01Descripción general
Una transmisión por engranaje helicoidal consta de un
gusano y rueda helicoidal, utilizados para transmitir movimiento y potencia entre ejes que se cruzan, generalmente con un ángulo de intersección de 90 grados. En las transmisiones por engranajes helicoidales en general, el tornillo sin fin es el componente impulsor.
En apariencia, el gusano se parece a un perno, mientras que la rueda helicoidal es muy similar a un engranaje cilíndrico helicoidal.
Durante el funcionamiento, los dientes de la rueda helicoidal se deslizan y ruedan a lo largo de la superficie helicoidal del gusano.
Un tornillo sin fin es un engranaje con uno o más dientes helicoidales que engrana con una rueda helicoidal para formar un par de engranajes-de eje cruzado. Su superficie de paso puede ser cilíndrica, cónica o toroidal.
Hay cuatro tipos: gusano de Arquímedes, gusano involuta, gusano de perfil{0}}recto normal y gusano cilíndrico envolvente cónico.
Al igual que los hilos, los gusanos se dividen en tipos de-mano derecha e izquierda-, llamados gusanos de derecha-y gusanos de izquierda-, respectivamente.
Para mejorar el contacto entre los dientes, la rueda helicoidal tiene forma de arco a lo largo de la dirección del ancho del diente, de modo que encierra parcialmente el gusano. Esto da como resultado un contacto lineal entre el tornillo sin fin y la rueda helicoidal durante el engrane, en lugar de un contacto puntual.
02Ventajas de las transmisiones por engranajes helicoidales
✦ Gran relación de transmisión de una sola etapa-, generalmente i=10~100. En los mecanismos de indexación para la transmisión de energía, puede llegar a más de 1500.
✦ El mallado es de contacto en línea, lo que le permite soportar mayor potencia.
✦ Estructura compacta, transmisión suave y bajo nivel de ruido.
✦ Cuando el ángulo de avance del gusano es menor que el ángulo de fricción equivalente entre los engranajes, tiene propiedades de auto-bloqueo en la dirección inversa, lo que significa que el gusano puede impulsar la rueda helicoidal, pero la rueda helicoidal no puede impulsar el gusano.
03Desventajas de las transmisiones por engranajes helicoidales
✦ Dado que los dos ejes son perpendiculares y las velocidades de las líneas nodales de los dos engranajes son perpendiculares, la velocidad de deslizamiento relativa es muy alta, lo que genera calor y desgaste.
✦ Baja eficiencia, generalmente 0,7~0,8; Los engranajes helicoidales con propiedades de autobloqueo-tienen una eficiencia aún menor, generalmente inferior a 0,5.
04Fórmulas de cálculo para engranajes helicoidales y tornillos sin fin
1. Relación de transmisión=Número de dientes del engranaje helicoidal ÷ Número de roscas helicoidales
2. Distancia central=(diámetro de paso del engranaje helicoidal + diámetro de paso del tornillo sin fin) ÷ 2
3. Diámetro exterior del engranaje helicoidal=(Número de dientes + 2) × Módulo
4. Diámetro de paso del engranaje helicoidal=Módulo × Número de dientes
5. Diámetro de paso del gusano=Diámetro exterior del gusano - 2 × Módulo
6. Cable helicoidal=π × Módulo × Número de subprocesos
7. Ángulo de hélice (ángulo de avance) tgB=(Módulo × Número de roscas) ÷ Diámetro de paso del gusano
8. Cable helicoidal=π × Módulo × Número de subprocesos
9. Módulo=Diámetro del círculo primitivo / Número de dientes
Número de roscas del gusano: gusano de un solo-hilo (solo una línea helicoidal en el gusano, lo que significa que el gusano gira una revolución y el engranaje helicoidal gira un diente); Gusano de doble-rosca (dos líneas helicoidales en el gusano, lo que significa que el gusano gira una revolución y el engranaje helicoidal gira dos dientes).
El módulo se refiere al tamaño de la línea helicoidal del tornillo; cuanto más grande es el módulo, más grande es la línea helicoidal del tornillo.
El coeficiente de diámetro se refiere al espesor del tornillo.
Módulo: El círculo primitivo de un engranaje es la base para diseñar y calcular las dimensiones de varias partes del engranaje. La circunferencia del círculo primitivo del engranaje=πd=zp, por lo que el diámetro del círculo primitivo es
d = z p/π
Dado que π es un número irracional en la fórmula anterior, no es conveniente utilizarlo como referencia para posicionar el círculo primitivo. Para facilitar el cálculo, la fabricación y la inspección, la relación p/π se define artificialmente como algunos valores simples, y esta relación se denomina módulo, representado por m.
