Материалы для зубчатых шкивов: алюминий, сталь или пластик, и ловушка анодирования

Большинство запросов на зубчатые шкивы указывают профиль и количество зубьев, оставляя графу «материал» пустой или просто указывая «алюминий», без уточнения марки. Для лёгкого конвейера этого обычно достаточно. Однако при высокой скорости вращения, повышенной температуре, влажной среде или при передаче значительного крутящего момента возникают проблемы.

Ниже приведены реальные характеристики каждого материала с опубликованными данными.

Алюминий: стандартный выбор и его пределы

Производители шкивов перечисляют сплавы 6061, 6082, 7075, 6063 и легкообрабатываемые марки, например 2011 и AlCuMgPb. Сплав 6061-T6 является наиболее распространённым.

Опубликованные свойства 6061-T6:

Ключевым параметром является твёрдость. 93–95 HB — это мягко. Зубчатый ремень имеет растяжимые корды и зубчатую поверхность из ткани или резины; ткань обладает абразивными свойствами. При длительной работе под нагрузкой ремень, соприкасающийся с оголёнными алюминиевыми зубьями, вызывает износ алюминия, профиль зубьев расширяется, а люфт увеличивается.

Именно поэтому на шкивах применяется анодирование, и именно здесь многие допускают ошибки.

Анодирование: требуемая твёрдость и необходимый запас роста покрытия

Имеют значение два типа, оба регламентируются стандартом MIL-PRF-8625:

Поверхностная твёрдость неанодированного, анодированного и твёрдоанодированного алюминия.

По сравнению с необработанным сплавом 6061 твёрдостью 93–95 HB — это значительное улучшение. Твёрдое анодирование типа III — это спецификация для шкива, который должен выдерживать абразивный контакт с ремнём.

Теперь ловушка. Анодирование — это не покрытие, наносимое на поверхность детали. Оно преобразует саму поверхность и растёт:

Анодное покрытие растёт на 50 % внутрь материала (проникновение) и на 50 % наружу (наращивание).

Размерный прирост составляет примерно 50 % от общей толщины покрытия с каждой стороны.

Расчёт выполнен на основе опубликованного примера: для анодного покрытия типа II общей толщиной 0,5 мил прирост с каждой стороны составляет около 6,35 мкм, проникновение — также около 6,35 мкм, а суммарное изменение диаметра — около 12,70 мкм. Для покрытия типа III толщиной 2,0 мил ожидаемый прирост с каждой стороны составит около 1,0 мил.

На зубчатом шкиве этот прирост приходится на боковые поверхности зубьев. Жёстко покрытый шкив, обработанный до номинальных размеров перед анодированием, выходит из ванны с более узкими зубчатыми промежутками, чем указано в чертеже. На профилях с мелким шагом, таких как T2.5 или AT3, десятки микрометров на каждом боковом участке зуба составляют существенную долю зубчатого промежутка.

Решение простое, но требует осознанного подхода: обрабатывать форму зуба с недостатком, равным ожидаемому увеличению размеров, либо указывать конечные размеры после анодирования и позволять токарю выполнить обратный расчёт. Недопустимо обрабатывать до номинала, затем наносить жёсткое покрытие и надеяться на удачу.

Если вы заказываете шкивы с жёстким покрытием, уточните, относятся ли ваши размеры к состоянию до или после нанесения покрытия. Мы задаём этот вопрос при каждом заказе жёсткого покрытия, поскольку ответ определяет траекторию инструмента.

Сталь: когда алюминий недостаточен

Распространённые марки стали для зубчатых шкивов — C45E, 1045, S45C и сталь 45#.

Алюминиевый зубчатый шкив профиля T10

Опубликованные свойства стали AISI 1045 / C45:

Примерно вдвое выше предел прочности при растяжении по сравнению с 6061-T6 и примерно вдвое выше твёрдость до любой обработки поверхности. Официальное обоснование от производителей шкивов простое: прочность и твёрдость выше, чем у алюминия, более массивное тело, подходит для высоких нагрузок и высоких скоростей.

Масса не всегда является недостатком. На ведомом шкиве дополнительная инерция сглаживает колебания скорости. На сервоприводе, где требуется минимизировать отражённую инерцию, это создаёт реальные издержки.

Выбирайте сталь, когда:

· Крутящий момент достаточно велик, чтобы деформировать алюминиевые зубья

· Привод работает непрерывно на высокой скорости с абразивным ремнём

· Шкив малого размера, поэтому нагрузка на зубья концентрируется на небольшом их количестве

· Рабочая температура превышает допустимые пределы для алюминия

Пластик: лёгкий, тихий и размерно нестабильный

Полимерные шкивы применяются в лёгких режимах эксплуатации, в пищевой промышленности и в задачах, где важны низкий уровень шума или малая масса. Наиболее распространён — PA6 (нейлон 6).

