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Eixos lineares: Selecionar o material certo, endurecimento e tratamento de superfície
Os eixos lineares executam tarefas exigentes em aplicações industriais: Permitem movimentos lineares precisos e repetíveis sob cargas mecânicas elevadas. Para cumprir estes requisitos, é fundamental a seleção adequada do material, o endurecimento e o tratamento da superfície. Todos estes fatores afetam diretamente a vida útil, a precisão e o desempenho de um eixo linear. Este artigo apresenta esses três aspetos e destaca as suas dependências para que possa selecionar o melhor eixo linear para a sua aplicação.
Eixos lineares em detalhe
Os eixos lineares em combinação com rolamentos lineares (por exemplo, buchas de rolamentos simples e rolamentos de esferas lineares) funcionam como guia linear para movimentos axiais. Normalmente, são feitos de aço de precisão, mas outros materiais também são concebíveis. Há várias maneiras de integrar eixos lineares em um sistema. Os suportes do eixo são apenas uma das muitas opções, dependendo da forma do eixo. Para obter mais informações, consulte nosso artigo sobre eixos lineares: Extremidades do eixo e opções de montagem do eixo linear.
Os veios ocos (forma de tubo) representam uma forma especial para veios lineares. Os veios ocos têm um interior oco em todo o seu comprimento. Isto utiliza menos material, reduzindo assim o peso do eixo linear. Os eixos lineares funcionam como eixos guia para rolamentos lineares. Quando usados corretamente, permitem orientação de movimento linear altamente precisa para aplicações com altas demandas de suavidade e precisão. Para cumprir este requisito e para garantir uma orientação fiável do rolamento linear ao longo de toda a sua vida útil, a interação entre a seleção do material, o endurecimento e qualquer tratamento de superfície adicional necessário é crucial.
Seleção de material por aplicação pretendida
A seleção do material do eixo linear baseia-se nos requisitos específicos da aplicação pretendida. Em muitos casos, o aço não temperado, por exemplo, EN 1.1191 Equiv., pode ser usado para aplicações simples, por exemplo, qualquer um que use rolamentos simples sem manutenção. O revestimento adicional em crómio duro melhora o acabamento da superfície e a resistência da superfície. Os revestimentos LTBC podem melhorar a resistência à corrosão. Geralmente, o eixo deve ser significativamente mais duro do que o rolamento plano.
Para rolamentos de esferas lineares ou requisitos de precisão mais elevados, deve ser utilizado aço endurecido mais duro ou de indução. O eixo linear e os rolamentos de esferas lineares devem então ter a mesma dureza. Neste caso, também é possível utilizar o aço de precisão CF53 ou EN 1.1213. Este aço não tem ligas e é adequado para indução e endurecimento de chamas. Graças ao seu conteúdo médio de carbono, pode ser maquinado com precisão, o que é vantajoso, incluindo quando é necessário cumprir requisitos de elevada precisão
O material selecionado deve combinar as seguintes propriedades principais de acordo com a ponderação requerida pela aplicação:
- Elevada resistência do material que permite um peso mais leve
- Endurecimento ou dureza
- Alta dutilidade – baixa sensibilidade de entalhe
Devem ser tomadas algumas considerações para combinar o desempenho ideal, a vida útil e a eficiência:
- Quais são as condições ambientais? É necessário aço inoxidável?
- Que tipos de cargas ocorrem (importantes para a dureza do material)?
- Que dureza superficial é necessária? O item relevante é, por exemplo, um rolamento de esferas linear ou uma bucha de rolamento simples, incluindo carga transportada?
- A precisão necessária está disponível?
- Qual é o custo?
- Que forma de montagem é utilizada? Isto pode ser relevante para a sensibilidade do entalhe.
Se a dureza e a resistência ao desgaste forem o foco principal, devem ser utilizadas classes de aço endurecido, como aço com o número de material 1.3505 ou aço com superfícies com nitrato. Estes tipos de aço também suportam utilização intensa e desgaste mecânico.
Embora a forma das extremidades do eixo não seja um critério de seleção para o material do eixo linear, afeta a dureza da superfície das áreas endurecidas. As considerações para as opções de montagem existentes e as extremidades do eixo resultantes fazem sentido, especialmente quando são necessárias funções especializadas, por exemplo, eixos lineares com pernos roscados.
Eixos lineares endurecidos vs. não endurecidos
Devem ser utilizados eixos de aço endurecido para requisitos de rolamentos de alta precisão ou superiores. Tais eixos lineares, também chamados de eixos de precisão, são geralmente eixos de aço endurecido com tratamento térmico (indução) com um núcleo dúctil. Em alternativa, pode ser aplicado um revestimento especial para algumas aplicações (por exemplo, crómio duro), o que aumenta a qualidade da superfície e a dureza.
