Зъбообработващи машини

• Зъбните колела и предавки са най-разпространеният тип предавателни механизми в съвременното машиностроене
  
  
• За производството им могат да се използват както специален клас зъбообработващи машини, инструменти и техники, така и конвенционални методи за механична обработка
  
  
• Редица глобални производители на металообработваща техника и инструментална екипировка разработват патентовани технологии за формообразуване на широк асортимент от профили и геометрии при зъбните предавки

Зъбните колела и предавки са най-разпространеният тип предавателни механизми в съвременното машиностроене. От тяхното качество, дълготрайност и надеждност зависи изправната работа на голяма част от производственото оборудване в промишлените цехове и заводи. Сред особеностите на тези изделия е сравнително сложният им процес на изработка. За целта могат да се използват както специален клас зъбообработващи машини, инструменти и техники, така и конвенционални методи за механична обработка като фрезоване, нарязване с червячни фрези, хонинговане, стъргателни операции, шевинговане, протегляне на протяжни машини, шлифоване и др.

В допълнение към тези технологии зъбни механизми могат да бъдат произвеждани и посредством широка гама други промишлени процеси, включително леене, коване, екструдиране, прахова металургия, щанцоване, 3D печат и т. н.

Подходящи материали за изработката на зъбни предавки са различни видове стомана, месинг, бронз, обикновен и сферографитен чугун, алуминий, композити, дърво и пластмаси. Последните стават все по-популярна алтернатива на металите в съвременната машиностроителна индустрия поради изискванията към олекотяване на компонентите и детайлите в редица сектори.

Механичната обработка посредством зъбонарезна техника остава най-масово прилаганият метод за производство на зъбни колела, а сред предпочитаните технически средства за целта са фрезовите и други типове машини с централно програмно управление и по-специално системите с висока степен на автоматизация на работния процес.

Предимства на различните методи и типове оборудване

Чугунът е основен материал за изработката на зъбни механизми поради високата си устойчивост на износване. Позволява лесно производство на сложни форми чрез леене. Предпочитан е в приложения с по-ниски изисквания относно крайното качество на повърхностите.

Стоманата се използва за предавки с висока якост. Стоманените детайли обикновено са термично обработени, за да комбинират висока якост и твърдост, които са ключови за зъбните елементи на механизмите, особено при високо натоварване. Бронзът също се отличава с добра издръжливост на износване, което го нарежда сред популярните материали за производство на зъбни колела.

В зависимост от изискванията и особеностите на дизайна и приложението избраният материал е препоръчително да отговаря на следните характеристики: висока якост на опън за предотвратяване на повреди при статични натоварвания; висока издръжливост на динамични натоварвания; нисък коефициент на триене и добра технологична обработваемост.

Червячните фрези са спирални режещи инструменти, които се въртят непрекъснато, докато са в контакт със заготовките за зъбните колела. Това спомага за прехвърляне на профила на фрезата върху заготовката и оформянето на отделните зъбци. Нарязването с червячна фреза е високоефективен метод за производство на зъбни предавки, подходящ за средни до големи по обем производствени серии. Използва се най-вече за изработката на цилиндрични, червячни зъбни колела и такива с наклонени (спирални) зъби.

Сред предимствата на метода са отличната скорост и възможността за постигане на широк набор от комплексни геометрии. Недостатък е невъзможността на техниката да произвежда шлицови канали и външни зъби.

Протеглянето на протяжна машина от друга страна е подходяща технология за изработката както на вътрешни, така и на външни зъби (за оформянето на външни зъбни елементи се използва специален кух инструмент за протегляне), включително на едрогабаритни предавки в големи серии. Всъщност едросерийното производство е единственият сценарий, в който техниката е рентабилна. Тя се характеризира с висока скорост и постига отлична пространствена точност. При необходимост от изработка на нестандартни и персонализирани продукти в малки партиди обаче протеглянето може да се окаже скъпо и неефективно.

Специфики на зъбонарезните и довършителните операции

Фрезоването е метод за премахване на материал от заготовката на зъбното колело с цел оформяне на крайната геометрия на зъбните елементи. Този метод е по-бавен от повечето си производствени аналози, тъй като машината оформя предавката зъб по зъб. След приключване на обработката на първия зъб, фрезата се отдръпва, заготовката на зъбното колело се завърта до следващата позиция и се подхожда към изрязването на следващия, а процесът се повтаря до готовност на изделието.

Сред водещите предимства на фрезовата техника при зъбонарязването са високата прецизност и добрата разходна ефективност при производството на нестандартни и специализирани серии. Сред негативите на метода са голямата енергийна ефективност на обработващите процеси, както и необходимостта от опитни оператори, които да управляват зъбофрезовата машина, за да се постигне желаното качество на предавките. Разновидност на процеса (известна в англоезичната техническа литература като “gashing”) се използва за производство на груби зъбни колела с по-голяма стъпка на едрогабаритни фрезови машини за тежък режим на работа, при което фрезата максимално бързо се врязва в заготовката с цел по-висок темп на отнемане на метала. Качеството на крайната повърхност не е приоритет.

