Come costruire un mandrino macchina migliore

Oct 29, 2023

A cura dello staff di Design News | 13 luglio 2022

I mandrini supportano elementi rotanti in un'ampia gamma di macchinari. Nelle macchine utensili per il taglio dei metalli, ad esempio, i cuscinetti del mandrino forniscono stabilità al sistema per garantire la qualità della superficie e la precisione dei pezzi da lavorare. Tali cuscinetti devono essere altamente rigidi e durevoli per poter sopportare carichi meccanici e devono inoltre presentare bassi livelli di attrito e un'elevata tolleranza termica per consentire velocità elevate.

Schaeffler, fornitore globale del settore automobilistico e industriale, ha recentemente aiutato un produttore leader di macchine utensili a raddoppiare la durata della garanzia sui suoi motomandrini, offrendo anche un numero illimitato di ore di utilizzo del mandrino durante il periodo di garanzia, utilizzando cuscinetti per mandrini ad alta velocità realizzati in Vacrodur, un nuovo materiale ad alte prestazioni acciaio per cuscinetti volventi sviluppato da Schaeffler. Il produttore mondiale di macchine utensili è riuscito a progettare elettromandrini che, soprattutto in condizioni operative difficili, dimostrano un'estrema affidabilità e una durata operativa notevolmente più lunga rispetto ai mandrini convenzionali.

Schaeffler ha fornito a Design News informazioni su questo caso d'uso e abbiamo chiesto a ER Muntz, ingegnere applicativo senior per l'automazione industriale presso Schaeffler, alcune domande su Vacrodur e sulle possibilità future.

Muntz: Storicamente, la maggior parte delle applicazioni utilizzava acciaio per cuscinetti volventi 100Cr6. Gli sforzi per migliorare la capacità di velocità e la robustezza del cuscinetto del mandrino hanno comportato l'utilizzo di cuscinetti ibridi con elementi volventi in ceramica.

Tuttavia, l'utilizzo di elementi volventi in ceramica è andato solo fino a un certo punto per quanto riguarda il miglioramento delle prestazioni del cuscinetto del mandrino. Quando i produttori di macchine utensili hanno eseguito revisioni e riparazioni sui loro mandrini, hanno riscontrato più volte che le sfere di ceramica rimangono intatte. Nel frattempo, gli anelli dei cuscinetti mostravano già segni di cedimento da fatica, come vaiolature e crepe.

Il passo successivo nell'evoluzione dei materiali per le piste dei cuscinetti è stato lo sviluppo di acciai ad alto contenuto di azoto come il materiale Cronidur di Schaeffler. Per molti anni, questa è stata l'offerta premium per i produttori di mandrini che spingevano oltre i limiti delle capacità di carico e velocità. Ma ora, ulteriori progressi negli strumenti, insieme a maggiori requisiti di produttività e tempi di attività, hanno portato alla necessità di cuscinetti per mandrini ancora più robusti.

Per contribuire a risolvere questa discrepanza nella durata operativa tra le sfere in ceramica e gli anelli dei cuscinetti per questa porzione emergente del mercato, Schaeffler ha sviluppato un nuovo acciaio per cuscinetti noto come Vacrodur.

Muntz: Vacrodur è un acciaio ad alte prestazioni prodotto mediante metallurgia delle polveri e sottoposto a uno speciale processo di trattamento termico in più fasi che si traduce in una struttura a grana fine di omogeneità senza pari. Questo processo di trattamento termico a più fasi genera valori di durezza estremamente elevati di 65 HRC, che rendono il cuscinetto meno sensibile alle collisioni e ai carichi d'urto rispetto ai cuscinetti realizzati in 100Cr6. Se il lubrificante viene contaminato, l'elevata durezza del materiale porta ad una riduzione del danno iniziale causato dal rotolamento di particelle estranee.

Questo speciale processo di trattamento termico conferisce al Vacrodur anche la sua stabilità termica. A differenza degli acciai convenzionali per cuscinetti volventi, come il 100Cr6, la durezza del Vacrodur non viene ridotta, anche a temperature superiori a 150°C. Le proprietà del materiale rimangono stabili a temperature di applicazione estremamente elevate fino a 400°C. La conseguente robustezza dei cuscinetti per mandrini prodotti in Vacrodur è particolarmente evidente laddove l'apporto di lubrificante è insufficiente. Tali stati operativi indesiderati sono solitamente associati a temperature in forte aumento nel contatto volvente e portano ad una notevole perdita di durezza. Al contrario, la stabilità termica fornita da Vacrodur garantisce una sostanziale riserva di sicurezza.

Secondo una procedura di prova certificata dalla rinomata società di classificazione internazionale Germanischer Lloyd, con Vacrodur in buone condizioni di lubrificazione è stato ottenibile con Vacrodur un aumento della durata operativa di oltre 13 volte rispetto al valore dell'acciaio per cuscinetti volventi standard. Nei test con attrito misto, questa differenza nella durata operativa è ulteriormente aumentata di un fattore 25. In condizioni di contaminazione controllata, cioè con contaminazione definita del lubrificante con particelle minerali, un aumento della durata utile di 24 volte rispetto al precedente parametro di riferimento dell'acciaio per cuscinetti volventi , il Cronidur di Schaeffler, era verificabile.