Cum sunt fabricați rulmenții cu bile? Ghid Deep Groove

Rulmenții cu bile sunt fabricați printr-un proces precis de fabricație în mai multe etape, care începe cu tije sau tuburi de oțel de înaltă calitate și se termină cu componente șlefuite la toleranțe la fel de strânse ca ±0,001 mm . Procesul implică formare, tratament termic, șlefuire, suprafinisare, asamblare și inspecție - fiecare etapă critică pentru atingerea capacității de încărcare, preciziei de rotație și duratei de viață pe care trebuie să o furnizeze rulmentul.

Rulmenți adânci cu bile — cel mai răspândit tip de rulment fabricat din lume — urmează același proces, cu cerințe suplimentare de precizie pentru canelurile adânci ale canalelor de rulare care le conferă capacitatea lor de a gestiona simultan sarcinile radiale și axiale. Rulmenți adânci cu bile din oțel inoxidabil urmați o secvență identică, dar utilizați clase de oțel rezistente la coroziune care necesită parametri modificați de tratament termic. Acest articol acoperă fiecare etapă în detaliu.

Materii prime: ce oțel intră în rulmenți cu bile

Alegerea materialului pentru un rulment cu bile determină totul, de la duritate și durata de viață la oboseală până la rezistența la coroziune și temperatura maximă de funcționare. Majoritatea rulmenților cu bile adânci standard sunt fabricate din Otel cromat AISI 52100 (echivalent cu 100Cr6 în standardele europene), un oțel pentru rulmenți cu conținut ridicat de carbon, aliat cu crom, care atinge o duritate a suprafeței de 58–65 HRC după tratament termic — suficient de greu pentru a rezista oboselii de contact pe parcursul a sute de milioane de cicluri de stres.

Oțel cromat standard (AISI 52100 / 100Cr6)

Acest oțel conține aproximativ 1,0% carbon și 1,5% crom , oferindu-i o întărire și rezistență la oboseală excepționale. Este întărit integral, ceea ce înseamnă că întreaga secțiune transversală atinge o duritate uniformă, nu doar suprafața. AISI 52100 este materialul standard global pentru inelul interior, inelul exterior și bile în rulmenții cu bile adânci standard.

Oțel inoxidabil pentru rulmenți rezistenți la coroziune

Rulmenții cu bile adânci din oțel inoxidabil folosesc oțel inoxidabil martensitic, cel mai frecvent AISI 440C (varianta cu conținut ridicat de carbon) sau AISI 440B. AISI 440C conține aproximativ 1,0% carbon și 17% crom , care formează un strat de suprafață pasiv de oxid de crom, oferind o rezistență excelentă la umiditate, acizi blând și spray de sare. După tratamentul termic, AISI 440C ajunge 58–62 HRC — puțin mai moale decât 52100, ceea ce are ca rezultat aproximativ Capacitate de încărcare cu 20–30% mai mici comparativ cu rulmenții echivalenti din oțel cromat.

Pentru aplicațiile de prelucrare a alimentelor, marine, farmaceutice și chimice în care riscul de contaminare face ca acest compromis să merite, rulmenții cu bile adânci din oțel inoxidabil sunt specificația standard. Oferă și unii producători Inoxidabil AISI 316 pentru medii de coroziune extremă, deși acest grad austenitic nu poate fi întărit și necesită bile ceramice pentru a compensa.

Materiale pentru cuști și etanșare

• Cuști: Oțel ștanțat cu conținut scăzut de carbon (cel mai comun), alamă presată, poliamidă prelucrată (PA66) sau PEEK pentru aplicații la temperaturi înalte
• Scuturi (sufix ZZ): Tablă de oțel - menține lubrifiantul înăuntru și contaminarea grosieră afară, fără a intra în contact cu inelul interior
• Sigilii (sufixul 2RS): Cauciuc nitrilic (NBR) pentru aplicații standard; fluorocarbon (FKM/Viton) pentru servicii chimice sau la temperaturi înalte; PTFE pentru variante fără contact cu frecare scăzută

Pasul 1 - Formarea inelelor interioare și exterioare

Fabricarea inelelor începe cu bară de oțel sau tub fără sudură care a fost verificată pentru compoziția chimică și curățenia internă. Incluziunile și micro-golurile din oțel sunt cauza principală a oboselii premature a rulmenților, astfel încât calificarea materialului nu este opțională.

