Prawda o szybkich łożyskach do wrzecion CNC

Prawda o łożyskach do dużych prędkości: szybka odpowiedź

Łożysko szybkobieżne to nie tylko łożysko z dużą liczbą obrotów w arkuszu danych. W wrzecionie CNC użyteczna prędkość zależy od całego układu łożyskowego: rozmiaru łożyska, materiału elementu tocznego, konstrukcji wewnętrznej, kąta działania, napięcia wstępnego, układu, klasy dokładności, metody smarowania, pasowań, chłodzenia, obciążenia, kontroli zanieczyszczeń i zachowania termicznego wrzeciona.

Z tego powodu dwa łożyska o podobnych wymiarach mogą mieć bardzo różną prędkość, wzrost temperatury, sztywność, hałas i żywotność. Z tego też powodu łożysko, które dobrze pracuje przy 24 000 obr./min w jednym wrzecionie, może nie nadawać się do pracy przy tej samej prędkości w większym, mocniej obciążonym i inaczej smarowanym wrzecionie.

Kluczowy wniosek: ocena łożysk wrzecion o dużej prędkości jako części systemu. Maksymalne obroty to tylko jedno wejście. Współczynnik prędkości, napięcie wstępne, smarowanie, stabilność termiczna, sztywność, nośność, układ łożysk i jakość montażu decydują o tym, czy łożysko może niezawodnie pracować w rzeczywistym wrzecionie.

Zapytaj o wybór łożyska wrzeciona CNC

Czym są łożyska szybkobieżne?

Łożyska do dużych prędkości to konstrukcje łożysk zoptymalizowane do pracy przy podwyższonej prędkości obrotowej, przy jednoczesnej kontroli tarcia, wytwarzania ciepła, efektów odśrodkowych, smarowania, wibracji i dokładności pracy. W obrabiarkach i wrzecionach CNC najczęstsze rozwiązania wysokoobrotowe obejmują superprecyzyjne łożyska kulkowe skośne , często dostarczane w postaci dopasowanych zestawów z określonym napięciem wstępnym.

W zależności od architektury wrzeciona, szybkie łożyska kulkowe skośne można łączyć z łożyskami walcowymi lub innymi typami łożysk, aby zapewnić wymaganą równowagę podparcia promieniowego, podparcia osiowego, sztywności, rozszerzalności cieplnej i prędkości.

Dlaczego samo RPM jest kiepskim wskaźnikiem porównawczym

Łożysko 20 mm pracujące z prędkością 30 000 obr./min i łożysko 80 mm pracujące z prędkością 30 000 obr./min nie osiągają takich samych warunków prędkości. Większe łożysko charakteryzuje się większą prędkością elementów tocznych i większymi efektami odśrodkowymi. Z tego powodu inżynierowie zajmujący się łożyskami często używają parametru prędkości opartego na prędkości obrotowej i średniej średnicy łożyska.

Współczynnik prędkości = n × d _m

gdzie n = prędkość obrotowa w obr./min

d _m = (d + D) ÷ 2 , gdzie d jest średnicą otworu łożyska, a D jest średnicą zewnętrzną w mm.

Wartość n × d _m jest przydatna do porównywania intensywności prędkości, ale nadal nie jest uniwersalnym limitem pozytywnym/negatywnym. Dopuszczalna wartość zależy od serii łożyska, koszyka, materiału kulek, napięcia wstępnego, smarowania, odprowadzania ciepła, obciążenia, pasowań i danych projektowych producenta.

6 czynników, które faktycznie determinują wydajność łożysk przy dużych prędkościach

1. Rozmiar łożyska i geometria wewnętrzna

Mniejsze elementy toczne i zoptymalizowana geometria wewnętrzna mogą zmniejszyć siłę odśrodkową i tarcie przy dużych prędkościach. Jednakże zmniejszenie rozmiaru kulki może również zmienić nośność i sztywność. Dlatego konstrukcja charakteryzująca się dużą szybkością wiąże się z kompromisem pomiędzy szybkością, sztywnością, nośnością, wzrostem temperatury i wymaganą żywotnością wrzeciona.

2. Kąt zwilżania

Łożyska kulkowe skośne przenoszą obciążenie wzdłuż kąta działania pomiędzy kulkami i bieżniami. Mniejsze kąty zwilżania są powszechnie kojarzone z konstrukcjami wrzecion o większej prędkości, podczas gdy większe kąty zwilżania mogą zapewnić większą obciążalność osiową. Należy wybrać prawidłowy kąt w zależności od obciążenia skrawającego wrzeciona, wymagań dotyczących sztywności osiowej, interfejsu narzędzia, układu łożysk i prędkości docelowej.

