A fogaskerék és a szerszámgépek evolúciója
A különböző méretű fogaskerekek – a karórában található apró alkatrészektől egészen a turbinákban található monumentális darabokig – teljesítményátvitelre szolgáló mechanikai alkatrészek, melyeket széles körben alkalmaznak. A fogaskerekek és fogaskerekes hajtóművek világpiaca ennek megfelelően óriási volument tesz ki, becsült mérete körülbelül 200-300 milliárd dollár, s az ipar fejlődésével együtt várhatóan még tovább fog bővülni.
A fogaskerék gyártásának története
Kutatók szerint a fogaskerekek történte több mint 2000 évre nyúlik vissza. Az antiküthérai szerkezetet tartják a világ egyik legrégebbi, máig megmaradt fogaskerekes mechanizmusának, amely egy nagyobb gép részét képezte az ókori Görögországban. A fogaskerekek fejlődésére a legnagyobb hatást kétségkívül Leonardo da Vinci gyakorolta. Tanulmányai komoly előrelépést jelentettek a fogaskerekes hajtások terén a 15. század végén, és ő találta fel a napjainkban is használt alapvető fogaskerékalakokat. Az ipari forradalom során, a 18. század vége felé egymás után jelentek meg a nagy hatékonyságú fogaskerékgyártó gépek, amelyek lehetővé tették a fogaskerekek tömeggyártását és széles körű elterjedését minden gyártószektorban. Mivel ezek az alkatrészek adtak lendületet a gépgyártás kibontakozásának, az ipari fejlődés szimbólumává váltak, és mint ilyenek, több ország bankjegyén vagy címerében is megjelentek. Jóllehet a fogaskerekek mellett a nyomatékváltók, szíjak és láncok is alapelemei a modern erőátviteli mechanizmusoknak, ám nem fér kétség ahhoz, hogy a fogaskerekes hajtásátvitel nehezen felülmúlható hatékonyság, teherbírás és élettartam terén.
A fogaskerekek kutatása és fejlesztése ipari, egyetemi és kormányzati szinten egyaránt támogatott terület. Japánban 2016-ban mutatták be az úgynevezett IP (involute planar – evolvens sík) kúpkereket, amely formabontó alakkal rendelkezik, és a hagyományosnál tízszer gyorsabban gyártható fogaskerék. Nem meglepő tehát, hogy nagy figyelmet kapott világszerte. Ezzel párhuzamosan a fogaskerekek tömeggyártásának témakörében folytatott kutatások elérhető közelségbe hozták a szénszálerősítésű műanyagok (CFRP) elterjedését, a jövőben pedig további előrelépés várható.
Kiemelt fontosságú alkatrész – folyamatos fejlesztés
A forgómozgás átadása mellett fogaskerekekkel megoldható a körkörös mechanizmus lineáris mozgássá alakítása is, amit a forgásirány megváltoztatásával – eltérő forgástengelyű fogaskerekekkel, valamint a fordulatszám módosításával – különböző méretű fogaskerekek kombinációjával – érhetünk el. E feladatok ellátására sokféle típusú szerszámot fejlesztettek, a homlokfogaskeréktől a fogaskerék-fogasléc pároson és a csigakeréken át a kúpkerékig. A fogak hosszirányú állása szerint egyenes, ferde, illetve spirális fogazás alakítható ki. Míg szigorúan a fog alakja szerint is több mint tíz különböző típusú fogaskerék ismert. Napjainkban a legelterjedtebb kialakítás az evolvens és a trochoid geometria. Az előbbi fogprofilt különösen széles körben használják a különböző iparágakban, mivel kiegyensúlyozott forgómozgást garantál, s a gyártására többféle módszer is alkalmazható. Bár a fogaskerekek anyaga leggyakrabban szénacél és rozsdamentes acél, más anyagok is használatosak, mint például a mérnöki műanyag, amivel csökken a fogaskerék tömege, az ólmozott öntöttvas, amivel minimalizálható a kapcsolódó fogaskerekek zaja, vagy az edzett acél, amivel a fogaskerék szilárdsága fokozható.
Fogaskerék mindenhol
Fogaskerekek találhatók olyan, mindenki által ismert termékekben, mint a karórák vagy a kamerák, amelyekben 1 milliméternél is kisebb átmérőjű alkatrészek gondoskodnak a mutató forgatásáról vagy éppen a lencse fókuszálásáról. A jelenleg fejlesztés alatt álló mikrofogaskereknek köszönhetően a szakértők az ultra miniatűr gépek elterjedését várják.
A vasúti közlekedésben, hajóépítésben, építőipari gépekben, valamint az acél- és energiaiparban, illetve sok más nehézipari területen használatosak különböző méretű fogaskerekeket tartalmazó hajtóművek – a hajtómű azon teljesítményátviteli mechanizmusok gyűjtőneve, amely a fordulatszámot csökkentve növeli a nyomatékot, vagy ellenkezőleg, növeli a fordulatszámot. Hajtóműveket többek közt a vasúti járművek kerekeinél, valamint a szél- és termikus erőművek turbináinál alkalmaznak.
A repülőgépipar nemrég kezdte meg a gyakorlatban is használni a fogaskerekekkel működő turbóventilátoros hajtóműveket (GTF), ami egy olyan repülőgép-hajtómű, amelyben fogaskerekes áttételek egyszerre optimalizálják a turbóventilátor forgását, és teszik lehetővé a kompresszor, illetve a turbina maximális hatásfokkal való működtetését.
Jelenleg a megoldás elsősorban kisebb és közepes méretű légi járműveknél kezd elterjedni, de később várhatóan a nagyobb repülőgépekben is széles körben használatos lesz.
