Zahnräder, die hochpräzise Übertragungskomponenten sind, stellen hohe Anforderungen an ihre Hersteller: tiefes Wissen über Zahnräder, fortschrittliche Fertigungstechniken, und ein hochverantwortungsvolle Haltung.
Boyan erfüllt diese Kriterien. Wir bieten umfassende Dienstleistungen, die alles von Design und Herstellung zu Inspektion.
In den folgenden Abschnitten werden wir auf die Besonderheiten der Abmessungen von Kunststoffzahnrädern und den Herstellungsprozess eingehen. Durch die Lektüre dieses Artikels erhalten Sie die notwendigen Informationen, um eine fundierte Entscheidung zu treffen. Die Wahl von Boyan bedeutet, dass jeder Aspekt der Produktion höchsten Qualitätsstandards entspricht und Ihre Anforderungen perfekt erfüllt werden.
Vor- und Nachteile von Kunststoffzahnrädern
Im Allgemeinen gibt es sowohl Vorteile als auch Nachteile von Kunststoffzahnrädern. Sie werden im Folgenden kurz aufgeführt:
Vorteile:
1. Geringere Produktionskosten (bei hohen Stückzahlen);
2. Geringes Gewicht und niedrige Trägheit.
3. Selbstschmierend oder mit geringerem Schmierbedarf;
4. Korrosionsbeständig (einige Kunststoffe);
Schwingungsdämpfung für einen leiseren Betrieb;
5. Können in komplexe Formen gebracht werden, wodurch die Anzahl der Teile und die Größe der Gesamtbaugruppe reduziert werden.
Benachteiligungen:
1. Höhere Anschaffungskosten für die Spritzgießformen;
2. Geringere Tragfähigkeit;
3. Geringere Präzision;
4. Geringere Maßstabilität in Umgebungen mit hoher Temperatur oder Feuchtigkeit;
5. Schlechtere Materialeigenschaften in rauen Umgebungen (hohe Temperaturen, Feuchtigkeit, chemische Korrosion usw.).
Kunststoffzahnräder werden eher in Anwendungen mit niedrigen Geschwindigkeiten, geringer Belastung und geringeren Anforderungen an die Übertragungsgenauigkeit verwendet, so dass ein größeres Spiel zulässig ist.
Zu den Parametern, die das Profil eines Zahnrads bestimmen, gehören:
- Modul, die die Größe der Zähne bestimmt
- Anzahl der Zähne, der zusammen mit dem Modul die Größe des Teilkreises des Zahnrads bestimmt;
- Eingriffswinkel, in der Regel 20°, es werden aber auch 14,5° verwendet.
- Koeffizient für die Änderung des Nachtrags, Bei Zahnrädern mit einer geringen Anzahl von Zähnen wird im Allgemeinen ein positiver Wert gewählt, während andere sich für 0 entscheiden (um den Achsabstand von Zahnrädern anzupassen, kann er auch auf einen Wert ungleich Null eingestellt werden).
Mit diesen 4 Parametern kann die Kontur eines Stirnrads definiert werden. Für Schrägverzahnungen Schrägungswinkel muss ebenfalls bestimmt werden.
Tipps: Für Metallzahnräder, die mit Schneidwerkzeugen hergestellt werden, werden aufgrund der Standardisierung und Serialisierung der Werkzeuge Standardparameter verwendet.
Bei Kunststoffzahnrädern hingegen, da die Formen nicht mit Zahnradschneidwerkzeugen hergestellt werden, können beliebige gewählte Parameter verwendet werden. Dennoch werden aus Gründen der Konstruktion, Inspektion und anderer Anforderungen Standardparameter empfohlen.
Die Kenntnis dieser Parameter ist nur der Anfang der Getriebekonstruktion; fundiertes Wissen und umfangreiche Erfahrung sind entscheidend.
Die Bereitstellung eines detaillierten 3D-Entwurfs ermöglicht den Herstellern von Zahnradwerkzeugen eine präzise Reproduktion auf der Grundlage der bereitgestellten Daten, selbst wenn keine speziellen Kenntnisse über Zahnräder vorhanden sind. Das Verständnis der Konstruktionsprinzipien von Zahnrädern ist jedoch nach wie vor entscheidend für die Sicherstellung der höchsten Qualitätskontrolle.
Wie man die Bearbeitungsgenauigkeit von Kunststoffzahnradformen sicherstellt
Um die erforderliche Präzision bei der Formung von Kunststoffzahnrädern zu erreichen, ist der Einsatz hochpräziser Bearbeitungstechniken wie Drahterodieren mit langsamer Geschwindigkeit, spiralförmiges Spiegel-Funkenerodieren, und die Verwendung von Dreh- und Fräszentren zusammen mit anderen fortschrittlichen CNC-Maschinen.
