Материали за предaвателни механизми

Предавателните механизми са широко използван компонент в съвременното машиностроене, най-често в автомобилостроенето, производството на часовници, двигателите, пещите и КИП оборудването.

Металните сплави са сред традиционните материали за изработване на предавателни механизми, тъй като самите те са лесни за производство, а и на пазара е достъпна богата гама от сплави с различни свойства и предимства.

С оглед най-актуалните тенденции в материалознанието, съществуват алтернативни материали и технологии за изработката на предавателни механизми.

Шприцоването на керамика и инжекционното формоване на метали под налягане осигуряват по-голяма якост и подобрени показатели на готовите изделия, което прави тези методи все по-предпочитани сред производителите на предавателни механизми.

Конструктивни особености
Изборът на материали, използвани за производство на предавателни механизми, зависи от якостта и специфичните експлоатационни условия като например износването.

Чугунът е сред широко използваните материали поради ниската му степен на износване, добрата му обработваемост и възможността за формоването му в много по-сложни форми в сравнение с металите.

При производството на червячни предавки например обикновено се използва фосфорен бронз поради високата износоустойчивост на материала. Въглеродната стомана и сплавите й също са сред традиционните решения поради високата им якост.

Тези стомани са термично обработени, за да се постигне точната комбинация от якост на елемента и твърдост на зъбите.

Твърдостта е критичен момент в проектирането на предавателни механизми - колкото по-висока е твърдостта на материала, толкова повече може да се намали размерът и теглото на елемента.

Нека сравним два предавателни механизма, първият от които има твърдост по Бринел в размер на 2000 N/mm2, а същият показател на втория е 6000 N/mm2. Поради по-високата твърдост на втория механизъм, той е по-малък и по-компактен. Теглото на втория механизъм е само 1/8 от теглото на първия, но предаваната им мощност е една и съща.

По-високата твърдост е предпоставка за по-здрава повърхност на изделието и по-малко износване. Колкото по-здрава е повърхността на предавката, толкова по-малка е възможността от обрушване повърхността на зъбите или възникване на питингова корозия в резултат на умора на материала при експлоатация (контактно натоварване).

Здравината на повърхността е функция на якостта на натиск и е директно пропорционална на твърдостта. Закаляването на повърхността обикновено се постига с химико-термична обработка, което заякчава най-горния слой на материала, като оставя слоевете под него по-меки. В практиката тази техника често се предпочита пред пълното закаляване, което може да направи материала по-чуплив.

Чугунът клас 35 например е с твърдост по Бринел минимум 300 N/mm2. Центробежно излетите от форен бронз механизми се характеризират с твърдост по Бринел 90 N/mm2.

AISI 9310 е стоманена сплав с повърхностна закалка на и се използва за производството на механизми за летателни апарати, където са налице по-големи работни натоварвания и по-високи работни обороти. Твърдостта на Бринел за AISI 9310 е 250 до 350 N/mm2.

Керамични и метални шприцовани предавателни механизми
При избор на алтернативни материали и производствени методи за изработка на предавателни механизми керамиката и инжекционно формовъчните метали са все по-предпочитани. Сред приложенията на тези технологии са предавки за по-малки системи и машини, които трябва да са 100% устойчиви на износване.

Керамичните и металните части за такива механизми могат да се произвеждат на големи партиди и са по-лесни за изработка в сравнение с изделията от стоманени сплави. Както керамиката, така и формовъчните метали се обработват посредством шприцоване под налягане и отливане/формоване по калъп. За изходна суровина се използват метален или керамичен прах.

При шприцоването на керамика традиционен материал е циркониевият оксид (ZrO2). При формовъчните метали производителят може сам да подбере материалите за сплавта в зависимост от необходимите характеристики и приложението на крайното изделие.

Сплавта 316L например се състои от желязо, мед, никел и молибден (FeCr19Ni9Mo2), като съчетава голяма здравина и висока устойчивост на корозия. Друга често срещана суровина е алуминиевият оксид (AlO2).

Восъкът и добавките за свързване на полимери, които се прибавят към изходната суровина, се нагряват заедно с металния или керамичния прах. При охлаждането те се оформят на гранули. След това материалът се обработва в шприц машините. В края на този етап от обработката се получават неизпечени пресовки.

При изваждането им от машината, тези пресовки се подлагат на допълнителна обработка, при която от тях биват извлечени свързващите добавки.

Следващата стъпка е вкарването на частите в пещта за синтероване. При синтероването пресовките се нагряват, за да се осъществи спояването и формоването на металните връзки. В резултат от този метод се получава свиване на материала, което (в зависимост от вида на материала) може да достигне 30%.

Температурите при синтероването са приблизително 1300 °C при инжекционно формоване на метали (metal injection molding, MIM), и до 1500 °C при инжекционно формоване на керамика (ceramic injection molding, CIM).

В някои случаи може да се наложи повторна обработка на детайлите за постигане на по-прецизна геометрия. В металообработката се прилагат класическите процеси за повърхностна обработка, докато за финишната обработка на керамика се използват диамантени инструменти.

