Обобщение преимуществ и недостатков различных методов обработки зубчатых передач редукторов
2025-07-05
Шестерни являются основными передаточными компонентами редукторов, и точность их обработки напрямую влияет на эффективность передачи, уровень шума и срок службы. В этой статье будет проведен систематический анализ основных технологий обработки шестерен и проведено их сравнение с точки зрения экономичности, диапазона точности и применимых сценариев.
1. Процесс резки
1.1 шестерня（Hobbing）
Принцип : посредством генерирующего движения червячной фрезы и заготовки зубчатого колеса.
Преимущества :
○ Высочайшая эффективность (обработка модуля 5 передач может занять до 10 минут на деталь)
○ Возможность обработки прямых/косозубых/червячных передач (путем регулировки угла фрезы)
Недостатки :
○ Шероховатость поверхности зуба Ra обычно составляет 1,6–3,2 мкм.
○ Внутренние зубчатые колеса и ступенчатые зубчатые колеса не подлежат механической обработке.
Экономичность : низкая себестоимость единицы продукции (подходит для массового производства)
1.2 вставные зубья（Shaping）
Принцип : возвратно-поступательное резание, имитирующее движение зацепления зубчатых колес.
Преимущества :
○ Возможность обработки внутренних и фланцевых зубчатых колес.
○ Точность профиля зуба может достигать класса 6 по DIN (лучше, чем у обычной зубофрезерной обработки)
Недостатки :
○ Эффективность составляет всего 1/3 от зубофрезерования.
○ Для косозубых передач требуются специальные спиральные направляющие.
Типичное применение : планетарный редуктор с внутренним зацеплением.
1.3 Бритье（Shaving）
Позиционирование процесса : получистовая обработка перед закалкой
Преимущества :
○ Исправление ошибок профиля зуба (повышение точности на 1-2 уровня)
○ Шероховатость поверхности зуба Ra может достигать 0,8-1,6 мкм.
Недостатки :
○ Необходимо оставить запас 0,03-0,08 мм.
○ Не подходит для материалов с твердостью > 45HRC
2.Процесс шлифования
2.1 Формовочное шлифование（Form Grinding）
Функции :
○ Точное воспроизведение формы зуба с помощью алмазных шлифовальных кругов, обработанных на станках с ЧПУ
○ Может достигать сверхвысокой точности класса DIN 3 (стандарт редуктора ветроэнергетических установок)
Недостатки :
○ Время правки шлифовального круга (составляет 30% времени обработки)
○ Стоимость единицы товара в 5-8 раз выше стоимости бритья.
2.2 Создание шлифовки
Типовое оборудование : Зубошлифовальный станок для червячных колес Reishauer серии RZ
Преимущества :
○ Шлифование боковой поверхности зуба и корня зуба одновременно (избегая концентрации напряжений)
○ Эффективность обработки на 50% выше, чем при формовочном шлифовании.
Недостатки :
○ Требования к динамической точности станков чрезвычайно высоки (<2 мкм)
○ Требуется цех с постоянной температурой (колебания температуры < ±1°C)
3.Специальная технология обработки
3.1 Порошковая металлургия (ПМ)
Поток процесса : прессование → спекание → отделка → пропитка маслом
Преимущества :
○ Коэффициент использования материала >95% (по сравнению с обработкой резанием ≈60%)
○ Могут быть интегрированы сложные функции (например, самосмазывающиеся масляные отверстия)
Недостатки :
○ Прочность на изгиб составляет около 70% от прочности кованой стали.
