Produkcja kół pasowych zębatych – frezy i frezarka obwiedniowa

Technologia produkcji kół pasowych zębatych

Produkcja kół pasowych zębatych – frezowanie obwiedniowe, frezy i rowki wpustowe

Koło pasowe zębate jest elementem przekładni synchronicznej, w której ruch i moment obrotowy przenoszone są przez kształtową współpracę zębów pasa z wrębami koła. W odróżnieniu od przekładni wykorzystujących pas płaski lub klinowy, prawidłowo dobrany i napięty pas zębaty nie przenosi napędu wyłącznie przez tarcie. Zazębienie pasa z kołem pozwala zachować stałą zależność położenia kątowego oraz prędkości elementu napędzającego i napędzanego.

Koła pasowe zębate są stosowane między innymi w automatyce przemysłowej, obrabiarkach, robotyce, systemach transportowych, napędach pozycjonujących, maszynach pakujących, urządzeniach drukarskich oraz w wielu innych konstrukcjach wymagających synchronizacji ruchu.

Jakość działania przekładni zależy jednak nie tylko od prawidłowego doboru pasa. Istotne są również:

dokładność profilu wrębów koła,
podziałka,
liczba zębów,
średnica zewnętrzna i podziałowa,
bicie promieniowe i osiowe,
jakość powierzchni,
współosiowość wieńca z otworem,
prawidłowe wykonanie piasty,
dokładność rowka wpustowego lub innego połączenia z wałem.

Produkcja kompletnego koła pasowego może więc obejmować kilka niezależnych operacji: toczenie półfabrykatu, wykonanie wieńca zębatego, obróbkę otworu, przygotowanie rowka wpustowego, gratowanie, zabezpieczenie powierzchni oraz kontrolę gotowego elementu.

W produkcji seryjnej najważniejszą maszyną do wykonywania zewnętrznych wrębów koła pasowego jest zwykle frezarka obwiedniowa CNC współpracująca ze specjalnym frezem ślimakowym. Tokarka CNC z odpowiednią oprawką napędzaną może być rozwiązaniem pomocniczym, umożliwiającym wykonanie kilku operacji w jednym zamocowaniu. Rowki wpustowe wykonuje się natomiast między innymi na przeciągarkach lub prasach z wykorzystaniem przeciągaczy i przepychaczy.

Czym różni się przekładnia z pasem zębatym od przekładni z pasem klinowym?

W przekładni z pasem klinowym albo płaskim przenoszenie momentu wynika przede wszystkim z tarcia pomiędzy pasem i powierzchnią koła. W przekładni synchronicznej zęby pasa wchodzą w odpowiednio ukształtowane wręby koła.

Pozwala to uzyskać:

stałe przełożenie w normalnych warunkach pracy,
dokładną synchronizację ruchu,
możliwość kontrolowanego pozycjonowania,
brak konieczności smarowania pasa,
stosunkowo cichą pracę,
niewielką masę napędu,
możliwość pracy przy wysokich prędkościach,
tłumienie części drgań i zmian obciążenia.

Nie oznacza to jednak, że przekładnia jest odporna na błędy montażowe. Nieprawidłowe napięcie pasa, bicie koła, nierównoległość osi, brak współosiowości lub zastosowanie niezgodnego profilu może powodować hałas, nierównomierne zużycie, nagrzewanie, problemy z prowadzeniem pasa, a w skrajnych przypadkach przeskakiwanie zębów.

Rzeczywista sprawność i trwałość przekładni zależą od profilu pasa, napięcia wstępnego, średnic kół, prędkości, przenoszonego obciążenia i prawidłowego ustawienia całego układu. Producenci systemów synchronicznych wskazują możliwość osiągania bardzo wysokiej sprawności oraz pracy bez typowego poślizgu ciernego, pod warunkiem prawidłowego zaprojektowania i montażu napędu.

Z czego składa się koło pasowe zębate?

Koło pasowe może mieć różną konstrukcję zależnie od średnicy, szerokości, materiału i sposobu mocowania. Typowy element składa się z:

wieńca z wrębami współpracującymi z pasem,
tarczy albo ramion,
piasty,
otworu centralnego,
rowka wpustowego,
otworów montażowych lub zaciskowych,
kołnierzy prowadzących pas,
powierzchni bazowych wykorzystywanych podczas obróbki i kontroli.

Małe koła mogą być wykonane jako elementy pełne. Większe konstrukcje często mają odciążoną tarczę, ramiona albo otwory zmniejszające masę. W zależności od zastosowania moment obrotowy może być przenoszony przez:

wpust,
wielowypust,
tuleję stożkową,
tuleję zaciskową,
połączenie bezwpustowe,
zacisk cierny,
połączenie śrubowe.

W klasycznych konstrukcjach bardzo często stosuje się otwór z rowkiem wpustowym. Oznacza to, że oprócz wykonania wieńca zębatego konieczne jest również przygotowanie wewnętrznego profilu umożliwiającego połączenie piasty z wałem.

Z jakich materiałów wykonuje się koła pasowe?

Koła pasowe mogą być wykonywane między innymi z:

stopów aluminium,
stali konstrukcyjnych,
stali nierdzewnych,
żeliwa,
tworzyw konstrukcyjnych,
materiałów specjalnych.

Aluminium jest często stosowane w lekkich i szybkoobrotowych elementach, ale nie jest materiałem uniwersalnym dla wszystkich kół pasowych. Stal i żeliwo są wybierane przy większych obciążeniach, średnicach oraz wymaganiach dotyczących sztywności i trwałości.

Dobór materiału wpływa nie tylko na własności gotowego koła, lecz również na:

materiał freza,
geometrię ostrzy,
prędkość skrawania,
rodzaj powłoki,
sposób chłodzenia,
możliwość obróbki na sucho,
strategię usuwania wiórów.

