Technologie obróbki kół zębatych dzielą się na kilka metod w tym artykule opiszemy metodę obwiedniową, która jest wynikiem obtaczania się narzędzia z obrabianym przedmiotem, a ponadto występuje tutaj cykl ciągły obróbki, tzn. dzielenie ma miejsce podczas obróbki koła.

Metoda kształtowa i pozostałe technologie obróbki kół zębatych opisane są tutaj i tutaj.

Metody obwiedniowe produkcji kół zębatych i wielowypustów - dłutowanie metodą Maaga, dłutowanie metodą Sunderlanda, dłutowanie metoda Fellowsa, frezowanie obwiedniowe

Metoda obwiedniowa polega na tym, że podczas nacinania uzębienia narzędzie wykonuje taki ruch względny jaki istniałby, gdyby część miała już wcześniej nacięte uzębienie. Oprócz ruchu głównego narzędzia występuje tutaj również ruch toczny zwany inaczej odtaczaniem, którego efektem finalnym jest ewolwentowy zarys uzębienia. Ruch toczny składa się z ruchu obrotowego obrabianego koła oraz ruchu posuwowego:

• obrabianego koła w metodzie Maaga,

• suportu z narzędziem w metodzie Sunderlanda,

• ruchu obrotowego freza ślimakowego (rozmieszczenie zębów wzdłuż linii śrubowej).

W metodzie obwiedniowej część obrabiana oraz narzędzie toczą się po sobie zajmując następujące, przedstawione na rys. 1 położenia [1]:

Rys. 1. Kolejna położenia krawędzi skrawającej w obróbce obwiedniowej [1]

Taki rodzaj obróbki umożliwia uzyskanie optymalnych warunków do wygenerowania zarysu ewolwentowego. Dzięki temu przekładnie o takim profilu posiadają dużą sprawność zazębienia oraz stały kierunek i wielkość przenoszonych sił skutkujące brakiem drgań [2].

Dłutowanie metodą Maaga na dłutownicy Maaga – niewykorzystywana już dzisiaj metoda obróbki uzębień dłutakiem w postaci listwy zębatej wykonującą główny ruch posuwisto zwrotny. Obrabiane koło wykonuje zarówno ruch obrotowy jak i posuwowy.

Rys. 2. Dłutowanie metodą Maaga [3]

Na rysunku 2 można zauważyć następujące po sobie kolejne fazy cyklu, w których zębatka wykonuje ruchy posuwisto-zwrotne, natomiast obrabiane koło oprócz wcześniej wspomnianego ruchu obrotowego wykonuje również ruch przesuwowy [3].

Struganie metodą Sunderlanda na strugarce Sunderlanda – metoda podobna do poprzedniej z tym, że ruch posuwy wykonuje zębatka.

Rys. 3. Struganie metodą Sunderlanda [3]

Rysunek 3 przedstawia fazy cyklu pracy obwiedniowej metody Sunderlanda, koło wykonuje tylko ruch obrotowy, natomiast zębatka wykonuje ruchy posuwisto zwrotne oraz przesuwowe, początkowo pionowo do góry, po czym pionowo w dół.

Rys. 4. Posuw w metodzie: a) Maaga za pomocą koła, b) Sunderlanda za pomocą listwy [3]

Na rysunku 4 można zauważyć porównanie obu wcześniej wspomnianych obróbek kół metodami Maaga oraz Sunderlanda. Ruch posuwowy umożliwiający wytworzenie ewolwenty realizowany jest albo poprzez obrabiane koło albo poprzez narzędzie, w przypadku tych metod poprzez dłutak pod postacią listwy zębatej. Obie metody służyły kiedyś do obróbki uzębień zewnętrznych i są już dzisiaj praktycznie nieużywane, ze względu na znacznie niższe możliwe do osiągnięcia parametry obróbkowe, a co za tym idzie również znacznie dłuższy czas obróbki, zostały one wyparte przez dalej opisane frezowanie obwiedniowe.

