Odpowiednią dokładność, wysoką prędkość obrotową i dużą sztywność zapewnią tylko łożyska precyzyjne. Wymagający producenci obrabiarek, półprzewodników czy robotów przemysłowych oczekują ponadprzeciętnej wydajności, całkowitej niezawodności, a także – coraz częściej – ek1ologiczności rozwiązań. Zwracają również uwagę na niski poziom wytwarzania ciepła, hałasu i wibracji. Między innymi z tych powodów firmy produkujące łożyska często podejmują współpracę z producentami obrabiarek już na etapie projektowania tych elementów. Mimo bowiem małego rozmiaru ich znaczenie jest olbrzymie.

Łożyska precyzyjne pozwalają zoptymalizować parametry pracy maszyn i oferują szereg korzyści: zapewniają zdolność przenoszenia obciążeń, długą żywotność obrabiarek, niskie wymagania konserwacyjne i niewielki pobór mocy. Typowe zastosowania łożysk precyzyjnych to m.in. wrzeciona maszyn do cięcia metalu i obróbki drewna, wrzeciona wyważarek czy walcarki szybkoobrotowe.

Etapy doboru łożysk

Kluczowe znaczenie w przypadku wrzecion obrabiarek ma dobór właściwego typu łożyska, odpowiadającego szczególnym wymaganiom danej aplikacji. Należy przy tym uwzględnić wiele czynników, w tym przede wszystkim: sztywność, dostępną przestrzeń, prędkości, obciążenia, przemieszczenie osiowe czy rozwiązania dotyczące uszczelnień. Wielu producentów oferuje pomoc przy doborze łożysk, które zapewnią najwyższe osiągi. Można ją uzyskać nawet na etapie projektowania wrzecion do obrabiarek.

Na przykład firma NSK proponuje pięcioetapową procedurę doboru właściwego łożyska. W pierwszym etapie analizowana jest koncepcja wału wrzeciona, czyli prędkość, sztywność, dokładność obrotu, żywotność, niezawodność czy generowanie ciepła przez wrzeciono.

Dzięki łożyskom precyzyjnym można zoptymalizować parametry pracy maszyn

W drugim etapie brana jest pod uwagę konstrukcja wału wrzeciona (m.in. typ i układ łożysk, typ napędu, smarowania). W trzecim etapie uwzględnia się rozmiar wału wrzeciona (jego średnicę i długość, odległość między łożyskami, prędkość graniczną, częstotliwość własną wrzeciona, sztywność wrzeciona głównego), w czwartym – charakterystykę łożyska (np. trwałość zmęczeniową, sztywność, luz czy dokładność obrotu), a na koniec, w piątym etapie, analizie poddaje się zespół wrzeciona (m.in. dokładność obudowy, kontrolę luzu czy kontrolę napięcia wstępnego).

Dobierając łożyska, można także zastosować proste metody obliczeniowe (tzw. katalogowe) oferowane przez wielu producentów w ich katalogach produktowych. W takich typowych narzędziach obliczeniowych łożyska są dzielone na sztywne i wyizolowane. Nie uwzględnia się odkształcenia i sposobu zamontowania na wale, obciążeń oraz przemieszczeń wynikających z ugięcia wału, jak też odkształceń elastycznych na styku elementów tocznych. Z tych właśnie powodów firma Schaeffler udostępniła swoim klientom i partnerom handlowym program Bearinx, dostępny także w wersji online. Umożliwia on m.in. określenie wpływu ugięcia wału i elastyczności obciążeń stykowych na łożysko oraz obliczanie ułożyskowanych systemów jednowałowych. W przypadku rozkładu wewnętrznych obciążeń uwzględniane są dane profilu, elementów tocznych oraz bieżni. Do obliczania luzu roboczego można użyć pól edycji, podając dane temperatury, tolerancji oraz chropowatości pierścieni i osadzenia łożysk. Możliwe są także dodatkowe obliczenia sztywności w punkcie pracy.

