วัสดุสำหรับเฟืองไทม์มิ่ง: อลูมิเนียม เหล็ก หรือพลาสติก และกับดักของการชุบผิวด้วยการอะโนไดซ์

คำถามส่วนใหญ่เกี่ยวกับเฟืองขับแบบไทม์มิ่งมักระบุรูปแบบของฟันและจำนวนฟันไว้ชัดเจน แต่เว้นวัสดุไว้ว่าง หรือระบุเพียงว่า "อะลูมิเนียม" โดยไม่ระบุเกรดที่แน่ชัด ซึ่งโดยทั่วไปก็เพียงพอสำหรับระบบลำเลียงที่ใช้งานเบา อย่างไรก็ตาม จะเกิดปัญหาเมื่อระบบขับเคลื่อนทำงานด้วยความเร็วสูง อุณหภูมิสูง มีความชื้น หรือต้องส่งกำลังบิด (torque) จริง

นี่คือสมรรถนะที่แท้จริงของแต่ละวัสดุ พร้อมค่าทางเทคนิคที่เผยแพร่แล้ว

อะลูมิเนียม: วัสดุมาตรฐาน และขีดจำกัดของมัน

ผู้ผลิตเฟืองขับแบบไทม์มิ่งมักระบุเกรดอะลูมิเนียมหลายชนิด เช่น 6061, 6082, 7075, 6063 และเกรดที่เหมาะสำหรับการกลึงได้ง่าย เช่น 2011 และ AlCuMgPb โดยเกรด 6061-T6 ถือเป็นเกรดหลักที่ใช้กันแพร่หลายที่สุด

คุณสมบัติที่เผยแพร่แล้วของเกรด 6061-T6:

ค่าที่สำคัญที่สุดคือค่าความแข็ง 93 ถึง 95 HB นุ่ม สายพานไทม์มิ่งมีเส้นใยรับแรงดึงและผิวฟันที่ทำจากผ้าหรือยาง โดยผิวผ้ามีคุณสมบัติขัดสึก เมื่อหมุนสายพานกับฟันอลูมิเนียมเปล่าภายใต้โหลดเป็นเวลานานพอ อลูมิเนียมจะสึกกร่อน รูปร่างของฟันจะบานออก และความคล่องตัว (backlash) จะเพิ่มขึ้น

นี่คือเหตุผลที่มีการชุบแอนโนไดซ์บนพูลลีย์ และเป็นจุดที่หลายคนมักพลาด

การชุบแอนโนไดซ์: ความแข็งที่คุณต้องการ แต่การขยายตัวที่คุณต้องคำนวณไว้ล่วงหน้า

มีสองชนิดที่สำคัญ ทั้งคู่อยู่ภายใต้มาตรฐาน MIL-PRF-8625

ความแข็งผิวของอลูมิเนียมแบบไม่ชุบ ชุบแอนโนไดซ์ และชุบแอนโนไดซ์แบบแข็ง

เมื่อเปรียบเทียบกับอลูมิเนียมเกรด 6061 ที่ไม่ผ่านการชุบผิว ซึ่งมีค่าความแข็งอยู่ที่ 93 ถึง 95 เอชบี ถือว่าดีขึ้นมากอย่างเห็นได้ชัด แอนโนไดซ์แบบไทป์ III คือข้อกำหนดสำหรับพูลลีย์ที่ต้องทนต่อการสัมผัสอย่างรุนแรงจากสายพานแบบกัดกร่อน

ตอนนี้คือจุดที่ต้องระวัง การแอนโนไดซ์ไม่ใช่การเคลือบผิวที่นำมาทาทับบนชิ้นงาน แต่เป็นกระบวนการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างพื้นผิวเอง และเกิดการขยายตัวออกทั้งสองทิศทาง

การแอนโนไดซ์จะขยายเข้าไปในเนื้อวัสดุ 50% (การแทรกซึม) และขยายออกภายนอกอีก 50% (การสะสม)

การเปลี่ยนแปลงมิติโดยประมาณคือ 50% ของความหนาทั้งหมดของชั้นผิวที่เกิดขึ้น ต่อด้าน

คำนวณจากตัวอย่างที่เผยแพร่: ชั้นแอนโนไดซ์แบบไทป์ II ที่มีความหนารวม 0.5 มิล จะให้ค่าการสะสมต่อด้านประมาณ 6.35 ไมโครเมตร และการแทรกซึมต่อด้านอีก 6.35 ไมโครเมตร ทำให้การเปลี่ยนแปลงเส้นผ่านศูนย์กลางรวมประมาณ 12.70 ไมโครเมตร ส่วนแบบไทป์ III ที่มีความหนา 2.0 มิล จะให้ค่าการสะสมประมาณ 1.0 มิลต่อด้าน

