Jak produkowane są łożyska kulkowe?

Łożyska odgrywają kluczową rolę w wielu dziedzinach technologii i inżynierii. Bez względu na to, czy mówimy o łożyskach kulkowych, wałeczkowych, ślizgowych czy igiełkowych, znajdują one szerokie zastosowanie w prawie każdym urządzeniu, które wymaga ruchu obrotowego. Możemy je znaleźć w wielu codziennych przedmiotach – od kół w naszych samochodach, przez wiertarki dentystyczne, klapy dymowe, aż po wrzeciona obrabiarek czy mosty ciągnione. Ponadto są niezbędne w wielu kluczowych gałęziach przemysłu, takich jak motoryzacja, lotnictwo, rolnictwo, budowa maszyn czy energetyka, gdzie pełnią funkcje w silnikach, pompach i wielu innych urządzeniach.

Łożyska kulkowe

Wśród łożysk obrotowych szczególne miejsce zajmują łożyska kulkowe. Są to łożyska toczne, które wykorzystują kulki do oddzielania bieżni łożyska. Dzięki temu zapewniają płynny ruch obrotowy przy minimalnym tarciu. Ich produkcja jest niezwykle zróżnicowana – produkowane są w setkach rozmiarów, począwszy od miniaturowych łożysk o średnicy zaledwie 1,50 mm, które znajdują zastosowanie w precyzyjnych urządzeniach medycznych czy mikrosilnikach, aż po ogromne łożyska o średnicy przekraczającej 15 stóp, niezbędne w ciężkim sprzęcie przemysłowym.

Produkcja łożysk kulkowych

Produkcja łożysk kulkowych to skomplikowany proces, którego celem jest uzyskanie idealnie okrągłych kulek oraz precyzyjnie wykończonych bieżni. Proces ten rozpoczyna się od obróbki skrawaniem, gdzie surowy materiał jest kształtowany w odpowiednią formę. Następnie poddawany jest obróbce cieplnej, która ma na celu poprawę właściwości mechanicznych materiału. Po tej obróbce następuje szlifowanie, honowanie oraz docieranie, które mają na celu uzyskanie idealnej gładkości i dokładności wymiarowej. Na końcu następuje montaż, podczas którego poszczególne elementy łożyska są składane w całość. Chociaż proces produkcyjny może się różnić w zależności od producenta i typu łożyska, opisany wyżej schemat jest stosowany w produkcji większości standardowych łożysk kulkowych dostępnych na rynku.

Budowa łożyska tocznego

Łożyska kulkowe to jedne z najbardziej powszechnie stosowanych łożysk w wielu branżach i zastosowaniach. Mają za zadanie zapewnić płynny i efektywny ruch obrotowy przy jednoczesnym minimalizowaniu tarcia i zużycia. Aby lepiej zrozumieć, jak działają i są zbudowane, warto przyjrzeć się bliżej ich głównym składnikom.

Pierścienie łożyskowe (lub bieżnie): To dwie metalowe struktury, które otaczają kulki. Jedna z nich, nazywana bieżnią wewnętrzną, jest mocowana bezpośrednio do osi, podczas gdy druga, bieżnia zewnętrzna, jest zwykle mocowana do obudowy lub korpusu urządzenia. Te pierścienie są specjalnie zaprojektowane tak, aby umożliwić kulkom swobodny ruch wewnątrz nich, a jednocześnie utrzymywać je w odpowiedniej pozycji.

Kulki: To centralne elementy łożyska kulkowego, które oddzielają obie bieżnie i zapewniają płynny ruch obrotowy. Kulki wykonane są z wysokiej jakości stali, ceramiki lub innych materiałów odpornych na ścieranie. Ich rozmiar, kształt i ilość są precyzyjnie dostosowane do konkretnego zastosowania łożyska.

Element ustalający: Znany również jako „klatka”, „koszyk” lub „separacja”, element ustalający pełni kluczową rolę w utrzymaniu odpowiedniego odstępu między kulkami. Dzięki temu zapobiega się ich wzajemnemu zderzeniu oraz nadmiernemu tarciu. Koszyki mogą być wykonane z różnych materiałów, takich jak stal, plastik czy mosiądz, w zależności od wymagań danego zastosowania.

Chociaż w wielu łożyskach kulkowych można znaleźć dodatkowe elementy, takie jak uszczelki, tarcze czy smary, główne składniki – pierścienie, kulki i element ustalający – stanowią serce każdego łożyska kulkowego. Dzięki nim możliwe jest osiągnięcie optymalnej wydajności i długowieczności w wielu zastosowaniach, od prostych urządzeń domowych po zaawansowane systemy przemysłowe.

Materiały do produkcji łożysk

Większość łożysk produkowana jest z wykorzystaniem stali chromowanej, jednak różne materiały są stosowane, by poprawić ich wydajność i trwałość.

Stal SAE 52100 jest najczęściej stosowanym materiałem w bieżniach łożysk. Jest to stal chromowa (zawierająca 1% węgla i 1,5% chromu) o stabilności wymiarowej do temperatury 250 stopni F, a nawet wyższej, w zależności od zastosowanej obróbki cieplnej. Charakteryzuje się świetnymi właściwościami elastycznymi, obrabialnością oraz jednorodnością. Innym popularnym wyborem jest stal nierdzewna AISI 440C, ceniona za właściwości antykorozyjne. Choć obróbka AISI 440C jest droższa niż 52100, nie jest równie wytrzymała – przy 70 stopniach F jej nośność wynosi 85% nośności 52100. Czasami wykorzystuje się także inne stale nierdzewne typu martenzytycznego, które pomagają redukować hałas łożysk czy podnosić ich trwałość. Stal AISI M50 jest wykorzystywana w kluczowych zastosowaniach, np. w przemyśle lotniczym. Mimo że jest dwukrotnie bardziej niezawodna niż 52100 i zawiera 4% molibdenu, jest również znacznie droższa.