Dlaczego profil koła musi dokładnie odpowiadać konkretnemu pasowi?

Podziałka pasa jest tylko jednym z parametrów definiujących współpracę koła i pasa. Na geometrię wrębu wpływają również:

kształt boków,
kąt profilu,
wysokość zęba pasa,
głębokość wrębu,
promienie dna i wierzchołka,
szerokość wrębu,
wymagany luz,
średnica koła,
liczba zębów,
konstrukcja konkretnego systemu pasa.

Koła T5, AT5, HTD 5M i STD S5M mogą mieć zbliżoną nominalną podziałkę, ale nie są profilami zamiennymi. Różnią się kształtem wrębów i warunkami współpracy z pasem.

Różnice mogą występować również pomiędzy profilami o podobnym oznaczeniu, lecz pochodzącymi z różnych systemów producentów. Dlatego samo określenie „HTD 8M”, „AT10” albo „GT” nie zawsze jest wystarczającą podstawą do wykonania freza.

Do projektu narzędzia najlepiej przekazać:

dokładne oznaczenie pasa,
producenta i serię pasa,
rysunek profilu wrębu koła,
dokumentację pasa,
liczbę zębów koła,
minimalną i maksymalną liczbę zębów, które ma obsługiwać narzędzie,
wymagania dotyczące luzu,
materiał koła,
wymagania jakościowe.

Najczęściej spotykane profile kół pasowych zębatych

Rodzina profili	Przykładowe oznaczenia	Charakterystyka
Trapezowe metryczne	T2.5, T5, T10, T20	Klasyczne profile metryczne o trapezowej geometrii
Wzmocnione trapezowe	AT3, AT5, AT10, AT20	Zmodyfikowany profil i większa powierzchnia robocza zęba
Trapezowe calowe	MXL, XL, L, H, XH, XXH	Profile definiowane w systemie calowym
HTD – profile krzywoliniowe	HTD 3M, HTD 5M, HTD 8M, HTD 14M, HTD 20M	Profile z zaokrąglonym zarysem wrębu, stosowane w synchronicznych napędach przemysłowych
RPP	RPP3, RPP5, RPP8, RPP14	Metryczne profile krzywoliniowe
STD	S2M, S3M, S4.5M, S5M, S8M, S14M	Profile o charakterystycznej geometrii zęba i wrębu
Systemy firmowe	GT, GT2, GT3, Poly Chain, Eagle, Falcon	Geometria zależna od konkretnego producenta i systemu
Profile specjalne	według dokumentacji	Narzędzia wykonywane na podstawie rysunku, wzorca lub istniejącego koła

Nie należy zakładać, że systemy o takiej samej nominalnej podziałce mogą współpracować z identycznym frezem. Ostateczny profil narzędzia powinien zostać zatwierdzony na podstawie kompletnej dokumentacji.

Jak przebiega produkcja koła pasowego zębatego?

1. Przygotowanie półfabrykatu

Pierwszym etapem jest najczęściej obróbka tokarska. Na tokarce konwencjonalnej lub CNC wykonuje się:

średnicę zewnętrzną wieńca,
powierzchnie czołowe,
otwór centralny,
piastę,
stopnie,
rowki osadcze,
powierzchnie bazowe,
ewentualne stożki i otwory montażowe.

Dokładność toczenia wpływa bezpośrednio na bicie gotowego uzębienia. Jeżeli koło podczas frezowania zostanie ustalone względem innej lub niedokładnej bazy niż otwór montażowy, prawidłowo wykonane wręby mogą być niewspółosiowe z osią późniejszej pracy.

Przy wysokich wymaganiach dotyczących bicia korzystne jest wykorzystywanie tej samej bazy otworu podczas frezowania uzębienia i kontroli gotowego elementu.

2. Wykonanie wrębów koła pasowego

Wręby mogą być wykonywane między innymi przez:

frezowanie obwiedniowe frezem ślimakowym,
frezowanie kształtowe frezem krążkowym,
frezowanie na centrum CNC,
frezowanie na tokarce z oprawką napędzaną,
inne metody specjalne uzasadnione geometrią i wielkością serii.

W produkcji seryjnej podstawowym rozwiązaniem jest frezowanie obwiedniowe.

Frezarka obwiedniowa CNC – podstawowa maszyna do produkcji kół pasowych

W produkcji średnio- i wielkoseryjnej główną maszyną do wykonywania zewnętrznych wrębów kół pasowych jest frezarka obwiedniowa CNC.

Frezarki obwiedniowe CNC EIFCO do kół pasowych umożliwiają zsynchronizowanie obrotów freza i detalu, prowadzenie kontrolowanego posuwu oraz ciągłe generowanie wrębów na całym obwodzie koła.

Frezowanie obwiedniowe jest procesem ciągłym. Kolejne ostrza freza ślimakowego stopniowo formują profil, podczas gdy frez i obrabiane koło obracają się w określonej zależności kinematycznej. Nie jest wymagane oddzielne zatrzymanie i indeksowanie detalu po wykonaniu każdego wrębu.

Pozwala to uzyskać:

krótki i powtarzalny czas cyklu,
wysoką wydajność,
dobrą powtarzalność kolejnych części,
możliwość automatyzacji załadunku,
możliwość zastosowania frezów wielozwojnych,
kontrolowane przesuwanie freza po długości roboczej,
wykorzystanie frezów PM-HSS i węglikowych,
możliwość obróbki na mokro lub na sucho,
ograniczenie udziału czasu pomocniczego w cyklu.

Frezarki obwiedniowe oferowane przez Tradensa są przeznaczone do wykonywania kół zębatych, wielowypustów, kół łańcuchowych, kół pasowych i profili specjalnych. Konstrukcja, zakres obrotów oraz automatyzacja maszyny powinny zostać dopasowane do średnicy, szerokości i liczby zębów obrabianych części.