Während dieser Bearbeitungsvorgänge sind sorgfältige Ausrichtung und Kalibrierung des Werkstücks an jeder Maschinenspannvorrichtung unerlässlich, um die Koaxialität aufrechtzuerhalten.
Darüber hinaus ist eine gewissenhafte Messung der Abmessungen erforderlich, um die Genauigkeit von Werkzeugkompensation. Angesichts der inhärenten Präzision der Maschinen resultieren Ungenauigkeiten oft aus unsachgemäßer Werkzeugkompensation. Durch die gezielte Messung bestimmter kritischer Dimensionen und die Sicherstellung ihrer Genauigkeit kann daher vernünftigerweise darauf geschlossen werden, dass auch andere Dimensionen genau sind, wodurch der Bearbeitungsprozess rationalisiert wird.
Eine Fallstudie zur Herstellung von Gerad- und Schrägstirnrädern
Dieses Beispiel veranschaulicht eine effektive Methode zur Herstellung von Kunststoffzahnradformen, speziell für eine zweistufiges Zahnrad mit kleineren Schrägzähnen und größeren Geradzähnen.
Der Stirnradabschnitt wird auf einer Einsatz befestigt am Formkern. Ihre geraden Zahnprofile werden mit Drahterodieren mit niedriger Geschwindigkeit, um präzise Formen zu gewährleisten.
Umgekehrt wird der schrägverzahnte Abschnitt durch eine bewegliches Formteil auf einem Lager montiert, das sich während des Entformens entsprechend dem Schrägungswinkel drehen kann, wodurch das Auswerfen des Zahnrads erleichtert wird. Die Profile dieser Zähne werden mit schraubenförmige Spiegelfinish-EDM.
Um die Genauigkeit der hergestellten Zahnräder zu gewährleisten, müssen beide Komponenten, die die Zahnprofile bilden, strenge Fertigungs- und Montagegenauigkeitsstandards. Dies umfasst die Sicherstellung von Koaxialität, Ebenheit, Parallelität und der Präzision der Zahnprofile.
So werden die schraubenförmigen Zähne in der Form hergestellt:
Herausforderungen und Lösungen für Präzision in der Kunststoffzahnradfertigung
Kunststoffzahnräder sind in der modernen Industrie weit verbreitet, aber ihre Fertigungspräzision kann durch verschiedene Faktoren beeinträchtigt werden, so dass sie weniger präzise sind als CNC-gefertigte Metallzahnräder. Zu den wichtigsten Problemen gehören:
Präzision der Formenherstellung Bei der Herstellung von Formen können Zahnräder, die keine hohe Präzision erfordern, weniger teure Ausrüstung verwenden, was die Formgenauigkeit beeinträchtigt. Selbst mit hochpräziser Ausrüstung können Herstellungs- und Montagefehler auftreten, ganz zu schweigen von der Möglichkeit menschlicher Fehler.
Parameter des Spritzgießprozesses Temperatur, Geschwindigkeit und Druck während des Spritzgießens wirken sich direkt auf die Zahnradpräzision aus, insbesondere der Nachdruck und die Nachdruckzeit. Beispielsweise kann ein Zahnrad mit 90 mm Durchmesser aus POM-Material einen Unterschied im Außendurchmesser von 0,8 mm aufweisen, wenn der Nachdruck zwischen 140 MPa und 90 MPa variiert. Daher ist die Steuerung dieser Parameter entscheidend.
Ungleichmäßige Schrumpfung von Kunststoff Der unvorhersehbarste Aspekt der Kunststoffzahnradproduktion ist die ungleichmäßige Schwindung. Die Schwindungsrate kann zwischen der Fließrichtung und senkrecht dazu variieren, insbesondere bei teilkristallinen Kunststoffen. Komplexe Teileformen erschweren die Berechnung spezifischer Bereichsschwindungsraten. Die Schwindungsraten nahe dem Anguss sind typischerweise niedriger, während sie weiter entfernt höher sind. Konstruktionsmerkmale wie unterschiedliche Wanddicken und Vorsprünge können ebenfalls die Schwindungsraten in ihrer Umgebung beeinflussen.
Eine gängige Lösung zur Bewältigung dieser Herausforderungen ist die Verwendung mehrerer Werkzeugsätze zur schrittweisen Anpassung der Präzision. Der erste Satz wird zur Prüfung und Ermittlung von Maßabweichungen verwendet. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse werden mit dem zweiten Satz die Abmessungen entsprechend angepasst. Falls erforderlich, kann ein dritter Satz für weitere Anpassungen hergestellt werden.
