Прецизионная обработка шестерен: жёсткие допуски и изготовление на заказ | JS Precision

Обработка шестерен является важной частью промышленных устройств.

В передаточном механизме шестерня несёт полную ответственность за успешную или неудачную передачу мощности. Незначительная ошибка в профиле зубьев приводит к шуму, вибрации, а иногда и к преждевременному выходу системы из строя, в то время как её высокая точность обеспечивает плавную и бесшумную работу и значительно увеличивает срок службы.

Будь то обычная пара «цилиндрическая шестерня — шестерня» или система реечной передачи, преобразующая вращательное движение в поступательное, качество шестерни — краеугольный камень производительности. Компания JS Precision понимает, что искусство обработки шестерен выходит далеко за рамки простого копирования профиля зуба в материале, прецизионного производства и термообработки.

Краткое изложение ключевых ответов

Почему стоит доверять этому руководству? Практический опыт JS Pinion Machining

Прежде чем углубляться в технические детали обработки шестерен, можно задаться вопросом: почему это руководство заслуживает доверия? Ответ кроется в многолетнем практическом опыте компании JS Precision в области обработки зубчатых передач.

С момента своего основания наша компания специализируется на прецизионной обработке шестерен. За это время мы выполнили более 5000 различных проектов для более чем 10 отраслей, таких как автомобилестроение, робототехника и производство медицинских приборов. Прецизионная обработка стальных шестерен составляет около 35% от общего числа наших проектов.

Например, мы обрабатывали шестерни с модулем 0,8 для производителя промышленных роботов. Благодаря оптимизации процесса шабрения и термообработки нам удалось контролировать суммарную погрешность шага в пределах 0,005 мм.

Такая точность не только значительно превосходит требуемый заказчиком уровень ISO 7, но и отражает наше глубокое понимание и применение передового опыта, изложенного Американской ассоциацией производителей зубчатых передач (AGMA) в «Руководстве по изготовлению прецизионных зубчатых передач».

Более того, мы знакомы с особенностями обработки различных легированных сталей, таких как 4140 и 8620. Это позволяет нам сократить производственный цикл со среднего по отрасли значения в 6 недель до 3 недель в случае заказов небольших партий (до 50 штук) для индивидуальных заказов.

Это руководство представляет собой сборник практических примеров, параметров процессов и решений проблем. Каждое предложение, представленное здесь, проверено в реальных условиях производства , поэтому вы можете использовать его с полной уверенностью.

Если для вашего проекта требуются услуги по прецизионной обработке стальных зубчатых колес или вам требуется дополнительная информация о соответствующих тематических исследованиях, обращайтесь в компанию JS Precision для получения индивидуальной технической поддержки.

Какие скрытые проблемы возникают при точной обработке шестерен?

Разобравшись с надёжностью руководства, давайте разберёмся с часто упускаемыми из виду проблемами при обработке шестерен, которые напрямую влияют на эффективность обработки зубчатых передач. Помимо традиционного фрезерования, сложность обработки шестерен начинается с обретения контроля над микроскопическим миром.

Максимальное достижение профиля и направления зубьев

Основные проблемы — это профиль зубьев, накопленная погрешность шага и точность винтовой линии. Отклонения на уровне микрометра могут вызывать шум и вибрацию. Например, шестерня клиента работала со слишком высоким шумом из-за погрешности профиля зубьев в 0,02 мм, что превышает стандарт ISO Class 6.

Из-за высокой твердости материала стальные шестерни Spin еще сложнее контролировать с точки зрения точности направления зубьев, что требует оптимизации траекторий инструмента.

Почему качество поверхности определяет срок службы?

Качество обработки поверхности зубьев напрямую связано с процессом образования масляной плёнки . Если шероховатость поверхности превышает 1,6 мкм, возможен прямой контакт металла с металлом и ускоренная точечная коррозия. Однажды у одного из клиентов шестерня подверглась точечной коррозии всего через 300 часов работы из-за ненадлежащего качества обработки поверхности. После повторной обработки до шероховатости поверхности 0,4 мкм срок её службы значительно превысил 5000 часов.