Dłutowanie metodą Fellowsa na dłutownicy konwencjonalnej lub dłutownicy CNC – metoda polegająca na obróbce przy użyciu noży Fellowsa, tzw. dłutaków (rys. 5) na odmianie maszyn strugarskich zwanych dłutownicami. Dłutak (nóż) Fellowsa wykonuje zarówno ruch obrotowy jak i posuwisto-zwrotny, obrabiane koło wykonuje tylko ruch obrotowy. Zarys zęba jest obwiednią kolejnych zmieniających się położeń krawędzi skrawającej narzędzia. Metoda wykorzystywana jest głównie do obróbki na gotowo uzębień wewnętrznych [1]. W dłutowaniu dąży się zazwyczaj do unikania obróbki zgrubnej, w celu wyeliminowania problematycznego ze względu na sposób dojścia ściernicy procesu szlifowania.

Rys. 5. Różne typy dłutaków Fellowsa: a) talerzowy, b) garnkowy, c) trzpieniowy [1]

Frezowanie frezem obwiedniowym (frezem ślimakowym) – metoda w pracy bardzo podobna do połączenia ślimacznicy ze ślimakiem. Po pojedynczym obrocie freza ślimakowego koło obróci się o kąt odpowiadający k-krotności podziałki w zależności od liczby zwojów [3].

Rys. 6. Kinematyka obróbki przeciwbieżnej koła zębatego frezem ślimakowym [3]

Rys. 7. Obrazowe przedstawienie obróbki przeciwbieżnej koła zębatego [4]

 Frez ślimakowy wykonuje zarówno ruch obrotowy jak i posuwowy, a obrabiane koło wykonuje tylko ruch obrotowy. Rozmieszczenie zębów freza ślimakowego po linii śrubowej imituje ruch przesuwania się zębatki. Zarys zęba jest obwiedniową kolejnych zmieniających się położeń krawędzi skrawającej. Przykład obróbki konwencjonalnej frezem ślimakowym przedstawiono na rysunku 6 oraz 7.

Największą zaletą metody frezowania obwiedniowego jest jego uniwersalność i szeroki zakres stosowania pod kątem zakresu liczy zębów w obrabianej części. Nacinanie uzębień o tym samym profilu jednym narzędziem kształtowym (np. frezem krążkowym) lub dłutakiem Fellowsa nie jest możliwe dla uzębień o różnej liczbie zębów ze względu na niebezpieczeństwo otrzymania błędnego profilu zębów w procesie dłutowania. W przypadku obróbki frezem ślimakowym uzyskujemy znacznie większą elastyczność i w dużej liczbie przypadków możliwość frezowania kół o dowolnej liczbie zębów. Średnica koła obrabianych za pomocą frezów obwiedniowych nie gra większej roli. Nadal prawdopodobne jest osiągnięcie złego profilu w skrajnie różnej liczby zębów, jeżeli np. różnica wynosi więcej jak 100, ale dla mniejszych zakresów nie potrzeba całej gamy narzędzi kształtowych (zestawy frezów krążkowych), wystarczy jeden frez ślimakowy. Narzędzie podczas pracy zamocowane jest na trzpieniu pod odpowiednim, ściśle określonym kątem, z kierunkiem również zależnym od kierunku pochylenia uzębienia co zostało przedstawione na rysunku 8.

Rys. 8. Kierunek ustawienia freza na maszynie w zależności od kierunku pochylenia zębów w obrabianej części [3]

Kierunek frezowania obwiedniowego - frezowanie obwiedniowe współbieżne i przeciwbieżne

Ze względu na kinematykę frezowanie obwiedniowe frezem ślimakowym można podzielić tak jak w przypadku frezowania klasycznego na dwa typy:

• współbieżne (ang. climb hobbing),

• przeciwbieżne (ang. up-cut hobbing).

Oba typy przedstawiono na rysunku 9. Należy pamiętać również, że kierunek obrotu obrabianego koła jest również zależny od współczynnika wysokości głowy zęba. Jeżeli współczynnik jest ujemny obrabiane koło powinno kręcić się zgodnie ze wskazówkami zegara, jeżeli natomiast dodatni to przeciwnie.

