект трябва да поддържа тези натоварвания, без да се жертва необходимата скорост и твърдост.

3. Задайте изисквания за твърдост и точност

Определете изискванията за изтичане, покритие на повърхността, повторяемост на размерите и сила на рязане на приложението. Това ръководи серия лагери, контактен ъгъл, клас на предварително натоварване, разположение, обхват на лагера и дизайн на шпинделния вал.

4. Изберете Смазване и охлаждане заедно

Един и същ лагер може да има различна допустима скорост при смазване с грес и масло-въздух. Следователно смазването трябва да бъде избрано по време на проектирането на шпиндела, а не да се добавя като последваща мисъл.

5. Решете дали хибридните керамични топки добавят реална стойност

Хибридните керамични лагери са особено привлекателни, когато шпинделът работи с висока скорост и термичното поведение е критично. За приложения с по-ниска скорост добавената цена може да осигури ограничена възвращаемост. Сравнете пълните изисквания за вретено, вместо да избирате керамични топки като маркетингова функция.

6. Потвърдете пасва, корпус, вал и метод на сглобяване

Допустимите отклонения на гнездото на лагера, геометричната точност, повърхностното покритие, геометрията на рамото, затягащите гайки, точността на дистанционните елементи и силата на монтаж влияят на окончателното състояние на лагера. Прецизните лагери не могат да компенсират лоши компоненти на шпиндела или небрежен монтаж.

Контролен списък за закупуване на високоскоростен шпинделен лагер

Знаци, че високоскоростна лагерна система на шпиндела се нуждае от внимание

• Температурата на лагера или шпиндела се повишава по-бързо или по-високо от установената базова линия.

• Появяват се нови високочестотни шумове, бучене, щракане или промени в тона.

• Вибрацията се увеличава при определени диапазони на оборотите.

• Биенето на шпиндела или на върха на инструмента се увеличава в сравнение с предишни измервания.

• Повърхностното покритие се влошава без ясна причина за инструментите или програмирането.

• Животът на инструмента намалява или ножовете се износват неравномерно.

• Шпинделът изисква по-продължително загряване, за да се стабилизира.

• Алармите за смазване, охлаждане или подаване на въздух стават по-чести.

Тези симптоми не доказват, че самият лагер е дефектен. Диагностицирайте цялата шпинделна система, включително инструментална екипировка, баланс, охлаждане, смазване, двигател, енкодер, вал, държач на инструмента, цанга и скорошна история на сривове.

Високоскоростни лагери в CNC шпинделни приложения на Zhong Hua Jiang

Изборът на лагер е особено важен при високоскоростните шпинделни двигатели с ЦПУ, тъй като мощността на шпиндела, оборотите в минута, размерът на цангата, охлаждането, натоварването на инструмента, работният цикъл и предвиденият материал влияят на работното състояние на лагера. Zhong Hua Jiang предлага CNC шпинделни конфигурации, които използват конструкции на керамични сачмени лагери в избрани високоскоростни шпинделни модели.

Например, някои конфигурации на шпиндел с водно охлаждане Zhong Hua Jiang са определени за високоскоростно CNC фрезоване и гравиране с керамични сачмени лагери. Правилният шпиндел трябва да бъде избран от цялото приложение, а не само от думата 'керамика'.

Когато заявявате опора на шпиндела, осигурете необходимата мощност, напрежение, номинални и максимални обороти в минута, интерфейс на цанга или държач на инструменти, материал, диаметър на ножа, работен цикъл, метод на охлаждане, VFD, тип машина и очаквано натоварване при рязане. Ако подменяте съществуващ шпиндел, предоставете също табелката и монтажните размери.

Получете препоръка за CNC шпиндел

ЧЗВ относно високоскоростните лагери

Какво се счита за високоскоростен лагер?

Няма единични обороти в минута, които да правят всеки лагер 'високоскоростен'. Диаметърът на лагера променя тежестта на състоянието на скоростта, така че инженерите също използват параметъра на скоростта n × d _m . Проектните ограничения на производителя на лагера, методът на смазване, предварителното натоварване, натоварването, охлаждането и условията на приложение трябва да определят пригодността.

Какво означава n × dm за високоскоростен лагер?