Термическая обработка: баланс твердости и размерной стабильности

Хотя цементация и закалка способствуют повышению твёрдости и износостойкости, эти методы легко приводят к деформации, особенно в стальных шестернях. Для уменьшения деформации мы используем цементационную печь с контролируемой атмосферой, с температурным диапазоном ±5°C. После этого следует шлифование зубчатых передач для обеспечения соответствия твёрдости и точности стандартам.

Если у вас возникли какие-либо проблемы при обработке шестерни, например, деформация при термообработке или качество поверхности, не стесняйтесь обращаться в компанию JS Precision для получения индивидуального решения по обработке шестерни с учетом характеристик детали.

Как обеспечить точность профиля зуба и плавность обработки шестерни?

Точность достигается за счёт передовых технологий и жёсткого контроля. Чтобы гарантировать точность профиля зубьев и качество поверхности при обработке шестерни, необходимо учитывать несколько этапов: от обработки до контроля.

Обработка зубчатых передач — новый взгляд на непрерывную резку

Такие процессы, как шабрение зубьев, предполагают непрерывное взаимодействие инструмента и заготовки, что обеспечивает повышение эффективности на 30–50% по сравнению с традиционным зубодолблением и зубофрезерованием. Погрешность профиля зуба составляет ≤0,005 мм, а шероховатость поверхности Ra — всего 0,8 мкм. Мы достигли точности на уровне ISO 6 и повысили эффективность на 40% для клиентов, работающих с автомобильными трансмиссиями.

Последний штрих: шлифование и хонингование для достижения суперфиниша

Шлифование крайне важно для финишной обработки и играет незаменимую роль, когда требуется точность до уровня ISO 5-6 или зеркальная полировка. Мы используем высокоточные зубошлифовальные станки с алмазными шлифовальными кругами, что позволяет достичь шероховатости Ra 0,2 мкм и кумулятивной погрешности шага зубьев ≤0,003 мм, что соответствует требованиям к низкому уровню шума, предъявляемым к медицинским изделиям.

Наша комплексная система контроля качества

Используйте центр измерения зубчатых передач и КИМ для контроля материала до и после обработки. В процессе обработки контролируйте профиль и шаг зубьев. Уровень дефектности при обработке стальных шестерен составляет ≤0,1%.

Рисунок 1: Шлифование зубчатых колес. Шлифование является ключом к точной обработке.

Шестерня против шестерни: руководство для дизайнеров по ролям и обязанностям

Чёткое понимание разницы между шестернёй и зубчатым колесом — первый шаг к оптимизации конструкции трансмиссии. Хотя они относятся к категории зубчатых передач, их конструкция и применение существенно различаются.

Почему шестерня обычно является объектом внимания при проектировании?

Шестерня имеет меньше зубьев и более высокую частоту вращения, в 2-3 раза превышающую частоту вращения крупной шестерни в той же системе, а также более высокую циклическую нагрузку и более чем на 50% больший износ. Для продления срока службы шестерни требуется более качественный материал и более высокая термообработка.

Размер имеет значение: как найти оптимальное передаточное отношение и межосевое расстояние?

Рассчитайте передаточное отношение (передаточное отношение) на основе частоты вращения и крутящего момента. Затем по формуле « Межосевое расстояние = (Число зубьев шестерни + Число зубьев большой шестерни) × Модуль ÷ 2 » рассчитайте межосевое расстояние. Например, при передаточном отношении 1:3 модуль равен 2, число зубьев шестерни — 15, шестерни — 45, а межосевое расстояние — 60 мм.

Когда необходимо использовать специальную шестерню?

• Косозубые шестерни подходят для высоконагруженных, плавных трансмиссий, например, в автомобильных коробках передач.
• Конические шестерни подходят для передач с пересекающимися валами, например, в рулевом управлении станков.
• Червячные шестерни подходят для случаев, когда требуется высокое передаточное отношение, например, для подъема лифтов.

