Tipi di cuscinetti: una guida completa

Ogni sistema meccanico mobile che vedi là fuori usa un qualche tipo di cuscinetto al suo interno. L'uso di cuscinetti non solo rende facile muoversi nel sistema, ma aggiunge anche un sacco di vantaggi e funzionalità. 

In questa guida, scopriremo i vari tipi di cuscinetti utilizzati e disponibili sul mercato. E non si tratta solo dei tipi, parliamo di materiali, tecniche di produzione e così via. In breve, è una guida completa ai cuscinetti. Cominciamo. 

Cos'è il cuscinetto?

Un cuscinetto è un componente meccanico che riduce l'attrito tra le parti mobili, supportando il movimento rotatorio o lineare. 

Le funzioni principali dei cuscinetti includono:

• Riduzione dell'attrito:Riducendo al minimo l'attrito tra le parti mobili, i cuscinetti contribuiscono a risparmiare energia e a ridurre l'usura dei componenti.
• Carica supporto: I cuscinetti sono progettati per supportare sia carichi radiali (perpendicolari all'albero) sia carichi assiali (paralleli all'albero).
• Precisione:In molte applicazioni, i cuscinetti garantiscono il movimento e il posizionamento precisi dei componenti.
• Miglioramento della velocità:Riducendo l'attrito, i cuscinetti consentono velocità di rotazione o lineari più elevate nei macchinari.
• Riduzione del rumore e delle vibrazioni: I cuscinetti ben progettati possono ridurre significativamente il rumore e le vibrazioni nei sistemi meccanici.

Tipi di cuscinetti

Il mondo dei cuscinetti è vario, con ogni tipo progettato per soddisfare requisiti specifici in varie applicazioni. Ecco una panoramica di ogni tipo:

1. Cuscinetti a sfera

I cuscinetti a sfere sono forse il tipo di cuscinetto più comune che incontrerete. Utilizzano sfere sferiche come elementi volventi tra le due piste.

caratteristiche:

• Adatto sia per carichi radiali che assiali
• Capacità ad alta velocità
• Bassa frizione
• Richiedono una manutenzione minima

applicazioni:

• Cuscinetti per ruote automobilistiche
• Motori elettrici
• Hard disk
• Pattini in linea

Sottotipi:

• Cuscinetti radiali a sfere
• Cuscinetti a sfere a contatto obliquo
• Cuscinetti a sfere autoallineanti

2. Cuscinetti a rulli

I cuscinetti a rulli utilizzano cilindri anziché sfere come elementi volventi. Questa progettazione consente loro di supportare carichi più pesanti rispetto ai cuscinetti a sfere di dimensioni simili.

caratteristiche:

• Capacità di carico maggiore rispetto ai cuscinetti a sfera
• Adatto per applicazioni con carichi d'urto o d'impatto
• Velocità massima inferiore rispetto ai cuscinetti a sfere

applicazioni:

• Macchinari pesanti
• Sistemi di trasporto
• Trasmissioni automobilistiche
• Ruote di vagoni ferroviari

Sottotipi:

• Cuscinetti a rulli cilindrici
• Cuscinetti a rulli conici
• Cuscinetti a rullini
• Cuscinetti orientabili a rulli

3. Cuscinetti a strisciamento (Boccole)

I cuscinetti lisci, noti anche come boccole, sono il tipo più semplice di cuscinetto. Non hanno elementi volventi; invece, si basano su una superficie liscia su cui l'albero può ruotare.

caratteristiche:

• Design semplice
• Economicamente vantaggioso
• Compatto
• Può funzionare in ambienti sporchi

applicazioni:

• Cardini della porta
• Boccole dei pedali delle biciclette
• Piccoli motori elettrici
• Sistemi di sospensioni automobilistiche

Sottotipi:

• Cuscinetti di giornale
• Boccole lineari
• Rondelle di spinta

4. Cuscinetti gioiello

I cuscinetti gioiello utilizzano pietre preziose dure (solitamente zaffiro sintetico) come superficie di appoggio. Sono solitamente utilizzati in strumenti di precisione in cui è fondamentale un basso attrito.

caratteristiche:

• Attrito estremamente basso
• alta precisione
• Dura a lungo

applicazioni:

• Orologi analogici
• Strumenti di misura sensibili
• giroscopi

5. Cuscinetti fluidi

I cuscinetti fluidi utilizzano una sottile pellicola di gas o liquido per fornire un supporto a basso attrito tra le superfici.

caratteristiche:

• Attrito prossimo allo zero
• Può funzionare a velocità molto elevate
• Funzionamento silenzioso
• Richiede una fornitura costante di fluido pressurizzato

applicazioni:

• Hard disk
• Macchine utensili di precisione
• Grandi telescopi
• Alcuni generatori idroelettrici

