より良い機械スピンドルを構築する方法

Oct 29, 2023

デザインニューススタッフによる | 2022 年 7 月 13 日

スピンドルは、さまざまな機械の回転要素をサポートします。 たとえば、金属切削工作機械では、スピンドル ベアリングによってシステムの安定性がもたらされ、加工されるワークの表面品質と精度が確保されます。 このようなベアリングは、機械的負荷に対応できるように剛性と耐久性が高くなければならず、また、高速を可能にするために低レベルの摩擦と高い熱耐性を示す必要もあります。

世界的な自動車および産業用サプライヤーであるシェフラーは最近、大手工作機械メーカーに対し、新しい高性能バクロデュール製の高速スピンドルベアリングを利用することで、保証期間中の無制限のスピンドル稼働時間を提供するなど、モータースピンドルの保証期間を 2 倍に延長することを支援しました。シェフラー社が開発した転がり軸受鋼。 この世界的な工作機械メーカーは、特に困難な動作条件下で、従来のスピンドルと比較して、極めて高い信頼性とかなり長い動作寿命を実証するモータ スピンドルを設計することができました。

シェフラーは、この使用例に関する情報を Design News に提供しました。そして私たちは、シェフラーの産業オートメーション担当シニア アプリケーション エンジニアである ER Muntz に、Vacrodur と将来の可能性についていくつかの質問をしました。

ムンツ:歴史的に、ほとんどの用途では 100Cr6 転がり軸受鋼が使用されてきました。 スピンドルベアリングの速度能力と堅牢性を向上させる取り組みには、セラミック転動体を備えたハイブリッドベアリングの利用が含まれていました。

しかし、セラミック転動体の使用は、スピンドルベアリングの性能向上に関してはまだ限界がありました。 工作機械メーカーがスピンドルのオーバーホールや修理作業を行った際、セラミックボールが損傷を受けていないことが繰り返し確認されました。 一方、軌道輪にはすでに孔食や亀裂などの疲労破壊の兆候が見られていました。

ベアリングレース材料の進化における次のステップは、シェフラーのクロニデュール材料などの高窒素鋼の開発でした。 長年にわたり、これは負荷と速度の能力の限界を押し上げるスピンドル メーカーにとってのプレミアム製品でした。 しかし現在では、ツールのさらなる進歩と、スループットと稼働時間の要件の増加により、さらに堅牢なスピンドル ベアリングの必要性が高まっています。

この新興市場向けのセラミックボールとベアリングリング間の動作寿命の不一致に対処するために、シェフラーはバクロデュールとして知られる新しいベアリング鋼を開発しました。

ムンツ: Vacrodur は、粉末冶金法で製造された高性能鋼で、特殊な多段階の熱処理プロセスを経て、比類のない均質性の細粒構造が得られます。 この多段階の熱処理プロセスにより、65 HRC という非常に高い硬度値が生成され、ベアリングは 100Cr6 で作られたベアリングよりも衝突や衝撃荷重に対する感度が低くなります。 潤滑剤が汚染された場合でも、材料の硬度が高いため、異物の転がりによる初期損傷が軽減されます。

この特殊な熱処理プロセスにより、Vacrodur に熱安定性も与えられます。 100Cr6 などの従来の転がり軸受鋼とは異なり、Vacrodur の硬度は 150°C を超える温度でも低下しません。 材料特性は、最大 400°C の非常に高い適用温度でも安定しています。 Vacrodur から製造されたスピンドルベアリングの堅牢性は、潤滑剤の供給が不十分な場合に特に顕著です。 このような望ましくない動作状態は、通常、転がり接触時の温度の急激な上昇を伴い、硬度の大幅な低下につながります。 対照的に、Vacrodur が提供する熱安定性により、実質的な安全確保が保証されます。

権威ある国際分類協会であるドイツロイド協会によって認定された試験手順によれば、良好な潤滑条件下でバクロデュールを使用すると、標準転がり軸受鋼の値の 13 倍を超える寿命の延長が達成できました。 混合摩擦を伴うテストでは、この動作寿命の差はさらに 25 倍に増加します。制御された汚染条件、つまり鉱物粒子による潤滑剤の規定の汚染下では、耐用年数は以前の転がり軸受鋼のベンチマークの 24 倍に延長されます。 、シェフラー独自のクロニドゥルは検証可能でした。

ムンツ:シェフラーの X-life 高速スピンドルベアリング シリーズには、パフォーマンス バリエーション M、HCM、および VCM があり、後者にはセラミック転動体と Vacrodur ベアリング リングが搭載されています。 バリエーションは、寸法シリーズ 70 および 719、および公称接触角 17 度および 25 度に基づいています。 新しい設計の主な開発目標は、幅広い動作パラメータにわたってベアリングの予圧の変化を最小限に抑えることでした。 これは、ベアリングの配置が、シャフトとハウジングの間で発生するさまざまな程度の熱膨張、さらには遠心力による軸方向および半径方向のベアリング内輪の膨張を補償する必要があるためです。 ボールのサイズ、軌道プロファイル (接触)、およびラジアル内部クリアランスと組み合わせた接触角の特定の調整により、最適化されたソリューションが得られました。

潤滑条件、汚染物質の侵入、幾何学的欠陥、そしてもちろん荷重スペクトルはすべて、スピンドル ベアリングの動作寿命に大きな影響を与える可能性があります。 ベアリングに応力を加えるのは、さまざまな影響要因の組み合わせです。 Vacrodur は、他の転がり軸受鋼よりも高い弾性でこれらの動作条件下で動作できます。

Vacrodur ベアリングを利用することで、前述の顧客は、保証期間中の稼働時間数を制限することなく、主な工作機械スピンドルの保証保護を 2 倍にすることができました。 これが可能となったのは、スピンドルの故障の多くは通常、磨耗、潤滑不足、ベアリングの汚れが原因であるためであり、まさにシェフラーの Vacrodur スピンドル ベアリングが重要な技術的進歩を示す条件に当てはまります。

ムンツ:工作機械の最先端技術は常に変化しています。 工具やプロセスには、これまで以上に高いスピンドル速度が必要です。 より多くのスループットが求められると、スピンドルに反映されるより高い負荷と送り速度が求められます。 歴史的に、機械の定格性能はスピンドルの制限によって決まります。つまり、より堅牢なスピンドルがより高性能な工作機械を生み出すことができます。

スピンドルが適切に設計され、使用されていれば、長年にわたりトラブルのないサービスが提供されます。 残念ながら、工作機械の動作環境は、クーラント、切り粉、汚染物質が多く、時にはクラッシュも発生する過酷な環境であることがよくあります。 Vacrodur ベアリングは、上記の動作条件による損傷が始まった後でも、機械をより長く稼働し続けることができます。 これにより、メンテナンス チームは都合の良いときにダウンタイムをスケジュールすることができます。

ムンツ:主軸は工作機械の世界だけに存在するものではありません。 特に高速スピンドルは、木工、複合材製造、航空宇宙、医療機器、ポンプ、ファン、コンプレッサー、ターボチャージャー、ジャイロ、スタビライザー、および多数の同様の回転システムで使用されています。 これらの用途の中には、従来のベアリングを限界まで押し上げるものもあります。 これらのアプリケーションの多くは実稼働にとって重要であり、突然の壊滅的な障害による計画外のシャットダウンを許容できません。 Vacrodur ベアリングは、機械の公称寿命を延ばすだけでなく、寿命の終わりに安全マージンを提供する必要があります。

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