Wały liniowe: Wybór właściwego materiału, twardnienia i obróbki powierzchni

Wały liniowe wykonują wymagające zadania w zastosowaniach przemysłowych: Umożliwiają precyzyjne i powtarzalne ruchy liniowe przy dużych obciążeniach mechanicznych. Aby spełnić te wymagania, kluczowy jest właściwy dobór materiału, twardnienie i obróbka powierzchni. Wszystkie te czynniki mają bezpośredni wpływ na żywotność, precyzję i wydajność wału liniowego. W tym artykule przedstawiono te trzy aspekty i podkreślono ich zależności, dzięki czemu można wybrać najlepszy wałek liniowy do swojego zastosowania.

Wały liniowe w szczegółach

Wały liniowe w połączeniu z łożyskami liniowymi (np. tulejami łożysk ślizgowych i liniowymi łożyskami kulkowymi) działają jako prowadnica liniowa dla ruchów osiowych. Zazwyczaj są one wykonane z precyzyjnej stali, ale inne materiały są również możliwe do wyobrażenia. Istnieje kilka sposobów integracji wałów liniowych w systemie. Uchwyty na wałki są tylko jedną z wielu opcji, w zależności od kształtu wału. Aby uzyskać więcej informacji, zobacz nasz artykuł na temat wałów liniowych: Końcówki wału i opcje montażu wału liniowego.

Puste wały (kształt rury) stanowią specjalny kształt dla wałów liniowych. Puste wały mają wydrążone wnętrze na całej długości. Pozwala to zużyć mniej materiału, zmniejszając w ten sposób ciężar wału liniowego. Wały liniowe pełnią rolę wałków prowadzących dla łożysk liniowych. Przy prawidłowym użytkowaniu umożliwiają bardzo dokładne prowadzenie ruchu liniowego w zastosowaniach o wysokim zapotrzebowaniu na gładkość i precyzję. Aby spełnić ten wymóg i zapewnić niezawodne prowadzenie łożyska liniowego przez cały okres eksploatacji, kluczowe znaczenie ma interakcja między wyborem materiału, utwardzaniem i dowolną dodatkowo wymaganą obróbką powierzchni.

Dobór materiału według zamierzonego zastosowania

Liniowy dobór materiału wału opiera się na specyficznych wymaganiach zamierzonego zastosowania. W wielu przypadkach stal nieutwardzona, np. EN 1.1191 Equiv., może być stosowana w prostych zastosowaniach, np. w łożyskach ślizgowych bezobsługowych. Dodatkowa twarda chromowana powłoka poprawia wykończenie powierzchni i odporność powierzchni. Powłoki LTBC pozwalają poprawić odporność na korozję. Wał powinien być zasadniczo znacznie twardszy niż łożysko ślizgowe.

W przypadku liniowych łożysk kulkowych lub wyższych wymagań precyzyjnych należy stosować twardszą lub indukcyjną stal hartowaną. Wał liniowy i łożyska kulkowe liniowe powinny mieć wówczas taką samą twardość. W tym przypadku można również zastosować stal precyzyjną CF53 lub EN 1.1213. Stal ta jest niestopowa i nadaje się do hartowania indukcyjnego i płomieniowego. Dzięki średniej zawartości węgla można go precyzyjnie obrobić, co jest korzystne, również wtedy, gdy trzeba spełnić wymagania dotyczące wysokiej dokładności

Wybrany materiał powinien łączyć następujące główne właściwości zgodnie z ważeniem wymaganym przez aplikację:

• Wysoka wytrzymałość materiału, która pozwala na mniejszą wagę
• Utwardzanie lub twardość
• Wysoka plastyczność – czułość przy niskim nacięciu

Należy rozważyć połączenie optymalnej wydajności, żywotności i wydajności:

• Jakie są warunki środowiskowe? Czy stal nierdzewna jest potrzebna?
• Jakiego rodzaju obciążenia występują (istotne dla twardości materiału)?
• Jaka twardość powierzchni jest potrzebna? Czy odpowiedni element, na przykład liniowe łożysko kulkowe lub tuleja łożyska ślizgowego, wraz z transportowanym obciążeniem?
• Czy dostępna jest wymagana precyzja?
• Jaki jest koszt?
• Jaki sposób montażu jest używany? Może to być istotne dla czułości nacięcia.

Jeśli głównym celem jest twardość i odporność na zużycie, należy stosować hartowane gatunki stali, takie jak stal o numerze materiału 1.3505 lub stal z powierzchniami nitowanymi. Te gatunki stali wytrzymują również intensywne użytkowanie i zużycie mechaniczne.

Chociaż kształt końców trzonów nie jest kryterium wyboru dla materiału wału liniowego, wpływa on na twardość powierzchni obszarów hartowanych. Rozważania dotyczące istniejących opcji montażu i wynikających z nich końcówek wałów mają sens, zwłaszcza gdy wymagane są wyspecjalizowane funkcje, np. wały liniowe z kołkami gwintowanymi.

