فرآیند ماشینکاری چرخ‌دنده، پارامترهای برش و الزامات ابزار در صورتی که چرخ‌دنده برای چرخاندن بیش از حد سخت باشد و نیاز به بهبود راندمان ماشینکاری باشد.

چرخ‌دنده عنصر اصلی انتقال قدرت در صنعت خودرو است. معمولاً هر خودرو دارای ۱۸ تا ۳۰ دندانه است. کیفیت چرخ‌دنده مستقیماً بر سر و صدا، پایداری و عمر مفید خودرو تأثیر می‌گذارد. ماشین‌ابزار پردازش چرخ‌دنده یک سیستم پیچیده ماشین‌ابزار و یک تجهیزات کلیدی در صنعت خودرو است. قدرت‌های تولید خودرو در جهان مانند ایالات متحده، آلمان و ژاپن نیز از قدرت‌های تولید ماشین‌ابزار پردازش چرخ‌دنده هستند. طبق آمار، بیش از ۸۰٪ چرخ‌دنده‌های خودرو در چین توسط تجهیزات ساخت چرخ‌دنده داخلی پردازش می‌شوند. در عین حال، صنعت خودرو بیش از ۶۰٪ ماشین‌ابزار پردازش چرخ‌دنده را مصرف می‌کند و صنعت خودرو همیشه بدنه اصلی مصرف ماشین‌ابزار خواهد بود.

فناوری پردازش چرخ دنده

۱. ریخته‌گری و ساخت قالب خام

آهنگری داغ هنوز هم یک فرآیند ریخته‌گری خالی پرکاربرد برای قطعات چرخ‌دنده خودرو است. در سال‌های اخیر، فناوری نورد گوه متقاطع به طور گسترده در ماشینکاری شفت ارتقا یافته است. این فناوری به ویژه برای ساخت شمش برای شفت‌های درب پیچیده مناسب است. این روش نه تنها دقت بالا و هزینه ماشینکاری بعدی کمی دارد، بلکه راندمان تولید بالایی نیز دارد.

۲. عادی‌سازی

هدف از این فرآیند، دستیابی به سختی مناسب برای برش دنده بعدی و آماده‌سازی ریزساختار برای عملیات حرارتی نهایی است تا تغییر شکل عملیات حرارتی به طور مؤثر کاهش یابد. جنس فولاد دنده مورد استفاده معمولاً 20CrMnTi است. به دلیل تأثیر زیاد کارکنان، تجهیزات و محیط، کنترل سرعت خنک‌سازی و یکنواختی خنک‌سازی قطعه کار دشوار است و در نتیجه پراکندگی سختی زیاد و ساختار متالوگرافی ناهموار ایجاد می‌شود که مستقیماً بر برش فلز و عملیات حرارتی نهایی تأثیر می‌گذارد و منجر به تغییر شکل حرارتی بزرگ و نامنظم و کیفیت غیرقابل کنترل قطعه می‌شود. بنابراین، فرآیند نرمال‌سازی ایزوترمال اتخاذ می‌شود. تجربه ثابت کرده است که نرمال‌سازی ایزوترمال می‌تواند به طور مؤثر معایب نرمال‌سازی عمومی را تغییر دهد و کیفیت محصول پایدار و قابل اعتماد باشد.

۳. چرخش

به منظور برآورده کردن الزامات موقعیت‌یابی در پردازش چرخ‌دنده با دقت بالا، تمام قطعات چرخ‌دنده توسط ماشین‌های تراش CNC پردازش می‌شوند که بدون نیاز به سنگ‌زنی مجدد ابزار تراش، به صورت مکانیکی گیره می‌شوند. پردازش قطر سوراخ، سطح انتهایی و قطر خارجی به صورت همزمان تحت گیره‌بندی یک‌باره انجام می‌شود که نه تنها الزامات عمودی بودن سوراخ داخلی و سطح انتهایی را تضمین می‌کند، بلکه پراکندگی کوچک قطعات چرخ‌دنده حجیم را نیز تضمین می‌کند. بنابراین، دقت قطعه چرخ‌دنده بهبود یافته و کیفیت ماشینکاری چرخ‌دنده‌های بعدی تضمین می‌شود. علاوه بر این، راندمان بالای ماشینکاری تراش NC نیز تعداد تجهیزات را به میزان زیادی کاهش می‌دهد و از نظر اقتصادی مقرون به صرفه است.