Предимства и недостатъци на керамичните детайли
Като всички други материали, керамиката също има своите недостатъци. При подходящо проектиране, внимателно дозиране и прецизна изработка на изделието обаче този материал може да прояви уникални свойства.

Благодарение на тези свойства предавателните механизми, изработени от керамика, могат да бъдат по-износоустойчиви, с по-ниско триене и по-голяма здравина от металните.

Много производители на предавки проектират и произвеждат предавателни механизми за специфични пазари и приложения, чиито изисквания са далеч по-големи от това, което стандартните материали могат да предложат. За някои технологични процеси металните материали са само краен вариант, поради недостатъчно добрите им показатели.

В такива приложения често върху металите се нанася допълнително защитно покритие, за да се повиши издръжливостта им на износване и корозия.

Керамичните материали са подходяща суровина за редица производства и области в които обикновените метали не успяват да покрият експлоатационните изисквания, например във вакуум системи или в някои медицински приложения, в които са необходими немагнитни инструменти.

Подлагането на материала на допълнително подобряване против износване е още един аспект, при който керамиката е без конкуренция. Металните компоненти и изделия обикновено се чупят, когато се износят прекалено.

Твърдостта на циркония например е по-голяма или равна на 1200 по Викерс (HV) или на 1140 N/mm2 по Бринел. Якостта на огъване на циркония е по-голяма от 800 N/mm2, а коефициентът на топлинно разширение е 10 x10-6 °C-1.

В сравнение с металните сплави, цирконият се отличава с по-висока износо- и термоустойчивост. За справка, коефициентът на топлинно разширение на металните сплави варира от 11 до 13 x 10-6 °C-1. Колкото по-ниска е тази стойност, толкова по-малка е вероятността да настъпи разширение.

Керамиката е немагнитна и био-съвместима. Това я прави по-подходящ избор при работа с биотехнологии и в условия на вакуум. Керамичните компоненти и изделия са и добри електро- и топлоизолатори, с висока устойчивост на триене. Разбира се, подобно на различните метали, отделните видове керамични материали проявяват различни свойства и са подходящи за различни приложения.

Инжекционното формоване на керамика (CIM) позволява изработката на сложни 3D форми с голяма точност и лекота на възпроизвеждане. При други процеси за обработка на керамика, като пресоването, се изисква комплексна обработка за постигане на желаната форма, докато CIM предлага голяма свобода при формоването на крайния продукт в калъпа.

За съжаление, керамиката е много податлива на чупливост. Високата температура на топене на този материал води до известни затруднения при изливането му. Крайният процес на оформяне на керамика също изисква сравнително големи инвестиции. Използването на диамантени инструменти за финишна обработка в някои приложения може допълнително да увеличи производствените разходи.

На практика, керамиката е най-подходяща за изработка на компоненти на предавателни механизми, които са малки и се произвеждат в големи партиди. Изработката на едрогабаритни изделия или малките партиди не оправдават производствените разходи.

Инжекционно формоване на метали - предимства и недостатъци
Инжекционно формоване на метали (MIM) позволява изработването на широка гама от части и корпуси за предавки. С помощта на този метод се намаляват производствените разходи за изработката на цели комплексни изделия.

Технологията прави възможна и изработката на масивни метални елементи със сложни форми и геометрии. Без допълнителна машинна обработка могат да се изработват и по-комплексни елементи като резби и перки.

При отливането се получават изделия с високо качество на повърхността, за които почти не е нужна вторична обработка. Характеристиките на материала са много сходни с тези на лятата и на валцуваната стомана. Плътността на компонентите, произведени чрез инжекционно формоване, е 96 до 98% от тази на стоманените компоненти.

Неръждаемата хирургическа стомана е една от най-широко разпространените сплави, използвани за изработката на изделия чрез формоване под налягане.
Сплавта 17-4 PH (AISI 630) например е съставена от желязо със 17% хром, 4% никел, 4% мед и ниско съдържание на манган, силиций и ниобий (или тантал). След синтероване и термообработка до Н1025, границата на еластичност на сплавта варира от 965 MPa до 1040 MPa.

Изделията, произведени чрез инжекционно формоване на метали, могат да заменят цели сложни конструкции, което помага да се редуцира броят на компонентите, необходими за асемблирането на един механизъм. Посредством технологията може да се изработи например цялостен блок за привод на клапан вместо да се използват байонетни или заваръчни връзки.

Формоването на метали под налягане има и своите недостатъци, подобно на керамиката. Устойчивостта на чупливост в някои случаи може да бъде много ниска, в зависимост от вида на материала. При изпитване на ударната жилавост на металите например се вижда, че сплавта 17-4 PH се характеризира с едва 15% от енергията на напукване в сравнение с разрушаването на нисковъглеродни материали.