Wały hartowane lub nieutwardzone

Wałki ze stali hartowanej powinny być stosowane w przypadku wymagań dotyczących łożysk o wysokiej precyzji lub wyższych. Takie wały liniowe, zwane również wałami precyzyjnymi, są zwykle wałami hartowanymi termicznie (indukcyjnymi) ze stali hartowanej z rdzeniem ciągliwym. Alternatywnie, w niektórych zastosowaniach (np. twardy chrom), można zastosować specjalną powłokę, która zwiększa jakość i twardość powierzchni.

Hartowane wały liniowe są mniej podatne na ścieranie i deformacje powierzchni. Przynosi to korzyści, zwłaszcza gdy są poddawane dużym obciążeniom. Oznaczenia świadków liniowych łożysk kulkowych są mniejsze, ponieważ twarda powierzchnia wału lepiej wytrzymuje naprężenia spowodowane przez kule w liniowym łożysku kulkowym. Należy jednak pamiętać, że twardość nie powinna być zbyt wysoka, ponieważ w przeciwnym razie wał może również stać się kruchy i zawieść.

Trzony nieutwardzone są natomiast bardziej miękkie i mniej wrażliwe na wycięcie, ale bardziej podatne na zużycie i deformacje. Nieutwardzone wały liniowe są zwykle tańsze niż wały hartowane.

Wpływ twardości wału na nominalną trwałość użytkową

Nominalna trwałość całego układu liniowego zależy również od twardości wału f_H, między innymi wpływając na zmienne. Wał musi być wystarczająco twardy, aby wytrzymać łożyska kulkowe. Obciążenie znamionowe jest w przeciwnym razie zmniejszone. Inne wpływające zmienne obejmują współczynnik temperaturowy f_T, współczynnik stykowy f_C i współczynnik obciążenia f_W.

Temperatury powyżej 100°C powodują zmniejszenie twardości, a tym samym zmniejszenie obciążenia znamionowego. Współczynnik styku uwzględnia fakt, że obciążenie znamionowe zmienia się o liczbę łożysk liniowych na oś (wał liniowy). Zazwyczaj dwa równoległe wały liniowe są instalowane w prowadnicach wałów liniowych.

Następujące współczynniki styku f_C mają zastosowanie odpowiednio w zależności od liczby łożysk:

• Jedno łożysko na wał: 1.0
• Dwa łożyska na wał: 0.81
• Trzy łożyska na wał: 0.72
• Cztery łożyska na wał: 0.66
• Pięć łożysk na wał: 0.61

Współczynnik obciążenia f_W wymaga informacji o masie materiału, momencie obrotowym obciążenia i innych parametrach, które są zwykle trudne do obliczenia. Następujące wartości są stosowane jako zasada dla zastosowań bez znacznych obciążeń wibracyjnych i uderzeniowych:

• Niska prędkość (maksymalnie 15 m/min): 1.0 ... 1.5
• Średnia prędkość (maksymalnie 60 m/min): 1.5 ... 2.0
• Wysoka prędkość (powyżej 60 m/min): 2.0 ... 3.5

Wraz z dynamiczną wartością znamionową obciążenia C i ładownością P nominalny okres użytkowania L liniowego łożyska kulkowego można obliczyć w następujący sposób:

Twardość różnych gatunków stali

W zależności od składu i obróbki cieplnej, gatunki stali mogą wahać się od miękkich, plastycznych właściwości do bardzo twardych, odpornych na zużycie wariantów. Numer materiału wskazuje twardość stali:

• EN 1.3505 (100Cr6): Klasyczna stal łożyska wałeczkowego o wysokiej twardości, odpowiednia do dużych obciążeń
• EN 1.4125 (X105CrMo17): Martenzytyczna stal chromowana o bardzo wysokiej odporności na zużycie, w tym stosowana jako stal nożowa
• EN 1.1191 (C45): to niestopowa stal wysokiej jakości lub stal węglowa.  Można go utwardzić tylko umiarkowanie, ale łatwo go obrabiać. Stosowany do wałów o średnich i wysokich wymaganiach mechanicznych.
• EN 1.4301 (X5CrNi18-10, AISI 304): Stal niklowo-chromowa. Używany często i łatwy w obróbce. Ma wysoką odporność na korozję. Twardość wynosi poniżej 215 HB i utwardzanie przez obróbkę cieplną nie jest możliwe.
• EN 1.4037 (X65Cr13): Martenzytyczna stal nierdzewna. Po stwardnieniu ma wysoką twardość, ale jest stosunkowo kruchy. Nadaje się do stosowania w środowiskach korozyjnych.
• EN 1.1213 (Cf53): Niestopowa stal wysokiej jakości. Bardzo dobre właściwości hartowania, wysoka wytrzymałość i ciągliwość, ale zmniejszona odporność na korozję.

