بلبرینگ ها چگونه ساخته می شوند؟ راهنمای شیار عمیق

بلبرینگ‌ها از طریق یک فرآیند ساخت چند مرحله‌ای دقیق ساخته می‌شوند که با میله یا لوله فولادی با کیفیت بالا شروع می‌شود و با اجزای آسیاب شده تا تلورانس‌های محکم خاتمه می‌یابد. 0.001 ± میلی متر . این فرآیند شامل شکل‌دهی، عملیات حرارتی، سنگ‌زنی، تکمیل فوق‌العاده، مونتاژ و بازرسی است - هر مرحله برای دستیابی به ظرفیت بار، دقت چرخشی و عمر مفید یاتاقان ضروری است.

بلبرینگ شیار عمیق - پرطرفدارترین نوع بلبرینگ در جهان - از همین فرآیند پیروی می کند، با الزامات دقت اضافی برای شیارهای عمیق راه آهن که توانایی آنها را برای تحمل بارهای شعاعی و محوری به طور همزمان می دهد. بلبرینگ شیار عمیق فولادی ضد زنگ دنباله ای یکسان را دنبال کنید اما از فولادهای مقاوم در برابر خوردگی استفاده کنید که به پارامترهای عملیات حرارتی اصلاح شده نیاز دارند. این مقاله هر مرحله را با جزئیات پوشش می دهد.

مواد اولیه: چه فولادی به بلبرینگ ها وارد می شود

انتخاب مواد برای بلبرینگ همه چیز از سختی و عمر خستگی گرفته تا مقاومت در برابر خوردگی و حداکثر دمای عملیاتی را تعیین می کند. اکثر بلبرینگ‌های شیار عمیق استاندارد از آن ساخته می‌شوند فولاد کروم AISI 52100 (معادل 100Cr6 در استانداردهای اروپایی)، فولادی با کربن بالا و آلیاژ کروم که به سختی سطحی دست می یابد. 58-65 HRC پس از عملیات حرارتی - به اندازه کافی سخت است که در طول صدها میلیون چرخه استرس در برابر خستگی تماس مقاومت کند.

فولاد کروم استاندارد (AISI 52100 / 100Cr6)

این فولاد تقریباً حاوی 1.0٪ کربن و 1.5٪ کروم سختی و مقاومت در برابر خستگی استثنایی به آن می دهد. از طریق سخت شده است - به این معنی که کل سطح مقطع به سختی یکنواخت می رسد، نه فقط سطح. AISI 52100 ماده پیش‌فرض جهانی برای حلقه داخلی، حلقه بیرونی و توپ‌ها در بلبرینگ‌های شیار عمیق استاندارد است.

فولاد ضد زنگ برای بلبرینگ های مقاوم در برابر خوردگی

بلبرینگ های شیار عمیق فولادی ضد زنگ معمولاً از فولاد ضد زنگ مارتنزیتی استفاده می کنند. AISI 440C (نوع پر کربن) یا AISI 440B. AISI 440C تقریباً حاوی 1.0٪ کربن و 17٪ کروم که یک لایه سطحی اکسید کروم غیرفعال را تشکیل می دهد که مقاومت بسیار خوبی در برابر رطوبت، اسیدهای ملایم و اسپری نمک ایجاد می کند. پس از عملیات حرارتی، AISI 440C می رسد 58-62 HRC - کمی نرمتر از 52100 که تقریباً نتیجه می دهد 20 تا 30 درصد امتیاز بار کمتر در مقایسه با یاتاقان های فولادی کروم معادل.

برای فرآوری مواد غذایی، کاربردهای دریایی، دارویی و شیمیایی که خطر آلودگی این مبادله را ارزشمند می کند، بلبرینگ های شیار عمیق فولادی ضد زنگ مشخصات استاندارد هستند. برخی از تولید کنندگان نیز ارائه می دهند ضد زنگ AISI 316 برای محیط های خوردگی شدید، اگرچه این درجه آستنیتی نمی تواند سخت شود و برای جبران به توپ های سرامیکی نیاز دارد.

