Vòng bi trượt bằng đồng nhôm: Hướng dẫn tính chất, thiết kế và lựa chọn

Một nhà máy thép đã liên hệ với Jiashan Tocree Machinery về một ổ trục liên tục bị hỏng trên cần chuyển phôi. Ống lót ban đầu là bằng đồng thiếc có pha chì, được bôi trơn một lần khi lắp ráp, sau đó để tiếp xúc với cặn nhà máy, nước làm mát và nhiệt. Nó đã vượt quá giới hạn có thể sử dụng được trong khoảng sáu tuần. Vật thay thế là một ống lót bằng đồng nhôm đúc có rãnh tra mỡ được thiết kế lại và lần kiểm tra đầu tiên sau sáu tháng chỉ cho thấy độ mòn nhẹ, đồng đều. Kết quả đó không phải là may mắn; đó là điều xảy ra khi hợp kim ổ trục được chọn theo yêu cầu thực tế thay vì từ danh mục.

Vòng bi trượt bằng đồng nhôm là thông số kỹ thuật phù hợp khi ổ trục trơn phải chịu tải nặng, hấp thụ sốc hoặc dao động liên tục, chịu được bụi và nước và tồn tại với lượng bôi trơn hạn chế. Chúng bền hơn hầu hết các hợp kim đồng khác, chống nước biển và ăn mòn công nghiệp, đồng thời chạy trên thép cứng mà không bị mòn. Sự đánh đổi là chi phí: đồng nhôm đắt hơn đồng chì hoặc thiếc tiêu chuẩn. Do đó, các kỹ sư nên sử dụng nó khi có điều kiện phù hợp với mức giá cao hơn, sau đó thiết kế ổ trục một cách chính xác sau khi vật liệu được chọn.

Điều gì làm cho đồng nhôm trở thành vật liệu chịu lực trượt mạnh mẽ

Đồng nhôm là một họ hợp kim đồng trong đó nhôm là nguyên tố hợp kim chính, thường từ 8% đến 14%, với sắt, niken hoặc mangan được thêm vào để tinh chỉnh cấu trúc. Các loại ổ trượt phổ biến bao gồm CuAl9Fe4 và CuAl10Fe5Ni4. Các bộ phận được đúc trước, sau đó được gia công thành ống lót, vòng đệm lực đẩy, tấm trượt, miếng đệm chống mòn và các dạng ổ trục khác.

Bốn đặc tính giải thích hiệu suất của nó trong vòng bi trượt:

• Cường độ cao. Đồng nhôm đúc thường đạt độ bền kéo 450–700 MPa, gần bằng thép cacbon trung bình. Ổ trục có thể chịu áp lực bề mặt cao hơn trước khi vật liệu chịu uốn, điều này trực tiếp kéo dài tuổi thọ ở các mối nối chịu tải nặng.
• Kháng cự mạnh. Trong quá trình trượt, bề mặt làm việc cứng lại một chút và hình thành màng oxit nhôm trên vùng bị cọ xát. Lớp màng đó ngăn cản sự hàn kim loại với kim loại, nguyên nhân chính gây ra hiện tượng co ngót và kẹt giữa hợp kim đồng và thép.
• Chống ăn mòn. Lớp oxit tương tự bảo vệ hợp kim trong nước biển, môi trường công nghiệp và nhiều môi trường xử lý, do đó ổ trục không phụ thuộc vào màng mỡ để duy trì khả năng chống ăn mòn.
• Khả năng chịu tác động. Đồng nhôm hấp thụ sốc và một lượng nhỏ sai lệch mà không bị nứt, giúp nó dễ sử dụng trong máy xúc, máy ép và thiết bị chuyển tải.

Đối với vòng bi trượt, sự kết hợp giữa khả năng chịu tải và khả năng chống va đập là yếu tố giúp phân biệt đồng nhôm với phần còn lại của họ hợp kim đồng.

Đồng nhôm và đồng thiếc: cách chọn

Bắt đầu với kết luận. Chọn đồng nhôm khi tải nặng, môi trường ăn mòn hoặc bẩn hoặc bôi trơn không chắc chắn. Chọn đồng thiếc khi ổ trục chịu tải nhẹ, được bôi trơn bằng dầu liên tục và được bảo vệ khỏi nhiễm bẩn.

Đồng thiếc mềm hơn và dễ biến dạng hơn, giúp nó phù hợp với độ lệch trục và nhúng các hạt mài mòn nhỏ vào hệ thống dầu sạch. Đồng nhôm giữ nguyên hình dạng và chống mài mòn, điều này quan trọng khi màng dầu mỏng, ổ trục tiếp xúc với cặn hoặc bụi hoặc tải đủ cao để ép hết chất bôi trơn. Đối với vòng bi chuyển động chậm, chịu tải nặng thì đồng nhôm là lựa chọn an toàn hơn.

Để so sánh chi tiết hơn về các họ hợp kim và giới hạn thực tế, hãy xem hướng dẫn đầy đủ về ống lót và vòng bi bằng đồng nhôm .

