Obróbka kształtowa jest jedną z najbardziej elastycznych metod wykonywania kół zębatych, wielowypustów, wielokarbów, kół łańcuchowych, kół pasowych oraz profili specjalnych. W przeciwieństwie do frezowania obwiedniowego profil uzębienia nie jest generowany przez ciągły ruch toczny narzędzia i obrabianego przedmiotu. Powstaje przez bezpośrednie odwzorowanie kształtu ostrza w kolejnych wrębach obrabianej części.

W praktyce często używa się określenia frezowanie lub dłutowanie ząb po zębie. Technicznie dokładniejsze jest jednak określenie wrąb po wrębie, ponieważ narzędzie wykonuje przestrzeń pomiędzy sąsiednimi zębami. Po zakończeniu obróbki jednego wrębu detal zostaje obrócony o jedną podziałkę, a cykl jest powtarzany aż do wykonania całego uzębienia.

Do najważniejszych odmian obróbki kształtowej należą:

• frezowanie frezem krążkowym modułowym,
• frezowanie frezem palcowym,
• frezowanie profilowe dużych kół zębatych,
• dłutowanie kształtowe na dłutownicy,
• dłutowanie statyczne na tokarce CNC lub centrum obróbczym,
• dłutowanie za pomocą oprawki napędzanej, czyli live broaching,
• programowane frezowanie profilu na wieloosiowej obrabiarce CNC,
• obróbka narzędziami specjalnymi wykonywanymi według rysunku, wzorca lub danych uzębienia.

Wraz z rozwojem sterowania CNC, precyzyjnych osi obrotowych, nowoczesnych systemów CAM i narzędzi skrawających metoda kształtowa przestała być rozwiązaniem ograniczonym do prostych kół wykonywanych na frezarkach konwencjonalnych. Współczesne centra do dużych uzębień mogą łączyć na jednej maszynie frezowanie obwiedniowe, profilowe, palcowe i wieloosiowe.

Na czym polega obróbka kształtowa uzębień?

W klasycznej metodzie kształtowej profil części roboczej narzędzia odpowiada profilowi wykonywanego wrębu albo jego określonemu fragmentowi. Podczas skrawania kształt krawędzi zostaje odwzorowany w materiale.

Typowy cykl frezowania kształtowego przebiega następująco:

• narzędzie zostaje ustawione względem płaszczyzny symetrii pierwszego wrębu,
• frez wchodzi na zaprogramowaną głębokość,
• wykonywany jest przejazd przez szerokość uzębienia,
• narzędzie zostaje wycofane poza obrys części,
• detal jest indeksowany o jedną podziałkę,
• rozpoczyna się obróbka kolejnego wrębu.

Kąt indeksowania dla koła o liczbie zębów wynosi:

α = 360° / z

Dokładność osi obrotowej, podzielnicy lub stołu ma bezpośredni wpływ na odchyłki podziałki uzębienia. Nawet idealnie wykonany frez nie zapewni prawidłowego koła, jeżeli kolejne wręby nie będą pozycjonowane z odpowiednią dokładnością.

W przypadku dłutowania kształtowego zasada podziału jest podobna, ale ruchem skrawającym jest ruch posuwisto-zwrotny noża lub dłutaka. Po zakończeniu obróbki jednego wrębu oś C tokarki, stół centrum obróbczego albo mechanizm podziałowy dłutownicy obraca część do kolejnego położenia.

Obróbka kształtowa a obwiedniowa – podstawowe różnice

Obróbka kształtowa i obwiedniowa mogą służyć do produkcji podobnych elementów, lecz wykorzystują odmienną kinematykę, inne narzędzia i inne zasady powstawania profilu.

Cecha	Obróbka kształtowa	Obróbka obwiedniowa
Sposób powstawania profilu	Bezpośrednie odwzorowanie profilu ostrza	Generowanie profilu przez sprzężony ruch narzędzia i detalu
Obróbka kolejnych wrębów	Oddzielnie, po indeksowaniu	Proces ciągły
Typowe narzędzia	Frez krążkowy, frez palcowy, nóż profilowy	Frez ślimakowy, dłutak Fellowsa
Zależność narzędzia od liczby zębów	Profil zależny od konkretnej geometrii lub zakresu liczby zębów	Jeden frez ślimakowy może obrabiać różne liczby zębów przy zgodnych danych podstawowych
Typowa wielkość produkcji	Jednostkowa, mało- i średnioseryjna	Średnio- i wielkoseryjna
Duże moduły i średnice	Często ekonomicznie uzasadniona	Możliwa, ale wymaga dużego freza i specjalizowanej maszyny
Uzębienia wewnętrzne	Możliwe przez dłutowanie lub frezowanie odpowiednio małym narzędziem	Niemożliwe klasycznym frezem ślimakowym; stosuje się Fellowsa lub Power Skiving

Frezowanie obwiedniowe jest zazwyczaj naturalnym wyborem przy powtarzalnej produkcji typowych zewnętrznych kół zębatych i wielowypustów. Frez ślimakowy jest bardziej uniwersalny pod względem liczby zębów części, a ciągły charakter procesu pozwala osiągnąć wysoką wydajność.

Obróbka kształtowa zyskuje przewagę, gdy:

• produkowana jest pojedyncza część lub krótka seria,
• uzębienie ma duży moduł,
• koło ma bardzo dużą średnicę,
• profil jest nietypowy,
• narzędzie obwiedniowe byłoby nieproporcjonalnie kosztowne,
• część można wykonać na dostępnej frezarce, dłutownicy, tokarce lub centrum CNC,
• trzeba odtworzyć profil istniejącego elementu,
• konstrukcja części utrudnia zastosowanie klasycznego freza ślimakowego.

Szczegółową zasadę procesu ciągłego, rodzaje frezów oraz ich dobór opisujemy w artykule frezowanie obwiedniowe kół zębatych i wielowypustów – frezy ślimakowe.

Frezowanie kształtowe frezem krążkowym modułowym

Frez krążkowy jest klasycznym narzędziem do obróbki uzębień wrąb po wrębie. Ostrza są rozmieszczone na obwodzie korpusu, a ich profil odpowiada przestrzeni międzyzębnej wykonywanego koła, wielowypustu lub innego profilu.