05Tipos de transmisiones por engranajes helicoidales
Según la forma del gusano, los engranajes helicoidales se pueden dividir en engranajes helicoidales cilíndricos, engranajes helicoidales toroidales y engranajes helicoidales cónicos. Entre ellos, los engranajes helicoidales cilíndricos son los más utilizados. Los engranajes helicoidales cilíndricos ordinarios se mecanizan principalmente en un torno utilizando una herramienta de corte con un filo recto. Dependiendo de la posición de montaje de la herramienta y del tipo de herramienta utilizada, se pueden obtener cuatro tipos de engranajes helicoidales con diferentes perfiles de dientes en la sección transversal-perpendicular al eje: engranaje helicoidal de espiral (tipo ZI), engranaje helicoidal de Arquímedes (tipo ZA), engranaje helicoidal de perfil-recto normal (ZN) y engranaje helicoidal cilíndrico envolvente cónico (ZK).
Engranaje helicoidal de espiral (tipo ZI): el plano del filo es tangente al cilindro base del engranaje helicoidal y los dientes de la cara del extremo son de espiral, adecuados para velocidades más altas y mayor potencia.
Engranaje helicoidal de Arquímedes (tipo ZA): el perfil de los dientes en el plano perpendicular al eje es una espiral de Arquímedes y el perfil de los dientes en el plano que pasa por el eje es una línea recta. Es fácil de fabricar pero tiene menor precisión (engranaje helicoidal de perfil-recto axial).
Engranaje helicoidal de perfil-recto normal (ZN): se puede rectificar con una muela modificada, lo que hace que el procesamiento sea relativamente sencillo. A menudo se utiliza para engranajes helicoidales de arranque múltiple y la eficiencia de la transmisión puede alcanzar 0,9.
Engranaje helicoidal cilíndrico envolvente cónico (ZK): se trata de un engranaje helicoidal de superficie helicoidal no-lineal. No se puede mecanizar en un torno y sólo se puede fresar en una fresadora y rectificar en una rectificadora. Este tipo de tornillo sin fin es fácil de rectificar, lo que da como resultado una mayor precisión y su aplicación está cada vez más extendida.
06Tecnología de procesamiento de engranajes helicoidales metálicos
1. Determinar el material del blanco
⑴ Excelente maquinabilidad, lo que resulta en un buen acabado superficial y una pequeña tensión interna residual, con menor desgaste de las herramientas de corte.
⑵ Resistencia a la tracción generalmente no inferior a 588 MPa.
⑶ Buenas propiedades de tratamiento térmico, buena templabilidad, no propenso a apagar grietas, estructura uniforme, pequeña deformación por tratamiento térmico y capaz de obtener alta dureza, asegurando así la resistencia al desgaste y la estabilidad dimensional del engranaje helicoidal.
⑷ Dureza del material uniforme y estructura metalográfica que cumpla con los estándares. Los materiales comúnmente utilizados incluyen: T10A, T12A, 45, 9Mn2V, CrMn, etc. Entre ellos, 9Mn2V tiene mejor procesabilidad y estabilidad, pero poca templabilidad; su ventaja es una pequeña deformación después del tratamiento térmico, adecuado para fabricar piezas de alta-precisión, pero es propenso a agrietarse y tiene malas propiedades de molienda. Cuanto mayor sea la dureza del engranaje helicoidal, más resistente al desgaste-es, pero es más difícil de rectificar durante la fabricación. 2. Selección de superficies de referencia de mecanizado
Superficies de referencia de los engranajes helicoidales: estructuralmente, los engranajes helicoidales vienen en dos formas: engranajes helicoidales ensamblados y engranajes helicoidales integrales. Los engranajes helicoidales ensamblados utilizan el orificio interior como superficie de referencia de mecanizado. Por lo tanto, primero se debe mecanizar con precisión el orificio interior y luego se mecanizan el diámetro exterior y los muñones de soporte utilizando el orificio interior como superficie de referencia. El mecanizado de roscas también utiliza el orificio interior como superficie de referencia, por lo que requiere un mandril. Generalmente, la precisión del orificio interior de los engranajes helicoidales de indexación de precisión es muy alta y algunos requieren rectificado para garantizar la precisión.
