I cuscinetti a sfera, noti anche come cuscinetti antifrizione, sono piccole sfere metalliche o ceramiche utilizzate per ridurre l’attrito tra alberi e assi in numerose applicazioni. Sono spesso utilizzati in serie per assorbire il peso posto su una parte in movimento, o in gabbie singole per ridurre l’attrito nei gruppi assali. La maggior parte è prodotta per soddisfare standard di rotondità molto rigorosi, poiché qualsiasi deformazione può causare il cedimento imprevisto delle parti mobili.
Il concetto di cuscinetti a sfera può essere fatto risalire all’Impero Romano, ma molte fonti attribuiscono a Leonardo da Vinci i primi progetti pratici. Non è stato fino al 1791, tuttavia, quando un costruttore di carrozze e inventore gallese di nome Philip Vaughan ha brevettato il primo gruppo di assali per utilizzarli. I precedenti assali del carrello alla fine si sarebbero consumati per gli effetti dell’attrito, ma l’uso di cuscinetti a sfera da parte di Vaughan ha eliminato il contatto diretto tra l’albero motore e l’asse.
Dopo il loro primo utilizzo negli alberi di trasmissione, gli ingegneri di fabbrica hanno trovato altre applicazioni nell’arena di produzione. Le singole parti possono essere spostate facilmente su rampe dotate di questi cuscinetti. Le macchine a motore sono diventate più efficienti in quanto hanno ridotto l’attrito tra le parti. A differenza di altri tipi di cuscinetti, i cuscinetti a sfera consentono il movimento sia rotativo che assiale, il che ha aggiunto versatilità al design della macchina.
Uno degli esempi più comuni di cuscinetti a sfera in azione è il pattino a rotelle. Quattro ruote sono attaccate a due assi sul fondo di uno stivale. Un’ispezione più ravvicinata di queste ruote rivela una raccolta di piccole sfere metalliche che circondano l’asse. Quando il pattinatore mette tutto il suo peso sulle ruote, ogni pallina assorbe temporaneamente il carico. Mentre il pattinatore spinge in avanti, rotolano lungo una pista attorno all’asse. Poiché i cuscinetti a sfera sono perfettamente rotondi e lisci, l’attrito generato tra di loro è minimo. Permettono al pattinatore di muoversi in linea retta con poca resistenza.
La produzione di cuscinetti a sfera è sorprendentemente simile alla formazione di palline di pasta. Una scorta di filo metallico approssimativamente dello stesso diametro dei cuscinetti è posta in una macchina con due piastre progettate come emisferi. Quando le due metà vengono unite con forza, si forma una ruvida sfera di metallo. Il problema è che rimangono ancora alcuni frammenti di metallo aggiuntivi chiamati lampeggianti. Le palline vengono poi poste in un’altra macchina che toglie la bava per creare un perfetto stato di rotondità.
Questa seconda macchina è costituita da due piastre scanalate, una con una tacca aperta per ricevere i cuscinetti a sfera. Quando questa macchina si riempie di palline non finite, la piastra scanalata superiore inizia a ruotare in direzioni diverse sulla piastra inferiore immobile. Questa azione è simile a quella di un cuoco che usa le mani per formare palline di pasta. Il primo passaggio attraverso questa macchina rimuove la scossalina e aiuta i cuscinetti a diventare abbastanza uniformi nelle dimensioni.
Una seconda passata attraverso la stessa macchina aggiunge un liquido lubrificante e abrasivi alla miscela. I cuscinetti a sfera vengono ridotti a una dimensione precisa dall’azione degli abrasivi. Una volta che le sfere hanno raggiunto una dimensione e un’uniformità accettabili, una terza corsa utilizza un agente lucidante per conferire loro una lucentezza che riduce l’attrito. Tutti i cuscinetti vengono sottoposti a un’ispezione finale per verificare la presenza di imperfezioni prima di essere approvati per l’uso in altre applicazioni.