Schaeffler Group Industrial a récemment introduit des solutions pour le roulement des broches principales sous la marque de produits FAG avec la série RS haute performance et les roulements à rouleaux cylindriques TR thermiquement robustes, qui, dans de nombreux cas, permettent également le réglage rigide des roulements pour les broches de moteur. En conséquence, certaines parties de l'environnement sont en partie inutiles et l'assemblage des roulements est grandement simplifié.

Les broches de moteur n'imposent pas seulement les exigences les plus élevées en matière de vitesse des roulements de broche. En raison de la forte dissipation de puissance dans le rotor, de grands gradients de température peuvent se produire entre l'arbre et le carter. Les roulements de broche dans les broches principales à entraînement direct sont donc généralement préchargés élastiquement afin de permettre la compensation des différents changements de longueur dus aux changements de température.

Construction typique des roulements de la broche du moteur

Si les broches principales d'une machine-outil doivent répondre aux exigences les plus élevées en termes de capacité de tournage et de performance de coupe, elles sont désormais généralement conçues comme des unités à entraînement direct. Ces broches sont communément appelées broches de moteur. Dans cette conception, le moteur se trouve directement sur l'arbre monté avec précision de la broche. Il est devenu généralement accepté en raison de sa conception compacte, de sa densité de puissance élevée et des avantages dynamiques dus aux faibles masses et aux moments d'inertie de masse.

Des roulements pour tous dans plus de 60 industries

Les roulements, qui doivent être préchargés en raison des exigences élevées en matière de concentricité et de précision du guidage, reposent généralement des deux côtés du moteur afin d’optimiser la rigidité statique et dynamique.

En raison de la densité de puissance élevée, les pertes électriques dans le rotor provoquent des températures pouvant atteindre 150 ° C pendant le fonctionnement. Celles-ci entraînent de grands gradients de température entre l'arbre et le logement, qui doivent être compensés par le stockage.

Stockage côté travail

Sur le côté de travail du roulement d’une broche principale, l’arbre doit être guidé aussi axialement que radialement par les paliers. De plus, les forces doivent être absorbées par le traitement.

La figure 1 montre une structure de montage typique d'une broche de moteur sous la forme d'un palier tandem à ressort. Les deux roulements avant sont fixés axialement à la fois sur l'arbre et dans le logement. La bague extérieure de l'enclume est montée dans une douille pouvant coulisser dans le logement.

La tension de polarisation est générée par des ressorts entre la prise et le boîtier. En raison du mouvement de glissement de la bague extérieure, il est possible de compenser les modifications de la longueur de l'arbre ainsi que les modifications du porte-à-faux des roulements dû aux influences de la vitesse et de la température. La précharge dans le roulement ne change que peu, car la raideur des ressorts est très inférieure à celle des roulements.

Retour de stockage

Le palier arrière sert principalement à guider et à soutenir l'arbre. Dans le cas d'outils à longues saillies, les efforts radiaux doivent également être absorbés par l'usinage.

La figure 2 montre une structure typique du montage arrière d'une broche de moteur sous la forme d'un roulement de broche sollicité par ressort. De nouveau, la bague extérieure est fixée dans une douille qui peut être déplacée vers le logement.

Le roulement arrière est le roulement flottant réel. Les décalages qui se produisent sont plus importants que du côté travail, car la totalité du changement de longueur de l'arbre dû aux variations de température doit être compensée. Pour cette raison, la douille coulissante est souvent située dans une douille sphérique, ce qui permet un mouvement de glissement sûr même sur de longues distances et sous prétension.

Avantages et inconvénients des roulements à ressort

L'avantage des roulements montés sur ressorts réside donc dans la possibilité de compenser les saillies et les changements de longueur sans provoquer d'efforts excessifs sur les roulements. D'autre part, cette solution présente également un certain nombre d'inconvénients:

Les bagues coulissantes, les bagues à billes et les ressorts compliquent la construction environnante et l’assemblage. La fonction de coulissement de la prise peut échouer en raison d'une inclinaison et d'un jeu insuffisant, par exemple en raison de différences de température.

