Vaihdelaatikon valmistus: muotoleikkaus- ja generointimenetelmän periaatteet ja sovellukset hammaspyöräntyöstössä

01 Generointimenetelmän perusperiaatteet

1.1 Matemaattiset perusteet

• Käärimisperiaate : Leikkuureunan liiketrajektori muodostaa sarjan jatkuvia käyriä, ja näiden käyrien verho muodostaa teoreettisen hammasprofiilin (esim. evolventti, sykloidi).
• Syöttöyhtälö : Tyydyttää suhteellisen liiketilan työkalun ja työkappaleen välillä varmistaakseen hampaiden profiilin tarkkuuden.

1.2 Keskeiset ominaisuudet

• Korkea tarkkuus : Kykenee koneistamaan monimutkaisia hampaita (esim. evolventti-, kaarihammaspyörät).
• Korkea tehokkuus : Jatkuva leikkaus mahdollistaa massatuotannon.
• Vahva monimutkaisuus : Yhdellä työkalulla voidaan koneistaa hammaspyöriä, joissa on eri määrä hampaita (edellyttäen, että niillä on sama moduuli).

1.3 Tyypilliset generointimenetelmät

1.3.1 Hionta (hobbing)

• Periaate : Käyttää hyödyksi terän (muodoltaan kuin ruuvimainen pyörä) ja hammaspyörätyhjän välistä syvyyden liikettä, jolloin leikkaus suoritetaan aksiaalisyötön kautta.
• Liikkeen suhde : Terän pyöriminen (pääleikkausliike) + Työkappaleen pyöriminen (generoiva liike) + Aksiaalisyöttö.
• Edut : Korkea tehokkuus, soveltuu massatuotantoon (esim. autoteollisuuden hammaspyörät); voi koneistaa suoria, hila- ja ruuvipyöriä jne.
• Sovellusesimerkkejä : Planeettahammaspyörien ja aurinkohammaspyörien koneistus tuuliturbiinien vaihteistoissa.

1.3.2 Hammaspyöräporaus (gear shaping)

• Periaate : Käyttää hammaspyöräporaterää (muodoltaan samankaltaista kuin hammaspyörä), joka tekee palautuvaa leikkausliikettä työkappaleeseen samalla kun se pyörii syvyssuhteessa.
• Liikkeen suhde : Pystysuuntainen palautusleikkaus hammashierontakoneella + työkappaleen ja työkalun generoiva pyöriminen.
• Edut : Kykenee koneistamaan monimutkaisia rakenteita, kuten sisähampaita ja kaksoishammaspyöriä; parempi hampaanpinnan karkeus verrattuna hiontaan (Ra 0,8–1,6 μm).
• Rajoitukset : Alhaisempi tehokkuus kuin hionnassa; korkeammat työkalukustannukset.
• Sovellusesimerkkejä : Sisähalkopyörien koneistus vaihteistoissa ja pienet tarkkuushammaspyörät.

1.3.3 Hammashionta

• Periaate : Hiontatyökalu ja työkappale pyörivät yhdessä kevyellä paineella, jolloin terän reunojen raaputustoiminnalla parannetaan hampaan profiilin tarkkuutta. Se on viimeistelyvaihe, jota käytetään leikkaamiseen hionnan tai hammashieronnan jälkeen.
• Edut : Voi korjata hampaan profiilivirheitä ja parantaa hammaspyörän siirtosileyttä; koneistustarkkuus saavuttaa DIN 6–7 -luokan.
• Sovellusesimerkkejä : Auton vaihteiston hammaspyörien lopullinen koneistus.

1.3.4 Hammaspyörähionta

• Periaate : Käyttää muotohiontelua tai ruuvimaisesti muotoiltua hiontalaikkua, jolla hiontaan hampaan pinta generoivalla liikkeellä, pääasiassa kovettujen hammaspyörien viimeistelyyn.
• Edut : Erittäin korkea tarkkuus (jopa DIN 3–4 luokka); voi koneistaa vaikeasti kovettuvia hammaspintoja (HRC 58–62).
• Rajoitukset : Korkeat kustannukset ja alhainen tehokkuus, käytetään tyypillisesti korkean tarkkuuden vaativissa sovelluksissa.
• Sovellusesimerkkejä : Ilmailu- ja avaruusteollisuuden moottorien hammaspyörät sekä tuuliturbiinien vaihdelaatikoiden nopeusvaiheiden hammaspyörät.