مواد قفس و مهر و موم

• قفس: فولاد کم کربن مهر شده (متداول ترین)، برنج فشرده، پلی آمید ماشینکاری شده (PA66) یا PEEK برای کاربردهای در دمای بالا
• سپرها (پسوند ZZ): ورق فولادی - روان کننده را در داخل نگه می دارد و آلودگی درشت را بدون تماس با حلقه داخلی خارج می کند.
• مهر و موم (پسوند 2RS): لاستیک نیتریل (NBR) برای کاربردهای استاندارد؛ فلوروکربن (FKM/Viton) برای خدمات شیمیایی یا دمای بالا؛ PTFE برای انواع کم اصطکاک بدون تماس

مرحله 1 - تشکیل حلقه های داخلی و خارجی

تولید حلقه با میله فولادی یا لوله بدون درز شروع می شود که از نظر ترکیب شیمیایی و تمیزی داخلی تأیید شده است. آخال ها و ریز حفره ها در فولاد علت اصلی خستگی زودرس بلبرینگ هستند، بنابراین صلاحیت مواد اختیاری نیست.

آهنگری سرد یا گرم

برای یاتاقان های بزرگتر (قطر سوراخ بیش از 30 میلی متر)، بیلت های فولادی هستند جعلی داغ در دمای 900 تا 1100 درجه سانتیگراد به حلقه های ناهموار تبدیل می شوند. آهنگری ساختار دانه فولاد را در امتداد محیط حلقه تراز می کند - یک مزیت حیاتی زیرا قوی ترین جهت دانه را جهت مقاومت در برابر فشارهای حلقه ای که حلقه در حین کار تجربه می کند جهت می دهد. برای بلبرینگ های شیار عمیق کوچکتر، شکل گیری سرد استوک لوله رایج است، ضایعات مواد کمتری تولید می کند و نیاز به ماشینکاری کمتری دارد.

تراشکاری (ماشین کاری)

پس از آهنگری، روکش‌های حلقه‌ای روی ماشین‌های تراش CNC روشن می‌شوند تا ابعاد اصلی خود را ایجاد کنند - قطر بیرونی، سوراخ داخلی، عرض و شکل اولیه شیار راهرو. در این مرحله ابعاد برش داده می شود 0.1-0.5 میلی متر بزرگتر تا انبار برای آسیاب بعدی باقی بماند. پروفیل شیار عمیق - کانال نیم دایره ای که با توپ ها تماس می گیرد - در اینجا شکل می گیرد تا هندسه اولیه ای داشته باشد که از طریق چندین عملیات سنگ زنی اصلاح می شود.

حلقه های چرخانده شده سپس شسته شده، از نظر ابعادی بررسی می شوند و برای عملیات حرارتی آماده می شوند. هر گونه نقص سطحی که در این مرحله شناسایی شود - ترک، دور یا درز - دلیلی برای رد شدن است، زیرا عملیات حرارتی هرگونه نقص موجود را مسدود می کند.

مرحله 2 - عملیات حرارتی: دستیابی به سختی تحمل

عملیات حرارتی از نظر متالورژی حیاتی ترین مرحله در تولید بلبرینگ است. این حلقه های فولادی نرم و قابل ماشین کاری را به اجزای سخت و مقاوم در برابر خستگی تبدیل می کند. عملیات حرارتی نادرست - دمای نامناسب، سرعت خاموش کردن اشتباه، یا تعدیل ناکافی - باعث تولید یاتاقان هایی می شود که در عرض چند ساعت به جای چند سال از کار می افتند.

