Клас точност на лагера и сдвоена схема за шпинделите на металорежещи машини: как да изберете P5/P4/P2/P4S и DB/DF/DT

Защо самият клас на лагера не задава точността на детайла

Класът точност е пакет толеранси за отвора, външния диаметър и точността на въртене, включително радиално, челно и аксиално биене¹⁶. Затягането на тези толеранси намалява биенето и вибрацията, което е точно това, което подобрява грапавостта на обработената повърхност и точността на позициониране⁷.

Уловката е, че биенето на сглобения шпиндел е сумата от толерансите на всички компоненти, така че геометрията на вала и корпуса трябва да отговаря на класа на лагера⁷. Висококласов лагер, пресован в корпус, обработен по по-груб клас, не дава класа, за който е купен.

Същата логика минава през посадките: допустимите толеранси на вала и корпуса са само с малко по-големи от тези на съответните компоненти на лагера, а посадката трябва да предотвратява въртене на пръстена и фретинг, като същевременно поддържа сравнително тънките лагерни пръстени¹⁷.

Прецизността и вътрешният ход също са отделни променливи — високопрецизен лагер не е същото като лагер с почти никакъв ход, и двете често се бъркат¹. Преди да сравнявате класове, проверете, че валът и корпусът могат да задържат геометрията, която класът предполага.

Кой клас точност изисква режимът на шпиндела

Шпинделите на металорежещи машини се срещат спрямо класовете P5, P4, P2 и ABEC9, като горният край се използва там, където са нужни биене и висока точност при скорост¹⁵.

В рамките на този диапазон ISO P4 (ABEC-7) е описан като подходящ за повечето CNC обработки, с тясни толеранси за отвора, външния диаметър и точността на въртене⁷. ISO P2 (ABEC-9) е стъпката по-горе, използван в свръхвисокоскоростни шпиндели и там, където е нужен изключителен контрол на биенето⁷.

P4S е хибрид: размерни толеранси по ISO P4 с точност на въртене по ISO P2, описан като обща отраслева практика сред големите европейски производители и широко използван във високоскоростни мотор-шпиндели⁷.

Тази комбинация е практическата отговор, когато шпинделът се нуждае от точност на въртене на ниво P2, но корпусът и валът са изградени по размери P4.

Нито един източник в този набор не прави нито един клас задължителен за даден тип шпиндел, и нито един не публикува стойности на биенето по класове, така че изборът трябва да се обоснове от режима, а не да се прочете от таблица.

Избор на сдвоена схема: DB, DF или DT

Ъгловите лагери с топки са обичайният избор за шпиндел, защото ъгълът на допир дава висока аксиална коравост и капацитет при комбинирани натоварвания, а по-стръмен ъгъл повишава аксиалната коравост още⁸¹⁰. Едноредовите ъглови лагери с топки носят аксиално натоварване само в едната посока, така че двупосочен упор или по-висока твърдост означава сдвояване⁹¹⁰.

Трите сдвоявания правят различна работа. Схемата „O“ (DB) дава висока коравост спрямо момент и пасва на моментни натоварвания; препоръчва се, когато при леко натоварване са нужни висока скорост и висока точност на въртене, и е схемата, която отговаря на преднатягане за коравост¹⁰¹⁸.

Схемата „X“ (DF) компенсира ъглова несъосност между вал и корпус и улеснява монтажа, когато между вътрешния пръстен и вала се изисква притискане¹⁰¹⁸. Тандемната схема (DT) удвоява аксиалната товароподемност, като разпределя натоварването между двата лагера¹⁰.

И трите са приложими за шпинделите на металорежещи машини, и тандемът и схемата „X“ остават възможни там, където препоръката е схема „O“¹⁸. Решението за схема затова следва доминиращото натоварване и условието на монтаж, а не класа.

Едно ограничение, което да внесете в проектирането: ъгловите лагери с топки понасят много малка несъосност, и несъосност над тази граница създава неравномерно разпределение на натоварването и съкращава ресурса⁸.

Закрепете преднатягането, преди схемата да е замразена

Преднатягането е лостът, който превръща схемата в корав шпиндел. Без него лагерът има вътрешен ход и първо трябва да го избере, преди да поеме натоварване; това първоначално преместване е достатъчно, за да се загуби точност и да се получи втресене или лоша повърхност¹⁹.

Преднатягането премахва хода, така че топките и пътните канавки остават в контакт и готови да носят натоварване, повишавайки коравостта и точността на въртене — характеристиките, които имат значение на шпинделите на металорежещи машини и шлифовъчното оборудване¹⁰¹⁹.

Силата на преднатягане се задава по-голяма от всяко очаквано външно натоварване, така че няма относително движение между топките и пътните канавки¹⁹. Преднатягането е и регулируемо, което позволява коравостта да се настройва и да се избегне плъзгане на топките, но регулирането изисква внимание⁸¹⁸.

Ходът взаимодейства с температурата: ако вътрешният пръстен или валът работят по-горещи от външния пръстен или корпуса, ходът намалява с разширяването на вала, така че в този случай е желателен по-висок начален радиален ход¹¹. Изборът на ход от своя страна влияе на шума, вибрацията, топлинните напрежения, прогиба, разпределението на натоварването и уморния ресурс¹¹.

Източниците не указват методи за преднатягане — фиксиран, пружинен или хидравличен, нито стойности на преднатягането по схеми, така че методът и големината трябва да се договорят с доставчика на лагери.

Задайте смазването и тавана на скоростта заедно

Граничната скорост не е единствена каталожна цифра: тя зависи от типа, размерите и точността на лагера, метода на смазване, вида и количеството на смазващото вещество, формата и материала на клетката и условията на натоварване²².