Les contraintes exercées dans le sens effectif du ressort ne peuvent être absorbées que dans la limite de la force de rappel exercée par le ressort. L'arbre est suspendu très doucement dans la direction effective du ressort et est donc sujet aux vibrations dans la direction axiale.

La nouvelle série haute performance RS et le roulement à rouleaux cylindriques thermiquement robustes TR associent la vitesse la plus élevée, une capacité de charge élevée et une insensibilité aux conditions de fonctionnement changeantes. En somme de leurs propriétés, ils ouvrent de nouvelles possibilités pour la conception constructive des broches de moteur.

Roulements de broche RS robustes et durables, adaptés à une vitesse élevée

Les roulements de broche RS sont des roulements à grande sphère avec un angle de pression nominal de 20 et une construction interne optimisée pour le frottement (Fig. 3). Ils associent l’adéquation de la vitesse des séries à grande vitesse de petite taille à la robustesse et la capacité de charge des roulements à grande sphère.

La figure 4 montre une comparaison entre la limite de vitesse et la capacité de charge dynamique de différents modèles de roulements de broche de taille 7014.

Les roulements de broche universels sont fabriqués avec un jeu radial défini. Ceci détermine l'angle de pression. Une projection définie détermine la classe de précharge. Une réduction du jeu radial dans le roulement due aux influences de l'assemblage, de la vitesse et de la température entraîne une augmentation du surnageant. De ce fait, la précharge augmente dans les roulements rigides (Fig. 5).

La construction interne optimisée, la grande section transversale de la rotule et l'angle de pression de 20 confèrent aux roulements RS une excellente résistance aux variations du jeu radial.

La figure 6 compare l’augmentation de la précharge due à la réduction du jeu radial dans les roulements à grande sphère conventionnels, les roulements à grande vitesse à petite bille et la série haute performance RS.

En comparaison, la variation relative de la force de précharge est la plus forte dans la conception à petite sphère. Pour la série RS hautes performances, sa taille n’est que de la moitié.

L'image 7 montre les températures de fonctionnement mesurées d'une broche de moteur à rotation rapide, où les roulements ont été réalisés avec des roulements à billes en céramique fixés de manière rigide. Malgré la caractéristique de vitesse élevée de presque 1,5 millions de mm / min pour cet arrangement de roulement et pour la lubrification à la graisse, les températures mesurées au niveau de la bague extérieure restent stables en dessous de 60 ° C. Dans ce cas, cela correspond à une température excessive de 35 par rapport à l'environnement.

Roulements à rouleaux cylindriques thermiquement robustes N..TR -

En tant que roulement flottant idéal, le roulement à rouleaux cylindriques a subi un développement ultérieur décisif en termes d'aptitude à la vitesse. Cependant, en raison de sa sensibilité aux différences de température, il est rarement utilisé dans les broches de moteur. Le nouveau roulement à rouleaux cylindriques FAG thermiquement robuste N ..- TR- associe pour la première fois la fonction de roulement flottant sûr des roulements à rouleaux cylindriques à l'aptitude aux vitesses élevées et aux variations de température. Il représentera donc le roulement flottant idéal pour un grand nombre d'applications de broche de moteur et aura une forte influence sur les conceptions dans le futur (Fig. 8).

Fonction flottante sécurisée

Les roulements à rouleaux cylindriques de précision à une rangée sont idéaux comme roulements radiaux purs. Ils sont conçus sans bague sur la bague extérieure, idéalement comme roulement flottant. La bague intérieure et la bague de roulement peuvent être ajustées librement par rapport à la bague extérieure dans leur position. Etant donné que le déplacement relatif a lieu à l'intérieur du roulement entre les éléments roulants en rotation et la bague extérieure, une défaillance de la fonction de palier lisse n'est pas possible.