Sottotipi:

• Cuscinetti idrostatici
• Cuscinetti idrodinamici
• Cuscinetti aerostatici
• Cuscinetti aerodinamici

6. Cuscinetti magnetici

I cuscinetti magnetici sfruttano i campi magnetici per sostenere un albero rotante senza contatto fisico.

caratteristiche:

• Nessun contatto fisico, quindi nessuna frizione
• Può funzionare a velocità estremamente elevate
• Richiede sistemi di controllo complessi
• Alto costo iniziale

applicazioni:

• Sistemi di accumulo di energia a volano
• Pompe turbomolecolari
• Alcuni tipi di compressori
• Macchine utensili avanzate

7. Cuscinetti reggispinta

I cuscinetti reggispinta sono progettati specificamente per supportare carichi assiali (forze parallele all'albero).

caratteristiche:

• Progettato specificamente per carichi assiali
• Può supportare carichi pesanti in una direzione

applicazioni:

• Rotori di elicotteri
• Pompe verticali
• Alberi di trasmissione nelle navi

Sottotipi:

• Cuscinetti a sfere reggispinta
• Cuscinetti a rulli reggispinta
• Cuscinetti assiali a rulli conici

Come scegliere i cuscinetti nella produzione?

Selezionare il cuscinetto giusto per la tua applicazione è fondamentale per garantire prestazioni ottimali, longevità ed economicità del tuo sistema meccanico. Ecco i fattori chiave che devi considerare quando scegli i cuscinetti per la produzione:

Tipo di carico e entità

La prima cosa da considerare è il tipo e l'entità del carico che il cuscinetto dovrà supportare:

• Carico radiale: Forze perpendicolari all'albero
• Carico assiale (spinta): Forze parallele all'albero
• Carico combinato: Una combinazione di carichi radiali e assiali

È necessario calcolare il carico massimo che il cuscinetto subirà durante il funzionamento. Questo include non solo il carico in stato stazionario, ma anche eventuali carichi d'urto o sovraccarichi temporanei.

Requisiti di velocità

Cuscinetti diversi hanno capacità di velocità diverse. Devi considerare:

• La velocità massima a cui funzionerà il cuscinetto
• Se la velocità sarà costante o variabile
• Se ci sono frequenti cicli di avvio e arresto

I cuscinetti a sfere solitamente offrono le massime velocità, mentre i cuscinetti a rulli sono più adatti a velocità inferiori ma carichi più elevati.

Ambiente operativo

L'ambiente in cui opererà il cuscinetto ha un impatto significativo sulla scelta:

• Temperatura: Il caldo o il freddo estremi possono influire sulle prestazioni e sulla durata dei cuscinetti
• Umidità: L'elevata umidità o l'esposizione a liquidi potrebbero richiedere cuscinetti sigillati o schermati
• Contaminazione: La presenza di polvere, sporcizia o altre particelle potrebbe richiedere speciali accorgimenti di tenuta
• Vibrazione: Gli ambienti ad alta vibrazione potrebbero richiedere cuscinetti con maggiore durata

Requisiti di precisione

Alcune applicazioni richiedono un posizionamento o un movimento estremamente preciso:

• eccentricità: La quantità di deviazione dal vero centro di rotazione
• Variazione di coppia: Consistenza della resistenza rotazionale
• Livello di rumore: Alcune applicazioni richiedono un funzionamento ultra silenzioso

Per applicazioni ad alta precisione, potrebbe essere necessario prendere in considerazione le classificazioni ABEC (Annular Bearing Engineering Committee), che indicano le tolleranze di fabbricazione del cuscinetto.

Vincoli spaziali

Lo spazio disponibile nel tuo progetto può limitare le opzioni di cuscinetti:

• Diametro albero: Questo determina spesso il diametro interno del cuscinetto
• Dimensioni dell'alloggiamento: Ciò limita il diametro esterno e la larghezza del cuscinetto
• Limiti di peso: In alcune applicazioni, il peso del cuscinetto stesso potrebbe essere un fattore critico

Lubrificazione

Considerare come verrà lubrificato il cuscinetto:

• Grasso: Adatto a molte applicazioni, richiede una manutenzione meno frequente
• Olio: Meglio per applicazioni ad alta velocità o ad alta temperatura
• Lubrificanti Solidi: Utilizzato in ambienti estremi in cui i lubrificanti convenzionali fallirebbero
• Materiali autolubrificanti: Utilizzato in cuscinetti semplici per applicazioni a basso carico e bassa velocità

Aspettativa di vita e affidabilità

È necessario determinare quanto deve durare il cuscinetto e quanto è critica la sua funzione:

• Calcolare la durata L10 (il numero di giri che il 90% di un gruppo di cuscinetti identici completa prima di mostrare segni di affaticamento)
• Considerare le conseguenze del cedimento del cuscinetto e se è necessaria la ridondanza

Considerazioni sui costi

Anche se è allettante scegliere sempre cuscinetti della massima qualità, è necessario bilanciare prestazioni e costi:

• Costo di acquisto iniziale
• Costo di installazione
• Costo di manutenzione
• Costo e frequenza di sostituzione

Quali materiali vengono utilizzati per i cuscinetti?