El orificio interior de los engranajes helicoidales de indexación de precisión general-debe tener una precisión de al menos grado 1, una rugosidad de la superficie de al menos 0,12 y un descentramiento de la cara del extremo de no menos de 0,005 mm. Al mecanizar el engranaje helicoidal en un mandril, primero se debe verificar el descentramiento radial de los dos hombros de los extremos para garantizar que esté dentro de la tolerancia especificada. Esto debe comprobarse en cada proceso posterior. Durante el montaje del engranaje helicoidal, también se debe comprobar el descentramiento radial de los dos hombros de los extremos. La precisión del mandril debe ser igual o mayor que la precisión del eje que se acopla con el engranaje helicoidal ensamblado.
Los engranajes helicoidales integrales utilizan el orificio central como superficie de referencia de mecanizado. Los requisitos para el agujero central son muy altos; Debe tener una forma cónica para asegurar la suavidad y el área de contacto. El orificio central debe revisarse y corregirse antes de cada proceso. Los muñones de soporte deben garantizar la coaxialidad con el orificio central y su propia precisión geométrica. Antes de los procesos de semiacabado y acabado, se debe verificar el descentramiento radial y el descentramiento axial de los muñones de soporte para garantizar que estén dentro de la tolerancia.
Al seleccionar la referencia aproximada, la consideración principal es cómo garantizar que cada superficie mecanizada tenga suficiente margen de mecanizado, de modo que las dimensiones y posiciones entre la superficie de referencia no mecanizada y la superficie mecanizada cumplan con los requisitos del dibujo.
La selección del dato aproximado debe cumplir los siguientes requisitos:
(1) La referencia aproximada debe seleccionarse a partir de la superficie mecanizada. Esto es para asegurar la precisión de la relación posicional relativa entre la superficie mecanizada y la superficie no mecanizada. Si hay varias superficies en la pieza de trabajo que no requieren mecanizado, se debe seleccionar como referencia aproximada la superficie con el mayor requisito de precisión posicional relativa con la superficie mecanizada. Esto es para garantizar un espesor de pared uniforme, una forma simétrica y menos operaciones de sujeción.
(2) Seleccione la superficie importante con requisitos de tolerancia de mecanizado uniformes como referencia aproximada.
(3) La superficie con el margen de mecanizado más pequeño debe seleccionarse como referencia aproximada. Esto asegura que la superficie tenga suficiente margen de mecanizado. (4) En la medida de lo posible, se debe seleccionar una superficie plana y lisa con un área suficientemente grande como referencia aproximada para garantizar un posicionamiento preciso y una sujeción confiable. Las superficies con compuertas, contrahuellas, rebabas o rebabas no deben seleccionarse como puntos de referencia aproximados; si es necesario, se requiere un mecanizado preliminar.
(5) Se debe evitar el uso repetido de la referencia aproximada, porque la mayoría de las superficies de la referencia aproximada son rugosas e irregulares, y el uso repetido dificulta garantizar la precisión posicional entre las superficies exteriores.
De acuerdo con el principio de selección de referencia aproximada, sujetar el círculo exterior y mecanizar la mayor parte de la superficie en una sola operación de sujeción puede garantizar la coaxialidad del círculo exterior y el orificio interior, así como la perpendicularidad de la cara del extremo al eje.
Ruta del proceso de mecanizado de engranajes helicoidales de metal
(1) Engranaje helicoidal ensamblado no-endurecido
Preparación del material-Normalización-Torneado en desbaste-(Templado)-Torneado de semi-torneado del diámetro exterior, torneado en desbaste de la superficie helicoidal-Envejecimiento artificial-Torneado de acabado (rectificado de acabado) del orificio interior y cara final-Corte de ranuras-Torneado de semi-torneado de helicoidal superficie-Lijado (recorte de dientes incompletos)-Rectificado semi-del diámetro exterior-Rectado final de la superficie helicoidal-Envejecimiento a baja-temperatura-Lapeado del orificio central-Rectado final del diámetro exterior-Rectado final de la superficie helicoidal
(2) Engranaje helicoidal integral carburizado y endurecido
Forjado-Recocido-Torneado en desbaste-Normalización-Torneado semiacabado del diámetro exterior y superficie helicoidal-Limado (recorte de dientes incompletos)-Carburación-Torneado de acabado del diámetro exterior (eliminación de piezas que no necesitan cementación)-Enfriamiento y revenido-Lapeado del centro agujero-Torneado de roscas de sujeción-Fresado de ranuras-Rectificado semiacabado del diámetro exterior-Rectificado semiacabado de la superficie helicoidal-Envejecimiento a baja-temperatura-Lapeado del orificio central-Rectificado final del anillo exterior y el extremo cara-Termine el rectificado de la superficie helicoidal
Blanking: Según normativa, el Blanking debe ser forjado para obtener una buena estructura fibrosa metálica.