Kulki w łożyskach najczęściej produkowane są ze stali AISI 52100. Oprócz niej stosuje się stal AISI 440C, inne stale nierdzewne, ceramikę, szkło czy nawet plastik.

Jeśli chodzi o elementy ustalające łożyska, znane także jako koszyki czy separatory, mogą być one wykonane z różnych materiałów, takich jak stal tłoczona, mosiądz tłoczony, stal obrabiana maszynowo, brąz obrabiany maszynowo czy tworzywa sztuczne, takie jak nylon czy acetal (POM).

Produkcja łożysk

Produkcja pierścieni wewnętrznych i zewnętrznych łożysk kulkowych opiera się na zbliżonym procesie produkcyjnym.

Początkowo pierścienie te mają postać rur. Specjalistyczne maszyny, zbliżone do tokarek, przycinają je do podstawowej formy, pozostawiając dodatkowy materiał do dalszej obróbki. Na powierzchni pierścieni zewnętrznych nanosi się oznaczenia producenta i numer łożyska.

Następnym etapem jest hartowanie. W tym celu pierścienie podgrzewa się do 1565 stopni F na ok. 15-20 minut, hartuje w oleju o temperaturze 375 stopni F przez identyczny czas, a potem odpuszcza w temperaturze 340 stopni F przez 2 godziny.

Po hartowaniu oba pierścienie przekierowywane są do procesu szlifowania, gdzie uzyskują wymagane wymiary. Proces ten obejmuje:

• Szlifowanie czołowe dla określenia szerokości łożyska.
• Szlifowanie zewnętrznej średnicy pierścieni zewnętrznych oraz otworów pierścieni wewnętrznych.
• Szlifowanie bieżni, by uzyskać odpowiednie wartości promienia, geometrię i lokalizację bieżni.

Końcowym krokiem jest honowanie bieżni dla właściwego wykończenia powierzchni i geometrii. Niektóre łożyska, jak te skośne, mogą wymagać dodatkowych działań, aby zapewnić jednorodność szerokości pierścieni pod obciążeniem wzdłużnym.

Kulki łożyskowe podlegają równie złożonemu procesowi produkcyjnemu. Rozpoczynają się od fragmentu drutu lub pręta, który przekształcany jest w kulisty kształt. Kulki są następnie obrabiane w celu usunięcia nadmiaru materiału i szlifowane, aby uzyskać odpowiedni rozmiar i kształt. Proces hartowania jest zbliżony do tego stosowanego dla pierścieni. Na koniec kulki są docierane, by spełnić wszystkie wymogi dotyczące wykończenia powierzchni.

Natomiast elementy ustalające produkowane są w różnorodnych procesach, w zależności od użytego materiału i rozmiaru. Mogą to być techniki tłoczenia, formowania czy obróbki skrawaniem.

Montaż łożysk

Produkcja łożysk to nie tylko wytwarzanie poszczególnych elementów, ale również ich precyzyjne połączenie w jedną, sprawnie działającą całość. Każdy etap produkcji ma kluczowe znaczenie dla ostatecznej jakości i wydajności gotowego łożyska.

Po wytworzeniu wszystkich elementów łożyska, takich jak pierścienie, kulki i elementy ustalające, następuje etap dokładnych pomiarów. Wykorzystując zaawansowane technologie pomiarowe, takie jak mikrometry, czujniki laserowe czy urządzenia do pomiaru twardości, dokładnie sprawdza się wymiary i jakość wykonania każdego elementu.

Dopasowanie jest kluczowym krokiem w procesie montażu. Nie chodzi tu tylko o zwykłe połączenie elementów, ale o ich precyzyjne dopasowanie. Kształt i promień rowka kulkowego w pierścieniu wewnętrznym i zewnętrznym są dokładnie mierzone. Następnie dobiera się do nich kulki o ścisło określonej średnicy. Ta precyzja jest niezbędna, aby zapewnić, że gotowe łożysko będzie działało płynnie i cicho, a także aby zapewnić jego długą żywotność. Tylko odpowiednio dopasowane elementy gwarantują, że łożysko będzie spełniało określone tolerancje i standardy jakości.

Po etapie dopasowywania następuje montaż. Kulki umieszczane są pomiędzy pierścieniami, a elementy ustalające, takie jak klatki lub separatory, zapewniają, że kulki pozostaną na swoim miejscu i nie będą się ze sobą zderzać. Całość jest następnie zabezpieczana, często przy użyciu specjalnych uszczelek, aby zapobiec przedostawaniu się do wnętrza łożyska zanieczyszczeń i wilgoci.

Ostateczny produkt jest poddawany kolejnym testom jakości, takim jak testy obciążenia, testy tarcia czy testy temperaturowe, aby upewnić się, że spełnia wszystkie wymagania techniczne i jest gotowy do użycia w określonych zastosowaniach.

Autor: inż. Włodzimierz Tadeusiak