MMC Magazine

Narzędzia o dużej średnicy stosowane w przemyśle motoryzacyjnym

Przekładnie planetarne są głównym komponentem automatycznych skrzyń biegów (AT). Przejście z manualnych do automatycznych skrzyń biegów wymagało usprawnień w ich produkcji. W tym celu opracowano przeciągacz 
o dużej średnicy z uzębieniem śrubowym. Przeciągacz z uzębieniem śrubowym zapewnia stałą jakość wymaganą w trakcie całego procesu - od obróbki zgrubnej po wykańczającą. Rozmawialiśmy z personelem Wydziału produkcji narzędzi skrawających do obróbki kół zębatych na temat historii jego rozwoju, w tym o innowacyjnych produktach opracowanych przed globalną konkurencją. 

Z BLISKA

Co to jest przeciąganie?

Przeciąganie to technologia obróbki umożliwiająca uzyskanie specjalnych kształtów powierzchni wewnętrznych cylindrycznego otworu, np. wielowypustów i rowków wpustowych. Kształt ostrza przeciągacza jest podobny do kształtu otworu w materiale. Kształt zębów jest kształtowany podczas przesuwu narzędzia wzdłuż osi. Geometria końcowej części przeciągacza odpowiada geometrii gotowego detalu.  W ten sposób cały proces obróbki zębów, od zgrubnej po wykańczającą jest wykonywany jako jeden proces.

Stworzenie najlepszych warunków skrawania dla poszczególnych etapów obróbki precyzyjnych uzębień: zgrubnej, półwykańczającej i wykańczającej, w jednym przejściu narzędzia, znacznie zwiększa wydajność obróbki. 

Charakterystyka procesu przeciągania
Możliwość precyzyjnej obróbki uzębień wewnętrznych

Cechy przeciągaczy z wieloma zębami, o stopniowo zmieniającym się kształcie, od zębów do obróbki zgrubnej po zęby do obróbki wykańczającej:

• Łatwość procedury przeciągania przeciągacza przez przedmiot obrabiany na przeciągarce skraca wymagany czas obróbki. 
• Ostrość i precyzja krawędzi skrawających przeciągacza ma bezpośredni wpływ na dokładność przedmiotu obrabianego. Im wyższa dokładność przeciągacza, tym wyższa uzyskana jakość powierzchni i dokładność wymiarów gotowego wyrobu.
• Istnieje także możliwość obróbki skomplikowanych kół osiowych, np. z uzębieniem spiralnym.
• Ze względu na fakt, że wielkość naddatku na ząb i całkowity naddatek można określić na etapie projektowania przeciągacza, operator obrabiarki nie musi mieć specjalnie wysokich kwalifikacji.
• Nacisk wytwarzany przez siły skrawania powoduje pewne mocowanie przedmiotu obrabianego i nie są konieczne specjalne uchwyty montażowe. 

Part 1　1962～

Uruchomienie zakładu Akashi

Po roku 1955 szybki rozwój japońskiego przemysłu wytwórczego pobudził zapotrzebowanie na narzędzia 
do obróbki skrawaniem. Aby sprostać temu zapotrzebowaniu, w 1962 roku Mitsubishi Materials uruchomiło zakład w Akashi. Zakład ten posiadał wiele najnowocześniejszych urządzeń do prowadzenia niektórych procesów, np. polerowania i hartowania. Dysponował także przyrządami kontrolno-pomiarowymi, niezbędnymi w produkcji narzędzi skrawających takich jak wiertła, frezy trzpieniowe, rozwiertaki i przeciągacze. Spodziewano się, że zwłaszcza przeciągacze będą poszukiwane przez klientów, ponieważ umożliwiają dokładną i wydajną obróbkę uzębień. Dlatego też od samego początku w Mitsubishi Materials rozpoczęto produkcję przeciągaczy.

Part 2　1990～

Szybkie wprowadzanie automatycznych skrzyń biegów zwiększyło zapotrzebowanie na przeciągacze

Wraz ze wzrostem produkcji automatycznych skrzyń biegów 
w latach 90-tych, należało zwiększyć wydajność produkcji przekładni planetarnych, które mają względnie dużą średnicę. Przed zastosowaniem przeciągaczy, uzębienia obrabiano za pomocą frezów. Obróbka uzębień kół zębatych obejmuje trzy operacje: obróbkę zgrubną, półwykańczającą i wykańczającą, co trwa około 2 do 3 minut na sztukę. Przeciąganie wymaga maksymalnie 30 sekund na sztukę, co oznacza 4- do 6-krotne zwiększenie wydajności. Oprócz tego, przeciąganie zapewnia znacznie wyższą dokładność w porównaniu z frezowaniem, a obejmuje tylko jedną prostą operację przeciągnięcia narzędzia przez przedmiot obrabiany na przeciągarce.