Mit dieser schrittweisen Anpassungsstrategie werden die bei der Herstellung von Kunststoffzahnrädern auftretenden Präzisionsprobleme wirksam gelöst, so dass das Endprodukt hohe Präzisionsstandards erfüllt. Obwohl dieses Verfahren komplex ist, ist es für die Herstellung hochpräziser Kunststoffzahnräder unerlässlich.
Weitere Analyse der ungleichmäßigen Schrumpfung von Zahnrädern
Die ungleichmäßige Schwindung von Zahnrädern kann hauptsächlich in zwei Typen unterteilt werden: Umfangsrichtung und Richtung Breite Richtung (d. h., axial Richtung). Das heißt, Sie messen den Außendurchmesser an mehreren Punkten in diesen Richtungen, um zu sehen, wie konsistent ihre Messwerte sind.
Zahnräder bestehen hauptsächlich aus drei Teilen: der Felge, die Steg, und die Nabe. Das Design dieser Komponenten beeinflusst die Schwindungseigenschaften des Zahnrads erheblich.
Zirkumferentielle Inkonsistenz
Die Inkonsistenz der Umfangsschrumpfung wird hauptsächlich durch zwei Faktoren verursacht.
- Erstens kann die ungleichmäßige Schrumpfung zwischen der Fließrichtung und der senkrechten Richtung bei Kunststoffen die Maßgenauigkeit beeinträchtigen. Dieses Problem kann durch das Hinzufügen weiterer Einspritzpunkte entschärft werden.
- Zweitens kann die örtliche Schrumpfung im Stegbereich aufgrund von Konstruktionsmerkmalen wie Vorsprüngen größer sein als in anderen Bereichen, was sich auf die Gesamtmaßhaltigkeit des Zahnrads auswirkt. Um dieses Problem zu lösen, kann eine gleichmäßige Wandstärke im Stegbereich oder die Verwendung von Hochdruck-Spritzgießtechniken (mehr als 300 MPa) helfen, obwohl letzteres kostspieliger ist und nicht allgemein empfohlen wird.
Dieses Zahnrad weist vier Erhebungen auf seinem Stegbereich auf. Bei einem Außendurchmesser (OD) von 95,7 mm sind die Teile direkt über diesen Erhebungen etwa 0,25 bis 0,3 mm kleiner als die Bereiche ohne Erhebungen darunter.
Im Gegensatz dazu hat dieses Zahnrad eine konstante Wandstärke im Stegbereich, bei einem Außendurchmesser von 38 mm, und seine Rundheit (oder die Gleichmäßigkeit des Außendurchmessers bei identischen Zahnrädern) bleibt innerhalb von 0,03 mm.
Axiale Inkohärenz
Die Ungleichmäßigkeit der axialen Schrumpfung ist komplexer.
Einerseits können bei zu dicker Zahnradscheibe Einfallstellen in der Mitte der Zahnradstirnfläche auftreten. Diese Absenkung ist besonders ausgeprägt, wenn die Innenwinkel von Scheibe und Kranz mit Fasen oder Radien ausgeführt sind. Obwohl theoretisch eine dünnere Scheibe ideal wäre, muss die Tragfähigkeit des Zahnrads berücksichtigt werden.
Wie Sie in der obigen Abbildung sehen können, sinkt der Mittelteil stärker ein, wenn der Steg zu dick ist oder wenn er an den Innenecken abgeschrägt (oder gerundet) ist. Es ist besser, einen dünneren Steg zu haben, aber wir müssen auch die Tragfähigkeit berücksichtigen.
Ein weiteres komplexes Phänomen ist die ungleichmäßige Schrumpfung an den Enden einiger Zahnräder im Vergleich zum mittleren Teil, wodurch sich der Durchmesser an den Enden verringert. Dies ist besonders bei Zahnrädern aus Polyoxymethylen (POM) zu beobachten, wo auf dem Bild unten ein leichter Spalt zu sehen ist.
Die Ursache dieses Phänomens ist nicht leicht zu erklären, könnte aber darauf zurückzuführen sein, dass der mittlere Teil aufgrund der Begrenzung durch das darunter liegende Gewebe weniger schrumpft, während die Enden ohne diese Begrenzung ein anderes Schrumpfungsverhalten aufweisen.