Forjare la rece sau la cald

Pentru rulmenți mai mari (diametrul alezajului peste aproximativ 30 mm), țaglele de oțel sunt forjat la cald la temperaturi de 900–1.100°C în semifabricate inelare brute. Forjarea aliniază structura granulară a oțelului de-a lungul circumferinței inelului - un avantaj critic, deoarece orientează cea mai puternică direcție a granulelor pentru a rezista la tensiunile cercului experiențelor inelului în funcționare. Pentru rulmenți cu bile adânci mai mici, formare la rece stocul de tuburi este obișnuit, producând mai puține deșeuri de material și necesitând mai puține prelucrari ulterioare.

Strunjire (prelucrare)

După forjare, semifabricatele inele sunt turnate pe strungurile CNC pentru a produce dimensiunile lor de bază - diametrul exterior, alezajul interior, lățimea și forma inițială a canalului de rulare. În această etapă, dimensiunile sunt tăiate la 0,1–0,5 mm supradimensionare pentru a lăsa stoc pentru măcinarea ulterioară. Profilul canelurii adânci - canalul semicircular care intră în contact cu bilele - este format aici într-o geometrie preliminară care va fi rafinată prin mai multe operații de șlefuire.

Inelele turnate sunt apoi spălate, inspectate dimensional și pregătite pentru tratament termic. Orice defecte de suprafață detectate în această etapă - fisuri, ture sau cusături - sunt motiv de respingere, deoarece tratamentul termic va bloca orice defecte existente.

Pasul 2 — Tratament termic: obținerea durității lagărului

Tratamentul termic este etapa cea mai critică din punct de vedere metalurgic în fabricarea rulmenților cu bile. Transformă inelele moi, prelucrabile din oțel, în componente dure, rezistente la oboseală. Tratamentul termic incorect - temperatură greșită, viteză de călire greșită sau revenire insuficientă - produce rulmenți care nu funcționează în câteva ore și nu în ani.

Proces de întărire prin AISI 52100

1. Austenitizare: Inelele sunt încălzite la 820–860°C într-un cuptor cu atmosferă controlată (pentru a preveni decarburarea suprafeței) și menținut la temperatură până când este complet austenit - de obicei 20-60 de minute, în funcție de grosimea secțiunii.
2. stingere: Inelele sunt răcite rapid prin scufundare în ulei (cel mai frecvent) sau prin stingerea forțată cu gaz. Răcirea rapidă transformă austenita în martensită - structura cristalină tetragonală dură, centrată pe corp, care conferă oțelului pentru rulmenți duritatea sa. Viteza de stingere trebuie să fie suficient de rapidă pentru a preveni formarea fazelor mai moi de perlit sau bainită.
3. Tratament criogenic (opțional, dar din ce în ce mai frecvent): Imersie în azot lichid la -196°C timp de 4-24 de ore transformă austenita reținută – o fază metastabilă mai moale – în martensită, îmbunătățind stabilitatea dimensională și durata de viață la oboseală cu până la 20%.
4. temperare: Inelele sunt reîncălzite la 150–180°C și menținut timp de 1-4 ore pentru a atenua solicitările de stingere, păstrând în același timp duritatea. Duritate finală după revenire: 60–64 HRC . Temperaturile de revenire mai ridicate reduc fragilitatea și mai mult, dar sacrifică o anumită duritate.

