Повърхностна обработка на червячната предавка — Защо гладкостта определя експлоатационния живот
Прокарайте нокът по резбата на червяка — можете да усетите разликата между фрезована с Ra 1.6 и шлифована с Ra 0.4. Повърхностната обработка е езикът на триене на всяка червячна зъбна двойка и една стъпка от процеса може да удвои експлоатационния живот.
Повърхностното покритие на червячните зъбни колела се измерва като средна грапавост Ra (микрометри) на страничната част на зъба — обикновено от 1,6 до 3,2 µm за червячни резби, нарязани само с фрезоване, от 0,4 до 0,8 µm за шлифовани резби, от 0,2 до 0,4 µm за припокривани двойки и от 0,1 до 0,2 µm за полирани или свръхфиниширани повърхности, предназначени за санитарни или прецизни приложения. Всяко намаляване на Ra добавя приблизително 30 до 50 процента експлоатационен живот чрез подобрено еластохидродинамично образуване на филм и намалено микропитинг. Премията за цена приблизително удвоява всяка стъпка: фрезоване 1,0×, шлайфане 1,5×, припокриване 2,0×, полиране 2,5×. Правилното покритие за дадена червячна зъбна двойка зависи от класа на натоварване на приложението, режима на смазване и необходимия експлоатационен живот — не от общото правило „по-гладкото е по-добре“. Повечето индустриални червячни зъбни двойки работят добре при Ra от 0,4 до 0,8 µm; прецизните индексатори и приложенията с висока мощност оправдават по-ниската грапавост; Приложенията в хранителната и фармацевтичната промишленост изискват Ra ≤ 0,4 µm, независимо от механичните нужди.
Защо повърхностната обработка е езикът на триене на червячните зъбни двойки
Контактът на червячното зъбно колело е плъзгащ контакт. Резбата на червяка не се търкаля по страничната повърхност на зъба на колелото по начина, по който два зъба на цилиндричното зъбно колело се търкалят един срещу друг; тя се плъзга, като контактната линия проследява страничната повърхност, докато червякът се върти. Плъзгащият контакт означава триене; триенето означава топлина, износване и загуба на енергия. Повърхностната обработка на контактуващите страни е основната управляваща променлива и за трите.
Когато червячна зъбна двойка работи под натоварване, смазката разделя двете повърхности с тънък филм - обикновено с дебелина от 0,3 до 1,5 микрометра в контактната зона. Съотношението на дебелината на филма към грапавостта на повърхността се нарича ламбда коефициент и то определя режима на смазване. Ламбда, по-голяма от 3, означава пълно еластохидродинамично разделяне - повърхностите никога не се докосват, износването се определя от скоростите на окисление, а не от механичен контакт. Ламбда между 1 и 3 е смесено смазване - частичен контакт между високите точки, умерено износване. Ламбда, по-малка от 1, е гранично смазване - обширен контакт метал върху метал, ускорено износване, риск от износване.
Дебелината на филма се определя от вискозитета на маслото, скоростта на плъзгане и контактното налягане, а не директно от обработката на повърхността. Но обработката на повърхността определя знаменателя на ламбда съотношението. Червячна зъбна предавка с дебелина на филма 0,6 µm и грапавост на повърхността Ra 0,8 µm има ламбда 0,75 (граничен режим). Същата двойка, обработена с Ra 0,2 µm, има ламбда 3,0 (пълен EHL режим). Същите работни условия, същият лубрикант, същото натоварване — коренно различно поведение на смазване и износване, определено изцяло от обработката на повърхността на червячната резба и зъбите на колелото.
Сравнение на четири процеса за обработка на повърхността на червячни зъбни колела
Четири производствени процеса доминират при довършителната обработка на страничните повърхности на червячните зъбни колела - само фрезоване, фрезоване, последвано от шлайфане, фрезоване плюс шлайфане плюс притриване и пълно полиране или суперфиниширане. Всеки процес намалява постижимия Ra приблизително наполовина и приблизително удвоява разходите за процес.
Изборът между процесите рядко се основава на абсолютната целева стойност на Ra; става въпрос за ламбда съотношението, от което се нуждае приложението, и класа на работа, в който червячната зъбна предавка ще работи.