W poszukiwaniu ideału

Producenci łożysk cały czas pracują nad kolejnymi rozwiązaniami, pozwalającymi nadążać za rosnącymi potrzebami branży obrabiarek. Wysokie osiągi i długą żywotność można uzyskać np. poprzez użycie trzech rodzajów stali: SHX (wytrzymuje warunki panujące w środowiskach obrotów o ultrawysokich prędkościach), stali EP (charakteryzuje się dużą niezawodnością w środowiskach dużych obciążeń) oraz stali Z (materiał standardowy do produkcji łożysk superprecyzyjnych, który pozwala na uzyskanie przedłużonej trwałości w warunkach normalnych). Zastosowanie do tego ceramicznych elementów tocznych daje gwarancję wysokiej prędkości i niewielkiej ilości generowanego ciepła.

Elementy ceramiczne cechują się m.in. odpornością na temperaturę, zwiększoną trwałością, niewielkim ciężarem, mniejszą rozszerzalnością cieplną i brakiem przewodności elektrycznej. Łożyska hybrydowe z elementami ceramicznymi zdobywają uznanie dzięki bardzo wysokiej prędkości pracy połączonej z ultrawysoką dokładnością – nieosiągalnymi w przypadku łożysk ze stalowymi elementami tocznymi. W porównaniu z kulkami stalowymi kulki ceramiczne są też bardziej odporne na zatarcie i charakteryzują się modułem Younga (odkształcalności liniowej) o 50% wyższym niż stalowe. To sprawia, że są materiałem idealnym do użycia we wrzecionach obrabiarek wymagających dużej sztywności podczas skrawania.

Firma NSK dostarcza kilka rodzajów łożysk superprecyzyjnych, w tym łożyska o wysokich osiągach serii Robust i serie specjalne łożysk do zastosowań unikatowych i specjalistycznych

Wyższą prędkość i niższe tarcie zapewniają również koszyki z modyfikowanego polimeru. Materiał ten jest powszechnie już używany do wytwarzania koszyków łożysk, ponieważ charakteryzuje się małym ciężarem, dobrą formowalnością i wysoką odpornością na korozję. Wszystko to sprawia, że idealnie nadaje się do łożysk stosowanych we wrzecionach obrabiarek. Rozwiązania takie stosuje np. firma NSK w swoich kontrolowanych z dokładnością nanometryczną łożyskach. Firma dostarcza kilka rodzajów łożysk superprecyzyjnych, w tym łożyska o wysokich osiągach serii Robust, serie specjalne do zastosowań unikatowych i specjalistycznych oraz serie standardowe. Robust obejmuje m.in. łożyska kulkowe skośne do pracy z wysokimi prędkościami przy niewielkim wzroście temperatury (odpowiednie do maszyn o wyjątkowej dokładności obróbki) czy łożyska kulkowe skośne o ultrawysokiej precyzji (opracowane dla wrzecion szlifierek do otworów). Seria specjalna to np. łożyska kulkowe skośne wstępnie napełnione smarem i uszczelnione w celu zmniejszenia problemów z obsługą (odpowiednie do okresowej konserwacji wrzecion obrabiarek) oraz łożyska kulkowe skośne wzdłużne, zaprojektowane specjalnie do podparcia śrub kulowych w obrabiarkach.

Niemal bez ograniczeń prędkości

W centrum zainteresowania producentów łożysk znajdują się też rozwiązania umożliwiające zwiększenie zakresu prędkości. Sposobów na to jest kilka – np. Do 30% wyższą prędkość można osiągnąć dzięki odpowiedniej geometrii, redukcji średnicy kulek, zwiększeniu ich liczby czy optymalizacji prowadzenia koszyka na pierścieniu zewnętrznym. Z kolei znaczną redukcję hałasu bądź lepsze prowadzenie kulek da się uzyskać np. poprzez zastosowanie koszyka z poliamidu wzmocnionego włóknem szklanym.