Jak dobrać frezarkę obwiedniową do kół pasowych?

Nie wystarczy porównać maksymalnej średnicy obrabianego koła. Należy sprawdzić również:

Parametr	Znaczenie dla procesu
Maksymalna średnica części	Musi uwzględniać również mocowanie, piastę i kołnierze
Szerokość wieńca	Wpływa na długość przejścia i wymagany posuw
Minimalna i maksymalna liczba zębów	Wpływa na prędkość stołu i kinematykę procesu
Zakres obrotów wrzeciona freza	Decyduje o możliwości wykorzystania PM-HSS lub węglika
Zakres obrotów stołu	Szczególnie ważny przy małych średnicach
Maksymalna średnica freza	Musi odpowiadać przestrzeni roboczej i głowicy
Długość freza	Wpływa na możliwość shiftingu i liczbę dostępnych ostrzeń
Moc i moment wrzeciona	Muszą odpowiadać materiałowi i parametrom obróbki
Wybieg narzędzia	Musi uwzględniać piastę, kołnierze i możliwe kolizje
Mocowanie detalu	Powinno zapewniać małe bicie względem otworu
Usuwanie wiórów	Szczególnie ważne przy wysokich parametrach i obróbce na sucho
Automatyzacja	Wpływa na całkowity czas cyklu i koszt jednej części

Dla typowych krótkich kół i pierścieni najczęściej stosowana jest konstrukcja pionowa. Koło może być mocowane na trzpieniu, przyrządzie lub bezpośrednio na stole. Przy dłuższych wałach i częściach o innej geometrii korzystniejsza może być frezarka pozioma.

Szczegółową kinematykę procesu opisuje poradnik frezowanie obwiedniowe kół zębatych i wielowypustów.

Frezy ślimakowe do kół pasowych

Frez ślimakowy do koła pasowego jest narzędziem specjalnym, którego geometria musi zostać dostosowana do profilu pasa i zakresu obrabianych kół.

Frezy ślimakowe do kół pasowych CTI mogą być wykonywane jako:

frezy nasadzane z otworem,
frezy trzpieniowe,
frezy jednozwojne,
frezy wielozwojne,
narzędzia topping,
narzędzia non-topping,
konstrukcje z profilem szlifowanym,
narzędzia zatoczone,
frezy do obróbki z chłodziwem,
frezy do obróbki na sucho.

Konstrukcja mocowania musi być dopasowana do wrzeciona i strefy roboczej frezarki. Frezy trzpieniowe są często wykorzystywane przy małych średnicach, wysokich prędkościach obrotowych oraz w wykonaniach pełnowęglikowych. Frezy nasadzane są korzystne przy większych średnicach i wtedy, gdy maszyna wykorzystuje wymienne trzpienie frezarskie.

Dlaczego liczba zębów koła ma znaczenie przy projektowaniu freza?

W przypadku typowych kół zębatych ewolwentowych jeden frez ślimakowy może obrabiać szeroki zakres liczby zębów, jeżeli zachowane są moduł, kąt przyporu i pozostałe parametry profilu.

Przy kołach pasowych sytuacja może być bardziej złożona. W zależności od systemu geometria wrębu generowanego przez frez musi uwzględniać między innymi:

liczbę zębów koła,
jego średnicę,
podziałkę,
kształt pasa,
wymagany luz,
dopuszczalną modyfikację profilu.

Dlatego frez do koła pasowego może być przeznaczony wyłącznie do określonego zakresu liczby zębów. Do wykonania całej rodziny kół o jednej podziałce mogą być potrzebne dwa, trzy albo więcej wariantów narzędzia, różniących się niewielką, ale technologicznie istotną korekcją profilu.

Nie należy zakładać, że frez prawidłowy dla dużego koła będzie automatycznie właściwy dla bardzo małej liczby zębów tego samego nominalnego systemu.

Do wyceny należy zawsze podać:

minimalną liczbę zębów,
maksymalną liczbę zębów,
najczęściej produkowane warianty,
przewidywaną wielkość serii każdego koła.

Dlaczego przy kołach pasowych często stosuje się PM-HSS i węglik spiekany?

Koła pasowe są często wykonywane w dużych seriach, a drobny profil i niewielkie średnice mogą wymagać wysokiej prędkości obrotowej narzędzia. Czas cyklu ma wtedy bezpośredni wpływ na koszt gotowej części.

Z tego powodu do produkcji frezów ślimakowych i krążkowych coraz częściej stosuje się:

stale szybkotnące wytwarzane metodą metalurgii proszków – PM-HSS,
węglik spiekany,
nowoczesne powłoki PVD dopasowane do materiału i warunków obróbki.

Klasyczne stale HSS i HSSE nadal mogą być właściwe przy mniej wymagających parametrach, krótszych seriach lub pracy na starszych maszynach. W zastosowaniach wysokowydajnych PM-HSS i węglik pozwalają jednak lepiej wykorzystać możliwości nowoczesnej frezarki CNC.

Frezy ze stali proszkowej PM-HSS

Stale proszkowe charakteryzują się bardziej równomiernym rozmieszczeniem węglików niż klasyczne stale szybkotnące. Pozwala to uzyskać korzystne połączenie:

odporności na zużycie,
stabilności krawędzi skrawającej,
wytrzymałości na ściskanie,
odporności na wykruszenia,
twardości w podwyższonej temperaturze,
możliwości ponownego ostrzenia.

Przykładowe materiały stosowane na frezy i inne narzędzia do uzębień to:

Böhler S390 Microclean,
Böhler S290 Microclean,
Erasteel ASP 2030,
Erasteel ASP 2052,
inne gatunki dobierane do konkretnej aplikacji.