Tratament termic pentru rulmenți cu bile adânci din oțel inoxidabil (AISI 440C)

AISI 440C necesită austenitizare la o temperatură mai mare de 1.010–1.065°C urmată de călire cu ulei sau aer, apoi călire la 150–175°C . Temperatura de austenitizare mai mare este necesară pentru a dizolva carburile de crom prezente în acest grad. Duritatea finală ajunge 58–62 HRC . În mod critic, călirea la peste 400°C trebuie evitată - precipită carburi de crom la granițele granulelor, reducând dramatic rezistența la coroziune într-un proces numit sensibilizare.

Pasul 3 — Slefuirea inelelor la dimensiunile finale

După tratamentul termic, inelele sunt prea greu de tăiat cu unelte convenționale - numai șlefuirea cu roți abrazive poate obține precizia dimensională și finisarea suprafeței necesare. Slefuirea este un proces cu mai multe treceri, fiecare operație vizează o suprafață specifică și strângerea progresivă a toleranțelor.

Secvență de șlefuire pentru un inel de rulment cu bile cu canelură adâncă

1. Slefuire fata: Ambele fețe laterale sunt șlefuite și paralele cu o toleranță de ±0,005 mm sau mai bună, stabilindu-se datele de referință pentru toate operațiunile ulterioare.
2. Slefuire cu diametrul exterior (OD): Diametrul exterior al inelului exterior și alezajul inelului interior sunt șlefuite la diametrele specificate. Pentru un rulment standard din clasa de toleranță P0 (Normal), toleranța alezajului este de obicei 0 / -0,012 mm pentru un alezaj de 20 mm.
3. Slefuirea canelurii canalului de rulare: Cea mai critică operație. Roțile de șlefuit îmbrăcate în formă taie profilul canelurii semicirculare adânci la raza specificată - de obicei 51,5–53% din diametrul mingii pentru rulmenți adânci cu bile. Raza canelurii este controlată strâns deoarece determină direct unghiul de contact al bilei, distribuția sarcinii și zgomotul de rulare.
4. Superfinisarea (slefuirea) canalelor de rulare: Pietrele abrazive oscilante îndepărtează semnele de șlefuire direcționale lăsate de roată, producând un finisaj al suprafeței platoului cu valori Ra de 0,02–0,1 µm . Acest finisaj aproape de oglindă este esențial pentru a minimiza stresul de contact, pentru a reduce frecarea și pentru a obține modelul Brinell care reține pelicula de lubrifiant.

Rulmenții din clasa de precizie (P6, P5, P4 conform ISO 492) necesită toleranțe progresiv mai strânse la fiecare etapă de șlefuire. Un rulment de clasa P4 are toleranțe dimensionale aproximative de 4 ori mai strâns decât un rulment standard P0 și este utilizat în fusurile de mașini-unelte, echipamente de imagistică medicală și instrumente de precizie.

Pasul 4 – Fabricarea mingilor

Elementele de rulare - bilele în sine - sunt fabricate printr-un proces complet separat, care este probabil cel mai solicitant din întregul lanț de aprovizionare cu rulmenți. Rotunjimea bilei, finisajul suprafeței și consistența diametrului determină în mod direct zgomotul rulmentului, vibrațiile și durata de viață la oboseală.