A megmunkálás fontossága
A számos ipari termékben megtalálható fogaskerekek mára a modern társadalom gyarapodásának szimbólumaivá váltak, mivel kulcsfontosságú szerepet töltöttek be a gépgyártás fejlődésében.
Bár világszerte számos más iparágban is alkalmaznak fogaskereket, a világon évente legyártott fogaskerekek felét a járműipar használja fel. Sok kerül sebességváltóba, differenciálműbe, kormányrendszerbe és a járművek más fődarabjaiba. A kiélezett verseny miatt a járműgyártók nagy hangsúlyt fektetnek az üzemanyag-hatékonyságra, valamint a zajok és a rázkódás csökkentésére, ez pedig egyre fejlettebb fogaskerék-megmunkálást követel. A multi-stage sebességváltók például azért elterjedtek a nagyobb járműveknél, mert jobb az üzemanyag-hatékonyságuk, ám ugyanakkor több fogaskereket tartalmaznak, és sok esetben nagyobb zajt okoznak. Emiatt fontos a fogfelületek megmunkálási pontosságának és felületminőségének a javítása, a költségek csökkentése mellett. A fogaskerekek okozta zaj mérséklése kiemelt fontosságú, mivel a benzines és dízelhajtású motorok mellett a hibrid és elektromos járműveket is érinti, sőt, mivel az utóbbiak sokkal csendesebb működésűek, így a fogaskerekek esetleges zörgése is feltűnőbb.
A gyártók felismerték a rendszerükben rejlő üzleti potenciált, emiatt előnyben részesítik azokat a folyamatokat, amelyek rugalmasan képesek fogaskereket létrehozni. Homlokfogaskerekek esetében például az alkatrészek hagyományos megmunkálása a nyersdarab esztergálásával kezdődik, amit a fogak lefejtő marása, a fogfejek speciális gépen történő kialakítása, majd a hántológéppel való készre munkálás követ. A folyamatot a hőkezelés, illetve a hántológépes simító megmunkálás zárja. Az ilyen, célgépekből álló gyártósor tömeggyártásban ugyan hatékony, de sok termék kisszériás előállítására nem alkalmas. Emiatt kezdtek elterjedni az utóbbi években a többfunkciós gépekből és más, általános célú berendezésekből felépített gyártósorok.
Gyártani gyorsan, pontosat
A fogaskerék megmunkálása olyan multifunkciós gyártógéppel is elvégezhető, amely egyesíti egy CNC-eszterga és a megmunkálóközpont funkcióit, a hőkezelésig feleslegessé téve a beállítás megváltoztatását az egyes lépések között, beleértve a profilozást, illetve a simítást is – amihez korábban több célgépre is szükség volt. E megoldás sok kis szériában gyártott fogaskeréknél javíthatja a gyártási hatékonyságot, valamint csökkentheti a költségeket az egyes lépések integrálásával; így a megmunkálási idő lerövidítésével, a gépek számának csökkentésével, valamint a hagyományos gyártási módszerekhez képest nagyobb pontossággal hozhatunk létre fogazott alkatrészt. A jövőben valószínűleg még jobban ki lehet majd használni a többfunkciós gépekkel történő fogaskerékgyártásban rejlő potenciált: lehetőség lesz például hibrid többfunkciós gépekkel és fémipari additív gyártással fogaskerékszegmensek gyártására, majd ezeket összehegesztve nagy átmérőjű fogaskerekek előállítására.
Fogaskerék gyártás Mazak gépekkel
A Mazak kínálatában a többfunkciós gépek széles termékskálája mellett háromféle típusú, hatékony fogaskerékgyártó alkalmazás is szerepel, amelyeket sok évnyi gyártói tapasztalat alapján fejlesztettek ki. Ezek a SMOOTH Gear Milling, a SMOOTH Gear Hobbing és a SMOOTH Gear Skiving. INTEGREX AG terméksorozatú multifunkciós gépekkel a fogaskerekek gyártása a nyersdarabtól a megmunkálásig egy berendezésen végezhető, drasztikusan növelve a termelékenységet, különösen a kis szériás és a nagy átmérőjű fogaskerekek gyártása terén.
Az INTEGREX AG megmunkálóközpontok beépített alkalmazásai:
SMOOTH Gear Milling. Drága CAD/CAM szoftver nélkül hozhatók létre a programok. Az alkatrészfogak nagyolása és simítása a rendelkezésre álló ujjmarókkal és gömbvégű ujjmarókkal végezhető. Nincs szükség speciális és költséges fogaskerékgyártó célszerszámokra. Ez a módszer kis szériás fogaskerékgyártásnál jelentősen csökkenti az átfutási időt és a költségeket.
SMOOTH Gear Hobbing. Ez a megoldás szinkronizálja a gép főorsóját és a maróorsót, hogy a fogaskerék fogait egy lefejtő maróval lehessen megmunkálni. A programozás párbeszédablakok formájában történik. Az eltoló és visszahúzó funkciók jelentősen növelik a lefejtő maráshoz használt szerszám élettartamát.
SMOOTH Gear Skiving. A skiving-lefejtéssel homlokfogaskerekek és belső fogazású fogaskerekek egyaránt rövid ciklusidővel gyárthatók.
A különböző méretű és típusú fogaskerekek és az azokat gyártó szerszámgépek folyamatos tökéletesedése forradalmasítani fogja a gyártást, fejlődést eredményezve minden kapcsolódó iparágban. A Mazak tovább folytatja a csúcstechnológiájú szerszámgépek és alkalmazások fejlesztését, hogy meg tudjon felelni a gyártók elvárásainak, és hozzájáruljon a gyártás modernizációjához.