Само отрязано. Най-простият път за довършителни работи. Червячната резба се нарязва на резбошлайф машина или се генерира чрез фрезоване, а повърхността, която излиза от режещия инструмент, е крайната повърхност. Постижимата стойност на Ra е от 1,6 до 3,2 µm в зависимост от остротата на режещия инструмент и скоростта на подаване. Подходяща за нисконатоварени, нискоскоростни индустриални червячни зъбни колела, работещи при ламбда по-голяма от 1.
Фрезована плюс шлифована. След фрезоване или шлифоване на резба, червячната резба се шлифова фино на прецизна резбошлайф машина, използвайки шлифовъчен диск със стъклокерамична или смолна връзка. Постижимата Ra стойност е от 0,4 до 0,8 µm. Това е стандартното покритие за индустриални червячни зъбни колела, предназначени за умерена до тежка непрекъсната работа. Стандартните еволвентни профили ZI и конусно шлифовани профили ZK попадат в тази категория.
Шлайфано плюс припокриване. След смилане, червей и колелосе припокриват като съвпадаща двойка с помощта на фина абразивна паста. Припокриването премахва най-високите върхове на шлифованата повърхност и създава огледално гладко покритие при Ra от 0,2 до 0,4 µm. Процесът също така самокоригира малки грешки в контактния модел, тъй като действието на припокриване е концентрирано в най-високите точки. Припокриваните червячни зъбни колела обикновено се доставят като съвпадащи комплекти, които не могат да бъдат заменяни поотделно.
Полирано или суперфиниширано. Различни процеси водят до Ra под 0,2 µm: химически подпомогнато вибрационно полиране (понякога наричано изотропно суперфиниширане или REM финиш), полиране-шлайфане с меко свързващо колело или ръчно притриване с много фина паста. Постижимото Ra е от 0,1 до 0,2 µm. Допълнителната цена е значителна; процесът е запазен за санитарни приложения, където разпоредбите изискват Ra ≤ 0,4 µm, първокласни приложения с висока мощност, където всеки процент подобрение на ефективността оправдава цената, и приложения с много ниско ниво на шум, където плавността подобрява NVH производителността.
Често срещано наблюдение, което обърква специалистите по спецификации на червячни зъбни колела за първи път: грапавостта на повърхността на бронзовото колело, измерена 6 месеца след началото на експлоатация, е значително по-гладка от повърхността в заводското състояние. Колело, обработено с Ra 1.6 µm по време на фрезоване, обикновено показва Ra от 0.6 до 0.8 µm след разработването. Изглаждането е реално и полезно - мекият бронз, движещ се по твърда стомана, преференциално износва бронзовите върхове до полирана повърхност, която съответства на профила на резбата на червяка от по-твърда стомана. Ефектът е част от естествения процес на разработване, а не дефект. Следователно, задаването на Ra 0.4 µm за бронзовото колело в заводското състояние е свръхспецифично за много индустриални приложения, тъй като разработването постига Ra 0.6 до 0.8 µm естествено в рамките на първите 100 до 300 работни часа. Спестяването на разходи от приемането на Ra 1.6 µm в заводското състояние плюс дефиниран протокол за разработване може да бъде от 200 до 400 щатски долара на двойка червячни зъбни колела в сравнение със задаването на шлифовано покритие от ново. Изключение правят прецизните приложения, където промяната на размерите по време на самото разработване е неприемлива — за тях е необходимо притискане, за да се стабилизира геометрията от първия ден.
Червяк и червячно колело — различни изисквания за обработка на повърхността
Червячната зъбна предавка има две части и две различни съображения за обработка на повърхността. Червякът от твърда стомана и колелото от мек бронз са изправени пред много различни експлоатационни условия и техните спецификации за обработка следват различни правила.
Червеят - закалена стомана, покритието не се променя. Закалените или напълно закалени стоманени червяци (обикновено 16MnCr5, закалени до HRC 58-62, или 42CrMo4, закалени до HRC 30-40) запазват фабричното си повърхностно покритие през целия експлоатационен живот. По-твърдият материал не се износва значително под контактните напрежения, създадени от бронзовото колело. Покритието, с което червякът напуска фабриката, е по същество същото покритие, с което го има 10 години по-късно. Следователно повърхностното покритие на червяка трябва да бъде правилно от първия ден.