○ Подходит для небольших передач с модулем менее 2,5
3.2 Литье металла под давлением (MIM)
Точность : допуск по размеру ±0,3% (подходит для микрошестерен)
Стоимостные характеристики :
○ Высокая стоимость пресс-формы (>100 000 юаней)
○ Подходит для партий более 100 000 штук
3.3 Шестерни, напечатанные на 3D-принтере
- Выбор процесса
| Оценочные размеры | Зубофрезерование | Формовка зубчатых колес | Бритье | Формовочное шлифование | Порошковая металлургия |
| Класс точности (DIN) | 7-8 | 6-7 | 5-6 | 2-4 | 8-9 |
| Поверхность зуба Ra(мкм) | 1.6-3.2 | 1,6-2,5 | 0,8-1,6 | 0,2-0,4 | 3.2-6.3 |
| Индекс себестоимости единицы продукции | 1.0 | 1.8 | 2.5 | 8.0 | 0,6 |
| Минимальный модуль (мм) | 0,5 | 0.3 | 0,5 | 0,8 | 0.1 |
| Приспособляемость к термической обработке | Требуется отжиг | Требуется отжиг | Предварительно закаленный | После закалки | Спеченный |
предположение :
Крупногабаритные автомобильные шестерни : зубофрезерование + зубошевингование (с учетом как эффективности, так и точности)
Высокоточный редуктор : зубофрезерование → закалка → обкатное шлифование (класс DIN 3)
Микророботизированные шестерни : MIM (интеграция сложной структуры)
5.Влияние методов обработки зубчатых колес на срок службы зубчатых колес
1). Точность обработки поверхности зуба
● влияет на
контактную усталостную прочность и срок службы зубчатого колеса.
● Высокоточная обработка
(например, шлифование зубчатых колес, хонингование зубчатых колес и зубофрезерование зубчатых колес) позволяет снизить шероховатость поверхности, уменьшить концентрацию напряжений и увеличить усталостную долговечность.
● Низкоточная обработка
(например, обычное зубофрезерование и зубофрезерование) может оставлять следы инструмента или заусенцы, которые могут стать источником трещин и сократить срок службы.
2). Выбор метода обработки
● Зубофрезерование
имеет высокую эффективность и подходит для массового производства, однако качество поверхности среднее и требует последующей доводки (такой как шевингование и хонингование) для увеличения срока службы.
● Зубодолбление
подходит для обработки внутренних зубчатых колес, но шероховатость поверхности зубьев относительно высока и требует доработки.
● Зубошлифование
имеет самую высокую точность (до класса ISO 3-5), значительно улучшает контактную усталость и усталостную прочность при изгибе, но и стоит дороже.
● Хонингование зубчатых колес
улучшает шероховатость поверхности зубьев и микрогеометрию и подходит для окончательной обработки зубчатых колес после закалки.
● Шовирование
улучшает качество поверхности зубьев, но применимо только к незакаленным зубчатым колесам.
a. Резка может привести к возникновению растягивающего напряжения и снижению усталостной прочности; неправильная шлифовка может привести к ожогам или трещинам. Срок службы шлифованных шестерен может быть в 3-5 раз больше, чем у обычных зубчатых колес с червячной фрезой. Необработанные закаленные шестерни могут привести к раннему образованию питтингов или поломке зубьев из-за деформации.
b. Последующая обработка, такая как дробеструйная обработка, может привести к возникновению сжимающего напряжения, компенсировать негативные эффекты обработки и продлить срок службы.
6.Заключение
Технология обработки зубчатых колес развивается в направлении триединства : высокой точности, высокой эффективности и высокой гибкости .
Рекомендуется выбирать следующие методы обработки:
а) Позиционирование продукта (потребительский/промышленный/аэрокосмический);
b) Размер партии (прототип/среднесерийная/крупносерийная); в) чувствительность к затратам;
c) чувствительность к затратам;
d) Выбор технологического маршрута, обеспечивающего оптимальный баланс между технической зрелостью и экономичностью.
Выбор высокоточных методов обработки (например, шлифование зубьев), оптимизация термообработки и последовательности обработки, а также применение соответствующих методов упрочнения поверхности позволяют значительно увеличить срок службы зубчатых колес. При наличии соответствующих финансовых возможностей, финишная обработка является эффективным способом продления срока службы ключевых зубчатых колес.