Frezy krążkowe wykorzystuje się między innymi do wykonywania:

• walcowych kół zębatych o zębach prostych,
• wybranych kół o zębach skośnych,
• wielowypustów ewolwentowych,
• wielowypustów równoległych i wielokarbów,
• kół łańcuchowych,
• kół pasowych,
• profili promieniowych,
• wrębów specjalnych,
• uzębień odtwarzanych na podstawie wzorca.

Dlaczego frez krążkowy nie jest narzędziem całkowicie uniwersalnym?

Kształt przestrzeni międzyzębnej koła ewolwentowego zmienia się wraz z liczbą zębów. Koło o małej liczbie zębów ma inną krzywiznę boków oraz strefę przejścia u podstawy niż koło o bardzo dużej liczbie zębów.

Z tego powodu standardowe frezy modułowe występują w zestawach. Poszczególne numery frezów są przyporządkowane do określonych zakresów liczby zębów. Narzędzie z zestawu odwzorowuje profil z określonym przybliżeniem, które może być wystarczające w typowej produkcji warsztatowej, ale nie zawsze w przypadku uzębień o podwyższonych wymaganiach.

Przy dokładnych kołach, uzębieniach z korekcją, szczególnym promieniem u podstawy lub modyfikacjami profilu korzystniejsze jest wykonanie specjalnego freza obliczonego dla konkretnej części.

Do jego zaprojektowania potrzebne mogą być:

• moduł normalny lub czołowy,
• liczba zębów,
• kąt przyporu,
• współczynnik przesunięcia zarysu,
• wysokość głowy i stopy zęba,
• średnica wierzchołków i dna wrębów,
• promień przejścia u podstawy,
• grubość zęba,
• kąt pochylenia linii zęba,
• wymagane podcięcia, fazy i korekcje,
• naddatek pozostawiany na późniejszą obróbkę.

Strona produktowa Tradensa obejmuje frezy krążkowe modułowe, systemy metryczne, calowe, DP i CP, wykonania NFMa, NFMb i VIS, narzędzia do wielowypustów oraz profile specjalne. Są one przypisywane do określonych zakresów liczby zębów i dobierane według geometrii części oraz procesu.

Frezy zgrubne i wykańczające

Obróbka kształtowa nie musi być realizowana jednym narzędziem ani jednym przejściem.

Przy dużych modułach proces można podzielić na:

• frezowanie zgrubne, usuwające główną objętość materiału,
• frezowanie półwykańczające,
• wykańczanie boków oraz dna wrębu.

Frez zgrubny może mieć geometrię zapewniającą większą przestrzeń wiórową i mniejsze obciążenie pojedynczych ostrzy. Frez wykańczający odpowiada za końcowy profil, wymiar i jakość powierzchni.

Jeżeli koło będzie po obróbce cieplnej szlifowane, narzędzie zgrubne może zostać wykonane z protuberancją. Kontrolowane podcięcie u podstawy zęba tworzy przestrzeń dla ściernicy i ogranicza ryzyko powstania niepożądanego stopnia pomiędzy powierzchnią szlifowaną a przejściem u podstawy zęba.

Frezy zatoczone i zaszlifowane

W konstrukcjach zatoczonych profil jest wykonany w sposób umożliwiający zachowanie zasadniczego kształtu ostrza po kolejnych ostrzeniach powierzchni natarcia.

Frezy zaszlifowane stosuje się tam, gdzie szczególne znaczenie mają:

• dokładność profilu,
• jakość powierzchni,
• ostrość krawędzi,
• stabilność geometrii narzędzia.

Dobór wykonania powinien uwzględniać wymaganą jakość uzębienia, materiał freza, liczbę planowanych regeneracji, geometrię części i sposób kontroli narzędzia po ostrzeniu.

Frezy krążkowe i palcowe CTI

Partnerem Tradensa w zakresie specjalnych narzędzi do produkcji i kontroli uzębień jest Capital Tool Industries – CTI. Producent działa od 1966 roku i specjalizuje się między innymi w frezach ślimakowych, frezach ewolwentowych i krążkowych, dłutakach Fellowsa, przeciągaczach, narzędziach shavingowych oraz kołach wzorcowych. CTI wykorzystuje projektowanie wspomagane komputerowo i wykonuje narzędzia standardowe oraz specjalne.

Oferta Tradensa obejmuje między innymi:

• frezy krążkowe modułowe,
• frezy krążkowe do wielowypustów,
• frezy do kół łańcuchowych i pasowych,
• frezy palcowe,
• frezy zgrubne i wykańczające,
• narzędzia z protuberancją,
• wykonania metryczne, calowe, DP i CP,
• wykonania NFMa, NFMb i VIS,
• profile specjalne projektowane według rysunku, wzorca albo istniejącego narzędzia.

Szczegółowe zakresy modułów, dostępne wykonania, normy oraz dane potrzebne do wyceny znajdują się na stronie:

Frezy kształtowe krążkowe modułowe i palcowe CTI do kół zębatych i wielowypustów.

Frezowanie kształtowe frezem palcowym

Frez palcowy posiada część roboczą ukształtowaną odpowiednio do obrabianego wrębu. W zależności od konstrukcji może pracować powierzchnią obwodową i czołową, a jego oś jest prowadzona wzdłuż uzębienia.

Frezy palcowe mogą być wykonywane jako:

• narzędzia monolityczne z chwytem cylindrycznym, stożkowym lub Weldon,
• wymienne części robocze nakręcane na osobny trzpień,
• narzędzia specjalne dopasowane do konkretnego profilu.

W ofercie CTI dostępnej przez Tradensa występują zarówno wykonania monolityczne, jak i nakręcane, przeznaczone do uzębień zewnętrznych, wielowypustów oraz profili specjalnych.

Frezy palcowe znajdują zastosowanie szczególnie przy:

• dużych modułach,
• kołach o bardzo dużej średnicy,
• profilach specjalnych,
• ograniczonym dostępie do obrabianego wrębu,
• produkcji jednostkowej i odtworzeniowej,
• częściach wykonywanych na frezarkach CNC,
• kołach daszkowych i podwójnie skośnych,
• aplikacjach, w których zastosowanie dużego freza krążkowego jest utrudnione.