02 Perusperiaatteet muotoleikkauksessa

• Suuri riippuvuus työkalusta : Hampaan profiilin tarkkuus riippuu suoraan työkalun kontuurin tarkkuudesta.
• Ei synnyttävää liikettä : Koneistusprosessi ei simuloi hammaspyörän pureutumista, vaan perustuu ainoastaan työkalun ja työkappaleen väliseen suhteelliseen liikkeeseen.
• Korkea joustavuus : Kykenee koneistamaan epästandardeja hampaan profiileja (esim. kaarimuotoiset hampaat, suorakaiteenmuotoiset hampaat).

2.1 Matemaattiset perusteet

• Profiiliperiaate : Työkalun leikkausreunan geometrinen muoto vastaa täysin hammaspyörän hampaan väliä.
• Jakoliike : Käyttää jakolaitteita (esim. jako­päitä) hampaan­hampaalta tapahtuvaan työstöön, jotta varmistetaan tasainen hampaiden jako.

2.2 Edut ja haitat

Edut

• Yksinkertainen laiteisto : Saavutettavissa tavallisilla pora­koneilla.
• Sopii yksittäisille, pienille sarjoille tai korjaukseen : Ihanteellinen räätälöinti- ja huoltotilanteisiin.
• Kykeneminen työstämään erittäin suuria moduulihammaspyöriä : Kuten kaivinkoneiden käytettävät hammaspyörät.

Epäkohdat

• Alhainen tarkkuus : Tyypillisesti DIN 9–10 -luokkaa.
• Alhainen tehokkuus : Vaatii hampaan kerrallaan koneistuksen.
• Huono työkalujen monikäyttöisyys : Jokaista moduulia varten tarvitaan erikoistyökalut.

2.3 Tyypilliset muotojen leikkausmenetelmät

2.3.1 Hammaspyöräporaus

• Periaate : Käyttää kiekkojuovaporausta tai loppuporausta; pora pyörii leikkaamiseen ja työkappale siirretään hampaalta toiselle jako­päällä.
• Liikkeen suhde : Poraajan pyöriminen (pääleikkaus) + Työkappaleen aksiaalisyöttö + Jakopyöriminen.
• Sovellusskenaariot : Suorahammasten ja helikaterästeiden yksittäistuotanto ja pienosatiloitus; suurmoduliset hammaspyörät (moduli ≥20 mm) tai korjaushammaspyörät.
• Tapaustutkimus : Merien vähennysvaihteiden hitaanhalkaisijan hammaspyörät (moduli 30, materiaali: 42CrMo), jotka on koneistettu päätemuovilla + CNC-indeksoidulla menetelmällä, saavuttaen hampaanpinnan karkeuden Ra 3.2 μm.

2.3.3 Hampaantyöstö

• Periaate : Käyttää työkaluna sahausta (moniteräinen porraskaluste) koko hammassarakkeen työstämiseen yhdellä kuljella.
• Liikkeen suhde : Sahauksen lineaariliike (leikkaus) + kiinteä työkappale.
• Edut : Erittäin korkea tehokkuus (valmistaa yhden hammassarakkeen per isku); suhteellisen korkea tarkkuus (jopa DIN 7 -luokka).
• Rajoitukset : Sopii vain sisä- tai ulkohammaspyörien massatuotantoon; sahaustyökalujen valmistuskustannukset ovat korkeat, mikä tekee menetelmästä kannattavan vain suurten erien tapauksessa samalla spesifikaatiolla.
• Sovellusesimerkkejä : Automaattisten synkronointirenkaiden massatuotanto (sykliaika <10 sekuntia/kappale).

2.3.3 Muotinhionta

• Periaate : Käyttää muotoistettua hiomakiveä (jonka profiili vastaa hammassaraketta) kovettujen hammaspyörien hiontaan.
• Liikkeen suhde : Hionnavan pyöriminen + Työkappaleen indeksointi.
• Edut : Voi koneistaa korkean kovuisten hammaspyörien (HRC >60); tarkkuus jopa DIN 4 -luokkaan (hammasprofiilin virhe <5 μm).
• Sovelluskentät : Lentokoneiden moottorien hammaspyörien ja tarkkuusvähentimien valmis­koneistus.

03 Kahden menetelmän vertailu ja teolliset sovellukset

Vertailu generointimenetelmän ja muotoleikkuun välillä

Generoivamenetelmän teolliset sovellukset

3.1 Tuulivoimaloiden vaihdelaatikot

• Vaatimukset : Suuri vääntömomentti, pitkä käyttöikä (≥20 vuotta).
• Prosessiyhdistelmä : Hionta (esikoneistus) → Lämpökäsittely → Hammaspyörähionta (viimeistely).