Ozubené kolesá sú tichými, nenahraditeľnými hrdinami moderného sveta. Od zložitého fungovania prevodovky vozidla až po kolosálny výkon veternej turbíny, tieto ozubené komponenty sú základom mechanického prenosu energie. Po stáročia bola výroba ozubených kolies snahou o presnosť a efektívnosť, ktorej dominovali zavedené procesy, ako je odvaľovanie, tvarovanie a preťahovanie. Neúprosné požiadavky moderného priemyslu – na vyššie objemy výroby, vyššiu nákladovú efektívnosť a užšiu integráciu komponentov – však podnietili vývoj transformačnej technológie:Power Skiving.

Princíp obrábania Power Skiving

V jadre je power skiving kontinuálny generatívny proces rezania, ktorý synergicky kombinuje vysokorýchlostné otáčanie odvaľovacej frézy s usporiadaním nástroja a obrobku pri obrážaní ozubených kolies. Ide o komplexný proces „valcovania“ alebo „hobľovania“, pri ktorom sa špecializovaná viaczubová fréza a polotovar ozubeného kolesa otáčajú presne synchronizovaným pohybom podobným záberu.

Charakteristickým znakom power skiving jeuhol priesečníka osí (Σ)Na rozdiel od odvaľovania (kde sú osi nástroja a obrobku v 90-stupňovom uhle, posunutom o uhol špirály) alebo tvarovania (kde sú osi rovnobežné), pri frézovaní pod napätím sa osami nástroja a obrobku nastavené na špecifický, nerovnobežný a nepretínajúci sa uhol. Tento uhol je kľúčovým faktorom umožňujúcim celý proces.

Tento starostlivo vypočítaný uhol vytvára špecifickú relatívnu rýchlosť (šmyk) medzi reznými hranami nástroja a bokmi obrobku. Keď sa nástroj a polotovar otáčajú vysokými rýchlosťami, táto rýchlosť smyku generuje reznú činnosť. Rezný nástroj, ktorý sa podobá tvarovacej fréze, ale má uhol špirály, efektívne „odlupuje“ alebo „zberá“ materiál z polotovaru pri každom prechode reznej hrany, čím sa pri otáčaní oboch komponentov nepretržite vytvára evolventný profil zuba.

Nástroje: Srdce procesu

Fréza na lúpanie je vysoko zložitý a špecializovaný nástroj. Zvyčajne sa vyrába z pevne potiahnutého karbidu pre maximálnu tuhosť a odolnosť proti opotrebeniu alebo z vysokovýkonnej práškovo metalurgickej (PM) rýchloreznej ocele (HSS). Konštrukcia nástroja – vrátane uhla špirály, uhla čela a profilu – sa vypočítava špeciálne pre kinematický model stroja a presnú geometriu cieľového ozubeného kolesa. Táto zložitosť špecifická pre daný nástroj je významným faktorom celkových nákladov a nastavenia procesu.

Výhody a nevýhody power skivingu

Tak ako každý výrobný proces, aj power skiving ponúka jedinečnú sadu kompromisov.

Výhody:

Extrémna produktivita: Je výrazne rýchlejšia (3 – 10-krát) ako obrážanie ozubených kolies a vysoko konkurencieschopná v porovnaní s odvaľovaním. Pre vnútorné ozubené kolesá je to často najproduktívnejšia dostupná metóda.

Bezkonkurenčná flexibilita: Tento proces umožňuje obrábať vnútorné aj vonkajšie ozubené kolesá, ako aj drážkované, špirálové a čelné ozubené kolesá na jednom stroji.

Možnosť „hotového obrábania v jednom“: Dokáže vykonávať hrubovanie, polodokončovanie a dokončovanie v jednom nastavení. Je tiež schopný tvrdo obrábať lúhovanie alebo obrábať ozubené kolesá po tepelnom spracovaní, čo môže eliminovať potrebu následných brúsnych operácií.