Böhler S390 Microclean jest stalą proszkową o wysokiej odporności na ścieranie, bardzo wysokiej wytrzymałości na ściskanie, wysokiej stabilności krawędzi i bardzo wysokiej twardości na gorąco. Producent wskazuje ją między innymi do frezów, przeciągaczy i narzędzi do obróbki kół zębatych.

PM-HSS jest często najlepszym rozwiązaniem, gdy:

produkcja jest średnio- lub wielkoseryjna,
wymagana jest wysoka trwałość,
narzędzie ma być wielokrotnie ostrzone,
warunki procesu nie są wystarczająco stabilne dla pełnego węglika,
występuje ryzyko niewielkich drgań lub obciążeń udarowych,
maszyna nie osiąga prędkości potrzebnej do wykorzystania pełnego potencjału węglika.

Frezy z węglika spiekanego

Węglik spiekany umożliwia stosowanie znacznie wyższych prędkości skrawania niż HSS. W stabilnym procesie może pozwolić na:

skrócenie czasu cyklu,
wzrost wydajności maszyny,
dłuższą pracę pomiędzy zmianami narzędzia,
ograniczenie przestojów,
obróbkę na sucho,
uzyskanie stabilnej jakości powierzchni,
lepsze wykorzystanie szybkiej frezarki CNC.

Pełnowęglikowy frez wymaga jednak odpowiednich warunków:

dużej sztywności maszyny,
małego bicia narzędzia,
małego bicia detalu,
stabilnego mocowania,
właściwego wyważenia,
prawidłowej mikrogeometrii ostrzy,
skutecznego usuwania wiórów,
ograniczenia drgań i uderzeń.

Węglik nie powinien być dobierany wyłącznie dlatego, że jest materiałem bardziej zaawansowanym. Jeżeli obrabiarka jest zbyt wolna, mało sztywna albo proces jest niestabilny, frez PM-HSS może zapewnić lepszy całkowity koszt wykonania jednej części.

HSS, HSS-E, PM-HSS czy węglik – szybkie porównanie

Warunki procesu	Najczęściej korzystniejszy kierunek
Starsza lub mniej sztywna frezarka	HSS lub HSSe
Krótkie i średnie serie	PM-HSS
Częste zmiany profilu	PM-HSS
Wielokrotne ostrzenie i regeneracja	PM-HSS i węglik spiekany
Duże ryzyko drgań	HSS, HSSe lub PM-HSS
Nowoczesna szybka frezarka CNC jak EIFCO	Węglik lub wysokowydajny PM-HSS
Wielkoseryjna produkcja	Węglik
Stabilne mocowanie i małe bicie	Węglik
Obróbka na sucho	Zależnie od posiadanej maszyny i uzębienia
Priorytetem jest najkrótszy czas cyklu	Węglik
Proces wymaga większej odporności na wykruszenie	HSS, HSSe lub PM-HSS

Ostateczny wybór powinien wynikać z analizy kosztu jednej części, a nie tylko ceny nowego freza. Należy uwzględnić:

czas cyklu,
trwałość pomiędzy ostrzeniami,
liczbę możliwych regeneracji,
koszt ponownego powlekania,
czas wymiany narzędzia,
wykorzystanie obrabiarki,
ryzyko powstawania braków.

Nowoczesne powłoki frezów do kół pasowych

Powłoka PVD ogranicza bezpośredni kontakt podłoża narzędzia z materiałem obrabianym i wiórem. Może zwiększać odporność na zużycie, ograniczać nagrzewanie podłoża i umożliwiać podniesienie parametrów skrawania.

Stosuje się między innymi:

TiN,
TiAlN,
AlTiN,
powłoki AlCrN,
Alcrona Pro,
Alcrona EVO,
inne specjalistyczne powłoki dobierane do aplikacji.

Alcrona Pro była przez wiele lat szeroko stosowana na narzędziach do obróbki uzębień. Jej nowszym następcą jest BALINIT Alcrona EVO. Oerlikon Balzers wskazuje w przypadku EVO zwiększoną twardość, niższą przewodność cieplną, lepszą adhezję, wyższą odporność na szok termiczny oraz większą odporność na zużycie w porównaniu z Alcrona Pro. Producent podaje, że Alcrona EVO zastępuje Alcrona Pro.

Nie oznacza to, że najnowsza powłoka jest automatycznie najlepsza dla każdej aplikacji. Dobór zależy od:

materiału koła,
materiału freza,
prędkości skrawania,
rodzaju chłodzenia,
pracy na mokro lub sucho,
sposobu przygotowania krawędzi,
planowanego ostrzenia.

Przy obróbce aluminium powłoki typowe dla wysokowydajnej obróbki stali nie zawsze są optymalnym rozwiązaniem. W takich procesach duże znaczenie może mieć bardzo ostra, polerowana geometria oraz podłoże lub powłoka przeznaczone do materiałów nieżelaznych.

Więcej informacji o doborze: materiały i powłoki narzędzi do obróbki kół zębatych.

Frezy krążkowe do kół pasowych

Alternatywą dla frezowania obwiedniowego jest frezowanie kształtowe. Frez krążkowy odwzorowuje profil pojedynczego wrębu. Po wykonaniu jednego wrębu detal jest indeksowany o określony kąt, a następnie obrabiana jest kolejna przestrzeń.

Frezy krążkowe do kół pasowych są szczególnie przydatne przy:

produkcji jednostkowej,
krótkich seriach,
wykonywaniu prototypów,
profilach specjalnych,
odtwarzaniu istniejących kół,
dużych średnicach,
braku frezarki obwiedniowej,
pracy na frezarce z podzielnicą lub osią obrotową CNC.

