Per la maggio parte delle applicazioni di trasmissione di potenza industriale e di movimento lineare, a Albero in acciaio al carbonio medio 1045 con durezza superficiale temprata a induzione di 55 HRC e tolleranza del diametro h6 offre l'equilibrio ottimale tra robustezza, resistenza all'usura e costo. Un albero da 25 mm prodotto secondo queste specifiche trasmette una coppia continua di 210 Nm , mantiene una rettilineità di 0,05 mm al metro e in genere gira su cuscinetti a sfera per oltre 20.000 ore prima che l'usura del diametro superi 0,01 mm.
Selezione dei materiali e proprietà meccaniche
Il materiale di base determina la resistenza, la lavorabilità e la risposta al trattamento termico dell'albero. La tabella seguente confronta i tre più ampiamente specificati albero tondo in acciaio materiali nelle condizioni così come fornite e trattati termicamente.
| Materiale | Carico di snervamento (MPa) | Resistenza alla trazione (MPa) | Durezza superficiale tipica |
|---|---|---|---|
| AISI 1045 (bonificato) | 530 | 630 | 55-60 HRC (temprato ad induzione) |
| AISI 4140 (bonificato e temprato) | 800 | 1000 | 58-62 HRC (nitrurato) |
| Acciaio inossidabile AISI 304 | 205 | 520 | 85 HRB (solo per indurenti) |
1045 fornisce la migliore combinazione di resistenza e costo per alberi di motori e pompe standard. 4140 viene scelto quando è richiesta una maggiore resistenza del nucleo o nitrurazione per carichi d'urto pesanti. L'acciaio inossidabile 304 è limitato agli ambienti corrosivi o per uso alimentare in cui è presente un albero non magnetico con un limite di snervamento inferiore 250MPa è accettabile.
Tolleranze di diametro e rettilineità
Il grado di tolleranza sul diametro dell'albero controlla direttamente l'adattamento e l'eccentricità del cuscinetto. I gradi di tolleranza più comuni per gli alberi rotanti e i loro limiti effettivi per un diametro nominale di 20 mm sono i seguenti.
- h6 : gamma diametri da 20.000 mm a 19.987 mm. Questo grado di precisione garantisce un leggero accoppiamento a pressione con un anello interno del cuscinetto P6 e mantiene una precisione di funzionamento di 0,005 mm TIR .
- h7 : gamma diametri da 20.000 mm a 19.979 mm. Utilizzato dove è accettabile un accoppiamento scorrevole con un leggero gioco radiale, come sui rulli tenditori del trasportatore.
- f7 : gamma diametri da 19.980 mm a 19.959 mm. Fornisce uno spazio garantito di da 0,020 mm a 0,041 mm per applicazioni che richiedono scorrimento assiale o compensazione della dilatazione termica.
La rettilineità è altrettanto critica. Un albero tondo standard in acciaio lungo fino a 1 metro viene generalmente fornito con una rettilineità di 0,05 mm al metro . A 2 metri la distanza totale consentita raddoppia 0,10 mm . Un albero con un errore di rettilineità oltre 0,15 mm al metro induce livelli di vibrazione che riducono la durata del cuscinetto L10 di un fattore pari a 40% .
Trattamento termico e profondità della cassa temprata
Il trattamento termico crea una superficie dura e resistente all'usura pur mantenendo un nucleo resistente. La tempra ad induzione è il processo dominante per gli alberi a medio carbonio.
Parametri di tempra ad induzione
Un albero 1045 viene riscaldato da una bobina ad alta frequenza e immediatamente spento. La profondità del caso raggiunta è una funzione della frequenza e del tempo. Una frequenza di 10kHz e una velocità di scansione di 3 millimetri al secondo produrre uno strato indurito da 1,5 a 2,0 mm profondo con una durezza superficiale di Da 55 a 60 HRC . Il nucleo rimane Da 25 a 30 HRC , garantendo elevata duttilità e resistenza alla propagazione delle cricche da fatica.