Колелото — мек бронз, покритието се подобрява с употреба. Колелата от фосфорен бронз, алуминиев бронз или чугун започват с фрезовано или шлифовано покритие, което обикновено е Ra от 1,6 до 3,2 µm. През първите 100 до 300 часа работа, върховете на мекия бронз се износват преференциално и повърхността се изглажда до приблизително Ra от 0,4 до 0,8 µm - покритието за разработване. Следователно покритието на повърхността на колелото се самокоригира до определена точка. След тази точка обаче, продължителният плъзгащ контакт постепенно премахва материал и колелото губи формата на зъбния си ръб; това е режимът на износване, който се разглежда отделно.
Последица за спецификацията. Повърхността на червяка трябва да бъде специфицирана при целевия работен режим — Ra 0.4 µm за пълна работа с EHL, Ra 0.8 µm за смесено смазване, Ra 1.6 µm само за икономични приложения с ниско натоварване. Повърхността на колелото трябва да бъде специфицирана с едно ниво по-грапава от червяка (напр. Ra 0.8, ако червякът е Ra 0.4), защото колелото така или иначе ще се захване, за да съответства на червяка. Прекомерното специфициране на повърхността на колелото е прахосване на пари — недостатъчното специфициране на повърхността на червяка създава постоянен оперативен проблем.
Дебелина на EHL филма и ламбда коефициент — количествена връзка
Дебелината на еластохидродинамичния филм в контакта на червячна предавка зависи от скоростта на увличане, динамичния вискозитет на маслото и контактното налягане. Формулата на Даусън-Хигинсън дава дебелината на филма h₀ пропорционална на вискозитета на степен 0,7 и скоростта на увличане на степен 0,7.
За типични условия на работа на индустриални червячни зъбни колела, дебелината на филма варира от 0,3 до 1,5 µm.
Ламбда съотношението λ = h₀ / σ, където σ е сборната грапавост на двете повърхности (σ = √(Ra₁² + Ra₂²)). За червей при Ra 0,4 µm, зацепващ се с колело при Ra 0,8 µm, σ = √(0,16 + 0,64) = 0,89 µm. При дебелина на филма 0,8 µm, ламбда = 0,8 / 0,89 = 0,9, което е смесен режим на смазване.
Три режима имат много различни последици. Ламбда по-голяма от 3 (пълен EHL): повърхностите са напълно разделени, износването се определя от окисляване и изчерпване на добавките, експлоатационният живот е от порядъка на 50 000 до 100 000+ часа. Ламбда от 1 до 3 (смесено): частичен контакт с метала, умерено износване, експлоатационен живот от 10 000 до 50 000 часа. Ламбда по-малка от 1 (граница): продължителен контакт с метал, ускорено износване, експлоатационен живот от 1000 до 10 000 часа и риск от износване.
За повечето спецификации на индустриални червячни зъбни колела, проектната цел е ламбда от 1,5 до 2,5 — стабилно в смесен режим, с резерв срещу гранично смазване по време на студени стартирания и отклонения в натоварването. Постигането на тази цел обикновено означава Ra на червяка от 0,4 до 0,8 µm и Ra на колелото от 0,8 до 1,6 µm с масло с подходящ вискозитет. Специфицирането на по-гладки повърхности изтласква ламбда над 3 и достига до пълен EHL — полезно за първокласни приложения, но не е необходимо за широкия среден клас индустриално търсене.
Три истински случая на повърхностна обработка на червячни зъбни колела
Случай 1 — Корейската хранително-вкусова промишленост изисква полиране с Ra ≤ 0,4 µm
Корейски производител на млечни продукти е специфицирал двойки червячни зъбни колела за машина за пълнене на чаши за кисело мляко, където двойката червячни зъбни колела е задвижвала дозиращ винт в директен контакт с храната. Регулаторно изискване: Ra ≤ 0,4 µm върху всички повърхности, които са в контакт с храната, съгласно санитарни стандарти 3-A. Стандартният червяк с фрезована шлифовка при Ra 0,6 µm не е отговарял на спецификацията. Инженерите са специфицирали фрезована, шлифована и полирана червячна шлифовка при Ra 0,2 µm и колело от неръждаема стомана AISI 316L при Ra 0,3 µm. Допълнителна цена спрямо стандартната шлифовка: 320 USD за чифт (около 2,0× стандартната цена на шлифовката). Премията от 320 USD не е подлежала на договаряне; без нея оборудването изобщо не би могло да бъде продадено на корейския пазар на млечни продукти. Полеви сервиз в продължение на 3 години: нулеви повреди, свързани с повърхността, нулеви регулаторни цитации, пълно преминаване на годишен санитарен одит. Урок: регулираните индустрии (хранителната, фармацевтичната, стерилната) вземат решение за повърхностната обработка, независимо от цената — уточнете в регламента, точка.