Współczesne centra do dużych kół wykorzystują osobne głowice do frezowania palcowego uzębień zewnętrznych i wewnętrznych. Liebherr łączy takie głowice z frezowaniem obwiedniowym, profilowym i czteroosiowym, co rozszerza możliwości maszyny między innymi o koła daszkowe i podwójnie skośne.

Nie należy jednak utożsamiać specjalnego freza palcowego odwzorowującego wrąb z programowanym frezowaniem standardowym frezem kulistym lub stożkowym. W drugim przypadku profil powstaje z wielu zaprogramowanych ścieżek, a jego dokładność zależy również od systemu CAM, kroku przejść i kinematyki obrabiarki.

Materiały na frezy krążkowe i palcowe

Materiał narzędzia należy dobierać do rodzaju obrabianej stali, twardości części, stabilności obrabiarki, wielkości serii oraz wymaganej produktywności.

W narzędziach CTI oferowanych przez Tradensa stosowane są te same podstawowe grupy materiałów, które wykorzystuje się w nowoczesnych frezach ślimakowych:

• stal szybkotnąca HSS,
• stal szybkotnąca kobaltowa HSSE,
• stale szybkotnące proszkowe PM-HSS,
• węglik spiekany typu K.

Dostępne stale proszkowe obejmują między innymi Erasteel ASP 2030, ASP 2052 i ASP 2060 oraz Böhler S390 i S290. Dokładny gatunek dobierany jest do konstrukcji narzędzia i wymagań procesu.

Stal szybkotnąca HSS

Klasyczna stal szybkotnąca jest materiałem ciągliwym i stosunkowo odpornym na niekorzystne warunki pracy. Dobrze znosi obróbkę przerywaną, chwilowe przeciążenia i mniej stabilne warunki niż pełny węglik spiekany.

Najczęściej sprawdza się przy:

• dobrze obrabialnych materiałach,
• umiarkowanych prędkościach skrawania,
• starszych lub mniej sztywnych maszynach,
• produkcji jednostkowej,
• dużych i skomplikowanych profilach, w których koszt materiału narzędziowego ma istotne znaczenie.

Ograniczeniem HSS jest niższa odporność cieplna i ścierna w porównaniu ze stalami proszkowymi oraz węglikiem.

Stal szybkotnąca kobaltowa HSSE

Dodatek kobaltu zwiększa odporność stali szybkotnącej na utratę twardości w podwyższonej temperaturze. HSSE jest często rozwiązaniem pośrednim pomiędzy ekonomicznym HSS a droższymi stalami proszkowymi.

Może być stosowana przy:

• stalach o wyższej wytrzymałości,
• zwiększonych parametrach skrawania,
• dłuższych seriach,
• procesach, w których trwałość klasycznego HSS jest niewystarczająca.

Stale proszkowe PM-HSS

Stale wytwarzane metodą metalurgii proszków charakteryzują się bardziej równomiernym rozmieszczeniem składników stopowych i węglików. Pozwala to łączyć wysoką odporność na zużycie z ciągliwością potrzebną przy przerywanym charakterze frezowania kształtowego.

PM-HSS jest szczególnie korzystny przy:

• stalach konstrukcyjnych i stopowych o podwyższonej wytrzymałości,
• większych seriach,
• podwyższonych parametrach skrawania,
• frezach wielokrotnie ostrzonych,
• aplikacjach wymagających większej trwałości niż osiągalna na HSS lub HSSE.

Węglik spiekany

Węglik umożliwia zwiększenie prędkości skrawania i zapewnia wysoką odporność na zużycie ścierne. Wymaga jednak sztywnej maszyny, stabilnego mocowania i ograniczenia drgań.

Jego zastosowanie jest najbardziej uzasadnione, gdy:

• proces jest powtarzalny i stabilny,
• obrabiarka może wykorzystać zwiększoną prędkość skrawania,
• narzędzie nie pracuje na nadmiernym wysięgu,
• oczekiwana jest wysoka produktywność,
• geometria profilu nie powoduje nadmiernego ryzyka wykruszeń.

Przy niestabilnej obróbce lub nieprzewidywalnych przeciążeniach bardziej ciągliwa stal proszkowa może być rozwiązaniem bezpieczniejszym.

Materiał	Najważniejsze zalety	Typowe zastosowanie
HSS	Ciągliwość, łatwe ostrzenie, niższy koszt	Produkcja jednostkowa, umiarkowane parametry, mniej sztywne maszyny
HSSE	Większa odporność cieplna niż HSS	Stale o wyższej wytrzymałości, średnie serie
PM-HSS	Wysoka trwałość przy zachowaniu ciągliwości	Trudniejsze materiały, większe serie, intensywniejsza obróbka
Węglik spiekany	Wysoka odporność na zużycie i duża wydajność	Stabilne procesy na sztywnych obrabiarkach

Powłoki na frezy krążkowe i palcowe

Powłoka PVD ogranicza tarcie, oddziela podłoże narzędzia od gorącego wióra i zwiększa odporność krawędzi na zużycie ścierne, adhezyjne oraz cieplne.

Frezy krążkowe i palcowe CTI mogą być pokrywane między innymi powłokami:

• TiN,
• AlTiN,
• Alcrona Pro i Alcrona Evo,
• innymi pokryciami dobieranymi do konkretnego materiału i procesu.

TiN

TiN jest klasyczną, uniwersalną powłoką stosowaną na narzędziach ze stali szybkotnących. Może ograniczać tarcie i zwiększać trwałość przy umiarkowanych temperaturach procesu.

AlTiN

AlTiN zapewnia większą odporność cieplną i jest często wybierana do procesów o wyższym obciążeniu, większych prędkościach i obróbki trudniejszych stali.

Alcrona Pro i Alcrona Evo

Alcrona Pro jest zaawansowaną powłoką stosowaną w wymagających procesach obróbki narzędziami ze stali proszkowych i węglika. Jej potencjał można wykorzystać przede wszystkim wtedy, gdy materiał freza, geometria ostrza, parametry i sztywność procesu są do siebie prawidłowo dopasowane.