Pour un guidage précis de l'arbre et pour éviter les dommages dus au patinage, lors du montage de roulements à rouleaux cylindriques dans des broches principales à grande vitesse, le jeu radial doit être réglé de manière à ce que le roulement fonctionne sans jeu ou avec une précharge légère.

Les modifications du jeu radial provoquent une tension radiale dans le roulement des roulements à rouleaux cylindriques. En raison de la pression de surface accrue, le frottement dans le contact de roulement augmente. L'élément roulant se réchauffe. Cela augmente la précharge dans le roulement et augmente davantage le frottement. Si la chaleur supplémentaire résultante ne peut plus être dissipée, la tension radiale entraîne une défaillance du roulement.

Système conforme radialement

Le roulement à rouleaux cylindriques thermiquement robuste est équipé d'une bague extérieure flexible, qui peut compenser la tension en modifiant le jeu radial. La bague extérieure, qui a toujours des dimensions standard, comporte deux rainures (Fig. 9). Entre les perforations, le diamètre extérieur est légèrement retiré radialement. En conséquence, la région centrale de la bague extérieure peut s’étendre radialement avec des différences de température variables.

En raison de l'élasticité de la bague extérieure, les pressions de surface augmentent moins lorsque le jeu radial change en cours de fonctionnement.

La figure 10 montre la force de contact et la pression superficielle en fonction de la différence de température dans un roulement N1011-K-PVPA1-SP monté dans le jeu, de conception standard, et dans un roulement correspondant avec bague extérieure élastique N1011-K-TR-PVPA1-SP.

En raison de l'élasticité de la bague extérieure, la force de contact et donc la pression superficielle exercée sur la bague extérieure dans le roulement à rouleaux cylindriques thermiquement robuste augmentent beaucoup moins vite que dans le roulement à rouleaux cylindriques standard. Même avec une différence de température de 40 K, la pression de surface reste bien en dessous de la limite de fatigue de 1500 MPa.

Charge lubrifiante inférieure

Les forces de contact et les pressions superficielles réduites entraînent un frottement réduit et une contrainte moindre sur le lubrifiant. La souplesse de la bague extérieure empêche une augmentation incontrôlée de la polarisation en chauffant l'élément roulant. Les roulements à rouleaux cylindriques thermiquement robustes non montés au jeu peuvent ainsi être utilisés en toute sécurité, même avec des différences de température de 40 K.

Convient pour les grandes vitesses

La vitesse maximale des roulements est principalement limitée par les frottements générés dans les roulements. Si la chaleur générée pendant le fonctionnement ne peut plus être rejetée dans l'environnement, la température de stockage continuera à augmenter. La défaillance du lubrifiant conduit finalement à une défaillance du roulement.

À l'EMO 2007, le groupe Schaeffler Industrial a présenté les roulements à rouleaux cylindriques à grande vitesse FAG dotés d'une vitesse supérieure de 60% à la norme précédente. Ces roulements atteignent des caractéristiques de vitesse avec des éléments roulants en acier, ce qui n’était jusque-là possible qu’avec des éléments roulants en céramique. L’augmentation de la vitesse a été obtenue en minimisant systématiquement les frottements au niveau des deux principales sources de chaleur dans le roulement, le contact de roulement et le frottement de la cage.

Les roulements à rouleaux cylindriques de précision sont équipés en standard d'une cage en laiton guidée sur les éléments roulants. En revanche, les roulements à rouleaux cylindriques à grande vitesse sont dotés d'une cage PEEK à friction optimisée guidée sur la bague extérieure. De plus, la friction dans le contact de roulement a été réduite par une géométrie de contact optimisée sur le rouleau et la bague intérieure.

Dans la version avec cage en PEEK, les roulements à rouleaux cylindriques thermiquement robustes ont la même optimisation de conception interne que les roulements à rouleaux cylindriques à grande vitesse et atteignent également leurs vitesses exceptionnelles.