Nie wybieraj kąta zwilżania na podstawie samej prędkości. Łożysko o doskonałej teoretycznej prędkości obrotowej może być złym wyborem, jeśli wrzeciono wymaga większej sztywności osiowej lub większej wytrzymałości na nacisk, niż może zapewnić układ.

3. Wstępnie załaduj

Napięcie wstępne usuwa luz wewnętrzny i może poprawić sztywność wrzeciona i dokładność działania. Jednak większe obciążenie wstępne nie zawsze jest lepsze. Nadmierne napięcie wstępne zwiększa wewnętrzne obciążenie styków, tarcie i ciepło, co może zmniejszyć osiągalną prędkość i żywotność łożyska.

4. Metoda smarowania i ilość smaru

Łożyska wrzecion szybkoobrotowych są niezwykle wrażliwe na smarowanie. Zbyt mała ilość smaru może powodować niewystarczające tworzenie się filmu i zużycie. Zbyt dużo smaru może zwiększyć ubijanie, tarcie i temperaturę, szczególnie podczas docierania.

5. Zarządzanie temperaturą

Wraz ze wzrostem temperatury łożyska spada lepkość smaru, a pierścienie łożyska, wał, obudowa i elementy wrzeciona rozszerzają się. Zmiany te mogą zmienić operacyjne napięcie wstępne i luz roboczy. Wrzeciono, które jest stabilne na zimno, może zachowywać się inaczej po długim cyklu z dużą prędkością.

Efektywna konstrukcja wrzeciona uwzględnia zatem wytwarzanie ciepła przez łożysko wraz z chłodzeniem obudowy, wzrostem wału, temperaturą silnika, obwodami chłodzenia chłodziwa lub wodą, temperaturą smarowania i procedurami nagrzewania.

6. Klasa precyzji, pasowania, instalacja i czystość

W łożyskach superprecyzyjnych można zastosować klasy tolerancji, takie jak ISO P4, P2 lub klasy dokładności określone przez producenta. Klasy te są ważne, ale same w sobie nie gwarantują końcowego bicia wrzeciona. Geometria wału, geometria obudowy, prostopadłość występu, pasowania, siła mocowania, orientacja dopasowanego zestawu, czystość montażu i stan oprawki narzędziowej – wszystko to wpływa na wynik montażu.

Przy dużej prędkości drobne błędy montażowe i zanieczyszczenia mogą stać się głównymi źródłami ciepła, wibracji i przedwczesnego zużycia.

Hybrydowe łożyska ceramiczne i stalowe do wrzecion o dużej prędkości

W hybrydowych łożyskach ceramicznych zwykle stosuje się elementy toczne z azotku krzemu (SiN ₃) ₄ze stalowymi pierścieniami łożyskowymi. Nie są to łożyska w pełni ceramiczne. Ich lżejsze kulki ceramiczne mogą redukować efekty odśrodkowe przy dużej prędkości obrotowej i mogą zapewniać niższe tarcie i mniejsze wytwarzanie ciepła w prawidłowo zaprojektowanych układach wrzecion.

Jednak kulki ceramiczne nie czynią automatycznie każdego wrzeciona lepszym. Należy wziąć pod uwagę koszt, obciążenie, napięcie wstępne, smarowanie, obciążenie udarowe, architekturę wrzeciona, prędkość docelową i wymaganą sztywność.

Układ łożysk ma znaczenie tak samo jak samo łożysko

Wrzeciona obrabiarek rzadko opierają się na jednym łożysku. Łożyska skośne są często instalowane jako dopasowane pary lub zestawy. Układ określa, w jaki sposób wrzeciono radzi sobie z obciążeniem osiowym, obciążeniem promieniowym, obciążeniem momentowym, sztywnością i rozszerzalnością cieplną.

6 powszechnych mitów na temat łożysk wrzecion o dużej prędkości

Mit 1: Łożysko o najwyższych obrotach jest zawsze lepsze

FAŁSZ. Indeks prędkości obowiązuje wyłącznie w określonych warunkach testu i zastosowania. Obciążenie, smarowanie, napięcie wstępne, chłodzenie, układ łożysk, pasowania i otaczające elementy wpływają na osiągalną prędkość w rzeczywistym wrzecionie.