Vysoká kvalita: Pri použití na pevnom, modernom stroji je možné pomocou skivovania dosiahnuť vysoko presné ozubené kolesá (napr. AGMA 10-11, DIN 6-7) s vynikajúcou povrchovou úpravou.

Rieši náročné geometrie: Je ideálny pre diely s obmedzenou vôľou nástroja, ako sú ozubené kolesá s osadením alebo prírubou, kde odvaľovacia fréza nemôže vybehnúť. Toto je bežný problém v kompaktných prevodovkách.

Nevýhody:

Vysoké kapitálové náklady na stroj: Proces vyžaduje vysoko pokročilý, pevný a tepelne stabilný 5-osový (alebo viacosový) CNC stroj s dokonalou elektronickou synchronizáciou, čo predstavuje významnú investíciu.

Komplexný proces a nástroje: Kinematika je mimoriadne zložitá. Plánovanie procesov si vyžaduje sofistikovaný simulačný softvér na výpočet dráh nástrojov a zabránenie kolíziám. Samotné nástroje sú drahé a špecifické pre danú aplikáciu.

Citlivosť nastavenia: Proces je veľmi citlivý na správne nastavenie, najmä na uhol priesečníka osí. Akékoľvek nesprávne zarovnanie môže výrazne ovplyvniť životnosť nástroja a kvalitu obrobku.

Správa triesok: Vysokorýchlostné odoberanie veľkých objemov materiálu môže spôsobiť problémy s riadením triesok, najmä pri obrábaní hlbokých vnútorných ozubených kolies, kde sa môžu triesky hromadiť.

Aplikačné scenáre

Power skiving nie je univerzálnou náhradou za všetky ostatné procesy výroby ozubených kolies, ale je dominantným riešením v špecifických oblastiach s vysokou hodnotou, predovšetkým poháňaných hromadnou výrobou.

Automobilový priemysel: Toto je najväčší používateľ. Tento proces sa hojne používa na výrobu vnútorných prevodových komponentov, ako sú ozubené vence, planétové kolesá a drážkované telesá spojok. Jeho schopnosť rýchlo a s vysokou presnosťou vytvárať vnútorné ozubené kolesá a zložité drážkovanie je neoceniteľná pre moderné, kompaktné automatické prevodovky a prevodovky elektrických vozidiel (EV).

Letectvo a kozmonautika: Používa sa na výrobu drážok a prevodov akčných systémov, kde je prvoradá vysoká spoľahlivosť a zložité, ľahké konštrukcie.

Priemyselné stroje: Ideálne na výrobu komponentov, ako sú ozubené kolesá čerpadiel, spojky a iné drážkované hriadele, kde je produktivita a presnosť kľúčová.

Ideálnym kandidátom na lúpanie je stredne až vysokoobjemový komponent, najmä vnútorné ozubené koleso alebo ozubené koleso s presahujúcimi ramenami, kde úspora času cyklu môže odôvodniť vysokú počiatočnú investíciu do strojov a nástrojov.

Záver

Technika frézovania pod napätím (power skiving) úspešne prešla zo 100 rokov starého teoretického konceptu na moderný výrobný gigant. Spojením rýchlosti odvaľovania s flexibilitou tvarovania zásadne preklenula kritickú medzeru vo výrobe ozubených kolies. Ponúka bezkonkurenčné riešenie pre veľkoobjemovú výrobu vnútorných ozubených kolies a zložitých drážkovaných komponentov, čím zvyšuje efektivitu a umožňuje vznik novej generácie kompaktných mechanických systémov s vysokou výkonnosťou. S neustálym vývojom technológie obrábacích strojov, simulačného softvéru a návrhov rezných nástrojov sa má rozšíriť aj používanie technológie frézovania pod napätím, čím sa ešte viac upevní jej úloha revolučnej sily vo výrobe ozubených kolies.