Rys. 9. Kierunek obrotu koła przy frezowaniu współbieżnym (po prawej) oraz przeciwbieżnym (po lewej) w zależności od współczynnika wysokości głowy zęba [4]

Zdecydowanie częściej wykorzystywane jest frezowanie współbieżne ze względu na lepszy rozkład sił we frezie ślimakowym. Najbardziej narażoną częścią freza ślimakowego na siły zginające jest jego głowa, ponieważ jest ona pierwszym elementem biorącym udział w skrawaniu. W frezowaniu przeciwbieżnym przy wejściu w materiał głowa freza ślimakowego wcina się w płaską powierzchnię przyjmując na siebie bardzo dużo siły gnącej. Może to skrajnie doprowadzić nawet do wyłamania zębów. Aby tego uniknąć w nowoczesnym frezowaniu obwiedniowym frezami ślimakowymi stosuje się głównie frezowanie współbieżne, dodatkowo w przypadku mniejszych bądź średnich modułów wykonane w jednym przejściu. Istnieje jeszcze metoda łączona wykorzystywana głównie w przemyśle samochodowym, tzn. obróbka odbywa się w dwóch przejściach, pierwszym współbieżny oraz drugim przeciwbieżnym. Pierwsze przejście freza ślimakowego jest tzw. przejściem zgrubnym, drugie przejście natomiast jest wykańczające. Po zejściu do pozycji wyjściowej narzędzie automatycznie pozycjonuje się do wykonania następnej części.

Dokładność wykonania kół walcowych (do kół stożkowych używa się innych metod, obróbki koła zębatego stożkowego można dokonać m. in. za pomocą metody fiat mammano), w przypadku frezowania obwiedniowego na nowoczesnych obrabiarkach CNC daje technologicznie bardzo dokładny zarys zęba (kształt wrębu międzyzębnego). Proces produkcyjny wytwarzania kół zębatych o zębach prostych i skośnych, w porównaniu z obróbką kształtową jest dokładniejszy i szybszy. Narzędzie w kształcie koła jakim jest dłutak fellowsa wymaga precyzyjnych maszyn do obróbki i wykonywania kół zębatych, zwanych dłutownicami, obecnie najlepiej w wersji CNC. Proces obróbki i precyzyjny zarys narzędzia do obróbki kół zębatych jest kluczem w osiągnięciu zgodnego zarysu w obrabianym kole.

Zastosowanie metody obwiedniowej w porównaniu z metodą kopiową (gdzie wadą metody kopiowej jest poleganie na odwzorowaniu zarysu wrębu obrabianego koła) z jednej strony wymaga konieczności posiadania dużej produkcji i dedykowanych maszyn, ale z drugiej eliminuje potrzebę zakupu dużej liczby narzędzi do obróbki zewnętrznych kół i uzębień o tych samych profilach. Parametry kół zębatych i rodzaje kół zębatych o tym samym zębie po odpowiedniej obróbce obwiedniowej nie wykazują różnicy zaobserwowanych granicznych położeń zarysu odniesienia. Koła zębate to elementy, które wykonane poprawnie metodą obwiedniową z odpowiednio wykonanym pomiarem bicia promieniowego uzębienia, spełnią swoją rolę wzorowo, umożliwiając bezawaryjną pracę przekładni zębatej. Metody obwiedniowe są możliwe do realizacji również na głowicy centr obróbczych i tokarek CNC poprzez oprawki napędzane.

Oferta narzędzi i maszyn do kół zębatych i wielowypustów:

Frezy ślimakowe nasadzane i trzpieniowe - tutaj

Dłutaki i noże Fellowsa - tutaj.

Frezy palcowe i krążkowe - tutaj. 

Frezarki obwiedniowe CNC - tutaj.

Sprawdziany do wielowypustów i koła zębate wzorcowe - tutaj.

Jeżeli interesuje Cię natomiast budowa frezów ślimakowych zapraszamy do przeczytania naszego obszernego artykułu -> tutaj. 

Źródła:

1. Dul-Korzyńska B.:, Obróbka skrawaniem i narzędzia, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów, 2005, ISBN 83-7199-366-8

2. Ochęduszko K., Koła zębate, tom 1 konstrukcja, Wyd. III (reprint), 3 dodruk, WNT, Warszawa, 2014, ISBN 978-83-63623-04-3

3. Ochęduszko K., Koła zębate, tom 2 wykonanie i montaż, Wyd. VI (reprint), 3 dodruk, WNT, Warszawa, 2015, ISBN 978-83063623-05-0

4. Tapoglou N., Belis T., Vakondios D., Antoniadis A., CAD-Based Simulation of Gear hobbing, 31st Int. Symposium on Mechanics and Materials, May 9-14, 2010, Greece