Os eixos lineares endurecidos são menos suscetíveis à abrasão e deformação da superfície. Isto beneficia-os especialmente quando estão sujeitos a cargas elevadas. As marcas de testemunho do rolamento de esferas linear são mais pequenas porque a superfície dura do eixo suporta melhor as tensões causadas pelas esferas no rolamento de esferas linear. No entanto, é importante notar que a dureza não deve ser demasiado elevada, uma vez que o eixo também pode ficar quebradiço e falhar.
As hastes não endurecidas são por contraste mais suaves e menos sensíveis ao entalhe, mas mais suscetíveis ao desgaste e deformação. Os eixos lineares não endurecidos são normalmente menos dispendiosos do que os eixos endurecidos.
Efeito da dureza do eixo na vida útil nominal
A vida útil nominal de todo um sistema linear também é influenciada pela dureza do eixo fH, entre outras variáveis influenciadoras. Um eixo deve ser suficientemente duro para suportar os rolamentos de esferas. Caso contrário, a carga nominal é reduzida. Outras variáveis influenciadoras incluem o coeficiente de temperatura fT, o coeficiente de contacto fC e o coeficiente de carga fW.
Temperaturas acima de 100 °C resultam em redução da dureza e, portanto, numa redução da carga nominal. O coeficiente de contacto tem em consideração o facto de a carga nominal se alterar pelo número de rolamentos lineares por eixo (eixo linear). Normalmente, dois eixos lineares paralelos são instalados em guias de eixo linear.
Os seguintes coeficientes de contacto fC aplicam-se, respetivamente, dependendo do número de rolamentos:
- Um rolamento por eixo: 1,0
- Dois rolamentos por eixo: 0,81
- Três rolamentos por eixo: 0,72
- Quatro rolamentos por eixo: 0,66
- Cinco rolamentos por eixo: 0,61
O coeficiente de carga fW requer informações sobre o peso do material, torque de carga e outros parâmetros que são normalmente difíceis de calcular. Os seguintes valores são usados como regra geral para aplicações sem cargas significativas de vibração e choque:
- Velocidade baixa (máximo 15 m/min): 1,0 ... 1,5
- Velocidade média (máximo 60 m/min): 1,5 ... 2,0
- Alta velocidade (acima de 60 m/min): 2,0 … 3,5
Juntamente com a classificação de carga dinâmica C e a carga útil P, a vida útil nominal L de um rolamento de esferas linear pode ser calculada da seguinte forma:
L =\left ( \frac{f_{H} \times f_{T} \times f_{C}}{f_{W}}\times \frac{C}{P} \right )^{3} \times 50
Dureza de vários aços
Dependendo da composição e do tratamento térmico, os tipos de aço podem variar desde qualidades suaves e maleáveis a variantes extremamente duras e resistentes ao desgaste. O número do material indica a dureza do aço:
- EN 1.3505 (100Cr6): Aço de rolamento de rolo clássico com elevada dureza, adequado para desgaste intenso
- EN 1.4125 (X105CrMo17): Um aço martensítico cromado com resistência muito elevada ao desgaste, incluindo a utilização como aço facado
- EN 1.1191 (C45): é um aço de qualidade não ligado ou aço carbono. Só pode ser endurecido moderadamente, mas é facilmente maquinável. Utilizado para eixos com requisitos mecânicos médios a elevados.
- EN 1.4301 (X5CrNi18-10, AISI 304): Um aço níquel-crómio. Utilizado frequentemente e fácil de maquinar. Tem uma elevada resistência à corrosão. A dureza é inferior a 215 HB e não é possível endurecer com tratamento térmico.
- EN 1.4037 (X65Cr13): Um aço inoxidável martensítico. Após endurecimento, apresenta alta dureza, mas é relativamente quebradiço. É adequado para utilização em ambientes corrosivos.
- EN 1.1213 (Cf53): Um aço de alta qualidade sem ligas de carbono. Excelentes propriedades de endurecimento, elevada resistência e resistência, mas reduzida resistência à corrosão.
Consulte a tabela seguinte, Tratamento de dureza e superfície disponível por material de eixo, para as tolerâncias ISO associadas:
| Material | Tolerância ISO | Dureza | Tratamento de superfície |
|---|---|---|---|
| EN 1.3505 Equiv. | g6, h5 | Endurecido por indução aprox. 56 a 58HRC |
sem |
| EN 1.4125 Equiv. | |||
| EN 1.4037 Equiv. | |||
| EN 1.3505 Equiv. | Cromagem dura Dureza do revestimento HV750 ~ Espessura do revestimento: mín. 5 μ m |
||
| EN 1.4125 Equiv. | |||
| EN 1.3505 Equiv. | g6 | Revestimento LTBC Espessura do revestimento: 1 ~ 2 μm |
|
| EN 1.4125 Equiv. | |||
| EN 1.1191 Equiv. | f8 | não endurecido | Cromagem dura Dureza da camada HV750 ~ Espessura do revestimento mín. 10 μm |
| EN 1.4301 Equiv. | |||
| EN 1.1213 | h6 | Endurecido por indução 58HRC ou mais |
sem |
| EN 1.1213 | h7 | Cromagem dura Dureza do revestimento HV750 mín. 5 μm |
Tratamento de eixos lineares e seus efeitos
Os eixos lineares são primeiro indutivamente, endurecidos termicamente. Este passo de endurecimento é concluído na matéria-prima na camada da extremidade antes de todos os processos de maquinação adicionais. A profundidade de endurecimento resultante depende do material e do diâmetro do eixo linear. O eixo é então maquinado por moagem, perfuração, etc. Nestas áreas, a camada de borda endurecida também é removida. O material circundante fica frequentemente muito quente como resultado da maquinação, o que leva a uma alteração na dureza nestas áreas.
