Koła zębate walcowe o zębach prostych

Koła zębate to elementy czynne wielu różnych mechanizmów. Dzięki nim działają podzespoły wielu maszyn i urządzeń: przekładnie zębate, sprzęgła zębate, czy pompy zębate. Dzięki swojej formie świetnie nadają się do przekazywania ruchu obrotowego w precyzyjnych mechanizmach przeniesienia napędu mechanicznego. Mogą również przenosić duże moce bez ryzyka uszkodzenia czy deformacji. Koła zębate, które zazębiają się o siebie, stanowią ważny element przekładni zębatej.

Budowa koła zębatego

Kształt koła zębatego walcowego jest charakterystyczny. To okrągły walec z regularnymi nacięciami wykonanymi na całym jego obwodzie, które nazywamy zębami. Koło zębate jest zbudowane z kilku części. Podstawową jest wieniec zębaty z naciętym uzębieniem, koło składa się też z piasty osadzanej na wałku i łącznika spajającego ze sobą piastę i wieniec. Małe koła zębate mogą być pozbawione łącznika. Między zębami są wyraźne przerwy, które nazywamy wrębami. Kształt zęba dobrany jest tak że w trakcie obrotu kół, dwa pracujące ze sobą zęby otaczają się i jednocześnie ślizgają po sobie. Ciekawostką jest że zębatkę liniową można traktować jako walec o nieskończenie dużej średnicy.

Właściwości kół zębatych opisuje się różnymi parametrami. Najważniejsze z nich to: liczba zębów, średnica podziałowa (średnica okręgu przechodzącego przez punkt na którym szerokość wrębu jest równa grubości zęba), średnica wierzchołkowa, średnica stóp, średnica koła zasadniczego(podziałka zasadnicza). Wielkość zęba opisywana jest przez moduł zęba (jest wielkością znormalizowaną) oraz wysokość zęba(suma wysokości głowy i wysokość stopy zęba), szerokość zęba, współczynnik wysokości zęba, luz wierzchołkowy.

Rodzaje kół zębatych

Mamy wiele rodzajów kół zębatych. Koła zębate walcowe mają zęby nacięte na powierzchni bocznej walca. Koła stożkowe na bocznej powierzchni (tworzącej) stożka.

Ze względu na rodzaj uzębienia mamy koła zębate o zębach prostych, zębach skośnych, zębach łukowych, zębach daszkowych (uzębienie na całej szerokości składa się z odcinków z zębami skośnymi lewymi i prawymi)

Koła zębate stożkowe wykorzystujemy w przekładni zębatej kątowej, kiedy chcemy zmienić kierunek osi obrotu zębatki. Koła stożkowe charakteryzują się możliwością wykorzystania ich zarówno w układzie kątowym, jak i prostopadłym.

Koła zębate walcowe

Koła walcowe są najczęściej spotykane w przekładniach, sprzęgłach, skrzyniach biegów. Pozwalają na przeniesienie napędu, zmianę prędkości obrotowej, zmianę kierunku obrotów, zmianę przenoszonego momentu obrotowego. W zależności od przeznaczenia danego koła nacinane są rożne rodzaje zębów.

Zęby proste znajdują szerokie zastosowanie także dzięki prostocie ich wytwarzania.

Materiały używane do wytwarzania koła zębatego

Wymagania stawiane przed materiałem, z którego mają zostać wykonane koła zębate, dotyczą skomplikowanych warunków pracy między kołami zębatymi. Podczas pracy przekładni zębatej niezbędna jest wysoka wytrzymałość, aby zapobiec wyłamaniom czy wykruszeniom zębów. Odpowiednia twardość materiału w punkcie tocznym, uzyskiwana jest w drodze obróbki cieplnej lub cieplno-chemicznej i przekłada się na zdolność do przenoszenia naprężeń w styku zazębienia. Zazębiające się przez długi czas zęby, pracujące przy dużej prędkości mają także tendencję do szybkiego zużywania, co skutkuje powstaniem poślizgu i obniżeniem sprawności przekładni.

Odpowiedni dobór materiału ma także znaczny wpływ na gabaryty i masę całej przekładni oraz jej koszt. Należy odpowiednio wybrać między technicznymi oraz ekonomicznymi aspektami, aby dopasować produkty do potrzeb klienta. Wybierając materiały droższe, ale bardziej wytrzymałe, zmniejszamy gabaryty i masę urządzenia oraz znaczne zwiększamy jego trwałość. Skutkuje to jednak wzrostem kosztów wytworzenia. Wykonanie koła zębatego taniej zwykle daje element o dużych gabarytach, masie i niższej trwałości.