فرآیند سخت شدن برای AISI 52100

1. آستنیته کردن: حلقه ها گرم می شوند 820-860 درجه سانتی گراد در یک کوره با اتمسفر کنترل شده (برای جلوگیری از کربن زدایی سطح) و در دما تا زمانی که کاملا آستنیته شود - معمولاً 20 تا 60 دقیقه بسته به ضخامت بخش نگهداری می شود.
2. خاموش کردن: حلقه ها با غوطه ور شدن در روغن (متداول ترین) یا با خاموش کردن اجباری گاز به سرعت سرد می شوند. خنک‌سازی سریع آستنیت را به مارتنزیت تبدیل می‌کند - ساختار بلوری چهارضلعی سخت و بدنه که به فولاد یاتاقان سختی می‌دهد. سرعت خاموش کردن باید به اندازه کافی سریع باشد تا از تشکیل فازهای نرم تر پرلیت یا بینیت جلوگیری کند.
3. درمان برودتی (اختیاری اما به طور فزاینده ای رایج): غوطه وری در نیتروژن مایع در -196 درجه سانتیگراد به مدت 4 تا 24 ساعت آستنیت باقی‌مانده - یک فاز نرم‌تر و نرم‌تر - را به مارتنزیت تبدیل می‌کند و ثبات ابعادی و عمر خستگی را تا 20 درصد بهبود می‌بخشد.
4. معتدل کردن: حلقه ها دوباره گرم می شوند 150-180 درجه سانتیگراد و به مدت 1 تا 4 ساعت نگه داشت تا تنش های فرونشاندن با حفظ سختی کاهش یابد. سختی نهایی پس از تمپر: 60-64 HRC . دماهای تلطیف بالاتر، شکنندگی را بیشتر کاهش می دهد، اما مقداری سختی را قربانی می کند.

عملیات حرارتی برای بلبرینگ های شیار عمیق فولادی ضد زنگ (AISI 440C)

AISI 440C نیاز به آستنیته شدن در دمای بالاتر دارد 1010-1065 درجه سانتیگراد به دنبال آن روغن یا هوا خاموش می شود، سپس تلطیف می شود 150-175 درجه سانتیگراد . دمای آستنیته بالاتر برای حل کردن کاربیدهای کروم موجود در این درجه ضروری است. سختی نهایی می رسد 58-62 HRC . به طور اساسی، باید از تلطیف بالای 400 درجه سانتیگراد اجتناب شود - کاربیدهای کروم را در مرزهای دانه رسوب می دهد و مقاومت به خوردگی را در فرآیندی به نام حساس شدن به طور چشمگیری کاهش می دهد.

مرحله 3 - آسیاب کردن حلقه ها تا ابعاد نهایی

پس از عملیات حرارتی، برش حلقه‌ها با ابزارهای معمولی بسیار سخت است - فقط سنگ زنی با چرخ‌های ساینده می‌تواند به دقت ابعادی و پرداخت سطح مورد نیاز دست یابد. سنگ زنی یک فرآیند چند پاسی است که هر عملیات سطح خاصی را هدف قرار می دهد و تلورانس ها را به تدریج سفت می کند.

توالی سنگ زنی برای حلقه بلبرینگ شیار عمیق

1. آسیاب صورت: هر دو وجه جانبی صاف و موازی با تلورانس ± 0.005 میلی متر یا بهتر هستند، که داده های مرجع را برای تمام عملیات های بعدی ایجاد می کند.
2. آسیاب قطر خارجی (OD): OD حلقه بیرونی و سوراخ حلقه داخلی به قطرهای مشخص شده خود آسیاب می شوند. برای یک بلبرینگ کلاس تحمل استاندارد P0 (نرمال)، معمولاً تحمل سوراخ است 0 / 0.012- میلی متر برای سوراخ 20 میلی متری
3. سنگ زنی شیار راه آهن: بحرانی ترین عملیات چرخ‌های سنگ‌زنی فرم‌دار پروفیل شیار نیم‌دایره‌ای عمیق را به شعاع مشخص‌شده‌اش برش می‌دهند - معمولاً 51.5-53٪ قطر توپ برای بلبرینگ های شیار عمیق شعاع شیار به شدت کنترل می شود زیرا مستقیماً زاویه تماس توپ، توزیع بار و نویز در حال اجرا را تعیین می کند.
4. تکمیل فوق العاده (هونینگ) مسیرهای مسابقه: سنگ های ساینده نوسانی، علائم سنگ زنی جهتی باقی مانده توسط چرخ را از بین می برند، و سطح فلاتی را با مقادیر Ra برابر ایجاد می کنند. 0.02-0.1 میکرومتر . این روکش آینه نزدیک برای به حداقل رساندن استرس تماس، کاهش اصطکاک، و دستیابی به الگوی برینل که لایه روان کننده را حفظ می کند، ضروری است.