Случай 2 — Японски производител на машинни инструменти определя припокриваща се двойка за индексатор
Японски производител на ротационни индексатори е специфицирал червячни зъбни колела за 8-позиционни прецизни обработващи центрове с изискване за точност на позициониране плюс или минус 4 дъгови секунди. Стандартен шлифован червяк при Ra 0.6 µm, тестван при ламбда 0.85 с високовискозитетно трансмисионно масло на приложението - граничен режим. Прилепната двойка при Ra 0.25 µm е увеличила ламбда до 1.6, в стабилен смесен режим. Допълнителна цена: 420 USD на двойка спрямо стандартно шлифована (около 1.3× шлифована). Резултати от тестовия стенд: степента на износване при шлифованото покритие е 0.8 микрометра отстраняване на бронз на 1000 часа работа, спрямо 3.4 микрометра на 1000 часа за само шлифованото покритие. Прогнозираното съотношение на експлоатационен живот е 4× по-дълго за прилепнатата двойка, което оправдава допълнителната цена за целия 12-годишен експлоатационен хоризонт на оборудването. Решение: шлифовано покритие, приемане на 4-седмично допълнително време за изпълнение. Урок: в прецизни приложения, където размерното отклонение по време на експлоатационния живот е от значение, припокриването защитава геометричната стабилност, за която клиентът е платил.
Случай 3 — Виетнамски конвейер приема червяк с шлицова конструкция с протокол за разработка
Виетнамски производител на конвейери, изграждащи конвейери за леки детайли, оцени опциите за повърхностна обработка на червячни зъбни колела. Стандартно шлифовано при Ra 0.6 µm, оферирано на цена от 220 USD за чифт. Само фрезоване при Ra 1.8 µm, оферирано на цена от 145 USD за чифт. Конвейерното приложение работеше по 10 часа на ден при 35% от номиналния капацитет - доста под прага на риска от гранично смазване, дори при по-груб Ra. Инженерингът определи само фрезована двойка плюс протокол за разработване (50 часа при 30% натоварване, след това 50 часа при 60% натоварване преди пускане в пълна експлоатация). Грапавост на повърхността на двойката, измерена след 100 часа разработване: червячна резба Ra 1.5 µm (практически непроменена), бронзово колело Ra 0.55 µm (намалена от 1.8 µm по време на разработване). Работна ламбда в стационарно състояние на разработване: 1.4. Спестяване на разходи спрямо спецификацията за шлифовано зъбно колело: 75 USD на чифт × 240 единици годишно производство = 18 000 USD годишно. Надеждност на терен над 3 години: среден експлоатационен живот на двойката 7,2 години, надвишавайки целта от 6 години. Поука: за приложения с умерено натоварване, само заваряването с дефиниран протокол за разработка осигурява надеждна работа на значително по-ниска цена от спецификацията на земята. Разгледайте червячен редуктор опции, при които повърхностната обработка е посочена на правилното ниво за класа на работа — не е свръхопределена по подразбиране.
Често задавани въпроси
В: Каква е разликата между Ra, Rz и Rmax?
И трите параметъра описват грапавостта на повърхността, но подчертават различни характеристики. Ra (средноаритметично) е средното абсолютно отклонение от средната линия — най-често задаваното. Rz (средна дълбочина на грапавостта) е средното разстояние от връх до вдлъбнатина за пет дължини на вземане на проби — чувствително към случайни дефекти. Rmax е най-голямото разстояние от връх до вдлъбнатина в дължината на вземане на проби — най-чувствително към единични дефекти. За спецификациите на червячни зъбни колела, Ra е стандартният критерий. Rz се добавя, когато локализираните дефекти имат значение (санитарни приложения, високопрецизни индексатори). Rmax е рядко срещан, освен в критични контексти на лагери или уплътнения. Типични зависимости: Rz е приблизително от 4 до 7 пъти Ra; Rmax е приблизително от 1,2 до 1,5 пъти Rz.