Khe hở, độ cứng giao phối và thiết kế bôi trơn

Lựa chọn vật liệu chỉ là một nửa của công việc kỹ thuật. Ổ trục trượt bằng đồng nhôm vẫn phụ thuộc vào ba con số chính xác: độ hở khi chạy, độ cứng bề mặt tiếp xúc và hình học bôi trơn.

Đồng nhôm hoạt động tốt nhất trên bề mặt thép được xử lý nhiệt trong phạm vi 40–55 HRC, được hoàn thiện ở khoảng 0,4–0,8 µm Ra. Trục mềm sẽ mòn nhanh hơn ổ trục và việc thay trục dài đắt hơn nhiều so với thay ống lót. Nếu bộ phận tiếp giáp không thể cứng lại, tuổi thọ tổng thể sẽ ngắn hơn và lên kế hoạch cho khoảng thời gian kiểm tra độ mòn tương ứng.

Khoảng hở chạy đối với ống lót bằng đồng nhôm thường được đặt lớn hơn một chút so với đồng thiếc mềm hơn, vì hợp kim cứng hơn ít chịu được sự giãn nở nhiệt và biến dạng khi lắp ép. Là điểm khởi đầu cho trục thép mài, hãy sử dụng khoảng 0,1% đường kính trục để quay liên tục, sau đó thêm phụ cấp cho nhiệt độ vận hành và tải trọng theo chu kỳ. Việc lắp quá chật là nguyên nhân dẫn đến thất bại phổ biến hơn nhiều so với việc giải phóng mặt bằng quá rộng rãi một chút.

Các rãnh dầu phân phối dầu bôi trơn đều khắp vùng chịu tải. Các rãnh dọc trục thẳng phù hợp với chuyển động dao động, các rãnh chu vi phù hợp với chuyển động quay liên tục và các rãnh chéo hoặc xoắn ốc phù hợp với tải trọng đảo chiều. Các mép rãnh phải nhẵn và không có gờ; một cạnh sắc sẽ cạo đi lớp màng bôi trơn và bẫy các mảnh vụn bị mòn. Khi hướng tải không đổi, giải pháp đáng tin cậy đơn giản nhất thường là ống lót có rãnh tra mỡ gia công thay vì rãnh cắt hiện trường, vì hình học cắt bằng tay thay đổi về chiều rộng và chiều sâu.

Ống lót hình trụ bằng đồng nhôm có rãnh mỡ gia công Ống bọc thẳng này kết hợp đồng nhôm ZCuAl10Fe3 với rãnh mỡ được gia công chính xác, mang lại độ bền cao, tính dẫn nhiệt và độ bền va đập cho các ứng dụng tải nặng, dao động hoặc đảo chiều. Xem sản phẩm →

Tính toán sàng lọc nhanh là giá trị PV: áp suất nhân với vận tốc trượt. Đồng nhôm chịu được áp suất cao ở tốc độ thấp, nhưng áp suất cho phép giảm nhanh khi tốc độ trượt tăng. Một ổ trục dao động chỉ di chuyển vài độ mỗi hành trình có thể chạy ở áp suất bề mặt cao hơn nhiều so với một ổ trục quay liên tục. Sử dụng các giới hạn PV do nhà sản xuất cung cấp cho loại cụ thể thay vì các bảng in chung và xác nhận chúng bằng bài kiểm tra chuẩn nếu ứng dụng là quan trọng.

Nơi vòng bi trượt bằng đồng nhôm chứng tỏ bản thân

Nhìn vào các điều kiện hoạt động thực tế và các ứng dụng theo dõi trực tiếp:

• Máy móc luyện kim. Bàn lăn, kéo, tay chuyển và thanh dẫn hướng bánh xe chạy nóng, bám bụi và thường được rửa bằng nước. của chúng tôi tổng quan về ứng dụng máy móc luyện kim liệt kê các bộ phận điển hình và điều kiện làm việc.
• Máy móc hàng hải. Sự ăn mòn của nước biển cộng với tải trọng nặng của bánh lái, bộ ổn định, tời và bánh răng trên boong làm cho đồng nhôm trở thành vật liệu tiêu chuẩn cho vòng bi ngâm nước và vùng nước bắn tung tóe.
• Thiết bị xây dựng và khai thác mỏ hạng nặng. Các điểm xoay trên máy xúc, máy nghiền và băng tải phải đối mặt với tải trọng sốc và bụi mài mòn nhanh chóng làm mòn các hợp kim mềm hơn.
• Máy đúc khuôn. Nhiệt, lực kẹp và khả năng tiếp cận bôi trơn hạn chế sẽ đẩy ổ trượt đến giới hạn của chúng; đồng nhôm giữ được độ bền ở nhiệt độ cao tốt hơn đồng thiếc.
• Thiết bị dầu khí. Máy bơm, van và các bộ phận của giàn khoan thường hoạt động cách xa đội bảo trì và sử dụng chất bôi trơn bị ô nhiễm, do đó ổ trục phải chịu được khoảng thời gian dài giữa các lần bảo dưỡng.