Опубликованные данные по PA6 из технического паспорта инженерного полимера:

Прочность на растяжение выглядит внушительно — она составляет четверть от показателя сплава 6061. Проблема заключается в последних двух строках.

Нейлон поглощает воду и увеличивается в размерах. Шкив, обработанный с заданной точностью в сухом цехе и установленный на влажном производстве или в среде с регулярной мойкой, изменяет свои габариты. В случае шкива с зубчатым ремнём это означает изменение диаметра шага и, как следствие, изменение зацепления зубьев.

Документация производителя прямо указывает, что данный эффект следует учитывать при проектировании, а не рассматривать как дефект. Он присущ самой полимерной структуре.

Сферы эффективного применения пластиковых шкивов:

· Лёгкие нагрузки, низкие скорости

· Применения, чувствительные к шуму

· Агрессивные среды, в которых металлические детали быстрее выходят из строя

· Применения, в которых шкив намеренно выполняет функцию съёмной (жертвенной) детали

Где они НЕ применяются:

· Для точного позиционирования, поскольку изменение размеров делает такую задачу бессмысленной

· При высоком крутящем моменте, поскольку зубья подвержены срезающим нагрузкам

· В горячих средах, близких к пределу непрерывной эксплуатации при 100 °C

Следует чётко указать на ограничение в опубликованных данных, которые нам удалось проверить: содержание влаги при насыщении и связанное с этим процентное изменение размеров не были получены из первичного технического описания. Данные по поглощению влаги за 24 и 96 часов, приведённые выше, достоверны; поведение материала в долгосрочном равновесии в конкретной среде следует уточнять у поставщика материала для точного сорта.

Чугун и нержавеющая сталь

Чугун встречается в более крупных шкивах; производители обозначают марки как HT150, HT200, HT250 и GG25. Порог, при котором чугун заменяет алюминий, определяется размером и стоимостью, а не официально установленным правилом; конкретный диаметральный порог мы подтвердить не смогли. На практике решение принимается исходя из экономики литья: при определённом диаметре литьё оказывается выгоднее, чем механическая обработка заготовки.

Нержавеющей шкивы из нержавеющей стали маркируются как SUS303, SUS304 и AISI 431. Применяются в условиях мойки (washdown), где ключевое требование — коррозионная стойкость, а не механические характеристики. Обратите внимание: марки 303 и 304 относятся к аустенитным сталям и не поддаются упрочнению термообработкой, поэтому шкив из нержавеющей стали не является твёрдым шкивом.

Выбор

Часто задаваемые вопросы

Сделает ли твёрдое анодирование моего алюминиевого шкива таким же твёрдым, как сталь?

Поверхностный слой с твёрдостью 400–700 HV твёрже стали 1045 с твёрдостью 170–210 HB. Однако основной материал — по-прежнему мягкий алюминий, поэтому шкив устойчив к абразивному износу, но не к деформации при высоких нагрузках на зубья.

Почему мой анодированный шкив неправильно взаимодействует с ремнём?

Скорее всего, профиль зубьев был обработан по номинальным размерам, а рост анодного покрытия сузил межзубовые пространства. Проверьте, указаны ли размеры на чертеже до или после анодирования.

Можно ли использовать нейлоновый шкив в условиях очистки под струёй воды?

Он устойчив к коррозии, однако поглощает воду и изменяется в размерах. При очистке под струёй воды с высокими требованиями к точности предпочтительнее использовать нержавеющую сталь.

Является ли сплав 7075 лучше сплава 6061 для шкивов?

Он прочнее, но также дороже и менее устойчив к коррозии. Для большинства задач с ремёнными шкивами лимитирующим фактором является износ поверхности, а не объёмная прочность, поэтому твёрдое анодирование сплава 6061 обычно предпочтительнее замены на более прочный сплав.

Какую температуру может выдержать алюминиевый шкив?

сплав 6061-T6 имеет максимальную рабочую температуру по механическим характеристикам 170 °C. На практике ремень, как правило, становится ограничивающим компонентом задолго до того, как шкив достигнет этой температуры.

Требуется ли поверхностная обработка стальных шкивов?

Для защиты от коррозии — зачастую да, в зависимости от условий эксплуатации. Для обеспечения износостойкости сталь 1045 с твёрдостью 170–210 HB обычно достаточна при работе со стандартными ремнями без дополнительного упрочнения.

Компания Tianjin HaoRongShengYe Electrical Equipment Co., Ltd. изготавливает зубчатые шкивы из алюминия, стали C45, чугуна и нержавеющей стали по профилям HTD, GT, T, AT и дюймовым. При заказе шкивов с твёрдым анодированием уточните, указаны ли размеры зубьев до или после нанесения покрытия: мы скорректируем траекторию инструмента соответствующим образом.