۴. فرزکاری و شکل‌دهی چرخ‌دنده

ماشین‌های فرزکاری چرخ‌دنده معمولی و شکل‌دهنده‌های چرخ‌دنده هنوز هم به طور گسترده برای پردازش چرخ‌دنده استفاده می‌شوند. اگرچه تنظیم و نگهداری آنها راحت است، اما راندمان تولید پایین است. اگر ظرفیت زیادی تکمیل شود، باید چندین ماشین به طور همزمان تولید شوند. با توسعه فناوری پوشش‌دهی، پوشش‌دهی مجدد چرخ‌دنده‌ها و پیستون‌ها پس از سنگ‌زنی بسیار راحت است. عمر مفید ابزارهای پوشش‌دهی شده می‌تواند به طور قابل توجهی، عموماً بیش از 90٪، بهبود یابد و به طور موثر تعداد تعویض ابزار و زمان سنگ‌زنی را کاهش دهد و مزایای قابل توجهی داشته باشد.

۵. تراشیدن

فناوری تراشکاری چرخ‌دنده‌های شعاعی به دلیل راندمان بالا و تحقق آسان الزامات اصلاح پروفیل دندانه طراحی شده و جهت دندانه، به طور گسترده در تولید انبوه چرخ‌دنده‌های خودرو مورد استفاده قرار می‌گیرد. از زمانی که این شرکت در سال ۱۹۹۵ دستگاه تراشکاری چرخ‌دنده‌های شعاعی مخصوص را از یک شرکت ایتالیایی برای تحول فنی خریداری کرد، در کاربرد این فناوری به بلوغ رسیده و کیفیت پردازش آن پایدار و قابل اعتماد است.

۶. عملیات حرارتی

چرخ‌دنده‌های خودرو برای اطمینان از خواص مکانیکی خوب خود نیاز به کربن‌دهی و کوئنچ دارند. تجهیزات عملیات حرارتی پایدار و قابل اعتماد برای محصولاتی که دیگر پس از عملیات حرارتی در معرض سنگ‌زنی چرخ‌دنده قرار نمی‌گیرند، ضروری است. این شرکت خط تولید مداوم کربن‌دهی و کوئنچ شرکت German Lloyd's را معرفی کرده است که به نتایج عملیات حرارتی رضایت‌بخشی دست یافته است.

۷. سنگ‌زنی

این ماده عمدتاً برای پرداخت سوراخ داخلی چرخ‌دنده عملیات حرارتی شده، سطح انتهایی، قطر بیرونی شفت و سایر قطعات برای بهبود دقت ابعادی و کاهش تلرانس هندسی استفاده می‌شود.

پردازش دنده از فیکسچر دایره گام برای موقعیت‌یابی و بستن استفاده می‌کند که می‌تواند به طور موثر دقت ماشینکاری دندانه و مرجع نصب را تضمین کند و کیفیت محصول رضایت‌بخش را به دست آورد.

۸. اتمام کار

این کار برای بررسی و تمیز کردن برآمدگی‌ها و برآمدگی‌های روی قطعات چرخ‌دنده گیربکس و محور محرک قبل از مونتاژ است تا نویز و صدای غیرعادی ناشی از آنها پس از مونتاژ از بین برود. از طریق درگیری تک جفت به صدا گوش دهید یا انحراف درگیری را با تستر جامع مشاهده کنید. قطعات محفظه گیربکس تولید شده توسط شرکت تولیدی شامل محفظه کلاچ، محفظه گیربکس و محفظه دیفرانسیل است. محفظه کلاچ و محفظه گیربکس قطعات تحمل بار هستند که عموماً از آلیاژ آلومینیوم ریخته‌گری تحت فشار از طریق ریخته‌گری تحت فشار ویژه ساخته می‌شوند. شکل آنها نامنظم و پیچیده است. جریان کلی فرآیند شامل فرزکاری سطح اتصال → ماشینکاری سوراخ‌ها و سوراخ‌های اتصال → سوراخ‌های یاتاقان سوراخ‌کاری خشن → سوراخ‌های یاتاقان سوراخ‌کاری ریز و پیدا کردن سوراخ‌های پین → تمیز کردن → آزمایش و تشخیص نشتی است.

پارامترها و الزامات ابزارهای برش دنده

چرخ‌دنده‌ها پس از کربن‌دهی و کوئنچ به شدت تغییر شکل می‌دهند. به خصوص برای چرخ‌دنده‌های بزرگ، تغییر شکل ابعادی دایره بیرونی و سوراخ داخلی کربن‌دهی و کوئنچ شده معمولاً بسیار زیاد است. با این حال، برای تراشکاری دایره بیرونی چرخ‌دنده کربن‌دهی و کوئنچ شده، ابزار مناسبی وجود نداشته است. ابزار bn-h20 که توسط "Valin superhard" برای تراشکاری متناوب قوی فولاد کوئنچ شده توسعه داده شده است، تغییر شکل دایره بیرونی و سوراخ داخلی و سطح انتهایی چرخ‌دنده کربن‌دهی و کوئنچ شده را اصلاح کرده و به عنوان یک ابزار برش متناوب مناسب شناخته شده است. این ابزار در زمینه برش متناوب با ابزارهای فوق سخت، پیشرفتی جهانی داشته است.