Если вы не уверены, как указать тип шестерни в вашей конструкции, или вам необходимо сравнить конкретные параметры шестерни и шестерни, обратитесь в JS Precision. Наши инженеры предоставят вам профессиональную консультацию по проектированию.

Рисунок 2: Шестерня и зубчатое колесо. Они имеют ряд ключевых различий в функциональности, размере и форме, количестве зубьев, скорости и области применения.

Почему обработка зубчатых колес является новаторским решением для современного производства зубчатых передач?

В этом разделе представлены передовые технологии JS Precision. Технология Spin Pinion Machining производит революцию в современной обработке зубчатых передач, предлагая экологически безопасные, эффективные и гибкие преимущества, особенно в области прецизионной обработки стальных зубчатых передач.

Сухая обработка и высокая эффективность:

Без необходимости использования смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) можно сэкономить 1000–2000 долларов США в месяц на утилизации отходов, одновременно сократив время обработки на 20–30%. Мы обработали множество партий стальных зубчатых шестерен для новых энергетических компаний, увеличив ежедневную производительность с 50 до 70 штук.

Гибкость в мелкосерийном производстве:

Быстрая переналадка и гибкое программирование : смена различных шестерен занимает всего 1-2 часа (по сравнению с 4-6 часами при традиционных процессах). Мы завершили производство 30 различных спецификаций стальных шестерен-шестерен в течение 5 дней.

Контроль стружки и стойкость инструмента:

Непрерывное резание обеспечивает превосходное стружкодробление и более длительный срок службы инструмента, продлевая срок службы инструмента более чем на 50% по сравнению с обычной червячной фрезой и снижая себестоимость единицы продукции с 2 до 1,30 долл. США.

Если вашей компании требуется прецизионная обработка стальных шестерен малыми партиями или вы хотите снизить затраты за счёт обработки шестерен, обратитесь в JS Precision. Мы разработаем для вас индивидуальное производственное решение.

Проектирование для гармонии: ключевые моменты при выборе пар цилиндрических зубчатых колес и шестерен

Успешное проектирование зависит от достижения идеального зацепления. При проектировании цилиндрических зубчатых передач и шестерен необходимо учитывать ряд параметров, в то время как реечные передачи также имеют свои особенности проектирования.

Выбор угла давления и модуля: основа передачи мощности

Выбор угла и модуля давления напрямую влияет на несущую способность, шум и размер цилиндрического зубчатого колеса и шестерни.

Существует два наиболее часто используемых угла зацепления: 20° (высокая несущая способность, подходит для машиностроительной техники) и 14,5° (стабильное зацепление, низкий уровень шума, подходит для прецизионного оборудования).

Модуль определяет размер зубчатого колеса. Чем больше модуль, тем выше грузоподъёмность. Например, для модуля 3 толщина зуба увеличилась на 50%, а грузоподъёмность увеличилась более чем на 40% по сравнению с зубьями модуля 2.

Поэтому на дальнейших этапах нам предстоит выбирать параметры, исходя из потребностей клиентов, для обеспечения стабильной передачи электроэнергии.

Искусство изменения профиля: предотвращение подрезов и оптимизация прочности

Сдвиг профиля широко применяется в парах цилиндрических зубчатых колес и шестерен для предотвращения подрезов и оптимизации прочности.

Если шестерня имеет менее 17 зубьев, стандартная конструкция склонна к подрезу (чрезмерная подрезка у основания зуба снижает прочность), чего можно избежать, увеличив толщину основания зуба в конструкции с положительным профилем смещения.

Одновременно с этим смещение профиля может уравновесить изгибную прочность двух шестерен , например, положительное смещение профиля на шестерне и отрицательное смещение профиля на шестерне могут сблизить основные напряжения обеих шестерен.

В одной из разработок заказчика-производителя станков смещение профиля увеличило срок службы шестерни на 30%.

Контроль люфта: тонкий баланс между плавностью и точностью

В системе реечной передачи контроль люфта имеет большое значение. Точность передачи и ударный шум возникают из-за несоответствующей величины люфта, создаваемого зацепляющимися поверхностями зубьев.

