Vence ozubených kolies, najmä tie tenkostenné, sú kľúčovými komponentmi v mnohých mechanických systémoch. Ich presnosť a odolnosť sú nevyhnutné pre prenos krútiaceho momentu a pohybu. Avšak, ak sa tieto tenkostenné súčiastky spracúvajú klasickými metódami, ako je cementovanie, objavuje sa dobre známy problém - deformácia.
Výzvy tradičného cementovania
Pri procese cementovania najprv pri vysokej teplote do ocele difunduje uhlík. Následne sa obrobok rýchlo ochladí, čím vzniká martenzit - tvrdý, ale s vysokým vnútorným napätím. Vysoké teploty okolo 900 °C, nasledované prudkým ochladením, vystavujú ozubené vence extrémnemu napätiu.
Problémy s deformáciou a kvalitou
V prípade masívnych ozubených kolies tento proces funguje spoľahlivo. Avšak pri dutých kolesách s tenkými stenami sa každá mikroskopická zmena v štruktúre materiálu sčíta do citeľných geometrických odchýlok. Súčiastka sa môže zdeformovať do oválneho tvaru alebo nespĺňať tolerancie rovinnosti a hádzavosti. Výsledkom sú nákladné brúsiace a rovnacie procesy. Súčiastka sa po procese z pece vracia oválna namiesto kruhová, vnútorné ozubenie už nie je súosé a predtým presne brúsený otvor je potrebné znovu opracovať. Každá z týchto korekcií predlžuje výrobný cyklus a zvyšuje náklady.
Plazmové nitridovanie s technológiou PLASNIT®
Technológia PLASNIT® predstavuje inovatívne riešenie, ktoré eliminuje mnohé z problémov spojených s tradičným cementovaním tenkostenných vencov ozubených kolies.
Princíp fungovania PLASNIT®
PLASNIT® využíva ionizovanú zmes dusíka a vodíka pri relatívne miernych teplotách približne 500 až 540 °C. V tomto plazme sa dusík uvoľňuje, difunduje do povrchovej vrstvy ocele a vytvára jemne vyvinutú difúznu vrstvu s tlakovými vlastnými napätiami. Keďže sa súčiastka neochladzuje prudkým kalením, nedochádza k fázovým premenám. Napätia vzniknuté počas ohrevu sa riadene uvoľňujú. Výsledok: ozubená súčiastka si zachováva svoj pôvodný tvar - aj pri veľmi tenkých stenách prstencov.
Technická výkonnosť - vedecky overená
Vďaka cielenej regulácii procesu je možné vytvoriť spojovaciu vrstvu, ktorá vykazuje vysokú odolnosť proti opotrebeniu, presne na bokoch zubov, nie však v koreňovej oblasti zubu. Už v roku 2007 skúmalo Výskumné centrum pre ozubené kolesá a prevodovky (FZG) na Technickej univerzite v Mníchove pod vedením prof. Höhna únavovú pevnosť plazmovo nitridovaných ocelí. Nitridačné ocele ako 31CrMoV9 dosiahli pevnosti v päte zubu až do 590 MPa a nosnosť bokov zubov až do 1 760 MPa. Tieto hodnoty sa pohybujú v hornej hranici toho, čo ponúkajú cementované súčiastky.
Spoločnosť RÜBIG následne preniesla tieto testy do interných programov na skutočné sériové komponenty. Duté kolesá, ktoré bolo po cementovaní potrebné brúsiť kvôli ovalite, vyšli po prechode na PLASNIT® z pece bez akéhokoľvek dodatočného opracovania - pri zachovaní alebo dokonca zlepšení pevnostných hodnôt.
Ekonomické a environmentálne výhody PLASNIT®
Ekonomický prínos v sériovej výrobe
Plazmové nitridovanie prináša viac než len technickú stabilitu. Keďže deformácie sú minimálne a vznikajú takmer výlučne uvoľnením vlastných napätí z mechanickej výroby, je možné ozubené koleso nitridovať v hotovom stave alebo s malými rozmerovými rezervami. Výrobné náklady klesajú na dvoch frontoch:
- Po prvé, odpadá brúsenie, honovanie či rovnanie.
- Po druhé, znižujú sa zmetkovitosti, pretože nutnosť prebrusovania prakticky zaniká.
Zároveň sa znižuje aj spotreba energie, keďže postačujú nižšie teploty a nie je potrebné kalenie v oleji.
Udržateľnosť a bezpečnosť práce
Zatiaľ čo cementovanie si vyžaduje kalenie do oleja a prináša so sebou emisie spalín, technológia PLASNIT® pracuje takmer bez emisií. Ionizovaný plyn sa v rámci uzavretého komorového okruhu recykluje - zlúčeniny chrómu (VI) a kyanidy sa pri procese nevyskytujú. Ak je pec napájaná zelenou elektrinou, je celý proces dokonca klimaticky neutrálny.
PLASNIT® pre éru novej mobility a praktické príklady
Ideálne riešenie pre éru novej mobility
Prechod na elektrické pohony prináša nové koncepcie prevodoviek: kompaktné planétové prevodovky, ktoré musia prenášať vysoké krútiace momenty s minimálnou hlučnosťou. Prstencové kolesá s tenkou stenou sú pritom ich srdcom. Pomocou technológie PLASNIT® ich možno zušlachtené spracovať bez geometrických kompromisov. To uľahčuje ľahkú konštrukciu, znižuje hlučnosť a predlžuje životnosť - kľúčové ciele v elektrických vozidlách.
Príklady z praxe
Náprava úžitkového vozidla s pohonom všetkých kolies
Jeden výrobca ťažkých náprav úžitkových vozidiel s pohonom všetkých kolies pôvodne používal cementovaný vnútorný ozubený veniec. Napriek zložitým upínacím prípravkom bolo nevyhnutné následné brúsenie, aby sa dosiahla trieda presnosti 7. Po prechode na technológiu PLASNIT® zostala odchýlka v hádzavosti aj rovinnosti taká malá, že nebolo potrebné ani jedno brúsenie. Náklady na jedno prstencové koleso klesli približne o 17 percent.
Šikmo ozubené prstencové koleso pre planétovú prevodovku
Šikmo ozubené prstencové koleso pre planétovú prevodovku (príruba Ø 125 mm, šírka 32 mm, m = 1,5) vykazovalo po klasickom kalení na tŕni výrazné rozmerové a tvarové odchýlky. Profilové a čelné chyby sa pohybovali v rozsahu niekoľkých µm; kruhovitosť príruby sa výrazne odchýlila. Zákazník poveril spoločnosť RÜBIG vzorovou dávkou, ktorá - pri nezmenenom materiáli (31CrMoV9) - bola plazmovo nitridovaná. Tým zostali všetky tolerancie ozubenia aj rovinnosti v rámci hodnôt konečného opracovania; tvrdé brúsenie už nebolo potrebné. Vďaka odstráneniu brúsenia, rovnania a dodatočného merania sa podiel celkových nákladov na jedno duté koleso znížil o približne 12-17 %.
Pridaná hodnota pre zákazníka s PLASNIT®
Technológia PLASNIT® prináša zákazníkom jasné výhody:
- Bez deformácií a pripravené na montáž - okamžitá montáž bez dodatočného opracovania.
- Nižšie náklady na kus - dvojciferná úspora na jednu prevodovku.
- Stabilná kvalita - reprodukovateľné tolerancie aj pri tenkých stenách.
- Udržateľnosť - žiadne olejové kaliace kúpele, nižšia spotreba energie.
* Uvedené vlastnosti vrstiev vychádzajú z procesov za optimálnych podmienok.