Mit 2: Łożyska ceramiczne są zawsze lepsze niż łożyska stalowe

FAŁSZ. Hybrydowe łożyska ceramiczne mogą zapewniać istotne korzyści przy dużych prędkościach, ale dobrze zaprojektowane łożysko stalowe może być właściwym wyborem inżynieryjnym i komercyjnym przy niższych lub umiarkowanych prędkościach. Dopasowanie do zastosowania ma większe znaczenie niż etykieta materiału.

Mit 3: Wyższe napięcie wstępne zawsze oznacza większą precyzję

Wyższe napięcie wstępne może zwiększyć sztywność, ale nadmierne napięcie wstępne zwiększa ciepło i naprężenia wewnętrzne. Przy dużej prędkości efekt termiczny może stać się wystarczająco duży, aby zmniejszyć niezawodność i margines prędkości.

Mit 4: Więcej smaru oznacza lepszą ochronę

FAŁSZ. Nadmiar smaru może powodować ubijanie i nadmierne ciepło. Łożyska wrzecionowe o dużej prędkości wymagają odpowiedniego rodzaju smaru, kontrolowanej ilości napełnienia i właściwej procedury docierania.

Mit 5: Łożysko P4 lub P2 automatycznie gwarantuje niskie bicie końcówki narzędzia

FAŁSZ. Precyzja łożyska jest jednym z czynników. Końcowe bicie narzędzia zależy również od wału wrzeciona, stożka, gniazd łożysk, montażu, oprawki narzędziowej, tulei zaciskowej, nakrętki, narzędzia tnącego, zanieczyszczenia i długości pomiarowej.

Mit 6: Każda wczesna awaria łożyska jest problemem z jakością łożyska

Możliwe są wady łożysk, ale wczesna awaria może również wynikać z zanieczyszczenia, nieprawidłowego pasowania, nadmiernego napięcia wstępnego, niewystarczającego lub nadmiernego smarowania, awarii chłodzenia, uszkodzeń spowodowanych awarią, skutków elektrycznych, niewyważenia, przeciążenia, nieprawidłowego montażu lub pracy poza zamierzonym zakresem prędkości/obciążenia.

Łożyska do dużych prędkości a łożyska standardowe

Jak wybrać łożysko o dużej prędkości do wrzeciona CNC

Niezawodny wybór rozpoczyna się od warunków pracy wrzeciona, a nie od numeru części łożyska skopiowanego z innej maszyny.

1. Zdefiniuj zakres prędkości rzeczywistej i cykl pracy

Zapisz normalne obroty robocze, maksymalne obroty, częstotliwość przyspieszania, czas spędzony przy dużej prędkości, strategię nagrzewania oraz to, czy wrzeciono pracuje w sposób ciągły czy przerywany. Wrzeciono, które osiąga prędkość 24 000 obr./min w krótkich cyklach grawerowania, ma inne wymagania termiczne niż wrzeciono, które przez wiele godzin utrzymuje prędkość bliską maksymalnej.

2. Zdefiniuj obciążenia promieniowe, osiowe i momentowe

Obciążenie skrawania zależy od materiału, średnicy frezu, wysunięcia narzędzia, posuwu, głębokości skrawania, interfejsu uchwytu narzędzia i strategii obróbki. Zestaw łożysk musi wytrzymać te obciążenia bez utraty wymaganej prędkości i sztywności.

3. Ustal wymagania dotyczące sztywności i dokładności

Zdefiniuj wymagania dotyczące bicia, wykończenia powierzchni, powtarzalności wymiarów i siły skrawania dla danego zastosowania. Zawiera informacje o serii łożysk, kącie działania, klasie napięcia wstępnego, rozmieszczeniu, rozpiętości łożysk i konstrukcji wału wrzeciona.

4. Wybierz opcję Wspólne smarowanie i chłodzenie

To samo łożysko może mieć różną dopuszczalną prędkość w przypadku smarowania smarem plastycznym i olejowo-powietrznym. Dlatego też smarowanie należy wybrać podczas projektowania wrzeciona, a nie dodawać je po namyśle.

5. Zdecyduj, czy hybrydowe kulki ceramiczne dodają rzeczywistą wartość

Hybrydowe łożyska ceramiczne są szczególnie atrakcyjne, gdy wrzeciono pracuje z dużą prędkością, a zachowanie termiczne ma kluczowe znaczenie. W przypadku zastosowań o niższych prędkościach dodatkowy koszt może zapewnić ograniczony zwrot. Zamiast wybierać kulki ceramiczne w ramach funkcji marketingowej, należy porównać pełne wymagania dotyczące wrzeciona.