I materiali utilizzati nella costruzione dei cuscinetti svolgono un ruolo cruciale nel determinare le loro prestazioni, la loro durata e la loro idoneità per diverse applicazioni. Ecco una panoramica dei materiali più comuni utilizzati nella produzione dei cuscinetti:

Acciaio

L'acciaio è di gran lunga il materiale più comunemente utilizzato nella produzione di cuscinetti, grazie alla sua eccellente combinazione di resistenza, durezza e convenienza.

Tipi di acciaio utilizzati:

• Acciaio cromato
• Acciaio inossidabile
• Acciaio per utensili
• Acciaio cementato

Vantaggi dell'acciaio:

• Elevata resistenza e durezza
• Buona resistenza all'usura
• Costo relativamente basso
• Ampia gamma di gradi disponibili per diverse applicazioni

svantaggi:

• Può essere pesante
• Suscettibile alla corrosione (tranne l'acciaio inossidabile)
• Può essere fragile, soprattutto a basse temperature

Ceramici

I materiali ceramici, in particolare il nitruro di silicio (Si3N4), sono sempre più utilizzati nei cuscinetti ad alte prestazioni.

Vantaggi della ceramica:

• Estremamente duro e resistente all'usura
• Bassa densità (più leggero dell'acciaio)
• Può funzionare a temperature più elevate dell'acciaio
• Isolante elettricamente
• Resistente alla corrosione

svantaggi:

• Più costoso dell'acciaio
• Può essere fragile e sensibile ai carichi d'urto
• Più difficile da produrre con tolleranze precise

applicazioni: I cuscinetti in ceramica vengono spesso utilizzati nei mandrini delle macchine utensili ad alta velocità, nelle biciclette da corsa e in alcune applicazioni aerospaziali.

Plastica

Per i cuscinetti vengono utilizzati vari tipi di materie plastiche, soprattutto nelle applicazioni a basso carico e bassa velocità o in ambienti corrosivi.

Materie plastiche comunemente utilizzate:

• PTFE (Teflon)
• Nylon
• Acetale (POM)
• PEEK (polietere etere chetone)

Vantaggi della plastica:

• Bassa frizione
• Leggero
• Resistente alla corrosione
• Può funzionare senza lubrificazione in alcuni casi
• Funzionamento a basso rumore

svantaggi:

• Capacità di carico inferiore rispetto ai cuscinetti metallici
• Intervallo di temperatura limitato
• Precisione inferiore rispetto ai cuscinetti metallici

applicazioni: I cuscinetti in plastica vengono spesso utilizzati nelle apparecchiature per la lavorazione alimentare, nelle pompe chimiche e in altre applicazioni in cui la resistenza alla corrosione è fondamentale.

Babbit metallo

Il metallo Babbitt è una lega morbida tradizionalmente utilizzata nei cuscinetti piani. È solitamente fatto di stagno o piombo legato con rame, antimonio e altri metalli.

Vantaggi del metallo Babbitt:

• Ottima conformabilità
• Buona incorporabilità (può incorporare particelle di sporco)
• Bassa frizione

svantaggi:

• Bassa capacità di carico
• Limitato alle applicazioni a bassa velocità
• Può strisciare sotto carichi pesanti

applicazioni: Il metallo Babbitt è ancora utilizzato in alcuni grandi macchinari industriali, in particolare nelle apparecchiature più vecchie.

Bronzo

Le leghe di bronzo sono comunemente utilizzate nei cuscinetti semplici e nelle boccole.

Vantaggi del bronzo:

• Buona forza
• Eccellente resistenza alla corrosione
• Può essere utilizzato con alberi in acciaio senza grippaggio
• Proprietà autolubrificanti se prodotte con inserti in grafite

svantaggi:

• Più costoso dell'acciaio
• Durezza inferiore all'acciaio

applicazioni: I cuscinetti in bronzo vengono spesso utilizzati in ambienti marini, nelle apparecchiature per la lavorazione alimentare e in altre applicazioni in cui la resistenza alla corrosione è importante.

Materiali compositi

Nella progettazione moderna dei cuscinetti vengono utilizzati vari materiali compositi, spesso combinando le proprietà di materiali diversi.