Frezy krążkowe mogą być wykonywane z:

HSS,
HSSE,
PM-HSS,
węglika spiekanego.

Mogą mieć profil zatoczony albo szlifowany oraz zostać wyposażone w powłokę dobraną do materiału części i parametrów procesu.

Podobnie jak frez ślimakowy, frez krążkowy nie zawsze jest uniwersalny dla każdej liczby zębów. Projekt narzędzia powinien uwzględniać minimalny i maksymalny zakres obrabianych kół.

Frez ślimakowy czy frez krążkowy?

Kryterium	Frez ślimakowy	Frez krążkowy
Metoda	Obwiedniowa	Kształtowa
Przebieg procesu	Ciągły	Wrąb po wrębie
Główna maszyna	Frezarka obwiedniowa	Frezarka z podzielnicą lub CNC
Typowa produkcja	Średnie i duże serie	Pojedyncze części i krótkie serie
Wydajność	Wysoka	Niska
Automatyzacja	Bardzo dobra	Możliwa, ale zwykle mniej efektywna
Profile specjalne	Możliwe	Możliwe
Koszt wdrożenia	Wyższy	Niższy
Koszt jednej części w dużej serii	Zwykle niższy	Zwykle wyższy
Typowe materiały	PM-HSS, węglik spiekany	HSS, HSSE, PM-HSS

W produkcji seryjnej pierwszym wyborem powinna być frezarka obwiedniowa. Frez krążkowy jest rozwiązaniem uzupełniającym dla krótkich serii, profili specjalnych oraz zakładów niewyposażonych w dedykowaną frezarkę obwiedniową.

Frezowanie obwiedniowe na tokarce CNC z oprawką napędzaną

Tokarka CNC z odpowiednią oprawką napędzaną może być pomocniczym rozwiązaniem do wykonywania wrębów kół pasowych.

Specjalna oprawka do Gear Hobbingu umożliwia synchronizację obrotów narzędzia i przedmiotu. Proces wymaga również odpowiedniej funkcji sterowania maszyny, osi C i miejsca na ustawienie freza pod wymaganym kątem.

Rozwiązanie pozwala w jednym zamocowaniu wykonać:

toczenie średnic,
planowanie powierzchni czołowych,
obróbkę piasty,
wykonanie otworu,
frezowanie obwiedniowe wrębów,
wiercenie i gwintowanie,
dodatkowe operacje frezarskie.

Największą korzyścią jest ograniczenie liczby zamocowań i błędów wynikających z przenoszenia części pomiędzy maszynami.

Tokarka z oprawką napędzaną jest szczególnie atrakcyjna przy:

krótkich i średnich seriach,
częściach wymagających rozbudowanej obróbki tokarskiej,
produkcji elastycznej,
kołach o umiarkowanych wymiarach,
potrzebie wykonania kompletnej części w jednym zamocowaniu.

Nie powinna być jednak przedstawiana jako bezwarunkowy zamiennik dedykowanej frezarki obwiedniowej. Frezarka obwiedniowa pozostaje rozwiązaniem podstawowym, gdy najważniejsze są:

wydajność,
duże serie,
automatyzacja,
wykorzystanie frezów wielozwojnych,
krótki czas cyklu,
pełne wykorzystanie możliwości frezów węglikowych.

Jak wykonać rowek wpustowy w kole pasowym?

W wielu konstrukcjach moment pomiędzy wałem i piastą koła pasowego przenoszony jest przez wpust. Po wykonaniu otworu konieczne jest więc przygotowanie wewnętrznego rowka o określonej:

szerokości,
głębokości,
długości,
tolerancji,
pozycji względem osi.

Rowek może być wykonywany między innymi przez:

przeciąganie,
przepychanie na prasie,
dłutowanie,
obróbkę na centrum CNC,
elektrodrążenie.

W produkcji powtarzalnej standardowych rowków najczęściej stosuje się przeciąganie lub przepychanie. Przy produkcji jednostkowej, małoseryjnej, zmiennej albo wtedy, gdy rowek ma zostać wykonany bezpośrednio na tokarce CNC lub centrum obróbczym, alternatywą są dłutaki na wymienne płytki oraz oprawki napędzane do dłutowania.

Dłutowanie rowka wpustowego narzędziem na płytki

Alternatywą dla dedykowanego przeciągacza lub przepychacza jest dłutowanie rowka narzędziem z wymienną płytką skrawającą. Metoda ta sprawdza się szczególnie przy produkcji jednostkowej i małoseryjnej, częstych zmianach wymiarów rowka oraz wtedy, gdy detal ma zostać kompletnie obrobiony bez przenoszenia go na oddzielną przeciągarkę lub prasę.

Noze do dłutowania na płytki i oprawki napędzane do rowków wpustowych mogą być stosowane na:

tokarkach CNC,
centrach obróbczych,
frezarkach,
dłutownicach konwencjonalnych i CNC.

Ruch roboczy może być realizowany statycznie przez zaprogramowany ruch osi obrabiarki albo dynamicznie za pomocą oprawki napędzanej do dłutowania, określanej również jako system live broaching.

Zaletą tej technologii jest możliwość wykonania w jednym zamocowaniu:

otworu centralnego,
piasty i powierzchni czołowych,
rowka wpustowego,
dodatkowych otworów lub elementów montażowych.

Ograniczenie liczby zamocowań zmniejsza ryzyko błędów bazowania i upraszcza produkcję części o dużej zmienności.

Do doboru dłutaka, płytki i oprawki potrzebne są:

szerokość i tolerancja rowka,
minimalna średnica otworu,
głębokość i długość dłutowania,
materiał oraz twardość koła,
informacja o fazce,
typ obrabiarki i sterowania,
sposób mocowania narzędzia,
możliwość korekcji położenia narzędzia,
planowana wielkość serii.