Това е фактор на скоростта, изчислен чрез умножаване на скоростта на въртене n по средния диаметър на лагера d _m . Средният диаметър обикновено се изчислява като (отвор на лагера + външен диаметър на лагера) ÷ 2. Това позволява по-смислено сравнение от RPM само по себе си.

По-добри ли са керамичните лагери за високоскоростни CNC шпиндели?

Хибридните керамични лагери могат да предложат важни предимства при висока скорост, тъй като топките от силициев нитрид имат по-ниска маса от стоманените топки и могат да намалят центробежните ефекти и генерирането на топлина. Те не са автоматично най-добрият избор за всяко вретено; цената, натоварването, предварителното натоварване, смазването, твърдостта и скоростта на работа все още имат значение.

Хибридните керамични лагери изцяло керамични ли са?

Не. При шпинделни приложения 'хибридна керамика' обикновено означава керамични търкалящи се елементи - обикновено топки от силициев нитрид - съчетани със стоманени вътрешни и външни пръстени.

Повече предварително натоварване на лагера подобрява ли CNC шпиндела?

Не винаги. Увеличаването на предварителното натоварване може да повиши твърдостта на шпиндела, но също така увеличава вътрешното натоварване, триенето и топлината. Високоскоростните шпиндели често изискват внимателен избор на предварително натоварване, за да се балансира твърдостта с възможностите за температура и скорост.

Дали смазването с грес или масло-въздух е по-добро за високоскоростни шпинделни лагери?

И двете могат да бъдат подходящи. Гресът предлага по-опростена система и се използва широко в шпинделни лагери, докато смазването масло-въздух може да поддържа много високоскоростни приложения чрез доставяне на малки контролирани количества смазка. Правилният избор зависи от конструкцията на лагера, целевата скорост, температурата, работния цикъл и архитектурата на шпиндела.

Може ли твърде много грес да повреди високоскоростен лагер на шпиндела?

Излишната грес може да създаде разбиване и необичайна топлина, особено по време на разработка. Лагерите на високоскоростния шпиндел трябва да използват типа грес и количеството за пълнене, определени за конструкцията на лагера и шпиндела.

Какъв тип лагер обикновено се използва във високоскоростни CNC шпиндели?

Свръхпрецизните сачмени лагери с ъглов контакт са широко използвани, защото могат да поддържат комбинирани радиални и аксиални натоварвания, като същевременно осигуряват контролирано предварително натоварване и висока точност на движение. Някои конструкции на шпиндели също използват цилиндрични ролкови лагери или други типове лагери като част от цялостното устройство.

Прецизният лагер гарантира ли ниско биене на CNC шпиндела?

Не. Прецизните лагери са важни, но крайното биене зависи от шпинделния вал, лагерните гнезда, конусността, корпуса, разположението на лагерите, монтажа, държача на инструмента, цангата, режещия инструмент, замърсяването и мястото на измерване.

Как мога да разбера дали лагерите на шпиндела са повредени?

Честите предупредителни знаци включват необичаен шум, нарастваща вибрация, по-висока работна температура, нарастващо биене, влошаване на повърхността и по-кратък живот на инструмента. Тези симптоми трябва да предизвикат диагностика на цялата шпинделна система, а не незабавно предположение за дефектен лагер.

Заключение: Високоскоростните лагери са системен резултат

Най-важната истина за високоскоростните лагери е, че няма единична спецификация, която да определя дали един лагер ще работи добре в CNC шпиндел . Обороти в минута, керамични топки, степен на прецизност или предварително натоварване могат да имат значение, но не трябва да се оценява самостоятелно.

Надеждният високоскоростен дизайн на шпиндела изисква правилната комбинация от размер на лагера, фактор на скоростта, вътрешна геометрия, контактен ъгъл, предварително натоварване, разположение, смазване, охлаждане, прилягания, чистота, точност на вала и корпуса, натоварване при рязане и термично управление.

За купувачите на ЦПУ и машиностроителите практическият въпрос не е 'Кой лагер има най-високите обороти в минута?', а 'Коя лагерна система може да осигури необходимата скорост, твърдост, точност, температурна стабилност и експлоатационен живот в този конкретен шпиндел?'

Свържете се с Zhong Hua Jiang за поддръжка на шпиндела