Обработката чрез стъргателни операции е най-старата техника за производство на зъбни колела. За целта се използва инструмент със зъбна рейка и зъбно колело, който служи за генериране на съответния профил на предавката. С този метод могат да бъдат произведени и широка гама от стъргателни инструменти, които да се използват за изработката на богат асортимент от геометрии при зъбните механизми, включително в малки и средни партиди. Недостатъци са сравнително ниската точност и ефективност на процеса.

Шлифоването не е класическа зъбонарезна операция (макар и да е възможно прилагането му с такава цел), но е критичен етап от довършителната обработка на зъбните колела и предавки. Обикновено се прилага непосредствено след топлинното третиране и включва полиране на зъбното колело чрез триене с абразивен материал, което гарантира прецизно спазване на допуските при профилите на отделните зъби. Може да бъде с цел допълнително формоване или т. нар. еволвентно обработване (формообразуване на еволвентни зъбни профили). Еволвентното шлифоване се отнася до използването на шлифовъчно колело (или колела) за довършителна обработка на зъбите на предавката чрез аксиално въртене на детайла и възвратно-постъпателно въртене в ъглова посока на шлифовъчното колело. Тази операция може да се извършва както в прекъснат, така и в непрекъснат режим.

Шлифоването гарантира отлична ефективност при зацепване на зъбните предавки и се отличава с висок капацитет за отнемане на материал, което позволява чрез този метод да се отхвърлят големи обеми работа. Сред минусите на технологията са нейната времеемкост и сравнително високите разходи за изпълнение.

Други финишни операции са стъргателните с цел постигане на крайната форма на вече обработената предавка чрез отнемане на малки количества материал. Типично те се прилагат преди термичната обработка, но машините и инструментите за целта често изкискват по-голяма инвестиция отколкото оборудването за аналогични довършителни дейности.

Хонинговането включва зацепване на зъбите на предавката в напречна ос с пластмасов, импрегниран с абразив инструмент с форма на зъбно колело. Инструментът пресича зъбната повърхност с движение напред и назад, успоредно на оста на детайла. Хонинговането полира повърхността на зъбите на изделието и може да се използва за коригиране на незначителни грешки в геометрията на предавката.

В обобщение, повечето зъбни колела в големи серии се изработват на стандартни машини чрез метод, познат в чуждоезичната литература като “генериране” на зъбни колела (gear generating). Той включва изработване на профила на зъбния механизъм чрез относителното движение на въртящ се режещ инструмент или ротационното движение на детайла. Двата основни процеса в тази категория са нарязването с червячна фреза и стъргателните операции.

Другата група методи, известни като “формообразуване” на зъбни предавки (gear forming) използват инструменти, които имат реалната форма или профил на желания дизайн на зъбното колело. Такива са протеглянето и фрезоването.

Патентовани технологии и фина обработка

Обработката на зъбни колела в редица случаи изисква специални инструменти за формообразуването на желания профил на предавката. Много глобални производители на металообработваща техника и инструментална екипировка обаче разработват собствени патентовани технологии за изработка на широк асортимент от изделия, включително външни зъбни колела, шлицови и конусни зъбни предавки, посредством стандартно обработващо оборудване. За целта се внасят промени в CNC програмата вместо да се сменят инструментите, като с една настройка могат да се изработят множество различни профили чрез мултифункционални машини и 5-осни центри. Така се постига значително съкращаване на работните цикли и общото време за обработка.

Предимство на такива патентовани технологии са високата гъвкавост и възможностите за цялостно производство на висококачествени готови изделия с едно захващане. В допълнение, подобни подходи позволяват и изцяло суха обработка, което повишава екологичната пригодност на производството предвид елиминираната употреба на смазочни масла.

Интересен е напредъкът през последните години в сферата на прецизната обработка на зъбни предавки и по-специално методът, известен като “фино профилиране” (power skiving). Това е непрекъснат процес на рязане, който е многократно по-бърз от стъргателните операции и по-гъвкав от протягането. Въпреки че концепцията за фино профилиране съществува от повече от век, едва наскоро развитието на технологията пое нов обрат. В резултат на бързия напредък в сегмента на металообработващите машини и синхронизираните шпиндели в посока към по-висока ефективност, устойчивост и издръжливост тази техника все по-масово и рентабилно се прилага в съвременните цехове. Подходяща е за изработка както на вътрешни, така и на външни зъбни колела и шлицове, цилиндрични предавки и такива с наклонени зъби, за основна и довършителна обработка. Най-големи предимства осигурява при обработването на вътрешни зъбни профили, включително в масовото производство, където кратките времена на цикъл са ключови.

Методът гарантира множество предимства в сравнение с конвенционалните техники, включително голяма свобода при дизайна и геометриите, възможност за цялостна обработка с една настройка, повишена скорост и производителност. Тук отново са налице опции за екологосъобразна суха обработка с висока ефективност. Що се отнася до качеството, то е сравнимо или по-добро от това при използване на аналогични фрезови операции. Финото профилиране на зъбни колела и предавки може да се извършва както на специализирани машини, така и на мултифункционални конфигурации и обработващи центри.