Регулировка люфта осуществляется тремя способами: значение задается в соответствии с определенным сценарием на этапе проектирования, например, в прецизионной передаче с использованием 0,01–0,03 мм , регулировка режущего инструмента при обработке для поддержания точности толщины зуба и точная настройка межосевого расстояния во время сборки.

Если при проектировании цилиндрической или реечной передачи у вас возникли трудности с выбором параметров, обращайтесь в компанию JS Precision за подробными конструкторскими решениями и помощью в расчете параметров.

Что на самом деле определяет стоимость обработки шестерни?

Мы укрепляем доверие наших клиентов, предоставляя прозрачный анализ затрат. Стоимость обработки шестерни определяется тремя основными факторами: материалом, требованиями к точности и постобработкой. Знание этих факторов поможет вам лучше контролировать расходы.

Марка материала и обрабатываемость: компромиссы между стоимостью и эффективностью от 4140 до 8620

Марка материала и обрабатываемость являются основными факторами, влияющими на стоимость обработки шестерни. Мы предлагаем экономичные материалы в соответствии с потребностями клиентов.

Канатная дорога: почему повышение точности приводит к экспоненциальному росту затрат?

Таким образом, рост затрат обусловлен требованиями к точности.

Повышение качества с ISO 8 до 6 резко увеличивает затраты: ISO 8 предполагает зубофрезерование по стоимости 10–15 долларов за деталь , ISO 7 включает зубофрезерование + получистовое шлифование по стоимости 18–25 долларов , а ISO 6 включает зубофрезерование + термообработку + шлифование, что обходится в 30–45 долларов.

Более высокая точность также увеличивает стоимость испытаний : время испытаний по стандарту ISO 6 в 3–4 раза превышает время испытаний по стандарту ISO 8.

Скрытые затраты на термообработку и отделку

Во многих случаях процессы термообработки и отделки считаются «скрытыми» затратами — например, цементация и закалка, стоимость которых колеблется от 5 до 10 долларов за деталь в зависимости от размера детали, дробеструйная обработка для повышения прочности основания зуба — 2–3 доллара за деталь и фосфатирование для повышения стойкости к ржавчине — 1–2 доллара за деталь.

Хотя это и увеличивает стоимость, это значительно улучшает общую производительность и срок службы шестерни. Мы предоставим нашим клиентам полную информацию , чтобы они могли понять, в чём заключается ценность комплексного управления качеством.

Рисунок 3: Структура себестоимости стали марок 4140 и 4340

Оптимизация для гибкого производства: оптимизация сроков поставки и ценообразования для индивидуальных заказов

В этом разделе рассматриваются вопросы эффективности и ценообразования при изготовлении небольших партий продукции по индивидуальным заказам. В области обработки шестерен процессы и рабочие процессы могут быть оптимизированы таким образом, что сроки изготовления небольших партий существенно сокращаются, а затраты остаются низкими.

Использование стандартизированных инструментов и процессов: баланс между скоростью и стоимостью

Мы сокращаем время настройки и снижаем начальные затраты для небольших партий за счет использования стандартной библиотеки инструментов и отработанных параметров процесса.

Библиотека стандартных инструментов с модулями 0,5–10 устраняет необходимость изготовления специального инструмента для обычных шестерен, экономя 3–5 дней . За счет ввода в систему проверенных параметров новые заказы требуют лишь незначительных корректировок , что сокращает время настройки с 2 дней до половины дня.

Однажды мы обработали для клиента 20 шестерен модуля 3 и сократили время цикла с 10 до 7 дней, одновременно снизив первоначальные затраты на 20%.

Цифровое прототипирование и виртуальный DFM: решение всех проблем до начала производства

Все наши расценки подкреплены цифровыми расчетами DFM без дополнительных затрат, что позволяет прогнозировать и предотвращать проблемы, возникающие при обработке. После предоставления клиентом чертежей мы создаем цифровые прототипы с помощью 3D-моделирования, моделируем процесс обработки и выявляем конструктивные недостатки, такие как слишком маленькая галтель основания зуба или несоответствие диаметра отверстия количеству зубьев.