Przykładowe materiały stosowane na koła zębate:

1. Stale węglowe zwykłej jakości. Używana na koła słabo obciążone, o niskich wymaganiach jakościowych. Gatunki: St4, St5, St6, St7.
    

2. Stale węglowe wyższej jakości. Stosowana do przekładni z kołami zębatymi do ogólnego przeznaczenia. Gatunki: C20, C25, C45, C55, C65.
    

3. Stale stopowe. Do produkcji mocno obciążonych kół dla przekładni specjalnego przeznaczenia. Gatunki: 15H, 20H, 16HG, 20HG, 15HGM, 18HGM, 19HM,17HGN, 18HGT.
    

4. Żeliwa. Do wytwarzania niewielkich, słabo obciążonych przekładni.
   Żeliwo szare: Zl150, Zl200, Zl250, Zl300, Zl350.
   Żeliwo czarne perlityczne: Zcp55004, ZCp60003.
   Żeliwo sferoidalne niestopowe: Zs55003, Zs60003, Zs70002,Zs80002.
    

5. Tworzywo sztuczne. Do wytwarzania małych przekładni o niewielkim obciążeniu.

Wytwarzanie kół walcowych o prostych zębach

Opracowano wiele metod wytwarzania kół zębatych walcowych w zależności od materiału z jakiego ma być wykonane koło zębate, jego dokładności i klasy wykonania, a także wielkości geometrycznej. Najpopularniejsze metody wytwarzania opierają się na obróbce kształtowej i obwiedniowej.

Metoda kopiowa stosowana jest przy obróbce stożkowych kół stożkowych dużej wielkości i polega na odwzorowaniu przez kopiał kształtu zębów obrabianych kół. Obecnie jest ona rzadko stosowana w porównaniu do pozostałych dwóch metod.

Metoda kształtowa obróbki kół zębatych

Metoda kształtowa polega na użyciu narzędzia, którego zarys krawędzi skrawającej dokładnie odpowiada zarysowi wrębu obrabianego koła. Główną wadą wszystkich metod kształtowych jest konieczność posiadania dużej liczby narzędzi, ponieważ na kształt wrębu międzyzębnego wpływa moduł i liczba zębów koła. Metodą tą można wykonywać koła z uzębieniem zewnętrznym i uzębieniem wewnętrznym.

Metodę kształtową stosuje się do obróbki mechanicznej kół zębatych o niższej dokładności, oraz obróbki wstępnej.

W ten sposób można wykonać frezowanie frezem tarczowym lub trzpieniowym, przeciąganie nożami kształtowymi oraz szlifowanie ściernicą.

Frezowanie kształtowe kół zębatych walcowych

Frezowanie metodą kształtową polega na nacinaniu zębów, przez usuwanie materiału w miejscu gdzie ma być wrąb zęba. Z tego względu zarys narzędzia musi odpowiadać zarysowi wrębu. Każdy ząb kształtowany jest osobno, materiał na koła zębate mocowany jest na podzielnicy która pomaga uzyskać wymaganą ilość zębów, obracając materiał o żądany kąt. Do nacięcia wieńca najczęściej używane są frezy krążkowe modułowe, ale używa się też fezów trzpieniowych. Ze względu na konieczność wykonywania wieńca na kołach zębatych, ząb po zębie metoda jest mało wydajna.

Przeciąganie kół zębatych walcowych

Metoda przeciągania znalazła zastosowanie gdy nacina się mało dokładne koła zębate o dużych średnicach. Najczęściej używa się pionowych przeciągarek z okrągłymi stołami obrotowymi. Na takiej obrabiarce umieszcza się przyrząd do mo­cowania kilku wieńców zębatych, złożonych razem. Wręby między dwoma lub kil­koma zębami przeciąga się kolejno. Po każdym skoku przeciągacza materiał obraca się.

Na suwaku obrabiarki umieszcza się przeciągacz składany, służący do obróbki kilku wrębów międzyzębnych za jednym skokiem suwaka. Po każdym ruchu roboczym stół odsuwa się, aby umożliwić przesunięcie przeciągacza w położenie wyjściowe i jednocześnie obraca się w celu ustawienia do przeciągania następnej partii zębów. Przy prze­ciąganiu tym sposobem można osiągnąć dużą dokładność zarysu zębów, ale trudno jest zachować dokładną podziałkę ze względu na sumowanie się odchyleń w mechanizmie podziałowym stołu.

Szlifowanie kół zębatych

Szlifowanie jest zwykle jednym z końcowych etapów obróbki. W tym procesie nadawana jest wymagana chropowatość, ostatecznie nadawany jest też właściwy kształt. Ponadto zęby uzyskują podczas szlifowania wysoką dokładność wymiarową.