Powłoka nie powinna być dobierana w oderwaniu od podłoża. Pokrycie narzędzia nie rozwiąże problemów wynikających z niewłaściwego gatunku stali, błędnej geometrii ostrza, drgań albo nadmiernego obciążenia.

Ostrzenie i ponowne powlekanie

Frezy krążkowe i palcowe mogą być wielokrotnie ostrzone, o ile regeneracja jest prowadzona z zachowaniem wymaganej geometrii.

Po ostrzeniu należy uwzględnić:

• zmianę średnicy narzędzia,
• zmianę położenia profilu,
• konieczność skorygowania ustawienia głębokości,
• kontrolę bicia,
• kontrolę profilu,
• stan powłoki na odnowionych powierzchniach.

Podczas ostrzenia powierzchni natarcia część powłoki jest usuwana. Ponowne pokrycie pozwala odtworzyć ochronę krawędzi i wykorzystać dalszy potencjał narzędzia. W przypadku dokładnych frezów specjalnych ostrzenie, kontrolę profilu i powlekanie należy traktować jako jeden proces regeneracyjny.

Dłutowanie kształtowe ząb po zębie

Dłutowanie kształtowe należy wyraźnie odróżnić od dłutowania obwiedniowego metodą Fellowsa.

Dłutowanie Fellowsa

Dłutak Fellowsa ma postać koła zębatego. Narzędzie i obrabiana część wykonują zsynchronizowany ruch obrotowy, a profil uzębienia jest generowany przez ich wzajemny ruch toczny. Jest to więc metoda obwiedniowa.

Fellows umożliwia wykonywanie uzębień wewnętrznych i zewnętrznych, prostych i skośnych, w tym detali położonych blisko kołnierza, jeżeli konstrukcja części zapewnia wymagany wybieg narzędzia.

Technologię rozwijamy w artykule dłutowanie kół zębatych i wielowypustów – dłutaki Fellowsa.

Dłutowanie kształtowe

W dłutowaniu kształtowym nóż lub płytka bezpośrednio odwzorowuje profil pojedynczego wrębu albo jego fragment. Po wykonaniu wrębu detal jest indeksowany o jedną podziałkę.

Do takiej obróbki stosuje się:

• monolityczne noże do dłutowania,
• dłutaki na wymienne płytki skrawające,
• wieloostrzowe narzędzia profilowe,
• narzędzia specjalne projektowane według rysunku.

Odpowiednio zaprojektowany nóż do dłutowania może służyć do wykonywania:

• wielowypustów wewnętrznych i zewnętrznych,
• wewnętrznych kół zębatych,
• profili ewolwentowych,
• rowków wpustowych,
• kanałków,
• kwadratów,
• sześciokątów,
• profili specjalnych.

Proces może być realizowany na dłutownicy konwencjonalnej, dłutownicy NC lub CNC, tokarce CNC, centrum obróbczym albo maszynie wielozadaniowej.

Dłutowanie statyczne na tokarce CNC

W dłutowaniu statycznym nóż jest zamocowany nieruchomo w uchwycie, natomiast ruch skrawający realizuje oś liniowa maszyny.

Typowy cykl obejmuje:

• przejazd noża przez obrabianą długość,
• odsunięcie narzędzia od powierzchni,
• powrót do pozycji początkowej,
• zwiększenie głębokości,
• wykonanie kolejnego skoku.

Po ukończeniu jednego wrębu oś C obraca detal do następnego położenia.

Najważniejszą zaletą dłutowania na tokarce CNC jest możliwość wykonania profilu w tym samym zamocowaniu co:

• toczenie powierzchni zewnętrznych,
• wykonanie otworu,
• obróbka baz,
• fazowanie,
• wiercenie i inne operacje tokarskie.

Pozwala to ograniczyć liczbę operacji, błędy ponownego zamocowania i konieczność przenoszenia części na oddzielną dłutownicę.

Ograniczenia wynikają między innymi z:

• prędkości i przyspieszenia osi,
• dopuszczalnego obciążenia prowadnic i napędu,
• długości skoku,
• wysięgu noża,
• sztywności głowicy lub rewolweru,
• czasu wymaganego do wykonania wielu przejść.

Dłutowanie statyczne jest szczególnie atrakcyjne przy produkcji jednostkowej, prototypowej i niskoseryjnej, gdy wykonanie specjalnego przeciągacza albo uruchomienie odrębnej maszyny nie jest ekonomicznie uzasadnione.

Oprawka napędzana do dłutowania na tokarce CNC – live broaching

Oprawka napędzana do dłutowania, określana również jako głowica live broaching, dłutownik albo napędzana jednostka dłutująca, przekształca ruch obrotowy napędu narzędziowego w ruch posuwisto-zwrotny noża.

Oś maszyny odpowiada przede wszystkim za dosuw, pozycjonowanie i zmianę głębokości, natomiast właściwy skok dłutowania jest generowany przez mechanizm oprawki.

Rozwiązanie może zapewnić:

• większą częstotliwość skoków niż podczas wykorzystywania osi liniowej,
• mniejsze obciążenie napędu osi maszyny,
• powtarzalny ruch noża,
• możliwość wykonywania profili bez zmiany zamocowania części,
• wykorzystanie jednej oprawki z różnymi uchwytami i płytkami.

Oprawki napędzane do dłutowania na tokarkach CNC stosuje się między innymi do:

• dłutowania rowków wpustowych,
• dłutowania wielowypustów,
• wykonywania profili ewolwentowych,
• wykonywania kwadratów i sześciokątów,
• wykonywania profili specjalnych.

Przy kole zębatym lub wielowypuście każdy wrąb jest wykonywany oddzielnie, a podział realizuje oś C. Przy pojedynczym rowku wpustowym indeksowanie nie jest potrzebne.

Oficjalna oferta GISSTEC obejmuje noże i płytki do rowków, kwadratów, sześciokątów i wielowypustów oraz napędzane jednostki live broaching przeznaczone do pracy na tokarkach.