Informacje na temat tolerancji ISO można znaleźć w poniższej tabeli, Twardość i dostępna obróbka powierzchni według materiału trzonu:

Leczenie wałów liniowych i ich skutki

Wały liniowe są najpierw utwardzane indukcyjnie, termicznie. Ten etap hartowania jest wykonywany na surowcach na warstwie krawędzi przed wszystkimi dalszymi procesami obróbki. Powstała głębokość hartowania zależy od materiału i liniowej średnicy trzonu. Wał jest następnie obrabiany maszynowo przez szlifowanie, wiercenie itp. W tych obszarach usuwana jest również utwardzona warstwa krawędzi. Otaczający materiał często nagrzewa się w wyniku obróbki, co prowadzi do zmiany twardości w tych obszarach.

Poniższa tabela zawiera przegląd głębokości hartowania wałów liniowych dla różnych gatunków stali:

Ograniczenia twardości w obróbce powierzchni

Przed obróbką, stal jest często podgrzewana, aby uczynić ją bardziej obrabialną. Nawet przy obróbce skrawaniem stal w obszarze krawędzi może być podgrzewana do takiego stopnia, że twardość pierwotnie jednorodnie utwardzonej warstwy krawędzi w tym obszarze jest zmniejszona. Ta strefa jest również nazywana strefą rozpraszania ciepła i ma niższą twardość niż reszta materiału. Proces ogrzewania powinien być kontrolowany, aby zminimalizować ryzyko wystąpienia w tej strefie. Utwardzona warstwa krawędzi oryginalnego trzonu jest usuwana na płaskich powierzchniach klucza, czopkach itp. Przetworzone lub odsłonięte powierzchnie wykazują zatem inną twardość.

Na przykład wyżarzanie może spowodować zmniejszenie twardości w następujących konfiguracjach i konstrukcjach wału:

• Wały gwintowane
• Wały stopniowane
• Rowki pierścieniowe, otwory stożkowe i sześciokątne, płaskie klucze, otwory pilotowe z gwintami wewnętrznymi, rowki do śrub montażowych
• Wpusty, rowki w kształcie litery V
• Płaskie powierzchnie
• Konfigurowalne konstrukcje końca wału (kształt G, H)
• Wały puste (boczny otwór po jednej stronie)

Inne formy obróbki powierzchni

Oprócz hartowania samego wału liniowego, powłoki można również nakładać w celu poprawy twardości. Są one również stosowane do ochrony przed korozją. Istnieje kilka rodzajów powłok:

• Twarda powłoka chromowana: Twarda chromowana powłoka zapewnia wysoką twardość powierzchni i odporność na zużycie. Jednak chrom może się odpryskiwać.
• Powłoka LTBC: Powłoka ta jest warstwą fluoropolimeru o grubości 5 μm osadzoną jako czarna warstwa. Jest niskorefleksyjny i odporny na rozerwanie poprzez zginanie wału liniowego. Powłoki LTBC wykazują dobrą równowagę między twardością a elastycznością.
• Chemiczne niklowanie bezprądowe: Jednolita, bezporowa warstwa o wysokiej ochronie przed korozją. Powłoka ta tworzy gładką powierzchnię o niskim tarciu, ale tylko umiarkowanie zwiększa twardość powierzchni, dlatego jest przede wszystkim stosowana do ochrony przed korozją i właściwości ślizgowych.
• Azotowanie: Nitryding znacznie zwiększa twardość powierzchni. Proces ten rozprasza azot do powierzchni stalowej. Podobnie jak w przypadku płytek LTBC, warstwa azotowa nie może już czipować.

Wybór wału liniowego MISUMI

MISUMI oferuje różne opcje konfiguracji wału liniowego:

• Materiał trzonu: Stal, stal nierdzewna
• Powłoka/powlekanie: niepowlekana, twarda powłoka chromowana, powlekana LTBC, bezelektroelektryczna powłoka niklowa
• Obróbka cieplna: nieobrobiona, utwardzona indukcyjnie
• Tolerancje ISO: h5, k5, g6, h6, h7, f8
• Klasy precyzji: prostopadłość 0,03, koncentryczność (z gwintem i przyrostami) Ø0,02, prostopadłość 0,20, koncentryczność (gwint i krok) Ø0,10
• Prostota/okrągłość: w zależności od średnicy. Aby uzyskać więcej informacji, należy zapoznać się ze standardami precyzji wału

Przeczytaj również nasz artykuł Liniowy wał: Precyzyjne standardy wałów liniowych MISUMI.

Konfiguracja części montażowych

Przy użyciu Konfiguratora MISUMI można swobodnie konfigurować łożyska, wały i inne komponenty.

Wybierz typ komponentów i ustawić żądane tolerancje.

Biblioteka CAD

Skorzystaj z naszej obszernej biblioteki CAD , aby znaleźć najlepszą część montażową do swoich komponentów i zastosowań. Pobierz bezpłatnie swój skonfigurowany komponent z naszej strony internetowej.

Następnie możesz zaimportować pobrane komponenty do swojego programu CAD.

Czerp inspirację z naszej biblioteki CAD i edytuj swoje projekty za pomocą dodatku SolidWorks.