Prace te wykonywane są przy użyciu ściernic kształtowych,wykonanych z odpowiednio dobranego do surowca materiału ściernego. Do nacinania zębów ścieranie stosowane jest rzadko, tylko w przypadku produkcji małego koła zębatego z twardych materiałów.

Metoda obwiedniowa obróbki kół zębatych walcowych

Metody obwiedniowe wytwarzania polegają na nacinaniu zębów narzędziem o kształcie koła zębatego, zębatki płaskiej lub freza ślimakowego. Narzędzie wykonuje ruchy skrawające robocze a jednocześnie narzędzie wraz z materiałem obrabianym wykonują ruchy odpowiadające, współpracy dwóch kół zębatych. Kształt zęba powstaje jako obwiednia kolejnych położeń krawędzi tnącej narzędzia skrawającego.

Obróbkę wykonuje się: na dłutownicach metodą Maaga lub Fellowsa, na strugarkach metodą Sunderlanda, i na frezarkach obwiedniowych frezem ślimakowym.

Metoda Maaga

To obróbka dłutowaniem w której nóż o kształcie zębatki wykonuje ruch dłutujący posuwisto-zwrotny, a obrabiane koło ruch polegający na obrocie wokół własnej osi i równoczesnym ruchu przesuwowym. Po obrobieniu jednego zęba narzędzie jest podnoszone, następuje obrót koła zębatego o jedną podziałkę i jego przesunięcie do położenia początkowego względem zębatki noża.

Metodą mogą być obrabiane koła walcowe zębate o zębach prostych i zębach skośnych. Podstawową zaletą metody jest proste narzędzie, które można względnie prosto i tanio wykonać. Wadą jest złożony cykl obróbki i niska wydajność.

Metoda Fellowsa

To metoda wytwarzania koła zębatego za pomocą dłutowania. Używane jest w niej narzędzie skrawające o kształcie koła zębatego z odpowiednio ukształtowanymi kątami ostrza. Oprócz ruchu skrawającego, nóż wykonuje ruch obrotowy skoordynowany z ruchem obrotowym obrabianego koła zębatego. Występuje również ruch promieniowy, narzędzie jest dosuwane na odpowiednią głębokość. W zależności od konstrukcji dłutownicy Fellowsa może go wykonywać stół z zamocowanym materiałem bądź wrzeciennik z nożem. Metodą Fellowsa można wykonywać także koła walcowe o zębach prostych, a także o zębach skośnych.

Metoda Sunderlanda

To metoda strugania w której narzędzie o kształcie zębatki wykonuje ruch roboczy i ruch przesuwowy, obrabiane koło wykonuje tylko ruch obrotowy. Obrabiane koło zębate ustawione jest tak że jego oś jest pozioma. Po obrobieniu jednego segmentu zębów narzędzie odsuwa się w kierunku promieniowym i powraca do pierwotnego położenia w stosunku do koła. Zalety metody to proste narzędzie łatwe do wykonania, wady to złożony przebieg i wydajność obróbki.

Frezowanie kół zębatych na frezarkach obwiedniowych

Frezowanie obwiedniowe wykonuje się frezem ślimakowym, który ma kształt zębatki nawiniętej na walec. Ruchem roboczym jest ruch obrotowy freza, który wykonuje również ruch posuwowy. Obrabiane koło także wykonuje ruch obrotowy. Obroty freza i obrabianego koła muszą być ze sobą ściśle zsynchronizowane. Do frezowania zębów prostych frez ustawia się pod kątem nachylenia linii zwojów, przy zębach łukowych oś pochyla się o dodatkowy kąt. Zaletą metody jest możliwość wytwarzania różnych rodzajów zębatek jedną metodą i dobra wydajność obróbki, wadą wysoki koszt narzędzia i obrabiarki.

Inne metody wytwarzania kół zębatych

Koła zębate oprócz nacinania mogą być wytwarzane także metodami odlewania. Stosuje się je dla żeliwa, staliwa i innych metali. Możliwe jest również spiekanie proszków metali w odpowiednich formach oddających kształt koła zębatego. Dla tworzyw sztucznych najpowszechniejszą metodą produkcji seryjnej jest wtrysk w odpowiednich formach, dla produkcji jednostkowej można koła wydrukować na drukarce 3D.

Produkcja walcowych kół zębatych o zębach prostych

MetalTop.pl zawiera wiele ofert firm produkujących dla klientów zewnętrznych walcowe koła zębate o zębach prostych. Oferty można filtrować wg parametrów technicznych produkcji, lokalizacji firmy i terminu wykonania produkcji. Zapraszamy!