Noże do dłutowania i dłutaki na płytki GISSTEC

Partnerem Tradensa w zakresie dłutowania statycznego i dynamicznego jest niemiecki producent GISSTEC.

System obejmuje między innymi:

• noże do dłutowania,
• dłutaki na płytki skrawające,
• płytki do rowków wpustowych,
• płytki do wielowypustów i profili ewolwentowych,
• uchwyty UT do dłutowania statycznego,
• uchwyty UTM do pracy z oprawkami napędzanymi,
• oprawki napędzane do dłutowania,
• adaptery, tuleje i elementy ustawcze,
• narzędzia specjalne wykonywane według rysunku.

GISSTEC produkuje w Niemczech systemy broachingowe, głowice napędzane i narzędzia specjalne. Producent wskazuje ponad 40 lat doświadczenia w technologii narzędziowej oraz możliwość wykonywania na tokarkach między innymi rowków, wielowypustów, kwadratów i sześciokątów.

Uchwyty UT i UTM nie są tym samym elementem co kompletna oprawka napędzana. UT służy przede wszystkim do mocowania narzędzia podczas dłutowania statycznego, natomiast UTM współpracuje z napędzanymi jednostkami NG podczas live broachingu. Szczegółowe rozróżnienie opisujemy w artykule oprawki i uchwyty do dłutowania UT i UTM.

Pełny zakres systemu znajduje się na stronie:

Noże do dłutowania, dłutaki na płytki i oprawki napędzane GISSTEC.

Dłutowanie uzębień i profili nieprzelotowych

W przypadku profilu nieprzelotowego trzeba zapewnić miejsce na zakończenie skoku oraz odprowadzenie wiórów.

Możliwe rozwiązania obejmują:

• wykonanie rowka wyjściowego,
• pozostawienie powiększonej przestrzeni za profilem,
• zastosowanie skróconego skoku,
• kontrolowane zatrzymanie noża przed dnem,
• użycie narzędzia specjalnie zaprojektowanego do otworu ślepego.

Przed uruchomieniem procesu należy przeanalizować nie tylko tor ruchu krawędzi skrawającej, ale także korpus noża, uchwyt, śruby mocujące oraz całą oprawkę.

Brak miejsca na wybieg może prowadzić do:

• kolizji z dnem,
• zakleszczenia wióra,
• wykruszenia płytki,
• odkształcenia narzędzia,
• przeciążenia mechanizmu oprawki.

Uzębienia zewnętrzne i wewnętrzne

Uzębienia zewnętrzne

Do kształtowej obróbki uzębień zewnętrznych można stosować:

• frezy krążkowe,
• frezy palcowe,
• narzędzia płytkowe,
• noże do dłutowania,
• programowane strategie wieloosiowe.

Frez krążkowy jest często rozwiązaniem najprostszym, o ile konstrukcja części umożliwia swobodny dostęp i wyjście narzędzia poza całą szerokość uzębienia.

Uzębienia wewnętrzne

Klasyczny frez krążkowy nie może wejść do wnętrza wieńca. W zależności od średnicy otworu, modułu, długości uzębienia i wielkości serii stosuje się:

• frez palcowy,
• nóż do dłutowania,
• dłutak na płytkę,
• specjalną głowicę do frezowania wewnętrznego,
• programowane frezowanie wieloosiowe,
• dłutowanie Fellowsa,
• Power Skiving,
• przeciąganie.

Przy małej serii wykonanie uzębienia wewnętrznego na tokarce lub centrum CNC może być bardziej ekonomiczne niż zakup specjalnego przeciągacza. Przy produkcji seryjnej należy jednak porównać czas cyklu z dłutowaniem Fellowsa, Power Skivingiem i przeciąganiem.

Obróbka kształtowa dużych kół zębatych

Przy bardzo dużych średnicach i modułach ekonomika procesu wygląda inaczej niż w typowej produkcji mniejszych kół.

Wraz ze wzrostem modułu zwiększają się:

• objętość materiału usuwanego z jednego wrębu,
• siły i moment skrawania,
• średnica oraz masa narzędzia,
• wymagania wobec wrzeciona,
• koszt wykonania freza ślimakowego,
• trudność transportu i obsługi narzędzi,
• znaczenie sztywności detalu i mocowania.

Przy jednostkowym kole o dużym module wykonanie specjalnego freza ślimakowego może być ekonomicznie nieuzasadnione. Frez krążkowy albo palcowy może być prostszy i tańszy, nawet jeżeli czas obróbki wrąb po wrębie jest dłuższy.

Uznani producenci technologii do dużych uzębień oferują maszyny łączące frezowanie obwiedniowe, profilowe i palcowe. Liebherr posiada centra do kół o średnicach sięgających wielu metrów, natomiast Gleason oferuje zarówno monolityczne narzędzia PM-HSS i węglikowe, jak i systemy płytkowe przeznaczone do wydajnej obróbki dużych kół.

Typowe zastosowania

Obróbka kształtowa dużych uzębień jest stosowana między innymi przy produkcji:

• wieńców młynów i pieców obrotowych,
• przekładni okrętowych,
• kół do walcarek,
• przekładni górniczych,
• napędów dźwigów i urządzeń przeładunkowych,
• przekładni energetycznych,
• elementów maszyn hutniczych,
• wałów i wielowypustów dla przemysłu ciężkiego.

Frezy krążkowe monolityczne

Monolityczny frez krążkowy jest korzystny, gdy wymagane są:

• precyzyjne odwzorowanie profilu,
• możliwość wielokrotnego ostrzenia,
• obróbka wykańczająca,
• powtarzalna produkcja,
• wykonanie profilu specjalnego dla konkretnej części.

Wraz ze wzrostem średnicy i modułu zwiększa się jednak koszt materiału, produkcji oraz regeneracji całego narzędzia.

Frezy krążkowe na płytki węglikowe

Przy bardzo dużych modułach można stosować stalowe korpusy z wymiennymi płytkami z węglika spiekanego, najczęściej pokrytymi powłoką dobraną do materiału obrabianego.

