Resistenza all'usura delle sfere per cuscinetti ad alto carico con un tribometro

Un cuscinetto a sfere usa le sfere per ridurre l'attrito di rotazione e sostenere carichi radiali e assiali. Le sfere che rotolano tra le piste producono un coefficiente di attrito (COF) molto più basso rispetto a due superfici piane che strisciano l'una sull'altra. I cuscinetti a sfere sono spesso esposti a elevate sollecitazioni di contatto, usura e condizioni ambientali estreme come le alte temperature. Per questo la resistenza all'usura delle sfere ad alto carico e in condizioni estreme è fondamentale per prolungare la vita del cuscinetto e ridurre costi e tempi di riparazione e sostituzione.

I cuscinetti a sfere si trovano in quasi tutte le applicazioni con parti in movimento. Sono comunemente usati nei trasporti, come l'aerospaziale e l'automotive, e nell'industria del giocattolo, che produce ad esempio fidget spinner e skateboard.

I cuscinetti a sfere possono essere realizzati in moltissimi materiali. I più comuni vanno dai metalli, come l'acciaio inossidabile e l'acciaio al cromo, alle ceramiche come il carburo di tungsteno (WC) e il nitruro di silicio (Si₃N₄). Per garantire che i cuscinetti prodotti abbiano la resistenza all'usura richiesta dalle condizioni dell'applicazione, servono valutazioni tribologiche affidabili ad alto carico. Le prove tribologiche aiutano a quantificare e confrontare il comportamento a usura di diversi cuscinetti in modo controllato e monitorato, per scegliere il candidato migliore per l'applicazione prevista.

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Il coefficiente di attrito (COF) e la resistenza all'usura delle sfere per cuscinetti in diversi materiali sono stati valutati con un tribometro NANOVEA. Come controcorpo è stata usata carta abrasiva di grana P100. Le impronte di usura delle sfere sono state esaminate con un profilometro 3D senza contatto NANOVEA al termine delle prove. I parametri di prova sono riassunti nella Tabella 1. Il tasso di usura, K, è stato calcolato con la formula K = V/(F × s), dove V è il volume usurato, F il carico normale e s la distanza di strisciamento. Le impronte di usura delle sfere sono state valutate con un profilometro 3D senza contatto NANOVEA per una misura precisa del volume di usura.

La funzione di posizionamento radiale motorizzato automatico permette al tribometro di ridurre il raggio della traccia di usura durante la prova. Questa modalità, chiamata prova a spirale, garantisce che la sfera scorra sempre su una superficie nuova della carta abrasiva (Fig. 2) e migliora nettamente la ripetibilità della prova di resistenza all'usura. L'encoder avanzato a 20bit per il controllo interno della velocità e l'encoder a 16bit per il controllo esterno della posizione forniscono in tempo reale informazioni precise su velocità e posizione, permettendo di regolare in continuo la velocità di rotazione per ottenere una velocità di strisciamento lineare costante al contatto.

Si noti che in questo studio la carta abrasiva di grana P100 è stata usata per semplificare il comportamento a usura dei diversi materiali delle sfere, e può essere sostituita da qualsiasi altra superficie. Qualsiasi materiale solido può essere impiegato per simulare le prestazioni di un'ampia gamma di accoppiamenti di materiali nelle reali condizioni d'uso, ad esempio in liquido o lubrificante.

Il tasso di usura è un fattore fondamentale per la durata di un cuscinetto a sfere, mentre un COF basso è auspicabile per migliorarne prestazioni ed efficienza. La Fig. 3 confronta l'evoluzione del COF delle diverse sfere contro la carta abrasiva durante le prove. La sfera in acciaio al cromo mostra un COF più alto, di ~0,4, durante la prova, contro ~0,32 e ~0,28 per le sfere in SS440 e Al₂O₃. La sfera in WC, invece, mostra un COF costante di ~0,2 per tutta la prova. In ogni prova si notano variazioni del COF, dovute alle vibrazioni causate dallo strisciamento delle sfere sulla superficie ruvida della carta abrasiva.

Le Fig. 4 e Fig. 5 confrontano le impronte di usura delle sfere misurate rispettivamente al microscopio ottico e con il profilometro ottico senza contatto NANOVEA, e la Tabella 2 riassume i risultati dell'analisi. Il profilometro 3D NANOVEA determina con precisione il volume di usura delle sfere, permettendo di calcolarne e confrontarne i tassi di usura. Si osserva che, dopo le prove, le sfere in acciaio al cromo e SS440 presentano impronte appiattite molto più grandi rispetto alle sfere in ceramica, cioè Al₂O₃ e WC. Le sfere in acciaio al cromo e SS440 hanno tassi di usura paragonabili, rispettivamente 3,7×10⁻³ e 3,2×10⁻³ mm³/N·m. La sfera in Al₂O₃ mostra invece una maggiore resistenza all'usura, con un tasso di 7,2×10⁻⁴ mm³/N·m. La sfera in WC presenta appena lievi graffi su un'area di usura poco profonda, con un tasso di usura nettamente inferiore di 3,3×10⁻⁶ mm³/N·m.

La Fig. 6 mostra al microscopio le tracce di usura prodotte sulla carta abrasiva dalle quattro sfere. È evidente che la sfera in WC ha prodotto la traccia più severa (asportando quasi tutte le particelle di sabbia lungo il suo percorso) e possiede la migliore resistenza all'usura. Le sfere in acciaio al cromo e SS440, invece, hanno lasciato una grande quantità di detriti metallici sulla traccia della carta abrasiva.

Queste osservazioni confermano l'importanza della prova a spirale. Essa garantisce che la sfera scorra sempre su una superficie nuova della carta abrasiva, migliorando nettamente la ripetibilità della prova di resistenza all'usura.

La resistenza all'usura delle sfere per cuscinetti ad alta pressione ha un ruolo fondamentale nelle loro prestazioni in servizio. Le sfere in ceramica offrono una resistenza all'usura nettamente superiore in condizioni di forte sollecitazione e riducono tempi e costi di riparazione o sostituzione dei cuscinetti. In questo studio la sfera in WC mostra una resistenza all'usura molto più alta delle sfere in acciaio, il che la rende un candidato ideale per i cuscinetti soggetti a usura severa.

Un tribometro NANOVEA è progettato con un'elevata coppia per carichi fino a 2000 N e un motore preciso e controllato per velocità di rotazione da 0,01 a 15.000 rpm. Offre prove di usura e attrito ripetibili in modalità rotativa e lineare conformi a ISO e ASTM, con moduli opzionali per usura ad alta temperatura e lubrificazione in un unico sistema preintegrato. Questa gamma senza pari permette di simulare diversi ambienti di lavoro severi dei cuscinetti a sfere, tra cui alte sollecitazioni, usura e alte temperature. È anche uno strumento ideale per valutare quantitativamente il comportamento tribologico di materiali ad altissima resistenza all'usura sotto carichi elevati.

Un profilometro 3D senza contatto NANOVEA fornisce misure precise del volume di usura e permette di analizzare in dettaglio la morfologia delle tracce di usura, offrendo ulteriori elementi per la comprensione dei meccanismi di usura.