Các ứng dụng trượt phẳng sử dụng cùng một vật liệu đồng nhôm ở dạng miếng đệm chịu lực và tấm trượt thay vì ống lót tròn. Khi thiết kế yêu cầu hình học phẳng chẳng hạn như các thanh trượt, miếng đỡ hoặc mặt đẩy, miếng đệm ổ trục bằng đồng được gia công mang lại hiệu suất hợp kim tương tự ở dạng tấm.

Tấm lót bằng đồng thiếc cho bề mặt trượt phẳng Một miếng đệm ổ trục phẳng bằng đồng được sản xuất chính xác từ đồng thiếc CuSn12, mang lại khả năng chống mài mòn và ăn mòn cho các đường trượt, miếng đệm đỡ và mặt đẩy trong các thiết bị công nghiệp đòi hỏi khắt khe. Xem sản phẩm →

Chất lượng đúc và gia công quyết định tuổi thọ thực tế

Ổ trục bằng đồng nhôm được làm từ hợp kim chính xác vẫn bị hỏng sớm nếu vật đúc có độ co ngót hoặc độ xốp hoặc nếu gia công để lại bề mặt bị rách. Bởi vì vật liệu này được chọn cho các ứng dụng khắc nghiệt nên chất lượng sản xuất thường quyết định sự khác biệt giữa vòng bi 6 tuần và vòng bi 12 tháng.

Một nhà sản xuất đổ hợp kim đồng của riêng mình sẽ kiểm soát hóa học ngay từ đầu. Jiashan Tocree vận hành lò nấu chảy và máy đúc ly tâm của riêng mình, sản xuất khoảng 2.300 tấn hợp kim đồng mỗi năm. Việc đúc và gia công chính xác dưới một mái nhà sẽ loại bỏ nguy cơ chứng chỉ vật liệu không khớp, giảm thời gian thực hiện đối với các hình dạng không chuẩn và cho phép cùng một nhóm kỹ thuật chịu trách nhiệm về cả cấu trúc thô và dung sai cuối cùng.

Công ty gia công ống lót có đường kính lên tới 1,5–2 mét và các tấm trượt dài tới 4 mét, rộng 400 mm và dày 100 mm. Đối với các bộ phận lớn, cần có một xưởng được kiểm soát nhiệt độ và lập kế hoạch đường chạy dao cẩn thận để duy trì dung sai hình học mà nếu không thì không thể đảm bảo được.

Ngay cả đối với các đường kính thông thường, quy trình gia công vẫn giống nhau. Ống lót bằng đồng tiêu chuẩn là điểm khởi đầu tốt để đánh giá dung sai lỗ khoan, độ tròn và độ hoàn thiện bề mặt trước khi thực hiện một bộ phận hoàn toàn tùy chỉnh.

Ống lót bằng đồng thiếc đúc ly tâm với các rãnh dầu tùy chỉnh Ống lót bằng đồng này được sản xuất thông qua quá trình đúc ly tâm với các rãnh dầu bên trong và bên ngoài tùy chọn, mang lại độ bền kéo, độ cứng và khả năng chống ăn mòn cao cho hiệu suất ổ trục bền bỉ. Xem sản phẩm →

Các biến thể tự bôi trơn cho các vị trí không thể tiếp cận

Một số vị trí ổ trục đơn giản là không thể bôi trơn lại: chốt xoay bịt kín, phụ kiện hàng hải ngập nước, cơ cấu chỉ số và thiết bị bên trong tấm bảo vệ hoặc phòng sạch. Trong những trường hợp đó, nên đánh giá một biến thể rắn tự bôi trơn bằng than chì hoặc PTFE. Vật liệu cơ bản và quy trình đúc giống như đối với đồng nhôm trơn, nhưng các viên chất bôi trơn rắn được ép vào tường và giải phóng một lớp màng trong quá trình trượt.

Đừng mong đợi các giới hạn PV chạy khô sẽ phù hợp với ổ trục bằng đồng nhôm được bôi mỡ; các con số thấp hơn và sự lựa chọn phải được xác nhận dựa trên nhiệm vụ thực tế. Trong trường hợp không thể bôi trơn lại, sự kết hợp giữa lớp vỏ hợp kim đồng chắc chắn và chất bôi trơn rắn nhúng là một giải pháp dự phòng thực tế.

Thông số kỹ thuật thực tế cho ổ trục trượt bằng đồng nhôm không phải là một số danh mục duy nhất. Đó là một trường hợp tải, cấp hợp kim, kế hoạch bôi trơn và nhà sản xuất có thể thực hiện cả việc đúc và gia công với dung sai yêu cầu. Sử dụng đồng nhôm ở những nơi đồng thiếc đã được chứng minh là quá mềm, nơi có nước hoặc ăn mòn hoặc nơi việc bôi trơn lại không đáng tin cậy. Thiết kế rãnh dầu, làm cứng bề mặt giao phối và xác nhận số PV với xưởng đúc trước khi đặt hàng. Thực hiện đúng cách, ổ trục sẽ trở thành bộ phận cuối cùng của máy mà bạn cần phải lo lắng.