Ich podstawowe zalety to:

• wymiana zużytej krawędzi bez regeneracji całego korpusu,
• przydatność przy dużej objętości usuwanego materiału,
• możliwość intensywnej obróbki zgrubnej,
• wielokrotne wykorzystanie korpusu.

Narzędzia płytkowe są szczególnie uzasadnione w wielkogabarytowej obróbce zgrubnej i wysokowydajnym frezowaniu dużych kół. Dobór korpusu, płytek i strategii przejść należy traktować jako element kompletnego projektu obejmującego także maszynę i mocowanie.

Duże frezarki CNC do obwiedniowej i kształtowej obróbki uzębień – CJMT

Partnerem Tradensa w zakresie dużych maszyn do obróbki uzębień jest CJMT – Yichang Changjiang Machine Technology.

Poprzednik przedsiębiorstwa został założony w 1968 roku. Program producenta obejmuje frezarki do kół zębatych, frezarki obwiedniowe, dłutownice Fellowsa, maszyny do listew zębatych i obrabiarki specjalne. Oficjalna oferta CJMT zawiera frezarki profilowe do kół o średnicach sięgających wielu metrów oraz osobne serie frezarek obwiedniowych.

W ofercie Tradensa znajdują się:

• pionowe frezarki obwiedniowe do dużych kół,
• poziome frezarki obwiedniowe do długich wałów i wielowypustów,
• frezarki CNC do kształtowej obróbki dużych uzębień,
• maszyny pracujące na frezach krążkowych monolitycznych,
• maszyny przystosowane do frezów krążkowych na płytki skrawające.

CJMT oferuje osobne serie frezarek CNC typu Gear Milling Machine do obróbki uzębień wewnętrznych i zewnętrznych, prostych i skośnych.. Konstrukcje wykorzystują automatycznie ustawianą głowicę frezarską oraz stoły przeznaczone do przenoszenia dużych obciążeń.

Parametry poszczególnych modeli, zakresy modułów, średnic, długości wałów i wyposażenia znajdują się na stronie:

Duże frezarki CNC i frezarki obwiedniowe do kół zębatych i wielowypustów CJMT.

Uzębienia proste, skośne i daszkowe

Zęby proste

W kole o zębach prostych wrąb przebiega równolegle do osi obrotu części. Pozycja kątowa detalu może pozostawać stała podczas przejścia freza przez szerokość uzębienia.

Najważniejsze są:

• prawidłowe ustawienie płaszczyzny symetrii freza,
• dokładna głębokość,
• małe bicie narzędzia,
• stabilne mocowanie części,
• powtarzalne indeksowanie.

Zęby skośne

Przy uzębieniu skośnym wrąb przebiega po linii śrubowej. Podczas przesuwu narzędzia wzdłuż szerokości koła musi wystąpić zsynchronizowany obrót detalu albo odpowiednio złożony ruch osi maszyny.

Należy uwzględnić:

• moduł normalny i czołowy,
• kąt pochylenia linii zęba,
• kierunek pochylenia,
• przekrój, dla którego został zaprojektowany frez,
• synchronizację ruchu liniowego i obrotowego,
• miejsce na wejście oraz wyjście narzędzia.

Zastosowanie freza przeznaczonego do uzębienia prostego bez właściwego przeliczenia geometrii może prowadzić do błędów profilu i grubości zęba.

Koła daszkowe i podwójnie skośne

Koła daszkowe są trudne do wykonania klasycznym frezem ślimakowym, szczególnie gdy pomiędzy przeciwnymi kierunkami zębów nie występuje wystarczająco szeroki rowek.

Możliwe technologie obejmują:

• frezowanie palcowe,
• frezowanie profilowe,
• programowane frezowanie wieloosiowe,
• dłutowanie.

To jeden z powodów, dla których nowoczesne centra do dużych uzębień łączą głowice obwiedniowe z dodatkowymi głowicami palcowymi i obróbką czteroosiową.

Dokładność obróbki kształtowej

Nie należy bezwarunkowo przyjmować, że obróbka kształtowa pozwala wykonywać wyłącznie koła w niskich klasach dokładności.

Takie przekonanie wynika głównie z ograniczeń dawnych warunków produkcyjnych:

• mechanicznych podzielnic,
• luzów maszyn konwencjonalnych,
• ręcznego ustawiania głębokości,
• trudności w ustawieniu symetrii narzędzia,
• stosowania przybliżonych frezów zestawowych.

We współczesnym procesie końcowa jakość zależy od całego układu technologicznego:

• dokładności profilu freza lub noża,
• bicia promieniowego i osiowego,
• dokładności osi indeksującej,
• sztywności maszyny,
• sposobu zamocowania części,
• odkształcenia obrabianego wieńca,
• stabilności cieplnej,
• zużycia krawędzi,
• strategii zgrubnej i wykańczającej,
• pomiaru oraz kompensacji.

Prosty frez modułowy pracujący na starej podzielnicy i specjalnie obliczone narzędzie pracujące na sztywnej frezarce CNC są dwoma zupełnie różnymi procesami. Sama nazwa metody nie określa możliwej klasy dokładności.

Kontrola wykonanego uzębienia

W zależności od wymagań części kontroluje się między innymi:

• odchyłkę profilu,
• odchyłkę linii zęba,
• podziałkę pojedynczą,
• skumulowaną odchyłkę podziałki,
• bicie uzębienia,
• grubość zęba,
• wymiar przez wałeczki lub kulki,
• wymiar przez określoną liczbę zębów,
• chropowatość powierzchni.

Przy dużych kołach korzystne może być wykorzystanie sondy pomiarowej bezpośrednio na maszynie. Pozwala to wykryć odchyłkę przed zakończeniem całego procesu i ograniczyć konieczność ponownego mocowania ciężkiego detalu.

Najczęstsze błędy przy frezowaniu i dłutowaniu kształtowym

Dobór freza wyłącznie na podstawie modułu

Moduł i kąt przyporu nie opisują pełnej geometrii wrębu. Trzeba uwzględnić również liczbę zębów, korekcję zarysu, średnice, promienie oraz wymagane modyfikacje.