A tabela seguinte fornece uma visão geral da profundidade de endurecimento dos eixos lineares para vários tipos de aço:
| Diâmetro exterior D | Profundidade do endurecimento eficaz | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| EN 1.1191 C45E Equiv. |
EN 1.1213 Cf53 |
EN 1.3505 100Cr6 Equiv. |
EN 1.4037 X65Cr13 Equiv. |
EN 1.4125 X105CrMoV17 Equiv. |
EN 1.4301 X5CrNi18-10 Equiv. |
|
| 3 | não endurecido | Tamanho não disponível | > 0.5 | > 0.5 | > 0.5 | não endurecido |
| 4 | ||||||
| 5 | ||||||
| 6 a 10 | > 0.5 | |||||
| 12 | > 0.7 | > 0.7 | > 0.5 | > 0.5 | ||
| 13 | ||||||
| 15 a 20 | > 0.7 | > 0.7 | ||||
| 25 a 30 | > 1.0 | > 1.0 | ||||
| 35 a 50 | Tamanho não disponível | |||||
Restrições de dureza no tratamento de superfície
Antes da maquinação, o aço é frequentemente aquecido para o tornar mais maquinado. Mesmo por maquinação, o aço na região da borda pode ser aquecido de tal forma que a dureza da camada da borda originalmente endurecida uniformemente nesta região é reduzida. Esta zona também é designada por zona de dissipação de calor e tem uma dureza inferior à do resto do material. O processo de aquecimento deve ser controlado para minimizar o risco de incidência nesta zona. A camada de extremidade endurecida do eixo original é removida em superfícies planas, espigões, etc. Por conseguinte, as superfícies processadas ou expostas apresentam uma dureza diferente.
Por exemplo, o recozimento pode resultar numa redução da dureza nas seguintes opções de configuração e designs de eixo:
- Eixos roscados
- Eixos escalonados
- Ranhuras circulares, orifícios cónicos e hexagonais, planos de chaves, orifícios piloto com roscas internas, ranhuras para parafusos de montagem
- Chaves, ranhuras em V
- Superfícies planas
- Designs de extremidade do eixo configuráveis (forma G, H)
- Hastes ocas (orifício lateral num dos lados)
Outras formas de tratamentos de superfície
Além de endurecer o próprio eixo linear, os revestimentos também podem ser aplicados para melhorar a dureza. Também são utilizados para proteção contra corrosão. Existem vários tipos de revestimentos:
- Placas duras cromadas: O revestimento cromado duro proporciona uma elevada dureza da superfície e resistência ao desgaste. No entanto, o crómio pode lascar.
- Revestimento de LTBC: Este revestimento é uma camada de 5 μm de espessura de fluoropolímero depositada como uma camada preta. É de baixa reflexão e resistente à pressão de ruptura dobrando o eixo linear. Os revestimentos de LTBC apresentam um bom equilíbrio entre dureza e elasticidade.
- Niquelagem eletrolítica: Camada uniforme e sem poros com elevada proteção contra corrosão. Este revestimento cria uma superfície lisa com baixa fricção, mas apenas aumenta moderadamente a dureza da superfície, razão pela qual é utilizado principalmente para proteção contra corrosão e propriedades deslizantes.
- Nitruração: A nitruração aumenta significativamente a dureza da superfície. Este processo difunde azoto na superfície de aço. Semelhante ao revestimento de LTBC, a camada de nitruração já não consegue lascar.
Seleções de eixo linear MISUMI
A MISUMI oferece uma variedade de opções de configuração de eixo linear:
- Material do eixo: Aço, aço inoxidável
- Revestimento: não revestido, revestimento cromado duro, revestido a LTBC, niquelado a níquel
- Tratamento térmico: não tratado, reforçado indutivamente
- Tolerâncias ISO: h5, k5, g6, h6, h7, f8
- Classes de precisão: perpendicularidade 0,03, concentricidade (com rosca e incrementos) Ø0,02, perpendicularidade 0,20, concentricidade (rosca e passo a passo) Ø0,10
- Linearidade/arredondamento: dependendo do diâmetro. Consulte as normas de precisão do eixo para obter mais informações.
Leia também o nosso artigo Eixos lineares: Padrões de precisão dos eixos lineares MISUMI.
Configure as suas peças de montagem
Com o MISUMI-Configurator pode configurar livremente rolamentos, eixos e outros componentes.
Selecione o tipo de componentes e defina as tolerâncias pretendidas.
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