บนพูลลีย์แบบไทม์มิ่ง การขยายตัวนี้จะเกิดขึ้นที่ ด้านข้างของฟันเฟือง พูลลีย์ที่เคลือบผิวด้วยวิธีฮาร์ดโค้ตและกลึงให้มีขนาดตามค่าที่ระบุไว้ก่อนการชุบอะโนไดซ์ จะมีระยะห่างระหว่างฟันแคบลงกว่าค่าที่ออกแบบไว้หลังจากนำออกจากถังชุบ สำหรับโปรไฟล์ที่มีระยะฟันละเอียด เช่น T2.5 หรือ AT3 การเปลี่ยนแปลงเพียงไม่กี่สิบไมครอนบนแต่ละด้านของฟัน ก็ถือเป็นสัดส่วนที่มีน้ำหนักต่อระยะห่างระหว่างฟันแล้ว

วิธีแก้ไขนั้นตรงไปตรงมา แต่ต้องทำอย่างตั้งใจ: กลึงรูปร่างฟันให้มีขนาดเล็กกว่าค่าที่ต้องการตามสัดส่วนการขยายตัวที่คาดไว้ หรือระบุขนาดสุดท้ายหลังการชุบอะโนไดซ์ไว้ชัดเจน เพื่อให้ช่างกลึงสามารถคำนวณย้อนกลับหาขนาดเริ่มต้นได้ สิ่งที่ใช้ไม่ได้คือการกลึงให้ได้ขนาดตามค่าที่ระบุไว้ แล้วจึงเคลือบผิวด้วยวิธีฮาร์ดโค้ตโดยหวังว่าจะได้ขนาดที่ถูกต้อง

หากท่านสั่งพูลลีย์ที่เคลือบผิวด้วยวิธีฮาร์ดโค้ต โปรดระบุชัดเจนว่าค่ามิติที่ให้มานั้นหมายถึงก่อนหรือหลังการเคลือบผิว เรามีคำถามนี้กับทุกคำสั่งซื้อพูลลีย์แบบฮาร์ดโค้ต เพราะคำตอบจะส่งผลต่อเส้นทางการกลึง (toolpath)

เหล็ก: เมื่ออัลลอยด์อลูมิเนียมไม่เพียงพอ

ชื่อเรียกทั่วไปสำหรับพูลลีย์ไทม์มิ่งที่ทำจากเหล็ก ได้แก่ C45E, 1045, S45C และเหล็กเกรด 45#

พูลลีย์ไทม์มิ่งอะลูมิเนียม โปรไฟล์ T10

คุณสมบัติของเหล็ก AISI 1045 / C45 ที่เผยแพร่ไว้:

มีความแข็งแรงดึงโดยประมาณเป็นสองเท่าของอลูมิเนียมเกรด 6061-T6 และมีความแข็งเป็นสองเท่าก่อนการเคลือบผิวใดๆ ข้อให้เหตุผลที่ผู้ผลิตพูลลีย์ระบุไว้ชัดเจน: ความแข็งแรงและความแข็งสูงกว่าอลูมิเนียม มีมวลมากกว่า เหมาะสำหรับงานที่รับโหลดสูงและหมุนด้วยความเร็วสูง

น้ำหนักไม่จำเป็นต้องเป็นข้อเสียเสมอไป สำหรับพูลลีย์ที่ถูกขับเคลื่อน ความเฉื่อยที่เพิ่มขึ้นจะช่วยลดความแปรปรวนของความเร็ว แต่ในแกนเซอร์โวที่ต้องการลดความเฉื่อยที่สะท้อนกลับให้น้อยที่สุด น้ำหนักที่มากขึ้นนี้จึงเป็นต้นทุนที่แท้จริง

เลือกใช้เหล็กเมื่อ:

· แรงบิดสูงพอที่จะทำให้ฟันของอลูมิเนียมเกิดการเปลี่ยนรูป

· ระบบขับเคลื่อนทำงานต่อเนื่องที่ความเร็วสูงพร้อมสายพานที่มีคุณสมบัติขัดสี

· พูลลีย์มีขนาดเล็ก ทำให้แรงกระทำต่อฟันกระจุกตัวอยู่ที่จำนวนฟันน้อย

· อุณหภูมิในการใช้งานสูงกว่าขอบเขตที่อลูมิเนียมทนได้

พลาสติก: เบา ไร้เสียงรบกวน แต่ไม่คงรูปทางมิติ

พูลลีย์แบบพอลิเมอร์ใช้ในงานเบา งานจัดการอาหาร และงานที่ความเงียบหรือน้ำหนักมีความสำคัญ ไนลอน 6 (PA6) เป็นวัสดุที่ใช้กันทั่วไป

