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Alberi lineari: Selezione del materiale, della tempra e del trattamento superficiale corretti
Gli alberi lineari svolgono attività impegnative nelle applicazioni industriali: Consentono movimenti lineari precisi e ripetibili con carichi meccanici elevati. Per soddisfare questi requisiti è fondamentale scegliere il materiale, termprarlo e trattarne la superficie in modo adeguato. Tutti questi fattori influenzano direttamente la vita utile, la precisione e le prestazioni di un albero lineare. Questo articolo presenta questi tre aspetti ed evidenzia le loro dipendenze in modo da poter selezionare l’albero lineare migliore per la tua applicazione.
Alberi lineari in dettaglio
Gli alberi lineari in combinazione con i cuscinetti lineari (ad es. boccole a strisciamento e cuscinetti a sfere lineari) fungono da guida lineare per i movimenti assiali. Solitamente sono realizzati in acciaio di precisione, ma è possibile usare anche altri materiali. Esistono diversi modi per integrare gli alberi lineari in un sistema. supporti dell’albero sono solo una delle molte opzioni, a seconda della forma dell’albero. Per ulteriori informazioni consultare il nostro articolo sugli alberi lineari: Estremità dell’albero e opzioni di montaggio degli alberi lineari.
Gli alberi cavi (forma tubolare) rappresentano una forma speciale per gli alberi lineari. Gli alberi cavi hanno un interno cavo su tutta la loro lunghezza. Questo utilizza meno materiale, riducendo così il peso dell’albero lineare. Gli alberi lineari fungono da alberi guida per i cuscinetti lineari. Se utilizzati correttamente, consentono una guida molto precisa del movimento lineare per applicazioni con elevate esigenze di fluidità e precisione. Al fine di soddisfare questo requisito e garantire una guida affidabile del cuscinetto lineare per tutta la sua vita utile, è fondamentale l’interazione tra la selezione del materiale, la tempra e qualsiasi trattamento superficiale aggiuntivo richiesto.
Selezione del materiale per applicazione prevista
La selezione del materiale dell’albero lineare si basa sui requisiti specifici dell’applicazione prevista. In molti casi l’acciaio non indurito, ad es. EN 1.1191 Equiv., può essere utilizzato per applicazioni semplici, ad es. qualsiasi che utilizzi cuscinetti a strisciamento senza manutenzione. La cromatura dura aggiuntiva migliora il trattamento superficiale e la resistenza di superficie. I rivestimenti LTBC possono migliorare la resistenza alla corrosione. In genere l’albero dovrebbe essere significativamente più duro del cuscinetto a strisciamento.
Per cuscinetti a sfere lineari o requisiti di precisione superiori utilizzare acciaio più duro o temprato a induzione. Quindi l’albero lineare e i cuscinetti a sfere lineari devono avere la stessa durezza. In questo caso è possibile utilizzare anche l’acciaio di precisione CF53 o EN 1.1213. Questo acciaio non è legato ed è adatto per la tempra a induzione e alla fiamma. Grazie al suo contenuto medio di carbonio può essere lavorato in modo preciso, il che è vantaggioso anche quando è necessario soddisfare requisiti di elevata precisione
Il materiale selezionato deve combinare le proprietà principali seguenti in base al peso richiesto dall’applicazione:
- Resistenza elevata del materiale che consente un peso più leggero
- Temprabilità o durezza
- Elevata duttilità - bassa sensibilità all’intaglio
È necessario fare alcune considerazioni per combinare prestazioni, vita utile ed efficienza ottimali:
- Quali sono le condizioni ambientali? È necessario l’acciaio inox?
- Quali tipi di carichi si presentano (importante per la durezza del materiale)?
- Quale durezza della superficie è necessaria? L’elemento pertinente è, ad esempio, un cuscinetto a sfera lineare o una boccola a strisciamento, compreso il carico trasportato?
- È disponibile la precisione richiesta?
- Qual è il costo?