Rozwiązania takie wykorzystała firma NTN-SNR w łożyskach Machline ML (polecanych do najbardziej wymagających zastosowań z dużymi prędkościami) i łożyskach standardowych Ultage (łożyska HSE do dużych prędkości i HSF do prędkości najwyższych). Ich zalety to zoptymalizowane koszty produkcji, obróbka wysokiej jakości, obniżenie kosztów obsługi i ekologiczność rozwiązań. W serii Machline dostępne są także łożyska Machline standard – do aplikacji, w których występują duże obciążenia głównie w kierunku osiowym – i Machline MLE z uszczelkami nitrylowymi zamocowanymi na zewnętrznym pierścieniu, umożliwiającymi utrzymanie tej samej prędkości granicznej co w łożysku otwartym, smarowanym. Seria Ultage natomiast obejmuje łożyska kulkowe skośne, łożyska walcowe i łożyska podporowe do śrub kulowych.

Dla optymalizacji całości systemu znaczenie mają nie tylko dobrej jakości łożyska, ale też ich uszczelnienie i smarowanie

Z myślą o wysokich prędkościach i wymaganiach jakościowych projektuje także firma SKF, która oferuje superprecyzyjne łożyska kulkowe skośne w czterech seriach wymiarowych ISO i w różnych wariantach wykonania. Można je zastosować w praktycznie każdej obrabiarce. Z kolei do wrzecion maszyn, w których łożyskowanie przenosi wysokie obciążenia promieniowe i pracuje z wysoką prędkością, przeznaczone są superprecyzyjne łożyska walcowe. Charakteryzują się możliwością pracy przy dużych prędkościach, wysoką nośnością promieniową i sztywnością, niskim tarciem oraz małą wysokością przekroju poprzecznego. Dwukierunkowe łożyska kulkowe skośne wzdłużne od SKF służą natomiast do ustalania osiowego położenia wału w obu kierunkach. Przeznaczone są do montażu z łożyskami walcowymi w tym samym otworze oprawy. Zastosowanie takiej kombinacji łożysk upraszcza obróbkę mechaniczną otworu. Do obsługi stołów obrotowych, głowic indeksujących i głowic wielowrzecionowych w centrach obróbczych przeznaczone są z kolei superprecyzyjne osiowo-promieniowe łożyska walcowe.

Wydłużyć czas eksploatacji

Dla optymalizacji systemu znaczenie mają jednak nie tylko dobrej jakości łożyska, ale też ich uszczelnienie, smarowanie, hamowanie itd. Samo tylko niewłaściwe smarowanie jest przyczyną ponad 36% przedwczesnych awarii łożysk. Metody smarowania łożysk superprecyzyjnych zależą przede wszystkim od warunków roboczych ich pracy, takich jak wymagana prędkość czy dopuszczalna temperatura robocza. Na wybór mogą też jednak wypłynąć takie czynniki jak drgania, obciążenia i smarowanie elementów przyległych (np. przekładni). Dzięki prawidłowo zaprojektowanemu systemowi smarowania straty w wyniku tarcia hydrodynamicznego są małe, a temperatury robocze można utrzymać na minimalnym poziomie. Do łożyskowań wrzecion coraz częściej wykorzystuje się smar plastyczny, jednak w zastosowaniach, w których prędkości pracy są bardzo wysokie, okres trwałości smaru może być zbyt krótki – wówczas zaleca się smarowanie za pomocą oleju.

Oferta firm produkujących smary i oleje do wrzecion obrabiarek jest bardzo szeroka. Na przykład firma NSK oferuje kilka rodzajów smaru, m.in. taki, który zawiera zagęszczacz mocznikowy i zapewnia wyższą odporność na wysokie temperatury. Zalecany jest do użytku we wrzecionach obrabiarek pracujących z ultrawysokimi prędkościami. Do stosowania w obrabiarkach przeznaczony jest także smar High Speed firmy NTN-SNR, który generuje niskie temperatury w łożyskach. W ofercie wielu firm znajdują się również np. Uszczelnione przekładki, które zapobiegają utracie smaru i zmniejszają zanieczyszczenie kurzem lub cieczą chłodzącą we wrzecionach. Ciekawą propozycją od SKF jest też system smarowania olejowo-powietrznego do łożysk superprecyzyjnych. Pozwala nie tylko uprościć budowę nowych wrzecion, ale też podwyższyć osiągi istniejących konstrukcji. Przyczynia się do usprawnienia przepływu środka smarnego i ograniczenia ilości ciepła wydzielanego w łożyskach wskutek tarcia.