В: Наистина ли разработването подобрява толкова много качеството на повърхността на червячната предавка?
Да, специално върху бронзовото колело и само до определена точка. Върховете на фосфорния бронз се деформират пластично и абразивно износват през първите 100-300 часа спрямо по-твърдия стоманен червей. Типично подобрение: Ra 1.8 µm в заводското състояние до Ra 0.5-0.8 µm след разработка. Стоманеният червей не се променя измеримо. Ефектът е най-силно изразен, когато началните условия благоприятстват леко износване (добро смазване, умерено натоварване, контролирана температура) и най-слабо изразен при агресивни условия (гранично смазване, ударно натоварване), където микро-питингът поема преди завършване на изглаждането при разработка. Определянето на дефиниран протокол за разработка (обикновено 50 до 100 часа при 30-50 процента натоварване) максимизира ползата от изглаждането и минимизира риска от преждевременно износване.
В: Какъв е проблемът със свръхфинишираните червячни зъбни колела?
Три потенциални недостатъка на повърхностите на свръхфиниширани червячни зъбни колела. Първо, цена — обикновено 2,5 до 3 пъти по-висока от стандартната цена за шлифовано покритие, което е оправдано само в регулирани или премиум приложения. Второ, по-гладката повърхност предлага по-малко естествено задържане на смазка; отдавна дискредитираната „теория за маслените джобове“ имаше предимство в екстремни условия — Ra под 0,05 µm може да покаже гладуване на масления филм в някои работни режими. Съвременните спецификации за свръхфинишно покритие избягват това, като се насочват към Ra от 0,1 до 0,2 µm, вместо да стигнат до абсолютния минимум. Трето, в нечисти среди, отломките и замърсяванията преференциално износват гладката повърхност — червячна зъбна двойка, работеща в прашна леярна или циментов завод, се износва по-бързо от свръхфиниширан червяк, отколкото от шлифован червяк, защото гладката повърхност няма грапавини, които да „абсорбират“ малки частици. За промишлени приложения, където контролът на чистотата е реалистичен, свръхфинишното покритие е наистина полезно; за приложения, където не е, шлифованото покритие осигурява по-голяма практическа издръжливост.
В: Как всъщност се измерва обработката на повърхността на червячната предавка?
Три метода. Профилометрията със стилус е стандартът: стилус с диамантен връх проследява повърхността, записвайки вертикалното отклонение като профил, от който се изчисляват Ra и други параметри. Използва се в специализирани профилометри (Mitutoyo Surftest, Mahr Perthometer, Taylor Hobson Talysurf) — измерването отнема 30 секунди на проследяване, повторяемост приблизително плюс или минус 5 процента. Оптичната профилометрия използва техники за вариация на фокуса или интерферометрични техники за сканиране на повърхността без контакт — по-бавно и по-скъпо, но създава 3D карти на повърхността, полезни за изследвания. Атомно-силовата микроскопия достига субнанометрова резолюция, но е непрактична за производствена проверка. За рутинно измерване на фланците на червячни зъбни колела, профилометрията със стилус е универсалният стандарт, ISO 4287 определя процедурата, а реномирани доставчици включват доклади от измерванията на Ra в стандартните пакети с документация.
В: Защо контактната зона на червячната предавка се нуждае от различна повърхностна обработка от безконтактната странична част?
Активният ръб — страната, която се зацепва под работно натоварване — изпитва пълно контактно напрежение и пълна скорост на плъзгане. Тук е важно качеството на повърхността и спецификацията Ra. Противоположният ръб се зацепва само за кратко по време на обратно въртене или хлабина при ниско натоварване. Специфицирането на висококачествено качество на двата ръбa води до увеличаване на разходите без пропорционална полза. Съвременните спецификации на червячни зъбни колела разграничават Ra с активен ръб (обикновено от 0,4 до 0,8 µm за шлифован материал) и Ra с обратен ръб (обикновено Ra 1,6 µm или фрезоване). Спестяването на разходи от обработка само на активния ръб може да бъде от 20 до 40 процента от общите разходи за обработка. За приложения, където обратното натоварване е значително (двупосочни задвижвания, телфери, индексатори с двете посоки), двата ръбa трябва да получат еднакво качество на обработката.