Dłutowanie na płytki zapewnia większą elastyczność niż dedykowany przeciągacz, natomiast w dużej, powtarzalnej produkcji przeciąganie zwykle pozwala uzyskać krótszy czas cyklu.

Więcej o procesie: Dłutowanie na tokarce CNC – statyczne i dynamiczne wykonywanie rowków, profili i wielowypustów

Przeciąganie rowka wpustowego

Przeciągacz składa się z kolejnych zębów, których wysokość stopniowo wzrasta. Podczas jednego przejścia narzędzia kolejne sekcje:

usuwają materiał zgrubnie,
kształtują profil,
wykańczają powierzchnię,
kalibrują końcowy wymiar.

Przeciągacze i przepychacze do rowków wpustowych są projektowane pod konkretną szerokość i tolerancję rowka, głębokość, długość przeciągania, średnicę otworu, materiał części oraz posiadaną maszynę.

Przeciąganie jest szczególnie korzystne przy:

produkcji seryjnej,
wymaganej wysokiej powtarzalności,
długich rowkach,
dużej liczbie identycznych części,
potrzebie wykonania rowka w jednym cyklu.

Tradensa oferuje przeciągacze ciągnione i przepychacze do rowków wpustowych w piastach, tulejach, kołach zębatych i kołach pasowych. Narzędzia mogą być wykonywane jako standardowe lub specjalne, z fazką albo bez fazki, na podstawie normy lub rysunku części.

Maszyny do przeciągania rowków wpustowych

Przeciągacz ciągniony pracuje na przeciągarce pionowej albo poziomej. Maszyna musi zostać dobrana nie tylko do wymiaru rowka, lecz przede wszystkim do:

wymaganej siły,
skoku,
długości całego przeciągacza,
długości części roboczej,
materiału i twardości koła,
oczekiwanego czasu cyklu,
sposobu chwytania narzędzia,
sposobu podparcia części,
poziomu automatyzacji.

Maszyny do przeciągania rowków wpustowych są dostępne jako konstrukcje:

poziome,
pionowe,
pionowe table-up,
hydrauliczne,
elektromechaniczne,
jedno- i wielostanowiskowe.

Przeciągarki poziome są często stosowane do rowków wpustowych, mniejszych serii i produkcji o dużej zmienności części. Zapewniają wygodny dostęp do detalu i przeciągacza, ale zajmują więcej miejsca.

Przeciągarki pionowe są chętnie wykorzystywane w produkcji seryjnej ze względu na mniejszą powierzchnię zabudowy i możliwość automatyzacji. Konstrukcje table-up, w których przemieszcza się stół z detalem, mogą ograniczyć wymagania fundamentowe i ułatwić obsługę z poziomu hali.

Przepychanie rowka na prasie

Przepychacz jest naciskany i przechodzi przez otwór detalu pod obciążeniem ściskającym. Do procesu można wykorzystać prasę hydrauliczną albo mechaniczną.

Zazwyczaj stosuje się:

tuleję prowadzącą,
podkładki regulacyjne,
prawidłowo ustawioną podporę detalu,
przepychacz dopasowany do wymiaru rowka.

Metoda jest popularna przy:

standardowych rowkach,
krótszych profilach,
mniejszych i średnich kołach,
mniejszych seriach,
zakładach posiadających prasę, lecz bez dedykowanej przeciągarki.

Ponieważ przepychacz jest ściskany, musi być zabezpieczony przed wyboczeniem. Istotne są:

długość narzędzia,
przekrój rdzenia,
osiowe prowadzenie,
równoległość stołu prasy,
prawidłowe podparcie detalu,
właściwe smarowanie.

Przepychacz nie jest po prostu krótszą wersją przeciągacza. Jego konstrukcja musi zostać dopasowana do obciążenia ściskającego oraz sposobu prowadzenia.

Przeciągarka czy prasa?

Kryterium	Przeciągarka	Prasa z przepychaczem
Obciążenie narzędzia	Rozciąganie	Ściskanie
Długie narzędzia	Korzystne warunki	Większe ryzyko wyboczenia
Produkcja seryjna	Bardzo dobre zastosowanie	Możliwa przy prostych rowkach
Automatyzacja	Łatwa do wdrożenia	Zależna od konstrukcji stanowiska
Koszt wdrożenia	Wyższy	Zwykle niższy
Powtarzalność	Bardzo wysoka	Dobra przy właściwym prowadzeniu
Elastyczność	Szeroki zakres profili	Głównie krótsze i prostsze rowki

Przeciągarka i prasa nie są jedynymi możliwościami. Jeżeli produkcja jest jednostkowa lub małoseryjna, wymiary rowków często się zmieniają albo detal ma zostać wykonany kompletnie na tokarce CNC, korzystniejsze może być dłutowanie narzędziem na wymienne płytki. Przy większej, powtarzalnej produkcji przeciągacz i przeciągarka zwykle zapewniają wyższą wydajność oraz krótszy czas jednostkowy.

Jak kontrolować gotowe koło pasowe?

Kontrola powinna obejmować zarówno wieniec współpracujący z pasem, jak i powierzchnie montażowe.

Kontrola wieńca

Sprawdza się między innymi:

średnicę zewnętrzną,
podziałkę,
zarys wrębu,
szerokość wieńca,
bicie promieniowe,
bicie osiowe,
współosiowość wieńca z otworem,
stan powierzchni,
zgodność z dokumentacją pasa.

W zależności od wymagań można stosować:

maszyny pomiarowe do uzębień i profili,
projektory pomiarowe,
pomiary współrzędnościowe,
wzorce profilu,
kontrolę funkcjonalną z odpowiednim pasem.