1. Titlu rece: Sârma de oțel este introdusă într-o mașină de îndreptare rece care taie un mic melc și îl formează la rece între două matrițe într-o sferă aspră cu un inel de „flash” caracteristic ecuatorial. Inelul flash este material în exces stors între matrițe - trebuie îndepărtat în etapa următoare.
2. Îndepărtarea blițului (dezfulgere): Bilele aspre sunt turnate într-o canelură între două plăci de fontă, rupând inelul fulgerului și producând o formă mai sferică. În această etapă, bilele sunt încă aproximativ 0,1–0,3 mm supradimensionare cu rugozitatea suprafeței de Ra 0,8–1,6 µm.
3. Tratament termic: Bilele sunt supuse aceluiași proces de întărire ca și inelele - austenitizare, călire și revenire pentru a obține 62–66 HRC . Bilele sunt de obicei întărite la o valoare puțin mai mare decât inelele, deoarece suferă cele mai mari tensiuni hertziene de contact în rulment.
4. Slefuire tare: Bilele întărite sunt măcinate între plăci rotative din fontă folosind un compus abraziv, reducându-le la dimensiunea aproape finală și îmbunătățind sfericitatea. Trecerile multiple cu abrazive din ce în ce mai fine reduc stocul excesiv la aproximativ 5–25 µm .
5. Leupare și superfinisare: Lepătura finală între plăcile de precizie produce bile cu erori de sfericitate (abatere de la o sferă perfectă) de 0,1–0,25 µm pentru bile de gradul 10–25 utilizate în rulmenții standard cu bile adânci. Bilele de gradul de precizie 3 - utilizate în rulmenți de înaltă precizie - ating sfericitatea în interior 0,08 µm iar rugozitatea suprafeței sub Ra 0,012 µm.
6. Sortarea diametrului: Bilele finite sunt sortate în grupuri de diametre cu toleranțe de ±0,25 µm pe grup. Toate bilele utilizate într-un singur rulment trebuie să provină din același grup de diametru pentru a asigura o împărțire egală a sarcinii între toate bilele din complement.

Pasul 5 - Fabricarea cuștilor

Cușca (reținerea) menține o distanță circumferențială egală între bile, previne contactul bilă la bilă și ghidează lubrifiantul către zonele de contact. Este o componentă de precizie în sine, în ciuda faptului că este mai puțin solicitantă din punct de vedere mecanic decât inelele sau bilele.

• Cuști din oțel ștanțate: Tabla de oțel este tăiată, formată și străpunsă pentru a crea două semi-cuști care sunt nituite împreună în jurul complementului bilei. Acesta este cel mai comun tip de cușcă în rulmenții standard cu bile adânci datorită costului său scăzut și performanței adecvate până la viteze moderate.
• Colivi din alamă prelucrate: Din tub de alamă turnat CNC cu buzunare frezate sau broșate. Folosit în aplicații de mare viteză, temperatură ridicată sau vibrații ridicate, unde cuștile de oțel s-ar obosea. Alama are o compatibilitate excelentă cu lubrifianții pe bază de petrol și un risc scăzut de uzură.
• Cuști din poliamidă turnate prin injecție: Cuștile PA66 armate cu fibră de sticlă sunt turnate prin injecție într-o singură bucată. Ele sunt mai ușoare decât cuștile metalice, se auto-lubrifiază într-o anumită măsură și permit viteze admise mai mari decât cuștile din oțel în multe modele. Potrivit pentru temperaturi de funcționare de până la aproximativ 120°C continuu.

Pasul 6 — Asamblarea rulmentului adânc cu bile

Ansamblul rulmentului cu bile adânci folosește o tehnică specifică care exploatează geometria rulmentului: prin decalarea inelului interior în inelul exterior, se deschide un spațiu în formă de semilună pe o parte suficient de mare pentru a introduce completa completă a bilei. Acesta este metoda deplasării excentrice — permite încărcarea mai multor bile decât s-ar potrivi dacă sunt introduse prin partea deschisă a unui ansamblu deținut în mod convențional.