У недавно изготовленной заказчиком шестерни скругление впадин зубьев толщиной 0,1 мм было подвержено концентрации напряжений. Мы рекомендовали увеличить его до 0,3 мм, чтобы избежать повторной обработки, что позволило сэкономить 5 дней и 2000 долларов США.

Гибкий график производства для срочных нужд

Мы резервируем канал ускоренного производства для ключевых клиентов. Возможна срочная поставка любого объёма без ущерба для качества. Учитывая срочные заказы клиентов, мы уделяем первостепенное внимание планированию производства:

Клиенту срочно требовалось 15 шестерен, и он хотел получить их в течение 3 дней. Мы воспользовались услугой ускоренного выполнения и выполнили заказ за 2,5 дня, чтобы минимизировать потери, связанные с простоем. Ускоренное выполнение заказа добавляет к обычной цене всего 10–15% за срочность, что обеспечивает отличное соотношение цены и качества.

Пример: От 95 дБ до 68 дБ — оснащение высокоскоростных роботизированных сочленений «бесшумными» передачами

В примере представлен классический пример работы компании JS Precision по прецизионной обработке стальных вращающихся шестерен, в рамках которой решаются сложные проблемы, связанные с обработкой шестерен, а также дается возможность продемонстрировать, как можно оптимизировать сопряжение цилиндрического зубчатого колеса и шестерни.

Дилемма клиента

В ходе испытаний новой шарнирной руки от производителя высококлассных промышленных роботов уровень шума достигал 95 дБ, что значительно превышает стандартные 75 дБ для высококлассных машин. Таким образом, она не соответствовала требованиям к бесшумной работе, предъявляемым к медицинским, электронным и другим сферам применения.

После 500 часов испытаний под нагрузкой на поверхности зубьев шестерен была обнаружена точечная коррозия, поэтому срок их службы составил всего 800 часов вместо ожидаемых 3000 часов, что повлияло на конкурентоспособность продукции.

Фундаментальный анализ

Используя центр измерения зубчатых передач и прибор для проверки шероховатости для проверки существующей шестерни, мы обнаружили следующие три основные проблемы:

• Точность профиля зуба составила всего лишь ISO 8, тогда как требовалось ISO 6 с погрешностью профиля зуба 0,02 мм.
• Поверхность зуба Ra составила 1,6 мкм, что слишком шероховато для образования устойчивой масляной пленки .
• Неравномерный контроль температуры термообработки привел к разнице в закаленном слое между зубьями в 0,2 мм, а недостаточная твердость в некоторых местах ускорила износ.

Точное решение JS

1. Модернизация материала: рекомендуется использовать сталь 8620, выплавленную в вакууме, поскольку ее чистота на 40% выше, чем у стали 4140, поставляемой заказчиком, что снижает риск деформации и образования язв во время термообработки.

2. Прецизионная обработка: используйте прецизионную обработку стальных зубчатых шестерен для черновой обработки, чтобы обеспечить однородность поверхности зубьев и оставить равномерный припуск для прецизионной обработки.

3. Оптимизированная термообработка: используется цементационная печь с контролируемой атмосферой, колебания температуры которой контролируются в пределах ±5 ℃. Глубина закалочного слоя контролируется в режиме реального времени, обеспечивая равномерность в пределах 0,05 мм и достижение твёрдости HRC58–62.

4. Максимальная точность: сочетание высокоточной шлифовки зубчатых колес с алмазными кругами значительно повышает точность прямозубых колес и шестерен до уровня ISO 5, при этом общая накопленная погрешность шага составляет ≤0,003 мм, а шероховатость поверхности зубьев — Ra 0,4 мкм .

