Матеріали для зубчастих шківів: алюміній, сталь чи пластик, і пастка анодування

Більшість запитів на шківи з зубчастим ременем вказують профіль і кількість зубців, але залишають поле «матеріал» порожнім або просто пишуть «алюміній», не уточнюючи його марку. Цього зазвичай достатньо для легких конвеєрів. Проте такий підхід призводить до проблем, коли привід працює з високою швидкістю, високою температурою, у вологому середовищі або передає значний крутний момент.

Нижче наведено реальні характеристики кожного матеріалу з опублікованими даними.

Алюміній: типовий варіант і його межі

Виробники шківів перелічують сплави 6061, 6082, 7075, 6063 та спеціальні легкооброблювані марки, наприклад 2011 і AlCuMgPb. Сплав 6061-T6 є найпоширенішим.

Офіційно задекларовані властивості 6061-T6:

Число, яке має значення, — це твердість. 93–95 HB — це м’яко. Зубчастий ремінь має тягові корди й зубчасту поверхню з тканини або гуми, а тканина є абразивною. Якщо працювати ременем проти голих алюмінієвих зубів достатньо довго під навантаженням, алюміній зношується, профіль зубів розширюється, а люфт зростає.

Саме тому на шківах застосовують анодування, і саме тут багато людей помиляються.

Анодування: потрібна твердість, а ріст — те, що слід передбачити в проекті

Мають значення два типи, обидва відповідно до MIL-PRF-8625:

Поверхнева твердість необробленого, анодованого та твердоанодованого алюмінію.

Проти необробленого сплаву 6061 із твердістю 93–95 HB — це значне поліпшення. Тверде анодування типу III є специфікацією для шківа, який має витримувати абразивний контакт з ременем.

Тепер пастка. Анодування — це не покриття, нанесене на поверхню деталі. Це перетворення самої поверхні, яке супроводжується її зростанням:

Анодування зростає на 50 % у глибину матеріалу (проникнення) і на 50 % назовні (нарощення).

Розмірне зростання становить приблизно 50 % від загальної товщини покриття з кожного боку.

Розраховано на основі опублікованого прикладу: покриття типу II загальною товщиною 0,5 мил дає приблизно 6,35 мкм нарощення з кожного боку, 6,35 мкм проникнення й загальну зміну діаметра приблизно на 12,70 мкм. Для типу III з товщиною 2,0 мил очікується приблизно 1,0 мил з кожного боку.

На шківі з зубчастим ременем цей приріст відбувається на бічних поверхнях зубців. бічних поверхнях зубців. Шків із твердим покриттям, оброблений до номінальних розмірів перед анодуванням, після виймання з ванни має менші проміжки між зубцями, ніж вказано в кресленні. У профілях з малим кроком, наприклад T2.5 або AT3, десятки мікрон на кожній бічній поверхні становлять значну частку проміжку між зубцями.

Рішення просте, але його потрібно застосовувати свідомо: обробляти форму зубців з недоведенням на очікуваний приріст або вказувати остаточні розміри після анодування, щоб фрезерувальник міг самостійно виконати зворотний розрахунок. Неприпустимо обробляти до номінальних розмірів, потім наносити тверде покриття й сподіватися на успіх.

Якщо ви замовлюєте шківи з твердим покриттям, уточніть, чи вказані розміри стосуються стану до чи після нанесення покриття. Ми задаємо це запитання при кожному замовленні з твердим покриттям, оскільки відповідь впливає на траєкторію руху інструменту.

Сталь: коли алюміній не забезпечує достатньої міцності

Поширені марки сталі для зубчастих шківів: C45E, 1045, S45C та сталь 45#.

Алюмінієвий зубчастий шків профілю T10

Опубліковані характеристики сталі AISI 1045 / C45:

Приблизно вдвічі більша межа міцності на розтяг, ніж у сплаву 6061-T6, і приблизно вдвічі більша твердість до будь-якої обробки поверхні. Офіційне пояснення виробників шківів є простим: міцність і твердість вищі, ніж у алюмінію, більша маса тіла, що робить матеріал придатним для високих навантажень і високих швидкостей.

Маса не завжди є недоліком. У веденого шківа додаткова інерція згладжує коливання швидкості. У сервоприводі, де потрібно мінімізувати відображену інерцію, це справжній витратний фактор.

Обирайте сталь, коли:

· Крутний момент достатньо великий, щоб деформувати алюмінієві зубці

· Привід працює безперервно на високій швидкості з абразивним ременем

· Шків невеликий, тому навантаження на зубці концентрується на небагатьох зубцях

· Робоча температура перевищує допустимі межі для алюмінію

Пластик: легкий, тихий і розмірно нестабільний

Полімерні шківи використовують у легких за навантаженням застосуваннях, у харчовій промисловості та там, де важливі тихість або маса. Найпоширенішим є PA6 (нейлон 6).