Kontrola otworu i rowka wpustowego

Należy zweryfikować:

średnicę otworu,
tolerancję otworu,
szerokość rowka,
głębokość rowka,
długość roboczą,
położenie względem osi,
równoległość boków,
zgodność z wpustem i wałem.

W produkcji seryjnej bardzo przydatne są sprawdziany graniczne.

Sprawdziany GO/NOGO do rowków wpustowych pozwalają na szybką ocenę, czy kontrolowany wymiar mieści się w ustalonych granicach tolerancji.

Strona przechodnia GO powinna potwierdzić możliwość prawidłowego montażu elementu współpracującego. Strona nieprzechodnia NOGO służy do wykrycia przekroczenia przeciwnej granicy tolerancji. Konstrukcja sprawdzianu musi wynikać z rysunku, nominalnego wymiaru rowka, pola tolerancji oraz sposobu funkcjonalnej współpracy z wpustem.

Kompletny proces produkcji koła pasowego

Etap	Podstawowa maszyna lub narzędzie
Toczenie półfabrykatu	Tokarka CNC
Wykonanie wrębów – produkcja seryjna	Frezarka obwiedniowa CNC i frez ślimakowy
Wykonanie wrębów – krótka seria	Frezarka z frezem krążkowym
Kompletna obróbka w jednym zamocowaniu	Tokarka CNC z oprawką do Gear Hobbingu i frezem ślimakowym
Rowek wpustowy – produkcja jednostkowa i małoseryjna	Tokarka CNC lub centrum obróbcze z dłutakiem na płytki albo oprawką napędzaną do dłutowania
Rowek wpustowy – produkcja seryjna	Przeciągacz i przeciągarka
Rowek wpustowy na prasie	Przepychacz, tuleja i podkładki
Kontrola wrębów	Maszyna pomiarowa, projektor albo wzorzec
Kontrola rowka	Sprawdzian przechodni GO i nieprzechodni NOGO
Kontrola końcowa	Pomiary bicia, otworu i współpracy z pasem

Jakie dane są potrzebne do wykonania freza?

Dane koła i pasa

Dokładne oznaczenie profilu.
Podziałka.
Producent i seria pasa.
Rysunek wrębu koła.
Rysunek lub dokumentacja pasa.
Liczba zębów koła.
Minimalna i maksymalna liczba zębów.
Średnica zewnętrzna.
Szerokość wieńca.
Wymagany luz.
Materiał koła.
Wymagana dokładność.
Wielkość produkcji.

Dane frezarki

Producent i model maszyny.
Zakres obrotów wrzeciona narzędzia.
Zakres obrotów stołu.
Maksymalna średnica freza.
Maksymalna długość freza.
Sposób mocowania.
Dostępna moc i moment.
Sposób chłodzenia.
Obróbka na mokro lub sucho.
Możliwość shiftingu.
Wymagania dotyczące automatyzacji.

Dane narzędzia

Konstrukcja nasadzana lub trzpieniowa.
Liczba zwojów.
Wykonanie topping lub non-topping.
PM-HSS albo węglik.
Preferowana powłoka.
Oczekiwana liczba ostrzeń.
Dostępne wymiary trzpienia.
Rysunek istniejącego narzędzia, jeżeli jest dostępny.

Jakie dane są potrzebne do wykonania rowka wpustowego?

Do doboru przeciągacza, przepychacza, dłutaka na płytki, oprawki napędzanej albo odpowiedniej maszyny potrzebne są:

Nominalna szerokość rowka.
Pole tolerancji.
Głębokość rowka.
Długość przeciągania.
Średnica i tolerancja otworu.
Faza wejściowa.
Miejsce na wyjście narzędzia.
Materiał i twardość części.
Wielkość serii.
Rodzaj posiadanej maszyny.
Producent, model i sterowanie obrabiarki – jeśli rozważane jest dłutowanie na CNC.
Możliwość pozycjonowania wrzeciona i korekcji osi narzędzia.
Rodzaj mocowania narzędzia lub głowicy rewolwerowej.
Wymaganie wykonania rowka z fazką albo bez fazki
Maksymalna siła.
Dostępny skok.
Sposób mocowania części.
Wymagania dotyczące sprawdzianu GO/NOGO.

Najczęstsze błędy przy produkcji kół pasowych

Zamówienie freza wyłącznie na podstawie oznaczenia podziałki

Informacja „HTD 8M” albo „AT10” może być niewystarczająca. Należy podać producenta pasa, serię, liczbę zębów i rysunek profilu.

Założenie, że jeden frez obsłuży każdą liczbę zębów

W przypadku wielu profili kół pasowych narzędzie jest przeznaczone dla określonego zakresu. Pełna rodzina części może wymagać kilku wariantów freza.

Zastosowanie freza węglikowego na niestabilnej maszynie

Wysoka twardość węglika nie rekompensuje nadmiernego bicia, drgań, małej sztywności albo niedostatecznej prędkości wrzeciona.

Dobór materiału freza bez analizy czasu cyklu

PM-HSS może zapewniać niższy całkowity koszt niż węglik, jeżeli seria jest niewielka, a narzędzie może być wielokrotnie ostrzone.

Pominięcie wybiegu narzędzia

Piasta, kołnierz albo uchwyt mogą uniemożliwić pełne przejście freza. Kolizję należy przeanalizować przed zatwierdzeniem narzędzia.

Wykonanie wrębów względem niewłaściwej bazy

Może to prowadzić do nadmiernego bicia wieńca względem otworu montażowego.

Nieprawidłowe prowadzenie przepychacza

Niewspółosiowa prasa lub przechylony detal mogą doprowadzić do wygięcia albo złamania narzędzia.