Изработените изделия обикновено са с малки размери (10 до 15 мм) и в големи серии. Производствените разходи за изработка на едрогабаритни изделия или малки серии с този метод отново са прекалено високи. По-големият брой цикли при инжекционното формоване на метали също може да доведе до по-високи производствени разходи. Първоначалните инвестиции и стойността на изходните материали също са сравнително високи.

Предимство в практиката обикновено е, че неизползваните материали могат да бъдат рециклирани за повторна употреба, като така се постига 100% оползотворяване на ресурса.

Металното стъкло като бъдеща алтернатива
Сред най-обещаващите бъдещи технологии при алтернативните материали за производство на предавателни механизми е обемното метално стъкло (BMG). BMG е аморфна структура, която притежава комбинираните механични свойства на керамиката и кристалната решетка на метал.

По подобие на керамиката, BMG има висока твърдост и е високоустойчива на износване, но се характеризира с по-ниска температура на топене. Последната особеност носи практически ползи при производството на изделия от обемно метално стъкло – показател, по който и керамиката, и формоването на метали отстъпват на BMG поради високите първоначални разходи.

Некристалната, аморфна структура на технологичното стъкло му придава твърдост като на стоманата, но и добра ковкост.

В допълнение, BMG е устойчив на корозия материал и има висока устойчивост на счупване. Общ проблем при металните, керамичните и инжекционно формованите метални изделия е тяхната крехкост и слабата им устойчивост при умора на материала.

При BMG обаче пластичността на материала помага за увеличаване устойчивостта към умора. Високото съотношение между обемния модул и модула на срязване при BMG неутрализира крехкостта на стъкления компонент, защото енергията, необходима за получаване на пукнатини на срязване е по-малка от енергията, необходима за превръщането им в реални пукнатини в материала.

С оглед на бъдещите предимства и настоящите предизвикателства при производството на изделия от BMG, в момента един от най-големите проблеми при този технологичен материал е високата степен на нагряване и бързото охлаждане, необходими за производството му.

Леенето на BMG изисква горещ, течен материал с температура над 1000 °С, който след това трябва рязко да се охлади до необходимата температура за преобразуване в стъкло.

Крехкостта, създаваща се при закаляването, както и последващото кристализиране на стъклото, са сред често срещаните проблеми при производството на метално стъкло, тъй като те не позволяват постоянно качество на продукцията. Необходими са и изходни материали с висока чистота, като чист цирконий, което от своя страна увеличава производствените разходи.

Бъдещето на производството на BMG вероятно се крие в използването на алтернативни суровини като черни метали (желязо, никел и хром) и оформянето чрез преохлаждане вместо леене. При преохлаждане металното стъкло има свойствата на термопластична пластмаса и е по-лесно за обработка.

Полимерни материали за предавателни механизми
През последните 50 години полимерните предавателни механизми се превърнаха от експеримент в широко използван елемент в съвременното машиностроене. Понастоящем те се вграждат в различни машини и системи като автомобили, часовници, шевни машини, сградни контролери, ракети и т. н.

Най-широката им употреба е именно в автомобилната индустрия. Пластмасови зъбни предавки се използват в механизмите за движение на вратите, седалките и фаровете, механичните заключващи устройства, за управление на дроселни клапи и турбо контролери и т. н.

В битовата техника също се вграждат широка гама пластмасови предавателни механизми. В някои по-големи уреди, като пералните, се влагат големи пластмасови предавки, които често заменят металните.

Пластмасовите механизми намират приложение и в много други отрасли, например в задвижки на HVAC системи, приводи на потопяеми клапани, автоматични сифони в обществени тоалетни, винтове за контролни табла на малки самолети и управление на кормилни уредби в някои системи, използвани за военни цели.

По-едрогабаритни и по-здрави предавателни механизми
Подемът в развитието на зъбните предавки от полимерни материали се дължи на лесното им формоване и широката гама от достъпни материали, позволяващи изработката на по-големи, по-мощни и същевременно по-прецизни механизми. Първите пластмасови зъбни предавки са с размери от порядъка на едва сантиметър и с мощност не по-голяма от 0,25 конски сили.

Съвременните производствени технологии позволяват изработката на различни компоненти за предавателни механизми, които се комбинират в много конфигурации, със средна мощност 2 конски сили и диаметър между 10 и 15 см. На пазара вече се предлагат и пластмасови зъбни предавки с предавана мощност над 10 конски сили.

Голямо предизвикателство за производителите е изработката на механизми с геометрични форми, които да увеличават мощността същевременно намалявайки шума и грешките при предаването. Такива механизми изискват голяма прецизност при отливането, при формоването на зъбите и т. н.

Някои механизми, като червячните редуктори например, обикновено налагат сложно моделиране за постигане желаната форма и геометрия на крайния продукт, докато при други изделия производствените техники са далеч по-прости.

Въпреки че най-съвременните полимери, оборудване и инструменти в областта разкриват нови възможности пред производството на предавателни механизми от полимерни материали, за производителя обикновено е истинско предизвикателство да адаптира производството си към изпълнението на високопрецизни операции за изработване на сложни пластмасови предавки.