Esempi:

• Polimeri rinforzati con fibre
• Compositi metallo-polimero
• Metalli rivestiti in ceramica

Vantaggi dei materiali compositi:

• Può essere adattato a requisiti applicativi specifici
• Spesso combinano elevata resistenza con basso peso
• Può offrire combinazioni uniche di proprietà (ad esempio, elevata resistenza e resistenza alla corrosione)

svantaggi:

• Può essere costoso
• Potrebbe avere processi di produzione complessi

applicazioni: I cuscinetti compositi vengono utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni specializzate, dall'industria aerospaziale alla lavorazione chimica.

Come si producono i cuscinetti?

Puoi provare varie tecniche per creare diversi tipi di vari. Ecco una rapida panoramica di alcune tecniche moderne che possono essere utilizzate per la produzione di cuscinetti. 

Lavorazione CNC

La lavorazione a controllo numerico computerizzato (CNC) è al centro della moderna produzione di cuscinetti:

• Macchine CNC multiasse: Consentono di lavorare geometrie complesse in un'unica configurazione, migliorando la precisione e riducendo i tempi di produzione.
• Lavorazione ad alta velocità: Consente velocità di rimozione del materiale più elevate mantenendo un'elevata precisione.
• Lavorazione adattiva: Utilizza il feedback in tempo reale per regolare i parametri di taglio, garantendo la coerenza tra le parti.

Rettifica di precisione

La rettifica è un processo fondamentale nella produzione dei cuscinetti, utilizzato per ottenere dimensioni precise e superfici lisce:

• Rettifica senza centri: Spesso utilizzata per rulli e aghi, questa tecnica consente di ottenere tolleranze di rotondità pari a 0.5 micrometri.
• Superfinitura: Un processo abrasivo specializzato in grado di produrre una rugosità superficiale pari a 0.05 micrometri Ra (rugosità media aritmetica).
• levigatura: Utilizzato per migliorare la geometria e la finitura superficiale dei fori e dei diametri esterni dei cuscinetti.

Lavorazione di scariche elettriche (EDM)

L'EDM viene utilizzata per creare forme complesse in materiali temprati:

• Elettroerosione a filo: Può tagliare profili complessi nei componenti dei cuscinetti, particolarmente utile per gabbie e cuscinetti speciali.
• Elettroerosione a tuffo: Utilizzato per creare cavità o caratteristiche precise nei componenti dei cuscinetti.

Lavorazione laser

La tecnologia laser è sempre più utilizzata nella produzione di cuscinetti:

• Taglio laser: Per il taglio preciso di materiali sottili, spesso utilizzato nella produzione di gabbie.
• Marcatura laser: Per aggiungere segni di identificazione o scale ai componenti dei cuscinetti.
• Trattamento termico laser: Può essere utilizzato per l'indurimento localizzato delle superfici dei cuscinetti.

Misurazione e ispezione di precisione

Sebbene non sia una tecnica di lavorazione in sé, la misurazione di precisione è parte integrante del processo di lavorazione:

• Coordinate Measuring Machines (CMM): Utilizzato per misurazioni 3D ad alta precisione dei componenti dei cuscinetti.
• Sistemi di misurazione ottica: Misurazione senza contatto per un rapido controllo della qualità e delle dimensioni della superficie.
• Tester di rotondità: Attrezzatura specializzata per misurare la rotondità di sfere, rulli e piste di scorrimento.

Microfinitura

Conosciuta anche come finitura a nastro o finitura a pietra, questa tecnica viene utilizzata per ottenere superfici estremamente lisce:

• Può produrre finiture superficiali fino a 0.025 micrometri Ra.
• Particolarmente importante per i cuscinetti ad alta velocità, dove anche piccole imperfezioni superficiali possono causare rumore e vibrazioni.

Lappatura di precisione

La lappatura viene utilizzata per produrre superfici estremamente piatte o lisce:

• Spesso utilizzato per le piste dei cuscinetti reggispinta e per alcune estremità dei rulli.
• È possibile ottenere tolleranze di planarità inferiori a 1 micrometro.

Alesatura di precisione

Per i cuscinetti con fori, la foratura di precisione è fondamentale:

• Le barre di alesatura CNC con smorzamento attivo delle vibrazioni possono raggiungere tolleranze molto strette.
• Importante per garantire il corretto accoppiamento tra cuscinetto e albero.

Conclusione

Per concludere, ora conosci i diversi tipi di cuscinetti e sai anche come vengono realizzati. Se stai cercando di iniziare a produrne alcuni con l'aiuto di un servizio, allora Zintilon può essere un partner perfetto per il tuo progetto di produzione di cuscinetti. Che si tratti di lavorazione CNC o EDM, hanno tutto da offrire.