Pominięcie różnicy pomiędzy modułem normalnym i czołowym

Problem dotyczy przede wszystkim uzębień skośnych. Brak jednoznacznego określenia układu odniesienia może doprowadzić do zaprojektowania niewłaściwego narzędzia.

Niedokładne ustawienie symetrii freza

Nieprawidłowe ustawienie prowadzi do asymetrii wrębu i różnej geometrii lewej oraz prawej strony zęba.

Nadmierne bicie narzędzia

Bicie powoduje nierównomierne obciążenie ostrzy, przyspieszone zużycie wybranych krawędzi i pogorszenie powierzchni.

Zbyt mała sztywność mocowania

Problem ma szczególne znaczenie przy cienkich wieńcach i dużych kołach. Część może odkształcać się pod wpływem siły skrawania, a po zwolnieniu mocowania zmienić geometrię.

Próba wykonania pełnego wrębu jednym ciężkim przejściem

Przy dużym module może prowadzić do przeciążenia narzędzia i maszyny. Korzystniejsze bywa zastosowanie kilku przejść albo osobnej obróbki zgrubnej i wykańczającej.

Brak miejsca na wybieg

Dotyczy profili położonych przy kołnierzu, uzębień wewnętrznych i otworów ślepych. Należy analizować tor całego narzędzia i oprawki, a nie tylko samej krawędzi skrawającej.

Brak kontroli indeksowania

Nawet niewielki błąd każdej kolejnej pozycji może prowadzić do znacznej skumulowanej odchyłki podziałki.

Mylenie dłutowania kształtowego z Fellowsem

W dłutowaniu kształtowym każdy wrąb jest odwzorowywany oddzielnie. W metodzie Fellowsa profil jest generowany przez zsynchronizowany ruch narzędzia i obrabianej części.

Kiedy obróbka kształtowa jest najlepszym wyborem?

Metodę warto rozważyć szczególnie wtedy, gdy:

• wykonywana jest pojedyncza część,
• produkcja ma charakter krótkoseryjny,
• uzębienie ma duży moduł,
• koło ma bardzo dużą średnicę,
• profil jest nietypowy lub historyczny,
• część jest odtwarzana na podstawie wzorca,
• koszt freza ślimakowego byłby nieproporcjonalny do liczby części,
• zakład dysponuje odpowiednią frezarką CNC, dłutownicą albo tokarką,
• profil ma być wykonany w jednym zamocowaniu,
• potrzebny jest wielowypust wewnętrzny w małej serii,
• ważniejsza jest elastyczność niż minimalny czas cyklu.

Kiedy korzystniejsza będzie inna technologia?

Aplikacja	Najczęściej rozważana technologia
Seryjne zewnętrzne koło zębate	Frezowanie obwiedniowe
Jednostkowe koło o dużym module	Frez krążkowy albo palcowy
Wielkogabarytowe koło zębate	Frezowanie profilowe narzędziem monolitycznym lub płytkowym
Nietypowy profil zewnętrzny	Specjalny frez kształtowy
Wielowypust wewnętrzny w małej serii	Dłutowanie kształtowe
Profil wykonywany na tokarce w jednym zamocowaniu	Dłutowanie statyczne albo live broaching
Seryjne koło zębate wewnętrzne	Fellows lub Power Skiving
Masowa produkcja powtarzalnego profilu wewnętrznego	Przeciąganie albo przepychanie
Koło po hartowaniu	Szlifowanie, honowanie lub odpowiednia obróbka na twardo
Koło daszkowe	Frez palcowy, frezowanie wieloosiowe, power skiving albo dłutowanie

Power Skiving jest procesem ciągłym, wymagającym dokładnej synchronizacji wrzeciona narzędzia i obrabianej części. Może być znacznie wydajniejszy przy produkcji seryjnej uzębień wewnętrznych, lecz wymaga odpowiedniej maszyny i specjalnego narzędzia. Więcej informacji znajduje się w artykule co to jest Power Skiving – zalety, wady i ograniczenia technologii.

Dane potrzebne do zaprojektowania procesu

Do prawidłowego doboru freza, dłutaka i maszyny należy przygotować możliwie pełną dokumentację.

Dane uzębienia

• profil wewnętrzny lub zewnętrzny,
• moduł normalny albo czołowy,
• system DP lub CP,
• liczba zębów,
• kąt przyporu,
• kąt i kierunek pochylenia linii zęba,
• współczynnik przesunięcia zarysu,
• średnica wierzchołków i dna wrębów,
• szerokość uzębienia,
• wysokość głowy i stopy,
• promień u podstawy,
• grubość zęba,
• wymagane fazy, podcięcia i modyfikacje,
• wymiar kontrolny,
• wymagana klasa dokładności.

Dane obrabianej części

• pełny rysunek techniczny,
• materiał i twardość,
• stan przed lub po obróbce cieplnej,
• pozostawiony naddatek,
• wielkość produkowanej serii,
• powierzchnie bazowe,
• ograniczenia dojścia i wybiegu narzędzia.

Dane maszyny

• typ i model obrabiarki,
• dostępne osie,
• dokładność osi obrotowej,
• moc i moment wrzeciona,
• zakres prędkości obrotowych,
• sposób mocowania freza,
• maksymalna średnica narzędzia,
• dostępny skok,
• możliwość pracy z oprawką napędzaną,
• sposób mocowania części.

Przy częściach odtworzeniowych pomocne mogą być także:

• istniejący detal,
• współpracujące koło,
• wcześniej stosowany frez,
• protokół pomiarowy,
• wyniki pomiaru przez wałeczki lub kulki,
• skan profilu.

Powiązana oferta Tradensa

Frezy krążkowe i palcowe CTI

Frezy kształtowe krążkowe modułowe i palcowe do kół zębatych oraz wielowypustów

Oferta obejmuje narzędzia standardowe i specjalne CTI, wykonywane według danych uzębienia, dokumentacji, normy, wzorca lub istniejącego narzędzia.

Noże do dłutowania i oprawki napędzane GISSTEC

Narzędzia do dłutowania, dłutaki na płytki, noże dłutownicze i oprawki napędzane

Systemy do dłutowania statycznego oraz live broachingu na tokarkach CNC, centrach obróbczych i dłutownicach.