1. Curățarea inelului: Inelele interioare și exterioare sunt curățate cu ultrasunete pentru a îndepărta toate reziduurile de măcinare, particulele metalice și contaminanții înainte de asamblare. O singură particulă metalică prinsă în rulment în timpul asamblării cauzează pitting prematur al căii de rulare.
2. Încărcarea mingii: Inelul interior este deplasat pe o parte a inelului exterior, iar numărul maxim posibil de bile este încărcat în spațiul semilună. Inelul interior este apoi centrat, distribuind bilele uniform pe circumferinta.
3. Instalarea cuștii: Cușca este fixată sau nituită în jurul complementului de bile pentru a ține bilele la distanță egală. Pentru cuștile din oțel ștanțat, două semicuști sunt presate împreună și nituite prin bofe preformate.
4. Măsurarea jocului intern: Rulmentul asamblat este măsurat pentru jocul radial intern (RIC) - jocul radial total dintre inelele interioare și exterioare. Se verifică că spațiul liber standard C3 (mai mare decât în mod normal, pentru aplicații cu interferență) se încadrează limitele specificate conform ISO 5753 .
5. Lubrifiere: Cantitatea și gradul corect de grăsime sunt injectate în spațiul lagărului - de obicei umplere 25–35% din volumul liber pentru rulmenți etanșați. Supraumplerea crește temperatura de funcționare și pierderile de agitare; umplerea insuficientă scurtează durata de viață a grăsimii.
6. Instalarea scutului sau a sigiliului: Scuturile metalice (ZZ) sunt presate în canelurile din inelul exterior fără a intra în contact cu inelul interior. Garniturile de cauciuc (2RS) sunt așezate în mod similar, cu o potrivire de interferență controlată pe o canelură de etanșare de pe suprafața inelului interior.

Pasul 7 — Inspecția și testarea calității

Fiecare rulment cu bile adânci finit este supus unei baterii de inspecții automate înainte de ambalare. Rigoarea inspecției variază în funcție de clasa de precizie, dar chiar și rulmenții standard P0 sunt inspectați 100% - nu eșantionați - pentru parametrii critici de mai jos.

Rulmenții de înaltă precizie (clasa P5 și P4) sunt supuși, în plus, testelor de rotunjire axială, măsurării rotunjimii inelelor și bilelor folosind teste de rotunjime precise la 0,01 µm , iar în unele cazuri testarea vibrațiilor 100% cu sortare automată în funcție de gradul de zgomot (V1, V2, V3).

Rulmenți adânci cu bile din oțel cromat față de oțel inoxidabil: diferențe de fabricație

În timp ce secvența de fabricație este identică, rulmenții cu bile adânci din oțel inoxidabil necesită câteva modificări importante ale procesului în comparație cu unitățile standard din oțel cromat.

Clasele de toleranță și ce înseamnă acestea în practică

Rulmenții adânci cu bile sunt fabricați conform claselor de toleranță standardizate la nivel internațional, definite de standardele ISO 492 și ABMA. Clasa determină precizia dimensională și acuratețea de rulare a rulmentului finit - și conduce direct costul și complexitatea de producție.

• P0 (Normal / ABMA ABEC-1): Clasa comercială standard. Acoperă marea majoritate a aplicațiilor, inclusiv pompe, motoare, transportoare, cutii de viteze și aparate de uz casnic. Nu este necesară o desemnare specială pentru numerele de piese ale rulmenților.
• P6 (ABEC-3): Toleranțe mai strânse ale alezajului, diametrului exterior și de curățare. Folosit la mașini-unelte, pompe de precizie și motoare electrice de viteză medie. Aproximativ 2x mai strâns decât P0.
• P5 (ABEC-5): Precizie mare. Necesar pentru axurile de mașini-unelte, instrumentele de măsurare de precizie și aplicațiile de mare viteză peste 15.000 RPM. Aproximativ de 4 ori mai strâns decât P0.
• P4 (ABEC-7): Ultra-precizie. Folosit în axele de șlefuit CNC, giroscoape și aplicații aerospațiale. Toleranța la deformarea alezajului pentru un rulment de 20 mm este doar 2,5 µm — aproximativ 1/40 din lățimea unui păr uman.
• P2 (ABEC-9): Cea mai înaltă clasă de precizie comercială. Utilizat în principal în echipamentele de imagistică medicală de precizie, producția de semiconductori și instrumentele științifice.

Rulmenții cu bile adânci din oțel inoxidabil sunt fabricați cel mai frecvent la clasele de toleranță P0 și P6. Sunt disponibile clase de precizie mai înalte, dar sunt semnificativ mai scumpe datorită dificultății suplimentare de șlefuire a AISI 440C și sunt de obicei rezervate pentru camere curate sau aplicații medicale specializate în care sunt necesare simultan atât rezistența la coroziune, cât și precizia.