Łożyska do ultrawysokich prędkości w obrabiarkach DMG

Częsty wymóg wymiany narzędzi w nowoczesnych urządzeniach obróbczych, takich jak centra obróbcze, oznacza, że zoptymalizowaniu czasu produkcji służą nie tylko wyższe maksymalne prędkości wrzeciona, lecz także mające krytyczne znaczenie lepsze przyśpieszanie i zwalnianie. Jednakże podczas gwałtownego przyśpieszania i zwalniania łożyska wrzecion poddawane są bardzo dużym obciążeniom termicznym.

Obciążenia te powodowane są przez drastyczne zmiany otoczenia wynikające z obecności ciepła generowanego przez silnik, chłodzenie obudowy i inne czynniki. Proponowanym przez NSK rozwiązaniem tych problemów jest seria łożysk Robust, przeznaczona do wrzecion pracujących z ultrawysokimi prędkościami.

W łożyskach do ultrawysokich prędkości serii Robust wykorzystuje się jako elementy toczne większą liczbę kulek o mniejszej średnicy, umożliwiających pracę z prędkościami obrotowymi większymi o mniej więcej 20% w porównaniu z łożyskami o konwencjonalnej budowie. Seria Robust zachowuje te same wymiary zewnętrzne co konwencjonalne łożyska skośne i w rezultacie umożliwia bezpośrednią wzajemną zamianę łożysk. Jednakże niższa masa mniejszych elementów tocznych w łożyskach Robust skutkuje mniejszą siłą odśrodkową na kulkach, a przez to mniejszym tarciem i generowaniem mniejszej ilości ciepła. Siła odśrodkowa jest mniejsza przy wysokich prędkościach, tak jak naprężenia wewnętrzne, co umożliwia osiąganie prędkości 3×10 dmN przy smarowaniu olejowo-powietrznym.

Przykład 1.
DMG opracowuje i produkuje uniwersalne frezarki i centra obróbcze. W tej dziedzinie firma pozostaje innowacyjnym liderem i prekursorem na rynku technologii frezowania. Firma miała jednak problem z trwałym i bezgłośnym działaniem maszyn przy najwyższych prędkościach. Chciała również wydłużyć okres użytkowania i zwiększyć wydajność oraz niezawodność operacyjną, aby uzyskać wyraźną przewagę nad konkurencją.

Rozwiązanie
Głównym czynnikiem nawiązania współpracy pomiędzy DMG a NSK stało się dążenie do wytwarzania najmniejszego możliwego ciepła podczas pracy, by zapewnić osiągnięcie maksymalnych zakresów prędkości. Awaria łożysk wrzeciona zwykle spowodowana jest przegrzaniem w trakcie pracy, zwłaszcza przy dużych prędkościach. Ponadto smarowanie w niższych temperaturach wydłuża trwałość smaru, co oznacza również znaczne wydłużenie okresu trwałości samych wrzecion. W związku z tym geometria i materiały łożysk dostosowywane są do spełnienia owych optymalnych założeń.

W tym celu NSK użył jako materiału standardowego tak zwanej stali łożyskowej typu Z. Charakteryzuje się ona mniejszą zawartością wtrąceń niemetalowych, tlenków i zanieczyszczeń w porównaniu z tradycyjną stalą odgazowaną próżniowo i dlatego zapewnia 1,8 razy wyższą trwałość zmęczeniową. NSK zaoferował również niezmiernie czystą stal SHX jako materiał na pierścienie łożysk. Materiał ten jest wysoce termoodporny ze względu na specjalną obróbkę cieplną. W związku z tą cechą prawie nie różni się od stali M50, z której wytwarza się łożyska do silników odrzutowych, pracujące w temperaturach do 300°C.

W wypadku produkcji dla DMG zastosowano wyjątkowo wysokiej jakości koszyk prowadzony na pierścieniu zewnętrznym wykonany z PEEK (Polieteroeteroketonu) zbrojony włóknem węglowym. PEEK jest niezmiernie odporny na temperaturę, zapewnia przy okazji wysoką odporność na zużycie, wytrzymałość mięknięcia i wytrzymałość zmęczeniową. Jego wymiary są stabilne, deformują się nieznacznie, nawet przy dużych prędkościach.

Budowa łożyska została optymalnie dostosowana do wymogów eksploatacji w warunkach prędkości maksymalnych. NSK zaoferował produkty z pierścieniami i wałeczkami wykonanymi ze stali SHX. To dlatego możliwe jest uzyskanie zakresów prędkości zwykle zarezerwowanych dla łożysk z niezwykle drogimi wałeczkami ceramicznymi. Rozwiązanie to pozwala na uzyskanie znacznych oszczędności dla aplikacji zaawansowanych.

Wiele zalet wynikających ze stosowania technologii Robust oraz dokładne badania już kilka lat temu przekonały firmę DMG do wyboru tej technologii. Ze względu na możliwe prędkości, trwałość i bezpieczeństwo eksploatacji korzystanie z łożysk Robust przynosi wiele korzyści nie tylko DMG, lecz także klientom firmy.

Przykład 2.
Specjalistyczna firma zajmująca się obróbką maszynową metali doświadczała nieustannych problemów dotyczących działania poziomego centrum obróbczego. Łożyska ulegały przedwczesnym awariom, co powodowało nieplanowane przestoje i znaczące problemy z produkcją. Dotyczyły one trzech maszyn. NSK przeprowadził szczegółową analizę wrzeciona maszyny, jak również zbadał uszkodzone łożyska oraz stan smaru i odkrył w łożyskach zarówno płyn do cięcia, jak i resztki materiału z obróbki. Powodowały one zniszczenie środka smarnego i w rezultacie przedwczesną awarię łożyska. NSK zaproponował łożyska uszczelnione superprecyzyjne o większym kącie pracy, które miały poprawić układ łożysk narażony na działanie dużego obciążenia osiowego i przeciwdziałać wnikaniu zanieczyszczeń. Żywotność łożyska wzrosła z 15 dni do 6 miesięcy. Dzięki temu, że poprzez zastosowanie bardziej wytrzymałych łożysk zmniejszyła się częstotliwość wymian, firma oszczędza 24 096 euro rocznie. Wynika to z prostej kalkulacji. Wcześniej na wymiany zużytych elementów wydawała 27 216 euro rocznie, a dzisiaj jedynie 3 120 euro.

Przykład 3.
Dużego producenta silników samochodowych dotykały narastające problemy z centrami obróbczymi (18 maszyn). Problemy te znacząco wpływały na produktywność, powodując rosnące koszty i zmniejszoną wydajność. Po analizie uszkodzonych łożysk odkryto, że do łożysk dostawał się płyn do obróbki i znacząco wpływał na smarowanie. NSK zaproponował łożysko uszczelnione do wrzecion o dużo większej trwałości. Przeprowadzone zostało również szkolenie dotyczące montażu łożysk. Roczne oszczędności sięgnęły 190 992 euro. Dlaczego? Największy na to wpływ miały przestoje w produkcji. Godzina takiego przestoju została wyceniona na około 1000 euro niezrealizowanej produkcji (patrz tabelka).

Koszty przed i po ilustrujące przykład 3