Obróbka kół zębatych stożkowych metodą CNC: Osiągnięcie najwyższej precyzji na centrach wieloosiowych

W wysokowydajnych układach napędowych koła zębate stożkowe są kluczowymi elementami odpowiedzialnymi za przekazywanie mocy mechanicznej. Jednak w przypadku większości warsztatów mechanicznych, Obróbka skrawaniem z wykorzystaniem sterowania CNC kół zębatych stożkowych stanowi poważną przeszkodę techniczną. Ich skomplikowane, ewolwentowe profile zębów, zmienne grubości zębów oraz rygorystyczne tolerancje walcowania obu boków sprawiają, że tradycyjne konfiguracje trójosiowe nie są w stanie sprostać tym wyzwaniom.

Aby dostarczać niestandardowe koła zębate stożkowe, które poradzą sobie z wysokimi prędkościami obrotowymi nowoczesnych osi elektrycznych w pojazdach elektrycznych (EV) lub zapewnią niemal zerowy luz wymagany w siłownikach lotniczych, nie wystarczy polegać wyłącznie na podstawowych ścieżkach narzędzi generowanych przez oprogramowanie CAM. Potrzebne jest solidne połączenie technik wieloosiowych, specjalistycznych konfiguracji oprzyrządowania oraz praktycznego wyczucia w zakresie obróbki.

Wybór konfiguracji: tradycyjne frezowanie wzdłużne czy frezowanie wieloosiowe?

W przeszłości do produkcji prostych lub spiralnych kół zębatych stożkowych konieczne było stosowanie specjalistycznych frezarek do kół zębatych lub maszyn kształtujących. Chociaż rozwiązania te charakteryzowały się wysoką wydajnością w przypadku masowej produkcji, czas realizacji oraz koszty związane z niestandardowymi osprzętami i specjalistycznymi narzędziami skrawającymi często stanowiły ograniczenie. Obecnie, dzięki wykorzystaniu zaawansowanych centrów tokarsko-frezarskich lub obróbki symultanicznej 5-osiowa obróbka CNC Centra obróbcze wyposażone w standardowe oprzyrządowanie stały się najczęściej wybieraną strategią w przypadku serii o dużej elastyczności i małej lub średniej wielkości produkcji.

W przypadku średnich i dużych kół zębatych stożkowych o średnim i dużym module doskonale sprawdza się proces oparty na “standardowej maszynie + standardowych narzędziach z wymiennymi płytkami”. Po wygenerowaniu precyzyjnego modelu 3D oprogramowanie CAM planuje przejścia zgrubne z wykorzystaniem adaptacyjnego frezowania kieszeniowego lub frezowania wgłębnego. Pozwala to uzyskać jednolity naddatek wykańczający na wszystkich bokach zęba. Zaletą tej metody jest to, że eliminuje ona potrzebę stosowania specjalistycznych głowic frezarskich — ciężką pracę może wykonać wysokiej jakości frez trzpieniowy z węglików spiekanych z końcówką kulistą lub płaską.

Strategie na hali produkcyjnej: jak rozwiązać trzy kluczowe problemy związane z przekładniami stożkowymi

Osiągnięcie dokładności klasy 12 według normy AGMA wymaga uwzględnienia trzech różnych czynników związanych z podłogą:

1. Eliminacja drgań narzędzia podczas wykańczania profilu

Podczas obróbki boku koła zębatego stożkowego strefa styku między krawędzią tnącą a stożkowymi powierzchniami zębów ulega ciągłym zmianom, co często powoduje drgania narzędzia. Wibracje te pozostawiają mikroskalowe zniekształcenia na powierzchni czołowej, powodując piszczący dźwięk koła zębatego i jego przedwczesne zużycie. Aby temu zapobiec, podczas ostatniego przejścia należy zastosować strategię “małej głębokości skrawania i dużej prędkości posuwu”. Zastosowanie frezu kulistego o dużym skoku śruby kieruje również wynikające z tego siły skrawania osiowo w górę, w kierunku wrzeciona, tłumiąc ugięcie promieniowe.

2. Zastosowanie techniki skrawania siłowego w przypadku skomplikowanych kształtów

Jeśli w Państwa zakładzie wykorzystywane są sztywne maszyny frezowo-tokarskie, Power Skiving to przełomowe rozwiązanie. Dzięki zsynchronizowaniu wrzecion frezu i obrabianego elementu pod precyzyjnym kątem skrzyżowania osi ten ciągły proces skrawania przebiega 2–3 razy szybciej niż tradycyjne kształtowanie. Podczas obróbki elementów złożonych, takich jak koło zębate stożkowe ze zintegrowanym rowkiem wewnętrznym, skrawanie siłowe pozwala na wykonanie toczenia wykańczającego, frezowania czołowego i nacinania zębów w jednym mocowaniu. Eliminuje to całkowicie skumulowane błędy współosiowości wynikające z odwracania części.

3. Ograniczanie dryfu termicznego i odkształceń materiału

Grube zgrubne obróbki stali zębatkowych, takich jak 8620H lub 20CrMnTi, powodują powstawanie ogromnych ilości lokalnego ciepła tarcia. Przejście bezpośrednio do przejść wykańczających spowoduje zniekształcenie profilu z powodu rozszerzalności cieplnej obrabianego elementu i wydłużenia wrzeciona. Niezawodna sekwencja operacyjna wymaga rozdzielenia etapów: należy wykonać zgrubne obróbki, wysłać półfabrykaty do wyżarzania odprężającego oraz włączyć aktywną kompensację termiczną na maszynie przed przystąpieniem do obróbki wykańczającej przy zastosowaniu chłodzenia obfitym strumieniem chłodziwa.

Wyzwanie związane z twardym wykończeniem

Po nawęgleniu i hartowaniu twardość powierzchni kół zębatych zazwyczaj osiąga poziom powyżej 60 HRC. Ta obróbka cieplna nieuchronnie powoduje niewielkie odkształcenia geometryczne. Aby skorygować te ostatnie setne milimetra, zakłady stosują frezowanie na twardo lub szlifowanie kół zębatych na maszynach CNC. Zastosowanie płytek z PCBN (polikrystalicznego azotku boru) pozwala operatorom na usunięcie warstwy odkształcenia przy dużych prędkościach posuwu, zapewniając lustrzane wykończenie powierzchni i idealnie wycentrowany wzór styku zębów.

Ostatecznie realizacja udanego Obróbka skrawaniem z wykorzystaniem sterowania CNC kół zębatych stożkowych Sprowadza się to do ścisłej kontroli nad interpolacją wieloosiową, zarządzania odprowadzaniem ciepła oraz dostosowywania parametrów w oparciu o wskaźniki zużycia narzędzi. To właśnie dopracowanie tych szczegółów pozwala Twojemu zakładowi utrzymać zlecenia na precyzyjne układy napędowe, charakteryzujące się wysoką marżą.