ข้อมูล PA6 ที่เผยแพร่จากแผ่นข้อมูลทางวิศวกรรมของพอลิเมอร์:

ความแข็งแรงดึงดูดดูน่าประทับใจที่หนึ่งในสี่ของโลหะผสม 6061 แต่ปัญหาอยู่ที่สองแถวสุดท้าย

ไนลอนดูดซึมน้ำและบวมตัว เฟืองพัลเลย์ที่กลึงให้ได้ค่าความคลาดเคลื่อนตามมาตรฐานในโรงงานแห้ง แล้วนำไปติดตั้งในโรงงานที่มีความชื้นสูง หรือในสภาพแวดล้อมที่ต้องล้างด้วยน้ำ จะเกิดการเปลี่ยนแปลงมิติ สำหรับเฟืองพัลเลย์แบบไทม์มิ่ง สิ่งนี้หมายถึงเส้นผ่านศูนย์กลางเชิงเกียร์ (pitch diameter) เปลี่ยนไป และการสัมผัสกันของฟันเฟืองก็เปลี่ยนตามไปด้วย

เอกสารจากผู้ผลิตระบุอย่างชัดเจนว่าประเด็นนี้เป็นสิ่งที่ต้องคำนึงถึงในการออกแบบ ไม่ใช่ข้อบกพร่อง และเป็นลักษณะเฉพาะที่มีอยู่โดยธรรมชาติของพอลิเมอร์ชนิดนั้น

จุดที่เฟืองพัลเลย์พลาสติกทำงานได้ดี:

· โหลดเบา ความเร็วต่ำ

· การใช้งานที่ไวต่อเสียงรบกวน

· สภาพแวดล้อมที่กัดกร่อน ซึ่งโลหะจะสึกหรอเร็วกว่า

· การใช้งานที่เฟืองถูกออกแบบให้เป็นชิ้นส่วนที่สูญเสียไปก่อนโดยเจตนา

กรณีที่ไม่ควรใช้:

· การจัดตำแหน่งอย่างแม่นยำ เพราะการเปลี่ยนแปลงมิติจะทำให้สูญเสียจุดประสงค์หลัก

· แรงบิดสูง เพราะฟันเฟืองอาจขาดหรือเฉือน

· สภาพแวดล้อมที่ร้อนจัดใกล้ขีดจำกัดการใช้งานต่อเนื่องที่ 100 °C

เราขอชี้แจงข้อจำกัดหนึ่งในข้อมูลที่เผยแพร่ซึ่งเราตรวจสอบได้: ค่าความชื้นอิ่มตัวและค่าร้อยละของการเปลี่ยนแปลงมิติที่ตามมา ไม่สามารถหาได้จากแผ่นข้อมูลทางเทคนิคฉบับต้นฉบับ ตัวเลขการดูดซึมน้ำที่ระบุข้างต้นสำหรับช่วง 24 และ 96 ชั่วโมงนั้นเป็นข้อมูลจริง แต่พฤติกรรมสมดุลระยะยาวในสภาพแวดล้อมเฉพาะนั้น ควรสอบถามผู้จัดจำหน่ายวัสดุของท่านสำหรับเกรดวัสดุที่แน่นอน

เหล็กหล่อและสแตนเลส

เหล็กหล่อ ปรากฏในพูลลีย์ขนาดใหญ่ ด้วยเกรดต่าง ๆ เช่น HT150, HT200, HT250 และ GG25 ซึ่งผู้ผลิตกำหนดชื่อไว้ จุดที่เหล็กหล่อแทนอะลูมิเนียมนั้นขึ้นอยู่กับขนาดและต้นทุน มากกว่ากฎที่ประกาศไว้อย่างเป็นทางการ และเราไม่สามารถยืนยันเส้นผ่านศูนย์กลางเฉพาะที่แน่นอนได้ ในทางปฏิบัติ ปัจจัยหลักคือเศรษฐศาสตร์ของการหล่อ: เมื่อเกินเส้นผ่านศูนย์กลางค่าหนึ่ง การหล่อจะคุ้มค่ากว่าการกลึงจากแท่งโลหะสำเร็จรูป