Um diese Art von axialer Schwindungsinkonsistenz zu reduzieren, könnte eine Erhöhung der Dicke des Kranzes in Betracht gezogen werden. Dies verbessert nicht nur die Tragfähigkeit des Zahnrads, sondern hilft auch, die Gesamtschwindungsrate des Zahnrads auszugleichen, wodurch die Gesamtleistung und Maßhaltigkeit des Zahnrads verbessert werden.
Konstruktionstipps zur Verbesserung der Präzision von Kunststoffzahnrädern
Ausgehend von den obigen Ausführungen sollten die folgenden Maßnahmen in Betracht gezogen werden, wenn die Präzision von Zahnrädern verbessert werden soll:
Ungleichmäßige Merkmale minimieren: Vermeiden Sie ungleichmäßige Vorsprünge, Eckverstärkungen und Rippen auf der Zahnradscheibe. Wenn solche Merkmale erforderlich sind, streben Sie danach, ihre Wandstärke zu verringern und sicherzustellen, dass sie gleichmäßig verteilt sind.
Stegdicke optimieren: Eine dünnere Scheibe trägt zu einer verbesserten Zahnradpräzision bei, es ist jedoch entscheidend zu überprüfen, ob sie noch die erforderlichen Festigkeitskriterien erfüllt.
Felgendicke zählt: Achten Sie genau auf die Dicke des Kranzes, da er eine entscheidende Rolle für die Funktionalität und Haltbarkeit des Zahnrads spielt.
Effizientes Angussdesign beim Spritzgießen: Zahnräder benötigen in der Spritzgießform in der Regel mehr Angüsse als andere Kunststoffteile. Ein gut ausgelegtes Angusssystem kann die Schwindung erheblich reduzieren und gleichmäßige Abmessungen in verschiedenen Richtungen des Zahnrads gewährleisten.
(Die Spritzgießform dieses Kunststoffzahnrads verfügt über 6 Angüsse und hat einen Außendurchmesser von 38 mm).
Schlussfolgerung: Die Vorhersage und Kontrolle der Schwindung bei Kunststoffzahnrädern ist eine Herausforderung. Für viele Anwendungen ist ein gewisses Maß an Maßabweichung akzeptabel.
Für Anwendungen mit strengen Anforderungen sollten Sie jedoch darauf vorbereitet sein, mehrere Designiterationen und Formanpassungen durchzuführen. Es ist nicht ungewöhnlich, dass die Spritzgießform zwei- oder dreimal hergestellt wird, um das endgültige Kunststoffzahnrad zu erhalten, das die gewünschten Toleranzen erfüllt.
Inspektionsmethoden für Kunststoffzahnräder
Prüfung der Dimensionen
Moderne Techniken:
Der Einsatz computergestützter Geräte zur Zahnradprüfung, wie Zahnradprofilprüfgeräte, Koordinatenmessgeräte (KMG), und Fotografische Geräte, wird immer üblicher. Diese Werkzeuge bieten hohe Effizienz und Präzision, sind jedoch mit höheren Kosten verbunden. Folglich lehnen Hersteller mit solch fortschrittlicher Ausrüstung tendenziell Kleinserienaufträge ab.
Traditionelle Methoden:
Bei kleineren Aufträgen oder wenn das Budget begrenzt ist, werden für die Prüfung von Zahnrädern häufig manuelle Werkzeuge wie Mikrometer, Messschieber und Rundlaufprüfgeräte verwendet. Zu diesen Messungen gehören:
Außendurchmesserprüfung (AD): Die Überprüfung des Außendurchmessers ist unkompliziert, wenn die Geometrie der Form genau ist. Ein korrekter Außendurchmesser deutet darauf hin, dass andere Abmessungen aufgrund gleichmäßiger Schwindung wahrscheinlich innerhalb der Spezifikationen liegen.
Länge der gemeinsamen Normalen: Diese Messung ist entscheidend für die Bewertung der Gesamtgenauigkeit des Zahnprofils und dient als Schlüsselindikator für die Zahnradpräzision.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass fortschrittliche Geräte zwar die Genauigkeit der Inspektion verbessern, dass aber herkömmliche Werkzeuge für kleinere Projekte oder Projekte mit begrenztem Budget nach wie vor unverzichtbar sind, wobei der Schwerpunkt auf dem Außendurchmesser und der normalen Leitungslänge zur Qualitätssicherung liegt.
Laufender Test
Lauftests sind entscheidend für die Bewertung der Zahnradleistung in tatsächlichen Geräten und konzentrieren sich auf die Bewertung der Geräusch und Verschleiß während des Betriebs erzeugt werden, um festzustellen, ob sie den Designspezifikationen entsprechen. Dies ist wesentlich, da Zahnräder im Kontext ihrer vorgesehenen Geräte getestet werden müssen.