- Che tipo di assemblaggio viene utilizzato? Può essere rilevante per la sensibilità all’intaglio.
Se la durezza e la resistenza all’usura sono l’obiettivo principale, devono essere utilizzate qualità di acciaio temprato come l’acciaio con numero di materiale 1.3505 o l’acciaio con superfici nitrate. Queste qualità di acciaio resistono anche all’uso intenso e all’usura meccanica.
Sebbene la forma delle estremità dell’albero non sia un criterio di selezione per il materiale dell’albero lineare, influisce sulla durezza della superficie degli intervalli di tempra. Le considerazioni sulle opzioni di montaggio esistenti e sulle estremità dell’albero risultanti hanno senso, specialmente quando sono necessarie funzioni specializzate, ad esempio alberi lineari con perni filettati.
Alberi lineari temprati e non temprati
Gli alberi in acciaio temprato devono essere utilizzati per requisiti di alta precisione o di cuscinetti superiori. Tali alberi lineari, chiamati anche alberi di precisione, sono solitamente alberi in acciaio temprato trattati termicamente (a induzione) con un nucleo duttile. In alternativa è possibile applicare uno speciale rivestimento per alcune applicazioni (ad es. cromo duro), che aumenta la qualità superficiale e la durezza.
Gli alberi lineari temprati sono meno suscettibili all’abrasione e alla deformazione superficiale. Si tratta di un loro vantaggio, soprattutto quando sono sottoposti a carichi elevati. I segni di usura del cuscinetto a sfere lineare sono più piccoli perché la superficie dura dell’albero resiste meglio alle sollecitazioni causate dalle sfere nel cuscinetto a sfere lineare. Tuttavia è importante notare che la durezza non deve essere troppo elevata poiché altrimenti l’albero può indebolirsi e guastarsi.
Gli alberi non temprati sono invece più morbidi e meno sensibili all’intaglio, ma più suscettibili all’usura e alla deformazione. Gli alberi lineari non temprati sono solitamente meno costosi degli alberi temprati.
Effetto della durezza dell’albero sulla vita utile nominale
La vita utile nominale di un intero sistema lineare è influenzata anche dalla durezza dell’albero fH, tra le altre variabili influenti. Un albero deve essere abbastanza duro da sopportare i cuscinetti a sfera. Altrimenti il carico nominale viene ridotto. Altre variabili influenti includono il coefficiente di temperatura fT, il coefficiente di contatto fC e il coefficiente di carico fW.
Temperature superiori a 100 °C comportano una riduzione della durezza e quindi una riduzione del carico nominale. Il coefficiente di contatto tiene conto del fatto che il carico nominale varia in base al numero di cuscinetti lineari per asse (albero lineare). In genere due alberi lineari paralleli sono installati nelle guide dell’albero lineare.
I coefficienti di contatto fC seguenti si applicano rispettivamente a seconda del numero di cuscinetti:
- Un cuscinetto per albero: 1,0
- Due cuscinetti per albero: 0,81
- Tre cuscinetti per albero: 0,72
- Quattro cuscinetti per albero: 0,66
- Cinque cuscinetti per albero: 0,61
Il coefficiente di carico fW richiede informazioni sul peso del materiale, sulla coppia di carico e su altri parametri che solitamente sono difficili da calcolare. I valori seguenti sono utilizzati come regola generale per applicazioni senza forti carichi di vibrazione e urto:
- Bassa velocità (massimo 15 m/min): 1,0 ... 1,5
- Velocità media (massimo 60 m/min): 1,5 ... 2,0
- Alta velocità (superiore a 60 m/min): 2,0 ... 3,5
Insieme al carico nominale dinamico C e al carico utile P, la vita utile nominale L di un cuscinetto a sfere lineare può essere calcolata come segue:
L =\left ( \frac{f_{H} \times f_{T} \times f_{C}}{f_{W}}\times \frac{C}{P} \right )^{3} \times 50
Durezza di vari acciai
A seconda della composizione e del trattamento termico le qualità dell’acciaio possono variare da qualità morbide e malleabili a varianti estremamente dure e resistenti all’usura. Il numero di materiale indica la durezza dell’acciaio:
- EN 1.3505 (100Cr6): Acciaio classico per cuscinetti volventi ad alta durezza, adatto per usura pesante
- EN 1.4125 (X105CrMo17): Un acciaio cromato martensitico con resistenza molto elevata all’usura, incluso l’uso come acciaio per coltelli
- EN 1.1191 (C45): è un acciaio di qualità o acciaio al carbonio non legato. Può essere indurito solo moderatamente, ma è facilmente lavorabile. Utilizzato per alberi con requisiti meccanici da medi ad alti.