La figure 11 montre les températures de fonctionnement mesurées d'un roulement à rouleaux cylindriques thermiquement robuste N1011-K-TR-PVPA1-SP. Le roulement, qui, selon le catalogue, a une vitesse limite de 26.000 tr / min pour la lubrification air-huile^-1 a pu fonctionner de manière fiable avec 34.000 min^-1 être opéré.

Distribution optimisée des lubrifiants

Les roulements à rouleaux cylindriques sont sensibles à une lubrification excessive. En particulier avec la lubrification à la graisse, il est important que la graisse soit distribuée rapidement et que l'excès de graisse entre les éléments roulants soit éliminé, afin d'éviter tout dommage dû au travail de flexion élevé pendant le laminage.

Une cage PEEK guidée des deux côtés de la bague extérieure assure un frottement réduit pendant le fonctionnement. Quelle que soit la position de la bague intérieure, au moins une toile de cage est toujours guidée sur la bague extérieure. Le déplacement possible de la bague intérieure est caractérisé dans les deux sens par la même taille et est, comme dans le roulement à rouleaux cylindriques guidé sur la cage de l’élément de roulement, limité par la largeur du chemin de roulement de la bague extérieure.

L’inconvénient de la cage guidée des deux côtés est toutefois que l’excès de lubrifiant entre les éléments roulants ne peut être transporté que par les petites fentes de guidage dirigées vers l’extérieur. Cela prolonge la distribution de la graisse dans les paliers lubrifiés à la graisse et risque de détériorer le lubrifiant en raison du dépassement.

Du côté non centré des broches du moteur, le déplacement en cours de fonctionnement s'effectue toujours dans un seul sens. En raison des pertes de chaleur du moteur et du refroidissement externe, l'arbre est plus chaud que le boîtier. En conséquence, la bague intérieure s’éloigne du moteur. Cela permet d'utiliser une cage guidée d'un seul côté, étant donné que le roulement à rouleaux cylindriques est toujours monté de sorte que le plus grand diamètre de l'alésage de la bague interne du côté moteur soit identique (Figure 12).

Avec une cage guidée d'un côté, l'excès de lubrifiant peut être évacué beaucoup plus rapidement du roulement. Cela réduit le temps nécessaire à la distribution de la graisse. Le risque d'endommager la graisse par renversement est considérablement réduit.

L'expérience client montre une distribution plus rapide des graisses avec des températures maximales plus basses. Après l’entrée, le niveau de température est moins élevé et la dispersion est moins importante.

Nouvelles options de conception pour les roulements de broche de moteur

La nouvelle série hautes performances RS et le roulement à rouleaux cylindriques thermiquement robustes TR ouvrent de nouvelles possibilités dans la conception des roulements de broche principale.

Pour les applications rigides, les roulements RS sont beaucoup moins sensibles aux influences de chevauchement, de vitesse et de température que les roulements de broche conventionnels. Si les pertes électriques sur le rotor peuvent être limitées de sorte que les différences de température entre l'arbre et le logement restent modérées, l'utilisation de roulements RS combinée à une adaptation de la vitesse améliorée au lieu d'un réglage par ressort peut permettre des réglages rigides structurellement plus simples (Fig. 13).

Cela simplifie la conception de la broche tout en augmentant la rigidité. L'utilisateur des roulements de broche reçoit ainsi une plus grande liberté de conception. Le roulement à rouleaux cylindriques thermiquement robuste peut être utilisé en toute sécurité, même à des différences de température très élevées.

La fonction de non-localisation sûre avec une construction simple, l'insensibilité aux variations de température et la distribution de graisse sûre et rapide font du roulement à rouleaux cylindriques résistant à la chaleur, associé à l'adéquation pour les vitesses les plus élevées dans la somme de ses propriétés, le roulement flottant idéal maintenant également pour les arbres moteurs (image 14).

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