تغییر شکل کربن‌دهی و کوئنچ دنده: تغییر شکل کربن‌دهی و کوئنچ دنده عمدتاً ناشی از عمل ترکیبی تنش پسماند ایجاد شده در حین ماشینکاری، تنش حرارتی و تنش ساختاری ایجاد شده در حین عملیات حرارتی و تغییر شکل ناشی از وزن خود قطعه کار است. به خصوص برای حلقه‌ها و چرخ‌دنده‌های بزرگ، حلقه‌های چرخ‌دنده بزرگ نیز به دلیل مدول بزرگ، لایه کربن‌دهی عمیق، زمان طولانی کربن‌دهی و وزن خود، تغییر شکل پس از کربن‌دهی و کوئنچ را افزایش می‌دهند. قانون تغییر شکل شفت چرخ‌دنده بزرگ: قطر خارجی دایره ضمیمه روند انقباض آشکاری را نشان می‌دهد، اما در جهت عرض دندانه شفت چرخ‌دنده، وسط آن کاهش می‌یابد و دو انتها کمی منبسط می‌شوند. قانون تغییر شکل حلقه چرخ‌دنده: پس از کربن‌دهی و کوئنچ، قطر خارجی حلقه چرخ‌دنده بزرگ متورم می‌شود. هنگامی که عرض دندانه متفاوت باشد، جهت عرض دندانه مخروطی یا درام کمری خواهد بود.

تراشکاری چرخ‌دنده پس از کربوریزاسیون و کوئنچ: تغییر شکل کربوریزاسیون و کوئنچ حلقه چرخ‌دنده را می‌توان تا حدی کنترل و کاهش داد، اما نمی‌توان به طور کامل از آن اجتناب کرد. برای اصلاح تغییر شکل پس از کربوریزاسیون و کوئنچ، در ادامه مختصری در مورد امکان‌سنجی تراشکاری و ابزارهای برشی پس از کربوریزاسیون و کوئنچ ارائه شده است.

تراشکاری دایره بیرونی، سوراخ داخلی و سطح انتهایی پس از کربن‌دهی و کوئنچ: تراشکاری ساده‌ترین راه برای اصلاح تغییر شکل دایره بیرونی و سوراخ داخلی چرخ‌دنده حلقه‌ای کربن‌دهی و کوئنچ شده است. پیش از این، هیچ ابزاری، از جمله ابزارهای سوپرهارد خارجی، نمی‌توانست مشکل برش متناوب شدید دایره بیرونی چرخ‌دنده کوئنچ شده را حل کند. از والین سوپرهارد دعوت شد تا تحقیق و توسعه ابزار را انجام دهد. «برش متناوب فولاد سخت شده همیشه یک مشکل دشوار بوده است، و فولاد سخت شده با سختی حدود HRC60 را هم نباید فراموش کرد، و میزان تغییر شکل مجاز زیاد است. هنگام تراشکاری فولاد سخت شده با سرعت بالا، اگر قطعه کار برش متناوب داشته باشد، ابزار هنگام برش فولاد سخت شده با بیش از 100 ضربه در دقیقه ماشینکاری را تکمیل می‌کند، که چالش بزرگی برای مقاومت در برابر ضربه ابزار است.» کارشناسان انجمن چاقوی چین این را می‌گویند. پس از یک سال آزمایش‌های مکرر، والین سوپرهارد برند ابزار برش سوپرهارد را برای تراشکاری فولاد سخت شده با ناپیوستگی قوی معرفی کرده است. آزمایش تراشکاری پس از کربن‌دهی و کوئنچ روی دایره بیرونی چرخ‌دنده انجام می‌شود.

آزمایش تراشکاری چرخ دنده استوانه ای پس از کربن دهی و کوئنچ

چرخ‌دنده بزرگ (چرخ‌دنده حلقه‌ای) پس از کربن‌دهی و کوئنچ، به شدت تغییر شکل داد. تغییر شکل دایره بیرونی چرخ‌دنده حلقه‌ای تا 2 میلی‌متر و سختی پس از کوئنچ 60-65 hrc بود. در آن زمان، پیدا کردن یک سنگ‌شکن با قطر بزرگ برای مشتری دشوار بود و مقدار مجاز ماشینکاری زیاد بود و راندمان سنگ‌زنی نیز بسیار پایین بود. در نهایت، چرخ‌دنده کربن‌دهی شده و کوئنچ شده تراش داده شد.