В: Как взаимодейства повърхностната обработка с производителността на EP добавките?
Добавките за екстремно налягане (EP) в маслата за червячни зъбни колела образуват химически реакционни слоеве върху металната повърхност по време на граничен контакт. Тези слоеве предпазват от износване в периодите, когато смазочният филм е твърде тънък, за да раздели напълно повърхностите. EP добавките са най-активни при по-високи температури и изискват известен граничен контакт, за да се активират. Двойка червячни зъбни колела, работеща в пълен EHL режим (ламбда по-голяма от 3), показва малка EP активност на добавките, тъй като граничен контакт рядко се случва. Двойка в смесен режим (ламбда 1-3) показва умерено образуване на EP слой. Двойка в граничен режим се нуждае от максимална концентрация на EP добавки. Следователно повърхностната обработка взаимодейства с избора на добавки: по-гладките повърхности работят в по-чист EHL режим и се нуждаят от по-малко агресивен EP пакет; по-грубите повърхности работят в смесен режим и се нуждаят от по-високи нива на EP добавки. Несъответствието между повърхностната обработка и вида масло е често срещана диагностична находка за неочаквано кратък експлоатационен живот на червячните зъбни колела.
В: Електрополираната неръждаема стомана същото ли е като полираната червячна предавка?
Не — това са различни процеси с различни ефекти. Електрополирането е електрохимичен процес, който премахва повърхностния метал преференциално в най-високите точки, създавайки чиста, гладка повърхност, обикновено с Ra от 0,1 до 0,4 µm, в зависимост от състоянието на основата. Най-често се използва върху неръждаема стомана за санитарни приложения. Механичното полиране върху червячна резба използва абразиви или вибрационни среди за физическо премахване на пикове, създавайки подобен диапазон на Ra, но с леко различна морфология на повърхността — насочени полиращи следи, а не по-гладката произволна топография на електрополирането. За приложения с червячни зъбни колела, които са в контакт с храни, и двата процеса отговарят на типичните цели за Ra; за първокласни NVH или ефективни приложения, механичното полиране е по-често срещано, защото запазва прецизната геометрия на зъба по-добре от процеса на електрополиране с леко отстраняване на материал.
Повърхностното покритие на червячните зъбни колела е езикът на триене на всяка зацепваща се двойка — Ra и полученото ламбда съотношение определят дали смазочният филм напълно разделя повърхностите (пълно EHL, дълъг експлоатационен живот) или позволява периодичен контакт (смесено или гранично смазване, ускорено износване). Четири процеса на довършителни работи покриват практическия диапазон от само фрезоване при Ra 1.6 до 3.2 µm до полиране при Ra 0.1 до 0.2 µm, като всяка стъпка приблизително намалява наполовина грапавостта и удвоява разходите. Правилното покритие за дадено приложение следва от класа на работа, режима на смазване и регулаторните изисквания — а не от предпочитанието по подразбиране „по-гладкото е по-добро“. Повечето индустриални червячни зъбни колела работят добре при Ra 0.4 до 0.8 µm; прецизните индексатори и приложенията с висока мощност оправдават припокриване или полиране; приложенията в хранителната и фармацевтичната промишленост изискват Ra ≤ 0.4 µm, независимо от механичните нужди. Практическото заключение е, че покритието на червяците е постоянно (закалената стомана не се износва), докато покритието на колелото се подобрява с разработването (мекият бронз се самополира през първите 100 до 300 часа). Определете червяка при целевия работен режим и приемете, че финалът на колелото е с едно ниво по-груб; прекомерното определяне на колелото е загуба на пари, които колелото ще постигне по естествен път.
Определяне на обработката на повърхността за нова червячна зъбна двойка?
Изпратете класа на натоварване на приложението, режима на смазване и всички регулаторни изисквания. Ще препоръчаме правилния слой на покритие (фрезеровано, шлайфано, припокривано или полирано) с цена и срок за изпълнение за всяка опция — обикновено в рамките на един корейски работен ден за стандартните каталожни спецификации.
Редактор: Cxm