بلبرینگ های کلاس دقیق (P6، P5، P4 در ISO 492) به تلرانس های تدریجی در هر مرحله سنگ زنی نیاز دارند. یک بلبرینگ کلاس P4 تقریباً تحمل ابعادی دارد 4× سفت تر از یک بلبرینگ استاندارد P0 و در دوک های ماشین ابزار، تجهیزات تصویربرداری پزشکی و ابزار دقیق استفاده می شود.

مرحله 4 - ساخت توپ

عناصر نورد - خود گوی‌ها - از طریق یک فرآیند کاملاً مجزا تولید می‌شوند که مسلماً در کل زنجیره تامین بلبرینگ بیشترین تقاضا را دارد. گرد بودن توپ، پرداخت سطح و قوام قطر مستقیماً نویز، ارتعاش و عمر خستگی بلبرینگ را تعیین می کند.

1. عنوان سرد: مفتول فولادی به یک دستگاه هدینگ سرد وارد می شود که یک حلزون کوچک را برش می دهد و آن را به صورت سرد بین دو قالب به یک کره ناهموار با یک حلقه "فلش" مشخصه استوایی تبدیل می کند. حلقه فلاش مواد اضافی است که بین قالب ها فشرده شده است - باید در مرحله بعدی حذف شود.
2. حذف فلاش (چشمک زن): توپ های ناهموار در یک شیار بین دو صفحه چدنی فرو می روند و حلقه فلاش را می شکند و شکل کروی تری ایجاد می کنند. در این مرحله، توپ ها هنوز تقریباً هستند 0.1-0.3 میلی متر بزرگتر با زبری سطح Ra 0.8-1.6 میکرومتر.
3. عملیات حرارتی: گلوله‌ها مانند حلقه‌ها تحت فرآیند سخت‌شدگی قرار می‌گیرند - آستنیته کردن، خاموش کردن و تلطیف کردن برای رسیدن به آن. 62-66 HRC . توپ ها معمولاً تا مقدار کمی بالاتر از حلقه ها سخت می شوند زیرا بیشترین تنش های تماس هرتزی را در یاتاقان ها تجربه می کنند.
4. سنگ زنی سخت: گلوله های سخت شده بین صفحات چدن چرخان با استفاده از ترکیب ساینده آسیاب می شوند، آنها را به اندازه نهایی کاهش می دهد و کروییت را بهبود می بخشد. عبورهای متعدد با ساینده های به تدریج ریزتر، مازاد موجودی را تقریباً کاهش می دهد 5-25 میکرومتر .
5. روکش و سوپر فینیشینگ: دور زدن نهایی بین صفحات دقیق باعث تولید توپ هایی با خطاهای کروی (انحراف از یک کره کامل) می شود. 0.1-0.25 میکرومتر برای توپ های درجه 10-25 مورد استفاده در بلبرینگ های شیار عمیق استاندارد. توپ‌های درجه 3 دقیق - مورد استفاده در یاتاقان‌های با دقت بالا - به کروی بودن داخل می‌رسند 0.08 میکرومتر و زبری سطح زیر Ra 0.012 میکرومتر.
6. مرتب سازی قطر: توپ های تمام شده به گروه های قطری با تلورانس طبقه بندی می شوند ± 0.25 میکرومتر در هر گروه تمام توپ های مورد استفاده در یک یاتاقان باید از یک گروه قطری باشند تا از تقسیم بار برابر بین تمام توپ های مکمل اطمینان حاصل شود.

مرحله 5 - ساخت قفس

قفس (نگهدارنده) فاصله محیطی مساوی بین توپ ها را حفظ می کند، از تماس توپ با توپ جلوگیری می کند و روان کننده را به مناطق تماس هدایت می کند. علیرغم اینکه از نظر مکانیکی کمتر از حلقه ها یا توپ ها نیاز دارد، در نوع خود یک جزء دقیق است.

