Pro většinu průmyslových aplikací pro přenos energie a lineární pohyb, a Hřídel z středně uhlíkové oceli 1045 s indukčně kalenou povrchovou tvrdostí 55 HRC a tolerancí průměru h6 poskytuje optimální rovnováhu mezi pevností, odolností proti opotřebení a cenou. Hřídel o průměru 25 mm vyrobená podle této specifikace přenáší nepřetržitý krouticí moment 210 Nm , zachovává přímost 0,05 mm na metr a obvykle běží v kuličkových ložiskách po celou dobu 20 000 hodin než průměr opotřebení přesáhne 0,01 mm.
Výběr materiálu a mechanické vlastnosti
Základní materiál určuje pevnost hřídele, obrobitelnost a odezvu na tepelné zpracování. Níže uvedená tabulka pneboovnává tři nejčastěji specifikované kulatá ocelová hřídel materiály v dodaném a tepelně zpracovaném stavu.
| Materiál | Mez kluzu (MPa) | Pevnost v tahu (MPa) | Typická povrchová tvrdost |
|---|---|---|---|
| AISI 1045 (kalené a temperované) | 530 | 630 | 55-60 HRC (indukčně kalené) |
| AISI 4140 (tvrzený a temperovaný) | 800 | 1000 | 58-62 HRC (nitridované) |
| Nerez AISI 304 | 205 | 520 | 85 HRB (pouze práce zpevňuje) |
1045 poskytuje nejlepší kombinaci pevnosti a ceny pro standardní hřídele motoru a čerpadla. 4140 se volí, když je vyžadována vyšší pevnost jádra nebo nitridace pro velké rázové zatížení. 304 nerez je omezen na potravinářská nebo korozivní prostředí, kde je nemagnetický hřídel s mezí kluzu nižší 250 MPa je přijatelné.
Tolerance průměru a přímosti
Stupeň tolerance na průměru hřídele přímo řídí uložení a házení ložiska. Nejběžnější stupně tolerance pro rotující hřídele a jejich skutečné limity pro jmenovitý průměr 20 mm jsou následující.
- h6 : rozsah průměrů 20 000 mm až 19 987 mm. Tato přesná třída zajišťuje lehké lisované uložení s vnitřním kroužkem ložiska P6 a zachovává přesnost chodu 0,005 mm TIR .
- h7 : rozsah průměrů 20 000 mm až 19 979 mm. Používá se tam, kde je přijatelné kluzné uložení s mírnou radiální vůlí, jako například na vodicích válečcích dopravníku.
- f7 : rozsah průměrů 19,980 mm až 19,959 mm. Poskytuje zaručenou vůli 0,020 mm až 0,041 mm pro aplikace vyžadující kompenzaci axiálního posuvu nebo tepelné roztažnosti.
Rovnost je stejně důležitá. Standardní kruhová ocelová hřídel o délce do 1 metru se obvykle dodává s přímostí 0,05 mm na metr . Při 2 metrech se celkové přípustné házení zdvojnásobí 0,10 mm . Hřídel s chybou přímosti mimo 0,15 mm na metr vyvolává úrovně vibrací, které zkracují životnost ložiska L10 faktorem 40 % .
Tepelné zpracování a hloubka kaleného pouzdra
Tepelné zpracování vytváří tvrdý povrch odolný proti opotřebení při zachování houževnatého jádra. Indukční kalení je dominantním procesem pro hřídele se středním obsahem uhlíku.
Parametry indukčního kalení
Hřídel 1045 je ohřívána vysokofrekvenční cívkou a okamžitě zchlazena. Dosažená hloubka pouzdra je funkcí frekvence a času. Frekvence 10 kHz a rychlost skenování 3 mm za sekundu vytvořit vytvrzenou vrstvu 1,5 až 2,0 mm hluboký s povrchovou tvrdostí 55 až 60 HRC . Jádro zůstává na 25 až 30 HRC poskytující vysokou tažnost a odolnost proti šíření únavových trhlin.
Průchozí kalení versus cementování
Průběžně kalené hřídele 4140 jsou kalené a temperované na stejnoměrnou tvrdost 28-32 HRC . To dává mez kluzu výše 700 MPa v celém průřezu. Pro extrémní opotřebení jsou cementované hřídele z nízkouhlíkové oceli (např. 20MnCr5) nauhličovány na povrchový obsah uhlíku 0,8 % a přitvrdil 60-62 HRC s hloubkou pouzdra 0,8-1,2 mm .
Povrchová úprava a ochrana proti korozi
Povrchová úprava hřídele přímo ovlivňuje životnost těsnění a tření. Povrchová úprava broušením Ra 0,4 až 0,8 um je standardní pro ložisková sedadla. Pro rotační hřídelové ucpávky, povrchová úprava Ra 0,2 až 0,4 um s položením kolmým na směr otáčení zabraňuje úniku. Životnost ucpávky prodloužil jediný ponorný hřídel s Ra 0,2 µm 3 000 hodin až více než 8 000 hodin v testu převodovky.
Ochrana proti korozi se přidává, když jsou šachty vystaveny vlhkosti nebo chemikáliím. Nejúčinnější možnosti jsou:
- Tvrdé chromování s tloušťkou 20-50 um a tvrdost 850-1000 HV. Odolává 96hodinové slané mlze bez červené rzi a je přebrousitelný.
- Bezproudové niklování poskytuje uniformu 10-25 um povlak, který nemění únavovou pevnost. Je preferován pro složité šachty kvůli jeho rovnoměrnému profilu ukládání.
- Černý oxid nabízí minimální ochranu proti korozi (méně než 24 hodin odolnost proti slané mlze), ale poskytuje dekorativní povrch a zadržuje olej pro krátkodobé skladování.
Kapacita zatížení a návrh specifický pro aplikaci
Momentová kapacita kruhového ocelového hřídele se vypočítá z meze kluzu ve smyku. Pro hřídel 1045 s mezí kluzu 530 MPa a průměru 30 mm je plně reverzibilní krouticí moment podle teorie maximálního smykového napětí 450 Nm . Po přidání drážky pro pero se kapacita točivého momentu přibližně sníží 25 % v důsledku faktoru koncentrace napětí 2,5 v rohu drážky pro pero.
U hřídelů s lineárním pohybem v systémech s kuličkovými pouzdry musí být povrchová tvrdost minimálně 58 HRC aby se zabránilo brinelování pod kontaktním napětím míče, které může překročit 2 500 MPa . Indukčně kalená hřídel 1045 s minimální hloubkou pouzdra 1,5 mm splňuje tento požadavek, zatímco nekalená hřídel bude vykazovat drážku proti opotřebení uvnitř 1 000 km jízdy .
Montážní uložení a montáž ložisek
Správné uložení hřídele k ložisku zabraňuje korozi třením a zachovává vnitřní vůli ložiska. Doporučená uložení pro standardní aplikace jsou následující.
- Pro rotující hřídel se stacionárním pouzdrem: tolerance hřídele j6 pro lehkou zátěž, k6 pro normální zatížení a m6 pro velké rázové zatížení. Uložení m6 na hřídeli 25 mm poskytuje interferenci 0,008 mm až 0,025 mm .
- Pro stacionární hřídel s rotujícím pouzdrem: tolerance hřídele g6 or h6 se používá k umožnění axiálního nastavení při zachování radiálního umístění.
- Vždy zahřejte vnitřní kroužek ložiska na 80-100 stupňů C před nasunutím na hřídel pomocí indukčního ohřívače. Lisování za studena bez ohřevu může rýhovat čep hřídele a zmenšit rušivé sevření 15 % $ $ .