สแตนเลส พูลลีย์สแตนเลสใช้รหัสระบุเช่น SUS303, SUS304 และ AISI 431 ใช้ในงานล้างทำความสะอาด (washdown) โดยมีความต้องการหลักคือความต้านทานการกัดกร่อน มากกว่าสมรรถนะเชิงกล โปรดทราบว่าเกรด 303 และ 304 เป็นสแตนเลสชนิดออสเทนิติก ซึ่งไม่สามารถเพิ่มความแข็งผ่านการให้ความร้อนได้ ดังนั้นพูลลีย์สแตนเลสจึงไม่ใช่พูลลีย์ที่มีความแข็งสูง

การเลือก

คำถามที่พบบ่อย

การชุบผิวด้วยอะโนไดซ์แบบแข็งจะทำให้รอกอะลูมิเนียมของฉันแข็งเท่าเหล็กหรือไม่

ชั้นผิวที่มีความแข็ง 400 ถึง 700 เฮฟเนอร์ (HV) แข็งกว่าเหล็กเกรด 1045 ที่มีความแข็ง 170 ถึง 210 บริเนล (HB) แต่เนื้อวัสดุชั้นล่างยังคงเป็นอะลูมิเนียมที่นุ่มอยู่ ดังนั้นรอกจึงต้านทานการสึกกร่อนได้ดี แต่ไม่สามารถต้านแรงกดจากฟันเฟืองที่หนักได้

ทำไมรอกที่ผ่านกระบวนการอะโนไดซ์แล้วจึงสวมเข้ากับสายพานไม่พอดี

ส่วนใหญ่เกิดจากฟันเฟืองถูกกลึงตามค่าขนาดที่ระบุไว้โดยตรง และชั้นเคลือบจากการอะโนไดซ์ทำให้ช่องว่างระหว่างฟันแคบลง โปรดตรวจสอบว่าขนาดในแบบแปลนระบุไว้ก่อนหรือหลังการอะโนไดซ์

สามารถใช้รอกไนลอนในงานล้างทำความสะอาดด้วยน้ำแรงสูงได้หรือไม่

วัสดุนี้ต้านการกัดกร่อนได้ดี แต่ดูดซับน้ำและเปลี่ยนรูปร่างตามขนาด สำหรับงานล้างทำความสะอาดที่ต้องการความแม่นยำสูง วัสดุสแตนเลสจึงเหมาะสมกว่า

โลหะผสม 7075 ดีกว่าโลหะผสม 6061 สำหรับรอกหรือไม่

มันแข็งแรงกว่า แต่ก็มีราคาแพงกว่าและต้านทานการกัดกร่อนได้น้อยกว่า สำหรับงานพุลเลย์ทั่วไป ข้อจำกัดมักเกิดจากความสึกหรอของผิวหน้ามากกว่าความแข็งแรงเชิงโครงสร้าง ดังนั้นการเคลือบผิวให้แข็ง (hardcoating) บนอลูมิเนียมเกรด 6061 มักให้ผลดีกว่าการเปลี่ยนไปใช้อะลูมิเนียมเกรดสูงขึ้น

พุลเลย์อลูมิเนียมสามารถทนอุณหภูมิได้สูงสุดเท่าใด

อลูมิเนียมเกรด 6061-T6 มีอุณหภูมิใช้งานเชิงกลสูงสุดที่ 170 องศาเซลเซียส ในทางปฏิบัติ สายพานมักเป็นชิ้นส่วนที่เสื่อมสภาพก่อนพุลเลย์เสมอ

พุลเลย์เหล็กต้องผ่านการบำบัดผิวหรือไม่

เพื่อป้องกันการกัดกร่อน มักจำเป็นต้องทำบำบัดผิว ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมที่ใช้งาน ส่วนในด้านความทนทานต่อการสึกหรอ เหล็กเกรด 1045 ที่มีค่าความแข็ง 170–210 HB โดยทั่วไปเพียงพอสำหรับใช้ร่วมกับสายพานมาตรฐานโดยไม่จำเป็นต้องผ่านกระบวนการเพิ่มความแข็งเพิ่มเติม

บริษัท Tianjin HaoRongShengYe Electrical Equipment Co., Ltd. ผลิตพุลเลย์ไทม์มิ่งจากวัสดุอลูมิเนียม เหล็ก C45 เหล็กหล่อ และสแตนเลส ตามโปรไฟล์ HTD, GT, T, AT และแบบอิมพีเรียล ถ้าท่านสั่งพุลเลย์ที่ผ่านการอะโนไดซ์แบบแข็ง (hard anodised) กรุณาระบุให้ชัดเจนว่าขนาดฟันของท่านวัดก่อนหรือหลังการเคลือบ เพื่อเราจะสามารถตั้งค่าเส้นทางเครื่องจักร (toolpath) ได้อย่างเหมาะสม