6. Potwierdź pasowanie, obudowę, wał i metodę montażu

Tolerancje gniazda łożyska, dokładność geometryczna, wykończenie powierzchni, geometria występu, nakrętki mocujące, dokładność podkładki dystansowej i siła montażowa wpływają na ostateczny stan łożyska. Łożyska precyzyjne nie są w stanie zrekompensować słabych elementów wrzeciona ani nieostrożnego montażu.

Lista kontrolna zakupu łożysk wrzeciona o dużej prędkości

Oznacza, że ​​system łożysk wrzeciona o dużej prędkości wymaga uwagi

• Temperatura łożyska lub wrzeciona rośnie szybciej lub wyżej niż ustalona wartość bazowa.

• Pojawiają się nowe szumy o wysokiej częstotliwości, dudnienie, klikanie lub zmiany tonalne.

• Wibracje rosną w określonych zakresach obrotów.

• Bicie wrzeciona lub bicie końcówki narzędzia wzrasta w porównaniu z poprzednimi pomiarami.

• Wykończenie powierzchni pogarsza się bez wyraźnej przyczyny związanej z narzędziami lub programowaniem.

• Żywotność narzędzia spada lub ostrza zużywają się nierównomiernie.

• Wrzeciono wymaga dłuższego nagrzewania w celu ustabilizowania się.

• Alarmy dotyczące smarowania, chłodzenia lub zasilania powietrzem stają się coraz częstsze.

Objawy te nie świadczą o uszkodzeniu samego łożyska. Zdiagnozuj kompletny system wrzeciona, w tym oprzyrządowanie, wyważenie, chłodzenie, smarowanie, silnik, enkoder, wał, oprawkę narzędziową, tuleję zaciskową i historię ostatnich awarii.

Łożyska wysokoobrotowe w zastosowaniach wrzecion CNC Zhong Hua Jiang

Dobór łożysk jest szczególnie ważny w przypadku szybkich silników wrzecion CNC, ponieważ moc wrzeciona, obroty na minutę, rozmiar tulei zaciskowej, chłodzenie, obciążenie narzędzia, cykl pracy i przeznaczony materiał wpływają na warunki pracy łożyska. Zhong Hua Jiang oferuje konfiguracje wrzecion CNC, które wykorzystują konstrukcje ceramicznych łożysk kulkowych w wybranych modelach wrzecion o dużej prędkości.

Na przykład niektóre konfiguracje wrzecion Zhong Hua Jiang chłodzonych wodą są przeznaczone do szybkiego frezowania CNC i grawerowania przy użyciu ceramicznych łożysk kulkowych. Właściwe wrzeciono należy jednak wybrać z całego zastosowania, a nie wyłącznie na podstawie słowa „ceramika”.

Zamawiając pomoc wrzeciona, podaj wymaganą moc, napięcie, znamionową i maksymalną prędkość obrotową, złącze tulei zaciskowej lub uchwytu narzędzia, materiał, średnicę frezu, cykl pracy, metodę chłodzenia, napęd VFD, typ maszyny i oczekiwane obciążenie skrawania. Jeśli wymieniasz istniejące wrzeciono, podaj także tabliczkę znamionową i wymiary montażowe.

Uzyskaj rekomendację dotyczącą wrzeciona CNC

Często zadawane pytania dotyczące łożysk szybkobieżnych

Co jest uważane za łożysko szybkobieżne?

Nie ma jednej prędkości obrotowej, która powoduje, że każde łożysko ma „dużą prędkość”. Średnica łożyska zmienia stopień warunku prędkości, dlatego inżynierowie używają również parametru prędkości n × _dm . Ograniczenia projektowe producenta łożysk, metoda smarowania, napięcie wstępne, obciążenie, chłodzenie i warunki stosowania powinny decydować o przydatności.

Co oznacza n × dm dla łożyska o dużej prędkości?

Jest to współczynnik prędkości obliczany poprzez pomnożenie prędkości obrotowej n przez średnią średnicę łożyska _dm . Średnią średnicę zwykle oblicza się jako (otwór łożyska + średnica zewnętrzna łożyska) ÷ 2. Umożliwia to bardziej znaczące porównanie niż sama liczba obrotów na minutę.

Czy łożyska ceramiczne są lepsze dla szybkich wrzecion CNC?

Hybrydowe łożyska ceramiczne mogą zapewniać istotne korzyści przy dużych prędkościach, ponieważ kulki z azotku krzemu mają mniejszą masę niż kulki stalowe i mogą zmniejszać efekty odśrodkowe i wytwarzanie ciepła. Nie są one automatycznie najlepszym wyborem dla każdego wrzeciona; koszt, obciążenie, napięcie wstępne, smarowanie, sztywność i prędkość robocza nadal mają znaczenie.