سرعت خطی برش: ۵۰-۷۰ متر در دقیقه، عمق برش: ۱.۵-۲ میلی‌متر، فاصله برش: ۰.۱۵-۰.۲ میلی‌متر در هر دور (قابل تنظیم با توجه به زبری مورد نیاز)

هنگام چرخاندن چرخ‌دنده کوئنچ شده، ماشینکاری در یک زمان انجام می‌شود. ابزار سرامیکی وارداتی اصلی فقط می‌تواند چندین بار پردازش شود تا تغییر شکل متوقف شود. علاوه بر این، فروریختگی لبه جدی است و هزینه استفاده از ابزار بسیار بالا است.

نتایج آزمایش ابزار: این ابزار نسبت به ابزار سرامیکی نیترید سیلیکون وارداتی اصلی، مقاومت ضربه بیشتری دارد و با افزایش عمق برش به سه برابر، عمر مفید آن 6 برابر ابزار سرامیکی نیترید سیلیکون است! راندمان برش 3 برابر افزایش یافته است (قبلاً سه برابر برش بود، اما اکنون یک برابر شده است). زبری سطح قطعه کار نیز مطابق با نیازهای کاربر است. ارزشمندترین نکته این است که شکل نهایی شکست ابزار، لبه شکسته نگران کننده نیست، بلکه سایش طبیعی سطح پشتی است. این آزمایش دایره خارجی چرخ دنده کوئنچ شده با تراشکاری متناوب، این افسانه را که ابزارهای فوق سخت در صنعت را نمی‌توان برای فولاد سخت شده با تراشکاری متناوب قوی استفاده کرد، شکست! این آزمایش باعث ایجاد شور و هیجان زیادی در محافل دانشگاهی ابزارهای برش شده است!

پرداخت سطح سوراخ داخلی چرخ‌دنده پس از کوئنچ سخت‌کاری شده

به عنوان مثال، برش متناوب سوراخ داخلی چرخ دنده با شیار روغن: طول عمر ابزار برش آزمایشی به بیش از 8000 متر می‌رسد و سطح پرداخت در محدوده Ra0.8 است. اگر از ابزار فوق سخت با لبه پرداخت استفاده شود، سطح پرداخت فولاد سخت شده می‌تواند به حدود Ra0.4 برسد. و می‌توان عمر ابزار خوبی را به دست آورد.

ماشینکاری سطح انتهایی چرخ دنده پس از کربن دهی و کوئنچ

به عنوان یک کاربرد معمول "تراشکاری به جای سنگ زنی"، تیغه نیترید بور مکعبی به طور گسترده در عملیات تولید تراشکاری سخت سطح انتهایی چرخ دنده پس از عملیات حرارتی مورد استفاده قرار گرفته است. در مقایسه با سنگ زنی، تراشکاری سخت راندمان کار را تا حد زیادی بهبود می‌بخشد.

برای چرخ‌دنده‌های کربن‌دهی شده و کوئنچ شده، الزامات مربوط به ابزارهای برش بسیار بالاست. اولاً، برش متناوب نیاز به سختی بالا، مقاومت در برابر ضربه، چقرمگی، مقاومت در برابر سایش، زبری سطح و سایر خواص ابزار دارد.

نمای کلی:

برای تراشکاری پس از کربن‌دهی و کوئنچ و برای تراشکاری سطح انتهایی، ابزارهای نیترید بور مکعبی کامپوزیتی جوش داده شده معمولی رواج یافته‌اند. با این حال، برای تغییر شکل ابعادی دایره بیرونی و سوراخ داخلی حلقه چرخ‌دنده بزرگ کربن‌دهی و کوئنچ شده، همیشه متوقف کردن تغییر شکل با مقدار زیاد، یک مشکل دشوار است. تراشکاری متناوب فولاد کوئنچ شده با ابزار نیترید بور مکعبی فوق سخت bn-h20 والین، پیشرفت بزرگی در صنعت ابزار است که منجر به ترویج گسترده فرآیند "تراشکاری به جای سنگ‌زنی" در صنعت چرخ‌دنده می‌شود و همچنین پاسخی به مشکل ابزارهای تراشکاری استوانه‌ای چرخ‌دنده سخت شده که سال‌ها سردرگم بوده است، پیدا می‌کند. همچنین کوتاه کردن چرخه تولید حلقه چرخ‌دنده و کاهش هزینه تولید از اهمیت زیادی برخوردار است. برش‌دهنده‌های سری Bn-h20 به عنوان مدل جهانی فولاد کوئنچ شده با تراشکاری متناوب قوی در صنعت شناخته می‌شوند.