Duże frezarki do uzębień CJMT

Duże frezarki CNC i frezarki obwiedniowe do kół zębatych i wielowypustów

Maszyny do dużych średnic, modułów i długich wałów, w tym frezarki do kształtowej obróbki uzębień frezami krążkowymi monolitycznymi i płytkowymi.

Powiązana wiedza

• Frezowanie obwiedniowe kół zębatych i wielowypustów – frezy ślimakowe
• Dłutowanie kół zębatych i wielowypustów – dłutaki Fellowsa
• Co to jest Power Skiving? Zalety, wady i ograniczenia
• Program CNC do dłutowania na tokarce – live broaching
• Oprawki i uchwyty do dłutowania UT i UTM
• Materiały oraz pokrycia stosowane na narzędzia do kół zębatych

Podsumowanie

Obróbka kształtowa nie jest jedynie historyczną ani mniej dokładną alternatywą dla frezowania obwiedniowego. Jest szeroką grupą technologii obejmującą klasyczne frezowanie frezami krążkowymi i palcowymi, profilową obróbkę wielkogabarytowych kół oraz dłutowanie wrąb po wrębie na dłutownicach, tokarkach i centrach CNC.

Jej największą zaletą jest elastyczność. Pozwala wykonywać pojedyncze części, duże moduły, profile specjalne, uzębienia odtworzeniowe i wielowypusty bez konieczności inwestowania w dedykowane narzędzie obwiedniowe albo osobną linię produkcyjną.

W typowej produkcji seryjnej zewnętrznych kół zębatych wydajniejsze będzie najczęściej frezowanie obwiedniowe. Przy seryjnych uzębieniach wewnętrznych warto rozważyć Fellowsa, Power Skiving albo przeciąganie. Przy dużych kołach, krótkich seriach, nietypowych profilach i obróbce wykonywanej w jednym zamocowaniu metoda kształtowa może być jednak najbardziej racjonalnym rozwiązaniem technicznym i ekonomicznym.

Nie dobiera się wyłącznie freza lub noża. Dobiera się kompletny proces obejmujący geometrię narzędzia, materiał i powłokę, maszynę, mocowanie, sposób indeksowania, strategię przejść oraz metodę kontroli gotowego uzębienia.

Potrzebujesz dobrać narzędzie lub technologię obróbki?

Tradensa wspólnie z producentami CTI, GISSTEC i CJMT pomaga w doborze:

• frezów krążkowych i palcowych do kół zębatych, wielowypustów i profili specjalnych,
• noży do dłutowania, dłutaków na płytki oraz oprawek napędzanych do tokarek CNC,
• technologii obróbki dużych kół zębatych narzędziami monolitycznymi lub płytkowymi,
• frezarek CNC do dużych uzębień i długich wałów.

Do analizy najlepiej przesłać rysunek detalu, dane uzębienia, materiał i twardość, wielkość serii oraz informacje o dostępnej maszynie.

Skontaktuj się z Tradensa i prześlij dokumentację do analizy

FAQ - najczęściej zadawane pytania

Czy poprawnie mówi się „frezowanie ząb po zębie”?

Określenie jest powszechnie używane i zrozumiałe, ale technicznie dokładniejsze jest „frezowanie wrąb po wrębie”. Narzędzie wykonuje przestrzeń pomiędzy sąsiednimi zębami.

Czy jeden frez krążkowy może wykonywać wszystkie koła o danym module?

Nie. Standardowe frezy modułowe są przypisane do określonych zakresów liczby zębów. Przy dokładnych uzębieniach i profilach specjalnych korzystniejsze jest wykonanie freza zaprojektowanego do konkretnej geometrii.

Czy frezem krążkowym można wykonać koło o zębach skośnych?

Tak, pod warunkiem że maszyna realizuje wymagany ruch śrubowy, a profil freza został obliczony dla odpowiedniego kąta pochylenia i przekroju uzębienia.

Czy frezy krążkowe i palcowe można ostrzyć?

Tak. Liczba możliwych ostrzeń zależy od konstrukcji freza, materiału i dopuszczalnej zmiany wymiarów. Ostrzenie musi zachować geometrię narzędzia, a po regeneracji może być wskazane ponowne powlekanie.

Kiedy wybrać stal proszkową zamiast klasycznego HSS?

PM-HSS jest korzystny przy trudniejszych materiałach, większych seriach i wyższych parametrach. Zapewnia większą odporność na zużycie przy zachowaniu wyższej ciągliwości niż typowy pełny węglik.

Czym dłutowanie kształtowe różni się od dłutowania Fellowsa?

Nóż kształtowy odwzorowuje pojedynczy wrąb, po czym detal jest indeksowany. Dłutak Fellowsa generuje profil przez zsynchronizowany ruch obrotowy narzędzia i części.

Czy koło zębate można wykonać na tokarce CNC?

Tak. Uzębienie albo wielowypust może być dłutowany statycznie z wykorzystaniem osi liniowej lub dynamicznie za pomocą oprawki napędzanej do dłutowania. Kolejne wręby są indeksowane przy użyciu osi C.

Czy oprawka napędzana do dłutowania i uchwyt do płytki to ten sam element?

Nie. Uchwyt mocuje nóż albo płytkę, natomiast kompletna oprawka napędzana wytwarza ruch posuwisto-zwrotny narzędzia. W systemie GISSTEC uchwyty UT stosuje się przede wszystkim statycznie, a UTM współpracują z jednostkami napędzanymi NG.

Czy obróbka kształtowa nadaje się do bardzo dużych kół?

Tak. Jest często wykorzystywana przy bardzo dużych średnicach i modułach, zwłaszcza gdy wykonanie dedykowanego freza ślimakowego byłoby zbyt kosztowne w stosunku do liczby produkowanych części.

Źródła:

 

1. Ochęduszko K., Koła zębate, tom 2 wykonanie i montaż, Wyd. VI (reprint), 3 dodruk, WNT, Warszawa, 2015, ISBN 978-83063623-05-0
2. Dul-Korzyńska B.:, Obróbka skrawaniem i narzędzia, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów, 2005, ISBN 83-7199-366-8