Опубліковані дані PA6 з технічного паспорта інженерного полімеру:

Межа міцності на розтяг виглядає прийнятною — це чверть від показника сплаву 6061. Проблема в останніх двох рядках.

Нейлон вбирає воду й розширюється. Шків, оброблений з точністю до допусків у сухому цеху й встановлений у вологому приміщенні або середовищі з промивкою, змінює свої розміри. У шківа з зубчастим ременем це означає зміну діаметра посилової окружності й, як наслідок, зміну зачеплення зубців.

Документація виробника чітко вказує, що це розрахункова особливість, а не дефект. Вона притаманна полімеру.

Пластикові шківи працюють добре у таких випадках:

· При легких навантаженнях і низьких швидкостях

· У застосуваннях, чутливих до шуму

· У корозійних середовищах, де метал швидше вийде з ладу

· У застосуваннях, де шків спеціально призначений як жертва

Пластикові шківи не підходять у таких випадках:

· Для точного позиціонування, оскільки розмірна дрейфуваність робить таке застосування безглуздим

· При високому крутному моменті, оскільки зубці зрізаються

· У гарячих середовищах поблизу межі 100 °C для тривалої роботи

Ми повинні чітко вказати на обмеження у наданих даних, які ми змогли перевірити: вміст насиченої вологи та відповідна відсоткова зміна розмірів не були доступні у первинному технічному описі. Значення поглинання за 24 та 96 годин наведені реальні; довготривалу рівноважну поведінку в конкретному середовищі слід уточнювати у постачальника матеріалу для точного його типу.

Чавун і нержавіюча сталь

Литий чавун використовується у більших шківах; виробники зазначають такі марки, як HT150, HT200, HT250 та GG25. Межа, при якій чавун замінює алюміній, визначається розміром і вартістю, а не офіційним правилом, і ми не змогли підтвердити конкретний граничний діаметр. На практиці це визначається економікою лиття: починаючи з певного діаметра, лиття виявляється економічнішим за механічну обробку заготовки.

Нержавіюча шківи використовують позначення, такі як SUS303, SUS304 та AISI 431. Застосування — промивання (washdown), де вимагається стійкість до корозії, а не висока механічна міцність. Зауважте, що марки 303 і 304 є аустенітними й не можуть бути загартованими термічною обробкою, тому шків із нержавіючої сталі не є твердим шківом.

Вибір

Поширені запитання

Чи зробить тверде анодування моє алюмінієве шків таким же твердим, як сталь?

Поверхневий шар із твердістю 400–700 HV твердіший за сталь 1045 із твердістю 170–210 HB. Основний матеріал під шаром залишається м’яким алюмінієм, тому шків стійкий до абразивного зносу, але не до деформації під великими зубчастими навантаженнями.

Чому мій анодований шків неправильно сів на ремінь?

Найімовірніше, профіль зубів був оброблений за номінальними розмірами, а ріст покриття зменшив зазори між зубами. Перевірте, чи були розміри на кресленні вказані до чи після анодування.

Чи можна використовувати шків із нейлону у застосуваннях із промивкою?

Він стійкий до корозії, але вбирає воду й змінює розміри. Для промивки з високими вимогами до точності кращим рішенням є нержавіюча сталь.

Чи кращий сплав 7075 порівняно з 6061 для шківів?

Він міцніший, але й дорожчий, а також менш стійкий до корозії. У більшості випадків для шківів граничним фактором є поверхневий знос, а не масова міцність, тому тверде анодування 6061 зазвичай ефективніше, ніж заміна сплаву.

Яку температуру може витримати алюмінієвий шків?

сплав 6061-T6 має максимальну робочу механічну температуру 170 °C. На практиці ремінь зазвичай є обмежувальним компонентом значно раніше, ніж шків.

Чи потрібна сталевим шківам поверхнева обробка?

Для захисту від корозії — часто так, залежно від середовища. Для стійкості до зносу сталь 1045 з твердістю 170–210 HB, як правило, достатня проти стандартних ременів без додаткового загартування.

Tianjin HaoRongShengYe Electrical Equipment Co., Ltd. виготовлює шківи синхронізації з алюмінію, сталі C45, чавуну та нержавіючої сталі у профілях HTD, GT, T, AT та імперських. Якщо ви замовляєте шківи з твердим анодуванням, повідомте нас, чи вказані розміри зубців до чи після нанесення покриття — ми відповідно налаштуємо траєкторію інструменту.