Za većinu industrijskih prijenosa energije i primjene linearnog gibanja, a 1045 srednje osovina od ugljičnog čelika s indukcijski kaljenom površinskom tvrdoćom od 55 HRC i tolerancijom promjera h6 pruža optimalnu ravnotežu čvrstoće, otpilinosti na trošenje i cijene. Osovina od 25 mm proizvedena prema ovoj specifikaciji prenosi kontinuirani okretni moment od 210 Nm , održava ravnomjernost 0,05 mm po metru , i obično radi u kugličnim ležajevima preko 20 000 sati prije nego što trošenje promjera prijeđe 0,01 mm.
Odabir materijala i mehanička svojstva
Osnovni materijal određuje čvrstoću osovine, obradivost i odziv na toplinsku obradu. Tablica u nastavku uspoređuje tri najšire navedena okrugla čelična osovina materijale u stanju isporuke i toplinski obrađene.
| Materijal | Granica razvlačenja (MPa) | Vlačna čvrstoća (MPa) | Tipična površinska tvrdoća |
|---|---|---|---|
| AISI 1045 (kaljen i poboljšan) | 530 | 630 | 55-60 HRC (indukcijski kaljeno) |
| AISI 4140 (kaljen i poboljšan) | 800 | 1000 | 58-62 HRC (nitrirano) |
| Nehrđajući AISI 304 | 205 | 520 | 85 HRB (samo otvrdne) |
1045 pruža najbolju kombinaciju snage i cijene za standardne osovine motora i crpke. 4140 se bira kada je potrebna veća čvrstoća jezgre ili nitriranje za velika udarna opterećenja. 304 od nehrđajućeg čelika ograničen je na prehrambenu ili korozivnu okolinu gdje je nemagnetska osovina s granicom razvlačenja ispod 250 MPa je prihvatljivo.
Tolerancije promjera i ravnosti
Razina tolerancije na promjeru osovine izravno kontrolira pristajanje i odstupanje ležaja. Najčešći stupnjevi tolerancije za rotirajuće osovine i njihove stvarne granice za nazivni promjer od 20 mm su sljedeći.
- h6 : raspon promjera od 20.000 mm do 19.987 mm. Ovaj precizni stupanj osigurava lagano prešanje s unutarnjim prstenom ležaja P6 i održava točnost rada od 0,005 mm TIR .
- h7 : raspon promjera od 20.000 mm do 19.979 mm. Koristi se tamo gdje je prihvatljivo klizno pristajanje s malim radijalnim zazorom, kao što su pomoćni valjci transportera.
- f7 : raspon promjera 19,980 mm do 19,959 mm. Omogućuje zajamčeno čišćenje 0,020 mm do 0,041 mm za primjene koje zahtijevaju aksijalno klizanje ili kompenzaciju toplinske ekspanzije.
Ravnost je jednako kritična. Standardna okrugla čelična osovina duljine do 1 metra obično se isporučuje s ravnošću od 0,05 mm po metru . Na 2 metra, ukupno dopušteno odstupanje se udvostručuje na 0,10 mm . Osovina s pogreškom ravnosti iznad 0,15 mm po metru izaziva razine vibracija koje smanjuju vijek trajanja ležaja L10 za faktor od 40% .
Toplinska obrada i otvrdnuta dubina kućišta
Toplinska obrada stvara tvrdu površinu otpornu na habanje dok zadržava čvrstu jezgru. Indukcijsko kaljenje je dominantan postupak za srednje ugljične osovine.
Parametri indukcijskog kaljenja
Osovina 1045 zagrijava se pomoću visokofrekventne zavojnice i odmah se gasi. Postignuta dubina slučaja je funkcija učestalosti i vremena. Učestalost od 10 kHz i brzinom skeniranja od 3 mm u sekundi stvaraju otvrdnuti sloj 1,5 do 2,0 mm duboko s površinskom tvrdoćom od 55 do 60 HRC . Jezgra ostaje na 25 do 30 HRC , pružajući visoku duktilnost i otpornost na širenje pukotina uslijed zamora.