Смазването със смазка обикновено сваля тавана на около 60-80% от лимита за маслено смазване, макар съотношението да варира по производител и серия²³. Това е приближение, съобщено от източник, а не отраслев стандарт, така че и двете стойности на граничната скорост — за смазка и масло — трябва да се проверят спрямо изискваните обороти²³.

Ъгловите лагери с топки работят по-горещи при високи скорости от лагерите с дълбоки жлебове заради плъзгащото триене по ъгъла на допир, а тяхната високоскоростна производителност зависи от оптимизиране на смазването и охлаждането и използване на високопрецизни клетки⁹.

Скоростният фактор (n x dm) е практическият индикатор колко тежко ще бъде за смазването и топлоотдаването; висока стойност може да изиска специална високоскоростна смазка, прецизни лагери или снижаване на товароподемността²⁴.

Спецификация със смазка затова не е автоматично грешна, но трябва да бъде обоснована спрямо тавана на скоростта и топлинния път, а не приемана по подразбиране.

Посадки и цел на ресурса, които да закрепите преди RFQ

Посадките и целта за надеждност са двата пункта, които най-често се оставят на подразбиращите се стойности на доставчика, и двата променят лагера, който шпинделът действително се нуждае.

Гатунците на толеранса на вала за въртящи се натоварвания на вътрешния пръстен се движат от h5/js6 при леки натоварвания до k6/m6/n6/p6/r6 с растежа на натоварването и диаметъра, с по-тесни гатунци (js5, k5, m5), където се изисква висока точност¹³.

За едноредови конични ролкови и ъглови лагери с топки k5 и m5 могат да се заменят с k6 и m6, защото намалението на вътрешния ход от посадката там не трябва да се взема предвид¹³.

• ✓Потвърдете гатунка на толеранса на вала спрямо натоварването и диаметъра, и преминете към js5/k5/m5, където се изисква висока точност [S13].
• ✓За едноредови ъглови или конични ролкови лагери проверете дали k6/m6 са приемливи вместо k5/m5 [S13].
• ✓Изведете изчислението на ресурса L10 с действителното еквивалентно динамично натоварване, а не пиковото [S4].
• ✓Задайте цел за надеждност над подразбиращите се 90%, където отказът е скъп или критичен за безопасността [S4].
• ✓Коригирайте резултата за ресурса за високоскоростните условия на смазване и топлина, и се допитайте до коригираните граници на производителя [S24].
• ✓Проверете хода спрямо очакваното температурно разпределение между вътрешен пръстен/вал и външен пръстен/корпус [S11].

Какво да изискате от доставчика преди поръчката

Фалшифицираните лагери са почти невъзможни за разпознаване от крайния потребител в момента на доставка, така че купувачът зависи от контрола на качеството в веригата за доставки⁶. Квалификацията затова трябва да се вгради в поръчката, а не да се провери при приемане.

• ✓Изисквайте от доставчика сертификация ISO 9001 [S32].
• ✓Изисквайте протоколи от изпитвания на материала, потвърждаващи чистотата на стоманата и състава на сплава [S32].
• ✓Изисквайте записи от размерни инспекции и изпитвания на вибрация/шум; за критични за срока двигатели над 200 HP — 100% изпитване на вибрация и шум в завода [S32].
• ✓Изисквайте пълна проследимост от суровината до финалната инспекция [S31].
• ✓Проверете наличността в стандартния каталог, преди да приемете специална конструкция [S4].
• ✓Потвърдете класа точност, уплътненията и метода на монтаж спрямо габаритите на шпиндела и средата [S4].

Къде източниците се разминават за избора на високоскоростен лагер

Разминаването е за това кой тип лагер с топки носи най-добре високата скорост, и има значение, защото отговорът променя топлинния път на шпиндела и смазването. Един източник представя ъгловите лагери с топки като високоскоростния, високопрецизен избор за шпинделите на металорежещи машини, като тяхната високоскоростна производителност се подобрява със смазване, охлаждане и прецизни клетки⁹.

Същият източник отбелязва, че лагерите с дълбоки жлебове имат по-ниско триене, по-висока гранична скорост и по-ниско повишаване на температурата⁹. Трети източник поставя и ъгловите лагери, и прецизните лагери с дълбоки жлебове в свръхвисокоскоростния режим, ограничен от отделянето на топлина, конструкцията на клетката и метода на смазване²³.

Източниците не решават кой тип побеждава за даден шпиндел, така че купувачът трябва да провери спрямо конкретната скорост, натоварване и охлаждане, а не спрямо общо правило.

Какво източниците не установяват

• Няма числови стойности за радиално или осево биене (TIR) по класове прецизност или компонировки.
• Няма числови резултати за кръглост на детайла, чистота на повърхнината или размерна точност, свързани с клас лагер.
• Няма числови стойности за статична или динамична твърдост по компонировки или нива на преднапрежение.
• Няма количествени данни за устойчивост на самовъзбуждащи се вибрации (chatter).
• Няма таблици DN или гранична скорост по класове и няма спецификации на изискванията за охлаждане.
• Няма спецификация на методите за преднапрежение — твърдо, пружинно или хидравлично, — и няма числови стойности на преднапрежението.
• Няма стойности за ресурс L10 или Lnm и интервали на поддръжка за конкретни класове или компонировки.
• Няма единични цени по класове прецизност и няма пълна разбивка на разходите за шпиндела.
• Няма срокове за доставка или минимални количества за поръчка по класове прецизност или компонировки.
• Няма изисквания за сертификация AS9100 или друга космическа и няма специални формати на протоколи за контрол за класовете прецизност на лагерите.
• Никой източник не разглежда допуските на корпуса и вала на шпиндела, специфични именно за класовете прецизионни шпинделни лагери, отвъд общите таблици за прилягане.