- EN 1.4301 (X5CrNi18-10, AISI 304): Un acciaio nichel-cromo. Utilizzato frequentemente e facilmente lavorabile. Ha una resistenza alla corrosione elevata. La durezza è inferiore a 215 HB e la tempra mediante trattamento termico non è possibile.
- EN 1.4037 (X65Cr13): Un acciaio inox martensitico. Dopo la tempra ha una durezza elevata, ma è relativamente fragile. È adatto all’uso in ambienti corrosivi.
- EN 1.1213 (Cf53): Un acciaio non legato di alta qualità al carbonio. Ottime proprietà di tempra, resistenza e robustezza elevate, ma resistenza alla corrosione ridotta.
Per le tolleranze ISO associate vedere la tabella seguente, Durezza e trattamento superficiale disponibile per materiale dell’albero:
| Materiale | Tolleranza ISO | Durezza | Trattamento superficiale |
|---|---|---|---|
| EN 1.3505 Equiv. | g6, h5 | Temprato a induzione circa da 56 a 58 HRC |
senza |
| EN 1.4125 Equiv. | |||
| EN 1.4037 Equiv. | |||
| EN 1.3505 Equiv. | Cromato duro Durezza del rivestimento HV750 ~ Spessore del rivestimento: min. 5 μ m |
||
| EN 1.4125 Equiv. | |||
| EN 1.3505 Equiv. | g6 | Rivestimento LTBC Spessore del rivestimento: 1 ~ 2 μm |
|
| EN 1.4125 Equiv. | |||
| EN 1.1191 Equiv. | f8 | non temprato | Cromato duro Durezza del rivestimento HV750 ~ Spessore del rivestimento min. 10 μm |
| EN 1.4301 Equiv. | |||
| EN 1.1213 | h6 | Temprato a induzione 58 HRC o più |
senza |
| EN 1.1213 | h7 | Cromato duro Durezza del rivestimento: HV750 Spessore del rivestimento min. 5 μm |
Trattamento degli alberi lineari e relativi effetti
Gli alberi lineari innanzitutto vengono temprati termicamente in modo induttivo. Questa fase di tempra viene completata sulla materia prima sullo strato marginale prima di tutti gli ulteriori processi di lavorazione. La profondità di tempra risultante dipende dal materiale e dal diametro dell’albero lineare. Quindi l’albero viene lavorato mediante rettifica, foratura, ecc. In queste aree viene rimosso anche lo strato marginale temprato. Il materiale circostante spesso diventa molto caldo a seguito della lavorazione, il che porta a un cambiamento della durezza in queste aree.