Aby w pełni wykorzystać te zalety, w Mitsubishi Materials rozpoczęto prace nad przeciągaczem o dużej średnicy z uzębieniem śrubowym - bardziej zaawansowanym modelem istniejącego przeciągacza 
do wielowypustów. Pierwszy prototyp był zestawem złożonym z sekcji głównej do obróbki zgrubnej z ostrzami do obróbki krawędzi zewnętrznych oraz sekcji wymiennej (nasadzanej) z ostrzami do obróbki wykańczającej. 
Ze względu na duże rozmiary, nie było w tym czasie wystarczająco precyzyjnego przyrządu pomiarowego co oznaczało, że prototyp należało rozdzielić na sekcję główną i wymienną Detal obrabiany ma dokładnie taki kształt, jak kształt części kalibrującej przeciągacza. 

W przypadku przeciągacza składanego trudno było uzyskać żądaną dokładność. Producentom automatycznych skrzyń biegów dostarczono kilka prototypów, jednak większość została zwrócona ze względu na małą dokładność. 

W przypadku przeciągacza składanego dokładność ostrzy w wymiennej sekcji wykańczającej bezpośrednio przekłada się na dokładność uzębień. Wymagało to dokonywania mikronowej regulacji kształtu ostrza w sekcji nasadzanej. Firma Mitsubishi, stosując metodę prób i błędów, podjęła się udoskonalenia ostrza i w 1995 r. osiągnięto stabilną dokładność.

Part 3 : 2000~

Skonstruowanie innowacyjnego urządzenia pomiarowego przyczyniło się do powstania pierwszego na świecie jednoczęściowego przeciągacza

W latach 90-tych Mitsubishi Materials uruchomiła masową produkcję przeciągaczy składanych, a jednocześnie rozpoczęła opracowanie przeciągacza nowego typu, którego sekcja główna i nasadzana stanowiły jedną całość. Ze względu na brak przyrządu do pomiaru dokładności zębów przeciągacza jednoczęściowego, niemożliwe było precyzyjne ostrzenie zębów. Przeciągacz z uzębieniem śrubowym, używany w produkcji przekładni planetarnych do automatycznych skrzyń biegów, ma średnicę zewnętrzną ø100 – 180 i długość całkowitą 1 500 – 2 000 mm. To spowodowało konieczność zastosowania konstrukcji składanej, z sekcją nasadzaną, której uzębienie musiało być bardzo precyzyjne, ale dzięki mniejszym wymiarom, możliwy był precyzyjny pomiar za pomocą urządzenia do pomiaru kół zębatych. Jednak precyzyjny pomiar dużego, jednoczęściowego przeciągacza wymagał skonstruowania nowego urządzenia pomiarowego. Inżynierowi Mitsubishi Materials udało się stworzyć innowacyjne urządzenie, własnej konstrukcji, do pomiarów kształtu uzębień. Była to pierwsza na świecie próba, a za to osiągnięcie Mitsubishi Materials przyznano nagrodę Encouragement Prize Stowarzyszenia Inżynierów Mechaników Japońskich. Konstruktor przeciągacza otrzymał tytuł doktora inżyniera na Wydziale Inżynierii Mechanicznej na Uniwersytecie Osaka. Wyniki jego badań można podsumować następująco: "Precyzyjne szlifowanie uzębień używanych w przekładniach zębatych czołowych i skośnych wymaga pomiaru błędów ściernicy i uzębień, analizie danych, stworzenia automatycznego programu korekcji błędów i natychmiastowej informacji zwrotnej do szlifierki. Połączenie tych systemów w całość może zapewnić żądaną precyzję szlifowania uzębień".

