Tandhjulsdriv: Principer och tillämpningar för formfräsning och genereringsmetod vid tandhjulsbearbetning

01 Grundläggande principer för genereringsmetoden

1.1 Matematiska grunder

• Omslutningsprincip : Rörelsebanan för skärkanten på verktyg (till exempel snittkrossar och kuggfräsar) bildar en serie kontinuerliga kurvor, och inneslutningen av dessa kurvor utgör den teoretiska kuggprofilen (t.ex. evolvent, cykloid).
• Ingreppsekvation : Uppfyller det relativa rörelseförhållandet mellan verktyg och arbetsstycke för att säkerställa kuggprofilens noggrannhet.

1.2 Viktiga egenskaper

• Hög precision : Kan bearbeta komplexa kuggprofiler (t.ex. evolvent, cirkelbågskuggar).
• Hög effektivitet : Kontinuerlig skärning möjliggör massproduktion.
• Stark mångsidighet : Ett enda verktyg kan bearbeta kugghjul med olika antal tänder (förutsatt att de har samma modul).

1.3 Typiska genereringsmetodprocesser

1.3.1 Skruvfräsning

• Principen : Använder inmeshningsrörelsen mellan en skruvfräs (som liknar en skruvformad vev) och kugghjulsblanken, vilket slutför skärningen genom axial påförsel.
• Rörelserelation : Skruvfräsens rotation (huvudskärningsrörelse) + Arbetsstyckets rotation (genereringsrörelse) + Axial påförsel.
• Fördelar : Hög effektivitet, lämplig för massproduktion (t.ex. biltillverkning); kan bearbeta raka kugghjul, snedtandade kugghjul, wormkugghjul etc.
• Applikationsexempel : Bearbetning av planetkugghjul och solkugghjul i vindkraftväxlar.

1.3.2 Kugghjulsfräsning

• Principen : Använder en kugghjulsfräscutter (med form liknande ett kugghjul) som utför en back-och-fram-skärningsrörelse på arbetsstycket samtidigt som det roterar i en inmeshningsproportion.
• Rörelserelation : Vertikal reciprocisk snittning av kugghjulsfräs + genererande rotation av arbetsstycke och verktyg.
• Fördelar : Kan bearbeta komplexa strukturer såsom inre kuggar och dubbelkuggar; bättre kuggytans ytråhet jämfört med kuggfräsning (Ra 0,8–1,6 μm).
• Begränsningar : Lägre effektivitet än kuggfräsning; högre verktygskostnad.
• Applikationsexempel : Bearbetning av inre kuggkransar i växellådor och små precisionskuggar.

1.3.3 Kuggslipning

• Principen : Slipverktyget och arbetsstycket roterar i ingrepp under lätt tryck, vilket förbättrar kuggprofils noggrannhet genom slipkanternas skrapverkan. Det är en avslutande process som används för beskärning efter kuggfräsning eller kugghjulsformning.
• Fördelar : Kan rätta kuggprofilfel och förbättra kuggtransmissionens jämnhet; bearbetningsnoggrannhet når DIN 6–7 klass.
• Applikationsexempel : Slutytbearbetning av kuggväxlar för bilväxellådor.

1.3.4 Kuggslibning

• Principen : Använder ett formatat sliphjul eller spiralsliphjul för att slibba kuggytan genom genererande rörelse, främst för slutytbearbetning av härdade kuggar.
• Fördelar : Extremt hög precision (upp till DIN 3–4 klass); kan bearbeta hårdytade kugghjul (HRC 58–62).
• Begränsningar : Hög kostnad och låg effektivitet, används vanligtvis inom områden med höga krav på precision.
• Applikationsexempel : Kugghjul för flygmotorer och höghastighetssteg i vindkraftväxlar.

02 Grundläggande principer för formfräsning

• Hög beroende av verktyg : Tandprofilsnoggrannhet beror direkt på verktygskonturens precision.
• Ingen genererande rörelse : Bearbetningsprocessen simulerar inte kugghjulsmating, utan förlitar sig endast på den relativa rörelsen mellan verktyg och arbetsstycke.
• Hög flexibilitet : Kan bearbeta icke-standardiserade tandprofiler (t.ex. cirkelbågständer, rektangulära tänder).

2.1 Matematiska Grundvalar

• Profileringsprincip : Det geometriska formen på verktygets skärkant matchar exakt tandhjulets tandutrymme.
• Indexeringsrörelse : Använder indexeringsenheter (t.ex. delningshuvuden) för tand-för-tand-bearbetning för att säkerställa jämn tandpitch.

2.2 Fördelar och Nackdelar

Fördelar

• Enkelt utrustningsmaterial : Kan utföras med vanliga fräsarverktyg.
• Lämplig för Enskild Produktion, Småserier eller Reparation : Idealisk för anpassningsscenarier och underhåll.
• Kapabel att bearbeta Extra-Stora Modultandhjul : Till exempel växlar som används i gruvmaskiner.

Nackdelar

• Låg precision : Vanligtvis DIN 9–10-kvalitet.
• Låg effektivitet : Kräver bearbetning tand för tand.
• Dålig verktygsmångfald : Specialiserade verktyg krävs för varje modul.

2.3 Typiska formfräsprocesser

2.3.1 Växelfräsning

• Principen : Använder en skivfräs eller slutfräs; fräsen roterar för att skära, och arbetsstycket vrids tand för tand via ett delningshuvud.
• Rörelserelation : Frässrotation (huvudskärning) + Axial förflyttning av arbetsstycke + Indiceringsrotation.
• Tillämpningsscenarier : Enstycks- och småserietillverkning av rakfräsade och snedfräsade kugghjul; storkugghjul (modul ≥20 mm) eller reparationseggar.
• Fallstudie : Kugghjul för lågvarviga marinväxlar (modul 30, material: 42CrMo) bearbetade med ändfräs + CNC-indelning, med en tätyta ytråhet på Ra 3,2 μm.

2.3.3 Formslibning

• Principen : Använder en kniv (ett verktyg med flera tänder i trappstegsform) för att kniva hela tandutrymmet i ett svep.
• Rörelserelation : Längsgående rörelse av kniven (skärning) + fixt arbetsstycke.
• Fördelar : Extremt hög effektivitet (slutför ett tandutrymme per slag); relativt hög precision (upp till DIN 7-kvalitet).
• Begränsningar : Endast lämplig för massproduktion av inre eller yttre kugghjul; hög tillverkningskostnad för knivar, idealisk för stora volymer av samma specifikation.
• Applikationsexempel : Massproduktion av bilers synkronhjul (cykeltid <10 sekunder/styck).

2.3.3 Formslibning

• Principen : Använder en formslipad skiva (med kontur anpassad till tandutrymmet) för att slipa härdade kugghjul.
• Rörelserelation : Sliprutes rotation + Verkstycke indexerar.
• Fördelar : Kan bearbeta höghårdhetseggar (HRC >60); precision upp till DIN 4-klass (tandprofileringsfel <5 μm).
• Ansökningsfält : Avslutning av flygmotorer för luft- och rymdfartsbranschen samt precisionshjulsdrivremmar.

03 Jämförelse och industriella tillämpningar av de två metoderna

Jämförelse mellan genereringsmetod och formskärning

Industriella tillämpningar av genereringsmetoden

3.1 Vindkraftväxellådor

• Krav : Hög vridmoment, lång livslängd (≥20 år).
• Processkombination : Skärning (räfsning) → Värmebehandling → Kugghjuls slipning (avslutning).