La tabella seguente fornisce una panoramica della profondità di tempra degli alberi lineari per varie qualità di acciaio:
| Diametro esterno D | Profondità effettiva di durezza | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| EN 1.1191 C45E Equiv. |
EN 1.1213 Cf53 |
EN 1.3505 100Cr6 Equiv. |
EN 1.4037 X65Cr13 Equiv. |
EN 1.4125 X105CrMoV17 Equiv. |
EN 1.4301 X5CrNi18-10 Equiv. |
|
| 3 | non temprato | Dimensioni non disponibili | > 0.5 | > 0.5 | > 0.5 | non temprato |
| 4 | ||||||
| 5 | ||||||
| Da 6 a 10 | > 0.5 | |||||
| 12 | > 0.7 | > 0.7 | > 0.5 | > 0.5 | ||
| 13 | ||||||
| Da 15 a 20 | > 0.7 | > 0.7 | ||||
| Da 25 a 30 | > 1.0 | > 1.0 | ||||
| Da 35 a 50 | Dimensioni non disponibili | |||||
Limitazioni della durezza nel trattamento superficiale
Prima della lavorazione spesso l’acciaio viene riscaldato per renderlo più lavorabile. Anche con la lavorazione meccanica l’acciaio nella regione del bordo può essere riscaldato in modo tale che viene ridotta la durezza dello strato marginale originariamente temprato in modo uniforme in questa regione. Questa zona è chiamata anche zona di dissipazione del calore e ha una durezza inferiore rispetto al resto del materiale. Il processo di riscaldamento deve essere controllato per ridurre al minimo il rischio di incidenza in questa zona. Lo strato marginale temprato dell’albero originale viene rimosso sulle spinature per chiavi, sui raccordi, ecc. Le superfici lavorate o esposte presentano pertanto una durezza differente.
Ad esempio, la ricottura può ridurre la durezza nelle opzioni di configurazione seguenti e nelle progettazioni dell’albero seguenti:
- Alberi filettati
- Alberi a gradini
- Scanalature per anello di sicurezza, fori conici ed esagonali, spinature per chiavi, fori pilota con filettature interne, scanalature per viti di montaggio
- Sedi per chiavetta, scanalature a V
- Superfici piane
- Progettazioni delle estremità dell’albero configurabili (a G, a H)
- Alberi cavi (foro laterale su un lato)
Altre forme di trattamento superficiale
Oltre a indurire l’albero lineare stesso, è anche possibile applicare dei rivestimenti per migliorare la durezza. Questi vengono utilizzati anche per la protezione dalla corrosione. Esistono diversi tipi di rivestimenti:
- Cromatura dura: La cromatura dura fornisce un’elevata durezza della superficie e resistenza all’usura. Tuttavia il cromo può scheggiarsi.
- Rivestimento (LTBC): Questo rivestimento è uno strato spesso 5 μm di fluoropolimero depositato come strato nero. È a bassa riflessione e resistente alla pressione di scoppio piegando l’albero lineare. I rivestimenti LTBC mostrano un buon equilibrio tra durezza ed elasticità.
- Nichelatura chimica: Strato uniforme e privo di pori con elevata protezione dalla corrosione. Questo rivestimento crea una superficie liscia con attrito basso, ma aumenta solo moderatamente la durezza della superficie, motivo per cui viene utilizzato principalmente per la protezione dalla corrosione e le proprietà di scorrimento.
- Nitrurazione: La nitrurazione aumenta significativamente la durezza della superficie. Questo processo diffonde l’azoto nella superficie dell’acciaio. Analogamente al rivestimento LTBC, lo strato nitrurante non può più scheggiarsi.
Selezioni degli alberi lineari MISUMI
MISUMI offre una varietà di opzioni di configurazione dell’albero lineare:
- Materiale albero: Acciaio, Acciaio inox
- Rivestimento/placcatura: non rivestito, cromatura dura, rivestito con LTBC, nichelatura chimica
- Trattamento termico: non trattato, tempra a induzione
- Tolleranze ISO: h5, k5, g6, h6, h7, f8
- Classi di precisione: perpendicolarità 0,03, concentricità (con filettatura e incrementi) Ø0,02, perpendicolarità 0,20, concentricità (filettatura e passo-passo) Ø0,10
- Rettilineità/rotondità: a seconda del diametro. Per ulteriori informazioni fare riferimento agli standard di precisione dell’albero.
Leggi anche il nostro articolo Alberi lineari: Standard di precisione degli alberi lineari MISUMI.
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