Наши достижения

Испытания под нагрузкой в ​​течение 2000 часов, проведенные заказчиком, показали, что уровень шума сочленения робота сохраняется на уровне 68 дБ, что соответствует самым высоким требованиям к бесшумной работе , на поверхности зубьев не появляется точечный износ, а ожидаемый срок службы составляет более 5000 часов, что в 1,7 раза превышает ожидания, помогая заказчикам выпускать роботизированные продукты высокого класса и завоевывать свою нишу на рынке.

Рисунок 4: Малая шестерня шарнирной руки промышленного робота

Часто задаваемые вопросы

В1: Каковы наиболее распространенные виды отказов при обработке шестерен?

Выкрашивание поверхности зуба и разрушение корня зуба являются наиболее распространёнными видами отказов при обработке шестерен. Выкрашивание и поломка корня зуба. Выкрашивание вызывается контактной усталостью на поверхности зуба, а поломка зуба — усталостной перегрузкой при изгибе в основании зуба. Оба эти фактора связаны с точностью обработки.

В2: При каких обстоятельствах шлифование необходимо при обработке шестерни?

В тех случаях, когда точность обработки шестерни выше класса ISO 7, твердость поверхности зубьев выше HRC 45 или требуются очень высокая плавность работы и бесшумность, следует применять шлифование.

В3: Заменяет ли обработка зубчатых шестерен шлифование?

Обработка шестерен сама по себе не может заменить шлифование. Наиболее эффективным получистовым/чистовым процессом является обработка шестерен, но более высокую точность и качество поверхности можно получить шлифованием. Выбор того или иного процесса зависит от требований к качеству.

В4: Каковы конструктивные особенности шестерни в системе реечной передачи?

При проектировании шестерни в реечных передачах необходимо повысить прочность основания зуба для сопротивления ударам при зацеплении, учитывая повышение износостойкости поверхности зуба. Обычно требуются глубокая цементация и закалка.

В5: С каким наименьшим модулем шестерни вы обычно имеете дело?

Компания JS Precision обычно выполняет заказы на обработку шестерен с модулями от 0,5 до 10. Кроме того, для микрошестерен с модулями менее 0,5 требуются специальные процессы обработки.

В6: Сколько времени обычно занимает изготовление небольших партий, скажем, 50 штук с учетом индивидуальных особенностей и шестерен?

Поскольку различные процессы занимают разное время, общий цикл обработки шестерни для небольших партий (50 штук) составляет 2–4 недели. Этот срок может быть сокращен с помощью ускоренного обслуживания.

В7: Какие виды обработки поверхности вы применяете для защиты от ржавчины и износа?

Поверхностная обработка при обработке шестерен включает чернение, фосфатирование, цинкование, никелирование и DLC-покрытие для удовлетворения требований по предотвращению ржавления и износостойкости в различных средах.

В8: Почему стоит выбрать JS Precision, а не другие заводы по обработке зубчатых колес?

Что касается причины выбора JS Precision, то мы специализируемся на высокоточной обработке шестерен небольшими партиями по индивидуальному заказу и предоставляем комплексные услуги и передовые процессы, поставляя технические решения вместо деталей.

Краткое содержание

Качество шестерни в системе передачи мощности определяет максимальный уровень производительности всей системы. Это искусство обработки металлов, но в конечном счёте это стремление к точности, долговечности и эффективности.

Нет необходимости пробираться сквозь туман технологий прецизионной обработки шестерен в погоне за жёсткими допусками и индивидуальным производством. Вместо этого JS Precision может сбалансировать точность, стоимость и сроки поставки, учитывая ваши потребности благодаря богатому практическому опыту, передовым технологиям, таким как обработка шестерен-шестеренок, и сквозному контролю качества.

Критически важные компоненты не должны стать узким местом всего вашего проекта. Пожалуйста, отправьте нам свои задачи по дизайну прямо сейчас!

Перейдите на официальный сайт JS Precision, загрузите чертежи шестерён или технические требования и получите исчерпывающую обратную связь в течение 24 часов, включая подробные технологические планы, прозрачные расценки и профессиональный анализ DFM. Позвольте нам стать вашим самым надёжным партнёром по производству компонентов трансмиссии!