Tempra profonda e cementazione
Gli alberi 4140 temprati a fondo sono bonificati con una durezza uniforme di 28-32 HRC . Ciò dà una resistenza allo snervamento superiore 700MPa in tutta la sezione trasversale. Per un'usura estrema, gli alberi in acciaio a basso tenore di carbonio cementati (ad esempio 20MnCr5) vengono carburati con un contenuto di carbonio superficiale di 0,8% e indurito a 60-62 HRC con una profondità della cassa di 0,8-1,2 mm .
Finitura superficiale e protezione dalla corrosione
La finitura della superficie dell'albero influisce direttamente sulla durata e sull'attrito della tenuta. Una finitura rettificata di Ra da 0,4 a 0,8 µm è standard per le sedi dei cuscinetti. Per le tenute per alberi rotanti, una finitura di Ra da 0,2 a 0,4 µm con una disposizione perpendicolare al senso di rotazione impedisce perdite. Un singolo albero rettificato a tuffo che soddisfa Ra 0,2 µm ha prolungato la durata della tenuta da Da 3.000 a oltre 8.000 ore in una prova del cambio.
La protezione dalla corrosione viene aggiunta quando gli alberi sono esposti a umidità o sostanze chimiche. Le opzioni più efficaci sono:
- Cromatura dura con uno spessore di 20-50 µm e una durezza di 850-1000 HV. Resiste 96 ore alla nebbia salina senza ruggine rossa ed è riaffilabile.
- Nichelatura chimica fornisce un'uniforme 10-25 µm rivestimento che non altera la resistenza alla fatica. È preferito per alberi complessi grazie al suo profilo di deposito uniforme.
- Ossido nero offre una protezione minima dalla corrosione (meno di 24 ore resistenza alla nebbia salina) ma fornisce una finitura decorativa e trattiene l'olio per la conservazione a breve termine.
Capacità di carico e design specifico per l'applicazione
La capacità di coppia di un albero tondo in acciaio viene calcolata dalla resistenza allo snervamento al taglio. Per un albero 1045 con un carico di snervamento di 530MPa e un diametro di 30 mm, corrisponde alla capacità di coppia completamente reversibile secondo la teoria dello sforzo di taglio massimo 450 Nm . Quando viene aggiunta una sede per chiavetta, la capacità di coppia diminuisce di circa 25% a causa del fattore di concentrazione delle sollecitazioni pari a 2,5 nell'angolo della chiavetta.
Per gli alberi a movimento lineare nei sistemi con guida a sfere, la durezza superficiale deve essere almeno 58 HRC per evitare la brinellatura sotto lo stress da contatto della palla, che può superare 2.500MPa . Un albero 1045 temprato a induzione con una profondità minima della cassa di 1,5 mm soddisfa questo requisito, mentre un albero non temprato mostrerà una scanalatura di usura all'interno 1.000 km di viaggio .
Adattamenti di installazione e gruppo cuscinetto
Il corretto accoppiamento albero-cuscinetto previene la corrosione da sfregamento e mantiene il gioco interno del cuscinetto. Gli adattamenti consigliati per le applicazioni standard sono i seguenti.
- Per albero rotante con alloggiamento fisso: tolleranza dell'albero j6 per carichi leggeri, k6 per carichi normali e m6 per carichi d'urto pesanti. Un accoppiamento M6 su un albero da 25 mm fornisce un'interferenza di da 0,008 mm a 0,025 mm .
- Per un albero fisso con alloggiamento rotante: tolleranza dell'albero g6 or h6 viene utilizzato per consentire la regolazione assiale mantenendo la posizione radiale.
- Riscaldare sempre l'anello interno del cuscinetto 80-100 gradi C utilizzando un riscaldatore a induzione prima di farlo scorrere sull'albero. La pressatura a freddo senza riscaldamento può rigare il perno dell'albero e ridurre la presa per interferenza 15% .