Torneado en desbaste: Asegurar la coaxialidad y dejar una cantidad adecuada para el acabado.
Tratamiento térmico y tratamiento de templado HRC28-32, torneado semiacabado, cada pieza deja 0,5 mm para el torneado final, la parte del engranaje helicoidal y los dos extremos de la ranura de alivio se tornean según las especificaciones requeridas, son aceptables el corte con engranaje helicoidal, el corte en desbaste, ya sea utilizando el método de capas o el método de corte, etc.
Mida el margen en el diámetro medio; el margen de corte de semiacabado proporciona una buena base para el mecanizado de acabado. Se requiere un acabado de baja-velocidad en las tres superficies, y la herramienta de corte debe estar afilada y con buena rugosidad en los bordes. Cada superficie debe terminarse individualmente. Se requiere un torneado preciso de todas las piezas para garantizar la concentricidad.
Los engranajes helicoidales cilíndricos ordinarios, cuando se mecanizan en un torno con un filo de corte recto, se pueden clasificar en engranajes helicoidales de Arquímedes (ZA), engranajes helicoidales involutos (ZI) y engranajes helicoidales de perfil recto-normal (ZN), según la posición de montaje de la herramienta de corte. Engranajes helicoidales de Arquímedes ZA: el plano de la herramienta de corte pasa a través del eje del engranaje helicoidal, y el engranaje helicoidal cortado con un ángulo de corte de 2 =40 grados tiene un perfil de diente recto en el plano axial, y el perfil de diente de sección normal es una curva convexa. La curva del perfil del diente en el extremo es una espiral de Arquímedes, de ahí el nombre de tornillo sin fin de Arquímedes. Este tipo de engranaje helicoidal es relativamente fácil de mecanizar y medir, por lo que se utiliza ampliamente.
Sin embargo, el mecanizado resulta difícil cuando el ángulo de avance es demasiado grande. Es difícil pulir un perfil de diente preciso con una muela, por lo que la precisión y eficiencia de la transmisión son bajas. Engranajes helicoidales de espiral ZI: el plano del filo de la herramienta de corte es tangente al cilindro base del engranaje helicoidal. El engranaje helicoidal resultante tiene una curva de perfil convexo en el plano axial, y el perfil del diente en la cara extrema perpendicular al eje es una curva de espiral, de ahí el nombre de engranaje helicoidal de espiral. Este tipo de engranaje helicoidal se puede rectificar, por lo que tiene mayor precisión y eficiencia de transmisión, y es adecuado para producción en masa y transmisión de precisión de alta-potencia y alta-velocidad.
Engranajes helicoidales de perfil - recto normal ZN: cuando el ángulo de avance del engranaje helicoidal es grande, para obtener un ángulo de inclinación y un ángulo de alivio razonables para la herramienta de corte, el plano de la herramienta de corte se coloca en el plano normal de la hélice del engranaje helicoidal durante el mecanizado. El engranaje helicoidal resultante tiene un perfil de dientes rectos en la sección normal, de ahí el nombre de engranaje helicoidal de perfil-recto normal. La curva del perfil del diente en la cara extrema perpendicular al eje es una curva de espiral extendida, por lo que también se le llama engranaje helicoidal de espiral extendida. Este tipo de engranaje helicoidal tiene un mejor rendimiento de corte, es propicio para mecanizar engranajes helicoidales de arranque múltiple y se puede rectificar con una muela abrasiva. A menudo se utiliza en transmisiones de engranajes helicoidales de precisión de arranque múltiple en máquinas herramienta. Con el avance de la tecnología y los requisitos del producto, surgió la necesidad de aumentar aún más la velocidad de corte y el método de torneado encontró un cuello de botella, lo que llevó al desarrollo del fresado por torbellino. Este método utiliza una herramienta de corte giratoria para aumentar la velocidad de corte (hasta 400 metros por minuto), mientras que la pieza de trabajo no necesita girar a alta velocidad.
Hay dos métodos para girar el engranaje helicoidal: girar internamente y girar externamente.
Giro interno: la circunferencia de la pieza de trabajo es tangente a la circunferencia de la herramienta de corte internamente (el engranaje helicoidal está dentro del cabezal de corte). La precisión puede alcanzar DIN7 Ra0.8.
Giro externo: la circunferencia de la pieza de trabajo es tangente a la circunferencia de la herramienta de corte externamente (el engranaje helicoidal está fuera del cabezal de corte). La precisión puede alcanzar DIN6 Ra0.4.