• قفس های فولادی مهر شده: ورق فولادی خالی می شود، شکل می گیرد و سوراخ می شود تا دو قفس نیمه ایجاد شود که در اطراف مکمل توپ به هم می پیچند. این رایج ترین نوع قفس در بلبرینگ های شیار عمیق استاندارد به دلیل هزینه کم و عملکرد مناسب تا سرعت های متوسط ​​است.
• قفس های برنجی ماشین کاری شده: CNC تبدیل شده از لوله برنجی با جیب های آسیاب شده یا بریده شده. در کاربردهایی با سرعت بالا، دمای بالا یا ارتعاش بالا که در آن قفس های فولادی خسته می شوند استفاده می شود. برنج سازگاری بسیار خوبی با روان کننده های نفتی دارد و خطر گازگرفتگی پایینی دارد.
• قفس های پلی آمیدی قالب گیری تزریقی: قفس های PA66 تقویت شده با الیاف شیشه به صورت تزریقی در یک تکه قالب گیری می شوند. آنها از قفس های فلزی سبک تر هستند، تا حدی خود روان کننده هستند و در بسیاری از طرح ها سرعت مجاز بالاتری نسبت به قفس های فولادی دارند. مناسب برای دمای عملیاتی تا حدودا 120 درجه سانتی گراد به طور مداوم

مرحله 6 - مونتاژ بلبرینگ شیار عمیق

مجموعه بلبرینگ شیار عمیق از تکنیک خاصی استفاده می کند که از هندسه یاتاقان بهره می برد: با جابجایی حلقه داخلی در حلقه بیرونی، یک شکاف هلالی شکل در یک طرف به اندازه کافی بزرگ می شود که مکمل توپ کامل را وارد کند. این است روش جابجایی خارج از مرکز - اجازه می دهد تا توپ های بیشتری نسبت به مقداری که در قسمت باز یک مجموعه معمولی وارد می شود، بارگذاری شوند.

1. تمیز کردن حلقه: حلقه های داخلی و خارجی به صورت اولتراسونیک تمیز می شوند تا تمام باقی مانده های سنگ زنی، ذرات فلزی و آلاینده ها قبل از مونتاژ حذف شوند. یک ذره فلزی منفرد که در حین مونتاژ در یاتاقان به دام می‌افتد، باعث ایجاد حفره‌های زودرس در راهرو می‌شود.
2. بارگذاری توپ: حلقه داخلی به یک طرف حلقه بیرونی جابجا می شود و حداکثر تعداد ممکن توپ در شکاف هلالی بارگذاری می شود. حلقه داخلی سپس در مرکز قرار می گیرد و توپ ها را به طور مساوی در اطراف پخش می کند.
3. نصب قفس: قفس به دور مکمل توپ می‌چسبد یا پرچ می‌کند تا توپ‌ها را در فواصل مساوی نگه دارد. برای قفس های فولادی مهر شده، دو نیم قفس به هم فشرده شده و از طریق باس های از پیش ساخته شده پرچ می شوند.
4. اندازه گیری ترخیص داخلی: بلبرینگ مونتاژ شده برای فاصله داخلی شعاعی (RIC) اندازه گیری می شود - کل بازی شعاعی بین حلقه های داخلی و خارجی. ترخیص استاندارد C3 (بیشتر از حد معمول، برای کاربردهای تداخل مناسب) تأیید شده است که در آن قرار دارد محدودیت های مشخص شده بر اساس ISO 5753 .
5. روغن کاری: مقدار و عیار صحیح گریس به فضای بلبرینگ تزریق می شود - معمولاً پر می شود 25-35٪ از حجم رایگان برای بلبرینگ های مهر و موم شده پر شدن بیش از حد باعث افزایش دمای عملیاتی و تلفات ناشی از خرد شدن می شود. کم پر شدن عمر گریس را کوتاه می کند.
6. نصب سپر یا مهر و موم: سپرهای فلزی (ZZ) بدون تماس با حلقه داخلی به شیارهایی در حلقه بیرونی فشار داده می شوند. مهر و موم های لاستیکی (2RS) به طور مشابه با یک تداخل کنترل شده بر روی یک شیار مهر و موم در سطح حلقه داخلی قرار می گیرند.