Dobór dłutaka bez sprawdzenia średnicy otworu i długości skoku

Narzędzie może nie zmieścić się w otworze, mieć zbyt duży wysięg albo nie zapewniać wymaganego skoku. Przed doborem dłutaka i oprawki należy sprawdzić minimalną średnicę otworu, długość rowka, dostępną przestrzeń roboczą, sposób mocowania oraz możliwości kinematyczne konkretnej obrabiarki.

Brak sprawdzianu przy produkcji seryjnej

Pomiar uniwersalny może stać się wąskim gardłem procesu. Sprawdzian GO/NOGO przyspiesza kontrolę i ogranicza wpływ operatora na wynik oceny.

Najczęściej zadawane pytania

Jaka maszyna jest najlepsza do seryjnej produkcji kół pasowych?

Podstawową maszyną do wydajnego wykonywania zewnętrznych wrębów jest frezarka obwiedniowa CNC ze specjalnym frezem ślimakowym do właściwego profilu pasa.

Czy koło pasowe można wykonać na tokarce CNC?

Tak, pod warunkiem zastosowania odpowiedniej oprawki napędzanej, osi C oraz funkcji synchronizacji obrotów narzędzia i przedmiotu. Tokarka jest rozwiązaniem pomocniczym, szczególnie korzystnym przy kompletnej obróbce części w jednym zamocowaniu.

Czy jeden frez ślimakowy pasuje do wszystkich kół o tej samej podziałce?

Nie zawsze. Przy wielu profilach frez jest przeznaczony do określonego zakresu liczby zębów.

Czy lepszy jest PM-HSS, czy węglik?

Węglik zapewnia najwyższy potencjał wydajności na szybkiej i sztywnej maszynie. PM-HSS jest odporniejszy na mniej idealne warunki i może być korzystniejszy przy krótszych seriach oraz wielokrotnym ostrzeniu.

Czy frezy do kół pasowych można powlekać?

Tak. Stosuje się między innymi TiN, TiAlN, AlTiN oraz powłoki AlCrN, w tym Alcrona Pro i jej nowszego następcę Alcrona EVO. Dobór musi uwzględniać materiał koła, sposób chłodzenia i parametry procesu.

Kiedy wybrać frez krążkowy?

Przy pojedynczych częściach, krótkich seriach, profilach specjalnych oraz wtedy, gdy zakład nie posiada frezarki obwiedniowej.

Jak najwydajniej wykonać rowek wpustowy?

W dużej, powtarzalnej produkcji najczęściej przez przeciąganie na odpowiednio dobranej przeciągarce. Przy standardowych i krótszych rowkach można zastosować przepychacz pracujący na prasie. Przy produkcji jednostkowej, małoseryjnej lub potrzebie wykonania kompletnego koła w jednym zamocowaniu korzystnym rozwiązaniem są dłutaki na płytki albo oprawki napędzane do dłutowania na tokarce CNC.

Kiedy warto wykonać rowek wpustowy dłutakiem na płytki?

Przy produkcji jednostkowej i małoseryjnej, częstych zmianach szerokości rowka, braku dedykowanego przeciągacza oraz wtedy, gdy otwór, piasta i rowek mają zostać wykonane na jednej tokarce CNC lub centrum obróbczym. Wymienne płytki zwiększają elastyczność, natomiast wydajność procesu zależy od długości rowka, materiału i możliwości obrabiarki.

Jak szybko kontrolować rowek wpustowy?

Za pomocą dedykowanego sprawdzianu granicznego GO/NOGO, zaprojektowanego do nominalnej szerokości i pola tolerancji rowka.

Kompleksowa technologia produkcji kół pasowych

Prawidłowy proces produkcji koła pasowego powinien być dobierany jako całość. Profil pasa determinuje geometrię freza, liczba zębów wpływa na zakres jego zastosowania, wielkość serii decyduje o wyborze pomiędzy frezowaniem obwiedniowym i kształtowym, a możliwości maszyny określają, czy można wykorzystać wysokowydajny frez PM-HSS lub pełnowęglikowy.

W typowej produkcji seryjnej kompletny układ technologiczny obejmuje:

frezarkę obwiedniową CNC jako główną maszynę do wykonywania wieńca,
specjalny frez ślimakowy PM-HSS albo węglikowy,
nowoczesną powłokę dobraną do materiału koła,
tokarkę CNC do przygotowania półfabrykatu,
opcjonalnie tokarkę z oprawką do Gear Hobbingu,
dłutak na płytki albo oprawkę napędzaną do elastycznego wykonywania rowków wpustowych na CNC,
przeciągarkę albo prasę do wykonania rowka wpustowego,
przeciągacz lub przepychacz,
sprawdzian GO/NOGO do kontroli rowka,
system kontroli profilu, otworu i bicia koła.

Tradensa dostarcza narzędzia i maszyny dla kolejnych etapów tego procesu: frezy ślimakowe i krążkowe, pionowe i poziome frezarki obwiedniowe CNC, dłutaki na płytki i oprawki napędzane do dłutowania, przeciągacze, przepychacze, maszyny do przeciągania oraz sprawdziany graniczne.

Dobierz kompletną technologię produkcji koła pasowego

Planujesz produkcję koła pasowego albo potrzebujesz dobrać narzędzie do istniejącego profilu? Prześlij nam rysunek koła, oznaczenie i producenta pasa, zakres liczby zębów, materiał, wielkość serii oraz informacje o posiadanych maszynach.

Dobierzemy frez ślimakowy lub krążkowy, odpowiednią frezarkę obwiedniową, technologię wykonania rowka wpustowego oraz sposób kontroli gotowego elementu. Możemy również przeanalizować przeciąganie, przepychanie lub dłutowanie rowka na tokarce CNC.

Prześlij rysunek i zapytanie

Powiązane narzędzia i maszyny

Blog

Dowiedz się więcej