Prolazno kaljenje naspram kaljenja
Skroz kaljene osovine 4140 kaljene su i poboljšane na jednoliku tvrdoću od 28-32 HRC . To daje granicu razvlačenja iznad 700 MPa po cijelom presjeku. Za ekstremno habanje, osovine od kaljenog niskougljičnog čelika (npr. 20MnCr5) su naugljičene do površinskog sadržaja ugljika od 0,8% i otvrdnuo da 60-62 HRC s dubinom kućišta od 0,8-1,2 mm .
Površinska obrada i zaštita od korozije
Završna obrada površine vratila izravno utječe na vijek trajanja brtve i trenje. Prizemni završetak od Ra 0,4 do 0,8 µm standardna je za sjedišta ležajeva. Za brtve rotacijskih vratila, završni sloj od Ra 0,2 do 0,4 µm s polaganjem okomitim na smjer vrtnje sprječava curenje. Jedna osovina s uranjanjem koja zadovoljava Ra 0,2 µm produžila je vijek brtve od 3000 sati do preko 8000 sati u testu mjenjača.
Zaštita od korozije dodaje se kada su osovine izložene vlazi ili kemikalijama. Najučinkovitije opcije su:
- Tvrdo kromiranje s debljinom od 20-50 µm i tvrdoće 850-1000 HV. Otporan je na 96-satni slani sprej bez crvene hrđe i može se ponovno brusiti.
- Bezelektrično poniklavanje osigurava uniformu 10-25 µm premaz koji ne mijenja čvrstoću na zamor. Poželjan je za složena okna zbog ravnomjernog profila naslaga.
- Crni oksid nudi minimalnu zaštitu od korozije (manje od 24 sata otpornost na raspršivanje soli), ali pruža dekorativni završni sloj i zadržava ulje za kratkotrajno skladištenje.
Nosivost i dizajn specifičan za primjenu
Kapacitet zakretnog momenta okruglog čeličnog vratila izračunava se iz granice razvlačenja na smik. Za osovinu 1045 s granicom tečenja od 530 MPa i promjera 30 mm, potpuno reverzibilni kapacitet zakretnog momenta prema teoriji maksimalnog posmičnog naprezanja je 450 Nm . Kada se doda utor za klin, kapacitet zakretnog momenta pada za otprilike 25% zbog faktora koncentracije naprezanja od 2,5 u kutu utora.
Za osovine linearnog gibanja u sustavima kugličnih čahura, površinska tvrdoća mora biti najmanje 58 HRC kako bi se spriječilo slanjenje pod kontaktnim naprezanjem kugle, koje može premašiti 2500 MPa . Indukcijski kaljeno vratilo 1045 s minimalnom dubinom kućišta od 1,5 mm ispunjava ovaj zahtjev, dok će nekaljeno vratilo pokazati habanje utora unutar 1.000 km putovanja .
Montaža i sklop ležaja
Ispravno pristajanje osovine na ležaj sprječava nagrizajuću koroziju i održava unutarnji zazor ležaja. Preporučene prilagodbe za standardne primjene su sljedeće.
- Za rotirajuću osovinu sa stacionarnim kućištem: tolerancija osovine j6 za mala opterećenja, k6 za normalna opterećenja, i m6 za velika udarna opterećenja. M6 nalijeganje na osovinu od 25 mm osigurava interferenciju od 0,008 mm do 0,025 mm .
- Za nepomično vratilo s rotirajućim kućištem: tolerancija vratila g6 or h6 koristi se za omogućavanje aksijalne prilagodbe uz zadržavanje radijalne lokacije.
- Uvijek zagrijte unutarnji prsten ležaja na 80-100 stupnjeva C pomoću indukcijskog grijača prije nego što ga gurnete na osovinu. Hladno prešanje bez zagrijavanja može zarezati rukavac osovine i smanjiti zahvat smetnji za 15% .