مرحله 7 - بازرسی و تست کیفیت

هر بلبرینگ شیار عمیق تمام شده قبل از بسته بندی تحت یک باتری بازرسی خودکار قرار می گیرد. دقت بازرسی با کلاس دقت متفاوت است، اما حتی یاتاقان‌های استاندارد P0 برای پارامترهای حیاتی زیر 100% بازرسی می‌شوند - نمونه‌برداری نشده‌اند.

بلبرینگ‌های با دقت بالا (کلاس P5 و P4) به‌علاوه تحت آزمایش خروجی محوری، اندازه‌گیری گردی حلقه‌ها و توپ‌ها با استفاده از تسترهای گردی دقیق قرار می‌گیرند. 0.01 میکرومتر و در برخی موارد 100٪ تست ارتعاش با مرتب سازی خودکار بر اساس درجه نویز (V1، V2، V3).

فولاد کروم در مقابل بلبرینگ‌های شیار عمیق فولاد ضد زنگ: تفاوت‌های ساخت

در حالی که توالی ساخت یکسان است، بلبرینگ‌های شیار عمیق فولادی ضد زنگ در مقایسه با واحدهای فولادی کروم استاندارد به چندین تغییر فرآیند مهم نیاز دارند.

کلاس های تحمل و معنی آنها در عمل

بلبرینگ های شیار عمیق طبق کلاس های تحمل استاندارد بین المللی که توسط استانداردهای ISO 492 و ABMA تعریف شده اند تولید می شوند. کلاس دقت ابعادی و دقت اجرای بلبرینگ تمام شده را تعیین می کند - و مستقیماً هزینه و پیچیدگی ساخت را هدایت می کند.

• P0 (عادی / ABMA ABEC-1): درجه تجاری استاندارد اکثریت قریب به اتفاق کاربردها از جمله پمپ ها، موتورها، نوار نقاله ها، گیربکس ها و لوازم خانگی را پوشش می دهد. برای شماره قطعه یاتاقان نیازی به علامت خاصی نیست.
• P6 (ABEC-3): تحمل سوراخ، OD و خروجی تنگ تر. مورد استفاده در ماشین ابزار، پمپ های دقیق و موتورهای الکتریکی با سرعت متوسط. تقریبا 2× سفت تر از P0.
• P5 (ABEC-5): دقت بالا. برای دوک های ماشین ابزار، ابزارهای اندازه گیری دقیق، و برنامه های کاربردی با سرعت بالا بالای 15000 RPM مورد نیاز است. تقریبا 4× سفت تر از P0.
• P4 (ABEC-7): فوق العاده دقیق در دوک های سنگ زنی CNC، ژیروسکوپ ها و کاربردهای هوافضا استفاده می شود. تحمل تخلیه سوراخ برای یک یاتاقان 20 میلی متری است فقط 2.5 میکرومتر - تقریباً 1/40 عرض موی انسان.
• P2 (ABEC-9): بالاترین کلاس دقت تجاری در درجه اول در تجهیزات تصویربرداری پزشکی دقیق، ساخت نیمه هادی ها و ابزارهای علمی استفاده می شود.

بلبرینگ‌های شیار عمیق فولادی ضد زنگ معمولاً در کلاس‌های تحمل P0 و P6 تولید می‌شوند. کلاس‌های با دقت بالاتر در دسترس هستند اما به دلیل سختی سنگ‌زنی اضافی AISI 440C بسیار گران‌تر هستند و معمولاً برای کاربردهای تخصصی اتاق تمیز یا پزشکی که در آن مقاومت در برابر خوردگی و دقت به طور همزمان مورد نیاز است، رزرو می‌شوند.