Точні зубчасті колеса з композитною структурою, виготовлені методом ЧПК-фрезерування: технічний посібник щодо матеріалів, допусків та виробництва

01Що таке зубчасте колесо із подвійним шаром (композитне), виготовлене методом ЧПК-фрезерування?

Композитне зубчасте колесо — також відоме як колесо із подвійним шаром або ступінчасте колесо — поєднує два профілі зубчастих коліс із різними діаметрами та кількістю зубів на єдиному тілі, що монтується на валу й виготовляється з одного суцільного заготовка. Така конструкція дозволяє передавальній системі змінювати крутний момент і частоту обертання в одній точці зачеплення, що є типовим для коробок передач, роботизованих приводів та редукторних вузлів.

Оскільки обидва зубчасті колеса мають спільну вісь отвору й мають бути точно вирівняними одне щодо одного, для складних зубчастих коліс потрібен суворіший контроль концентричності та перпендикулярності, ніж для зубчастих коліс з одним профілем. Точіння на ЧПК-верстатах формує отвір і зовнішні діаметри, а нарізання зубів на ЧПК-верстатах методом шевінгу або фрезерування виконується послідовно для кожного ступеня, з використанням того самого базового елемента, щоб забезпечити точне вирівнювання обох ступенів зубчастого колеса.

02Вибір матеріалу для прецизійних зубчастих компонентів

Вибір матеріалу визначає стійкість до зносу, несучу здатність і економічну ефективність. У таблиці нижче наведено основні групи матеріалів, які найчастіше застосовують для зубчастих коліс, виготовлених методом ЧПК-обробки.

03Контроль допусків та виробничий процес

Ефективність шестерні залежить від точності розмірів на кількох етапах: діаметр отвору й його округлість, профіль зуба (еволюційна форма), точність кроку та концентричність між двома шестернями у складовій деталі. Типовий технологічний процес виготовлення прецизійної складової шестерні включає:

• ЧПУ-токарну обробку заготовки — зовнішніх діаметрів, отвору та ступінчастих поверхонь за спільним базисом
• Нарізання зубів шестерні методом зубофрезерування або електроерозійним провідним різанням (wire-EDM) для кожного шару профілю зубів
• Термічна обробка (за наявності вимог) для досягнення потрібної твердості та тривалості експлуатації при циклічних навантаженнях
• Прецизійне шліфування отвору та критичних поверхонь до остаточних допусків
• Вимірювання розмірів за допомогою координатно-вимірювальної машини (CMM) або спеціалізованих приладів для контролю шестерень

Стандартні досяжні допуски для прецизійних шестерень, виготовлених на ЧПУ, зазвичай становлять від ±0,01 мм до ±0,005 мм на критичних діаметрах, залежно від розміру деталі, матеріалу та постмашинних процесів, таких як шліфування.

04Аспекти проектування з урахуванням технологічності виготовлення (DFM)

Інженери, які перевіряють креслення складного зубчастого колеса перед наданням цитати, зазвичай перевіряють: чи клас допуску отвору сумісний із посадкою на вал (зазор, перехідна або натягова); чи обидва зубчасті шари можна виготовити за одну установку при зубофрезеруванні без надмірної зміни інструменту; та чи висота сходинки між шарами забезпечує достатній зазор для доступу фрези або зубофрезерного інструменту до зубчастого колеса меншого діаметра без перешкод з боку колеса більшого діаметра.

Виявлення цих проблем під час аналізу конструкції з огляду на технологічність виготовлення (DFM), а не після виготовлення першого зразка, скорочує необхідність повторної обробки оснащення й скорочує терміни від креслення до поставки зразка.

05Типові застосування

Складні зубчасті колеса з ЧПУ широко використовуються в редукторах, трансмісіях електроінструментів, робототехнічних системах та приводах-актуаторах, допоміжних автомобільних приводах і прецизійних приладах, де один компонент має забезпечувати ступінчасте передавальне число в компактному корпусі.