Zastosowanie nowego urządzenia własnej konstrukcji, do pomiarów kształtu uzębień na szlifierce CNC, umożliwiło szlifowanie kształtu zębów jednoczęściowego przeciągacza o wysokiej precyzji. To doprowadziło do skonstruowania pierwszego na świecie przeciągacza o dużej średnicy z uzębieniem śrubowym. Ten jednoczęściowy przeciągacz pozawala na znaczne zredukowanie kosztów produkcji poprzez wykonanie sekcji głównej razem z sekcją wymienną i precyzyjną obróbkę uzębień. Oprócz tego istnieje możliwość optymalizacji sił skrawania działających na każde ostrze, co zmniejsza zużycie ścierne i zwiększa trwałość przeciągacza 
i wydłuża czas do kolejnego ostrzenia. Poza tym, demontaż, ponowny montaż i regulacja sekcji nasadzanej, konieczna do ponownego ostrzenia przeciągacza składanego, jest zbędna w przypadku przeciągacza jednoczęściowego, co także obniża koszty. Te zalety spotkały się z zadowoleniem naszych klientów, a redukcja prac związanych z ostrzeniem znajduje szczególne uznanie u zagranicznych producentów automatycznych skrzyń biegów. 

Part 4　2010～

Ustalanie dalszych celów

Równocześnie z pracami nad przeciągaczem jednoczęściowym, w Mitsubishi Materials prowadzono prace nad udoskonaleniem przeciągaczy składanych. Typy rowków obejmują rowki pierścieniowe (prostopadłe 
do osi) oraz rowki spiralne (pod kątem do osi). Przeciągacze z rowkiem pierścieniowym mają krótszą trwałość, ponieważ występuje tu znaczne zwiększenie sił skrawania. Rowek śrubowy charakteryzuje się mniejszymi obciążeniami podczas skrawania, co zwiększa precyzję kształtu uzębienia i trwałość narzędzia, wymaga jednak specjalnego oprzyrządowania do ostrzenia.

Istnieją trzy typy przeciągaczy składanych. W pierwszym sekcja główna i nasadzana ma rowek prostopadły do osi. W drugim sekcja główna ma rowek prostopadły do osi, a sekcja nasadzana ma rowek spiralny. W trzecim, obie sekcje przeciągacza mają rowek spiralny. Różnice mogą być także w liczbie rowków. Przykładowo, liczba ostrzy w sekcji głównej jest zmniejszona do 4-6, natomiast w sekcji nasadzanej zwiększona do 8-10, co poprawia ostrość narzędzia. 

Przeciągacz jednoczęściowy również występuje w tych samych trzech typach. Przedmiotem prac inżynierów Mitsubishi był przeciągacz o innej konstrukcji ostrzy zarówno w sekcji głównej, jak i w sekcji nasadzanej. 

Produkcja precyzyjnych przeciągaczy wymaga rygorystycznej kontroli temperatury podczas ostrzenia. Ponieważ ostrzenie wymaga znacznej ilości czasu, temperatura musi być utrzymywana w wąskim zakresie, aby zapobiec ekspansji cieplnej szlifierki, co mogłoby spowodować zmiany wpływające na dokładność podziałki ostrzy produktu finalnego. Mitsubishi Materials kontynuuje prace nad produkcją przeciągaczy o jeszcze wyższej jakości i precyzji, redukując jednocześnie nawet niewielkie zmiany temperatury. 

Patrząc wstecz na historię przeciągaczy śrubowych

Nishikawa: Wydział produkcji narzędzi skrawających do obróbki uzębień, wykonujący przeciągacze, utrzymuje bliskie kontakty z klientami. Ponieważ narzędzia skrawające są przeznaczone dla naszych klientów, ich opinie i problemy występujące podczas eksploatacji są dla nas bardzo ważne. Zdarzają się reklamacje, które traktujemy bardzo poważnie; ale oprócz rozwiązywania ewentualnych problemów ważne jest dla nas, aby konstruować narzędzia, które będą dla nich jeszcze bardziej przydatne. Ta filozofia jest podstawą naszego rozwoju. 

Kohno: Produkcja precyzyjnych narzędzi nie zawsze odpowiada oczekiwaniom teoretycznym. Jest to chyba najprzyjemniejsza strona produkcji przeciągaczy. Wykonywaliśmy już przeciągacze śrubowe o dużej średnicy i o długości ponad 2 metrów. Nawet mała różnica konstrukcji ostrzy przeciągacza ma duży wpływ na precyzję produktu finalnego. Przykładowo, nieznaczne dogładzenie krawędzi skrawających wykonane ręcznie, czasami zwiększa dokładność całego procesu. Trudno wyjaśnić to teoretycznie i nie każdy umie to zrobić w praktyce. Dlatego ważne jest, aby takie precyzyjne narzędzia można było korygować w taki sposób.