Czy hybrydowe łożyska ceramiczne są w pełni ceramiczne?

Nie. W zastosowaniach wrzecionowych „ceramika hybrydowa” zwykle oznacza ceramiczne elementy toczne — zwykle kulki z azotku krzemu — w połączeniu ze stalowymi pierścieniami wewnętrznymi i zewnętrznymi.

Czy większe napięcie wstępne łożyska poprawia wrzeciono CNC?

Nie zawsze. Zwiększanie napięcia wstępnego może zwiększyć sztywność wrzeciona, ale zwiększa również obciążenie wewnętrzne, tarcie i ciepło. Wrzeciona o dużej prędkości często wymagają starannego doboru napięcia wstępnego, aby zrównoważyć sztywność z dopuszczalną temperaturą i prędkością.

Czy w przypadku łożysk wrzecionowych o dużej prędkości jest lepsze smarowanie smarem czy olejem i powietrzem?

Obydwa mogą być odpowiednie. Smar oferuje prostszy system i jest szeroko stosowany w łożyskach wrzecion, podczas gdy smarowanie olejowo-powietrzne może wspierać zastosowania przy bardzo dużych prędkościach, dostarczając małe, kontrolowane ilości smaru. Właściwy wybór zależy od konstrukcji łożyska, docelowej prędkości, temperatury, cyklu pracy i architektury wrzeciona.

Czy zbyt dużo smaru może uszkodzić łożysko wrzeciona o dużej prędkości?

Nadmiar smaru może powodować ubijanie i nadmierne ciepło, szczególnie podczas docierania. W łożyskach wrzecion o dużej prędkości należy stosować rodzaj smaru i ilość wypełnienia określone dla konstrukcji łożyska i wrzeciona.

Jaki typ łożyska jest powszechnie stosowany w szybkich wrzecionach CNC?

Bardzo precyzyjne łożyska kulkowe skośne są szeroko stosowane, ponieważ mogą przenosić połączone obciążenia promieniowe i osiowe, zapewniając jednocześnie kontrolowane napięcie wstępne i wysoką dokładność pracy. Niektóre konstrukcje wrzecion wykorzystują również łożyska walcowe lub inne typy łożysk jako część kompletnego układu.

Czy łożysko precyzyjne gwarantuje niskie bicie wrzeciona CNC?

Nie. Łożyska precyzyjne są ważne, ale bicie końcowe zależy od wału wrzeciona, gniazd łożysk, stożka, obudowy, układu łożysk, montażu, oprawki narzędziowej, tulei zaciskowej, narzędzia tnącego, zanieczyszczenia i miejsca pomiaru.

Jak rozpoznać, czy łożyska wrzeciona ulegają awarii?

Typowe sygnały ostrzegawcze obejmują nietypowy hałas, rosnące wibracje, wyższą temperaturę pracy, rosnące bicie, pogarszające się wykończenie powierzchni i krótszą żywotność narzędzia. Objawy te powinny skłonić do diagnozy całego układu wrzeciona, a nie od razu zakładać, że łożysko jest uszkodzone.

Wniosek: Wydajność łożysk przy dużych prędkościach jest wynikiem systemu

Najważniejszą prawdą na temat łożysk szybkobieżnych jest to, że nie ma jednej specyfikacji, która określałaby, czy łożysko będzie dobrze działać we wrzecionie CNC . Prędkość obrotowa, kulki ceramiczne, klasa precyzji lub napięcie wstępne mogą mieć znaczenie, ale żadnego z nich nie należy oceniać osobno.

Niezawodna konstrukcja wrzeciona o dużej prędkości wymaga właściwej kombinacji rozmiaru łożyska, współczynnika prędkości, geometrii wewnętrznej, kąta działania, napięcia wstępnego, układu, smarowania, chłodzenia, pasowań, czystości, dokładności wału i obudowy, obciążenia skrawającego i zarządzania temperaturą.

Dla nabywców CNC i konstruktorów maszyn praktyczne pytanie nie brzmi: „Które łożysko ma najwyższe obroty?”. Pytanie brzmi: „Który system łożysk może zapewnić wymaganą prędkość, sztywność, dokładność, stabilność temperatury i żywotność w tym konkretnym wrzecionie?”

Skontaktuj się z Zhong Hua Jiangiem, aby uzyskać wsparcie dla wrzeciona