Geräuschtest: Hochpräzise Zahnräder sollen reibungslos laufen und minimalen sowie gleichmäßigen Lärm emittieren. Niedrige Geräuschpegel deuten oft auf weniger Verschleiß und eine längere Lebensdauer hin, was leisen Betrieb nicht nur zu einer Frage der Reduzierung von Lärmbelästigung macht, sondern auch zu einem Zeichen von Effizienz und Haltbarkeit.
Verschleißfestigkeitstest: Dies dauert in der Regel länger. Um den Prozess zu beschleunigen, können die Testlasten erhöht werden, um die Auswirkungen einer langfristigen Nutzung zu simulieren und einen schnelleren Einblick in die Verschleißfestigkeit des Zahnrads zu erhalten.
Unter diesen Tests wird der Geräuschprüfung in der Regel der Vorzug gegeben, da sie sofortige Ergebnisse liefern kann. Sie bietet eine schnelle und zuverlässige Bewertung der Getriebequalität.
Für die Herstellung von Zahnrädern geeignete Kunststoffmaterialien
Die am häufigsten verwendet:
- POM (Acetal): Es lässt sich leicht spritzgießen und hat eine gute Dimensionsstabilität. Gleichzeitig verfügt es über eine hohe Festigkeit, Duktilität sowie verschleißfeste, korrosionsbeständige und feuchtigkeitsbeständige Eigenschaften. Dies ist das Hauptmaterial für Kunststoffzahnräder.
- PA6/PA66/PA46 (Nylon): Es hat eine hohe Festigkeit und Verschleißfestigkeit, absorbiert jedoch Feuchtigkeit, was zu einer Instabilität der Abmessungen führt. Mit anderen Worten: Es quillt auf, wenn es Wasser aufnimmt. Sie werden meist bei Übertragungen mit schwereren Lasten verwendet.
Spezielles Nylon für Zahnräder
PA66 GF40 hat eine relativ hohe Festigkeit und erreicht über 200 MPa, aber PA46 Teflon bietet noch höhere Zugfestigkeit.
Wenn wir uns entscheiden für PA66 GF40, müssen wir Materialien beziehen von große Unternehmen, da ihre Produkte raffinierter und zuverlässiger sind. Diese Art von Nylon ist speziell für die Zahnradherstellung entwickelt, integrierend MoS₂ (Molybdändisulfid) und Teflon-Schmierstoffe, anstatt einfach nur PA66 mit 40% Glasfaser.
PEEK: Dies ist ein Hochleistungsmaterial, vergleichbar mit Metall, das bietet hervorragende Wärmebeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und hohe mechanische Festigkeit. Es bietet auch große Maßhaltigkeit beim Spritzgießen. Allerdings ist PEEK sehr teuer, und da es erfordert Hochtemperatur-Spritzgießen, sind die Bearbeitungskosten ebenfalls relativ hoch.
TPEE: Dies ist ein elastisches Material, was bedeutet, dass es kann Stöße absorbieren und Geräusche reduzieren in Übertragungssystemen.
- TPEE: Es handelt sich um ein elastisches Material, das Stöße dämpft und Geräusche bei der Übertragung reduziert.
Andere weniger gebräuchlich Materialien sind:
- ABS: Es wird meist für kostengünstige Anwendungen wie Spielzeug verwendet.
- PCPC hat als amorphes Polymer eine hohe Dimensionsstabilität beim Spritzgießen, d. h. es kann mit geringerer Schrumpfung in die Form des Formhohlraums geformt werden. Der Nachteil ist, dass es ein schlechteres Selbstschmiermittel ist und eine geringere Ermüdungsfestigkeit aufweist.
- PPSEs handelt sich um ein recht teures Material, das jedoch eine große Dimensionsstabilität aufweist und dennoch mechanische Festigkeit und Haltbarkeit bietet. Es wird häufig für raue Anwendungen wie Pumpen und Roboter verwendet.
- LCPEs ist ein weiteres teures Material mit hervorragender Dimensionsstabilität und kann mit hoher Präzision hergestellt werden, es verträgt auch eine hohe Temperatur von 220℃ und chemische Korrosion, aber es bietet weniger Festigkeit. Es kann in Uhren verwendet werden.
Beachten Sie, dass es für jede Art von Material unterschiedliche Formen gibt: ungefüllt, mit Glasfasern verstärkt und mit Gleitmittel (meist PTFE oder Silikon) gefüllt. Es ist also ein ziemlich schwieriger Prozess, eine Auswahl auf der Grundlage der jeweiligen Anwendung zu treffen.
