Motorakselmontering gjort enkelt: Prosess, typer og tilpassede alternativer

Du vet at alle har en kjernedel i menneskekroppen, f.eks. ryggmargen. I likhet med menneskekroppen inneholder hver maskin en kjernedel som hjelper den å fungere effektivt. I denne artikkelen skal du studere en kjernedel i mange maskiner, som er en motoraksel. Enkelt sagt er en motoraksel grunnen til at de fire hjulene på et kjøretøy roterer sammen. Så la oss starte med en kort introduksjon:

Hva er en motoraksel? – Grunnleggende og viktige funksjoner

Som du vet, er en motoraksel en kjernedel av en maskin som har en sylindrisk form. Den er en bro mellom kraften og de virkelige applikasjonene i maskinene, for eksempel overføring av mekanisk kraft til de tilkoblede delene. Høyfast stål og legeringer er de vanlige valgene for å lage en motoraksel på grunn av kravet til høy styrke. Dens primære funksjoner er listet opp nedenfor:

• Momentoverføring
• Strukturell støtte
• Presisjonsbevegelse

Konverter motormoment til arbeid

Det er den viktigste funksjonen til en motoraksel i enhver maskin. Når motoren roterer, omdanner akselen denne mekaniske kraften eller dreiemomentet til tilkoblede deler som gir, belter osv. Du kan velge dimensjoner, materiale osv. basert på dreiemomentkrav, fordi disse akslingene gjør det mulig for maskiner å utføre operasjoner som løfting, boring eller driving.

Støttelager og koblinger

En motoraksel fungerer med støtte fra følgende komponenter:

• For å redusere friksjon og opprettholde jevn friksjon under håndtering av aksiale og radiale belastninger, brukes et lager i en motoraksel.

• For å håndtere mindre feiljustering og problemer med kraftoverføring, gjør koblinger jobben ettersom de fungerer som ledd mellom akselen og andre maskinkomponenter.

Overfør bevegelse med minimal vibrasjon

For å overføre bevegelse til tilkoblede deler med minimal vibrasjon, er en motoraksel en svært viktig komponent. For som du vet, kan en liten ubalanse forårsake skadelige vibrasjoner, redusere effektiviteten og øke risikoen for slitasje i lagre og tilkoblede deler.

Hva er de viktigste designparametrene for motoraksling?

Før produksjon av en motoraksel er det viktig å vurdere følgende parametere:

Belastnings- og momentberegninger

Som du vet, er det den primære funksjonen til en motoraksel; derfor kreves 100 % nøyaktighet i last- og momentberegninger for å designe en aksel av høy kvalitet. Ytterligere spenningsanalyse er nødvendig for gjengede seksjoner for å forhindre utmatting på disse gjengene. Du vil beregne tre ting for last- og momentberegninger:

1. Momentkrav
2. Bøyemomenter
3. Sikkerhetsfaktorer

Kritisk hastighet og nedbøyning

La oss fortelle deg at den kritiske hastigheten til en aksel betyr hastigheten som vibrasjoner forsterkes med på grunn av resonans. Hvis akselen overstiger denne hastigheten, er risikoen for alvorlig skade høy. Derfor bør du først beregne følgende ting:

• Justering av naturlige frekvenser
• Stivhet-til-vekt-forhold
• Endelig elementanalyse

Lager passer

Du kjenner allerede funksjonen til lagre. Størrelsen må være optimal for å passe nøyaktig over akselen. Viktige standarder inkluderer:

• ISO-toleransegrader
• Interferenspasninger
• Salgspris passer

Mål for overflatefinish

De ulike områdene på en motoraksel krever ulike typer overflatebehandlinger, som omtalt nedenfor i tabellen:

Populære motorakseltyper

Du skal studere noen vanlige typer motoraksler og deres funksjoner i denne delen:

Solid vs. hul motoraksel

Du kan studere en kort sammenligning mellom en solid og hul motoraksel:

Motoraksel med kile og riller

• Motoraksel med kile

Nøkkelmotorakselen bruker et spor for å låse gir for å forhindre glidning under høyt dreiemoment. Dette er vanlig i industrielle drivverk.

• Splinet motoraksel

Den leveres med et stort antall aksiale spor for justerbar girposisjonering, som ofte brukes i biltransmisjoner og tunge maskiner.

Konisk og gjenget motoraksel

• Konisk motoraksel

Designene smalner gradvis inn og sikrer selvlåsing. Den brukes ofte i transportbåndsdrift.

• Gjenget motoraksel

Den bruker muttere eller bolter for å feste komponenter direkte og brukes ofte i vifter, impeller osv.

Trinnformede aksler med flere diametre

• Du kan ha plass til forskjellige lagre/trinser på én aksel
• Du kan redusere monteringskompleksiteten i flertrinnsgirkasser

Ende-til-ende produksjonsarbeidsflyt for motorakslinger

I denne delen skal du studere en trinnvis arbeidsflyt fra design til ferdig produkt:

1 — CAD-modell og FEA-sjekk

Først gjennomgår akseldesignet ditt 3D-modellering og Finite Element Analysis (FEA). Dette trinnet sikrer:

• Optimal lastfordeling
• Ingen risiko for stresskonsentrasjon
• Bekreftelse av kritiske fartsgrenser

Du får en virtuell prototype før noe metall kuttes, noe som sparer tid og kostnader.

2 — Grov dreiing mellom sentre

Etter digital design og testing går arbeidsstykket ditt videre til maskinering i praksis. Den første prosessen er grovdreiing som gir den første formen ved å:

• Jevn materialfjerning
• Minimal vibrasjon under skjæring
• Et sterkt grunnlag for de endelige dimensjonene

3 — Fresing/boring av kilespor eller flate hull

Neste operasjon er fresing eller boring, som gir kilespor, splines eller flate hull i henhold til dine behov. Vår CNC-fresing sikrer:

• Perfekt justering for momentoverføring
• Gradfrie kanter for å forhindre spenningsøkere
• Konsekvent dybde og bredde i henhold til dine spesifikasjoner

4 — Varmebehandling og stresslindring

Skaftet ditt gjennomgår varmebehandling for å forbedre holdbarheten:

• Herding inkluderer induksjon, settherding eller gjennomherding
• Herding for å redusere sprøhet
• Stressavlastning for å forhindre vridning

5 — Finsliping til toleranse (≤ 0.01 mm)

I det siste trinnet skal du utføre sliping for å oppnå toleranser:

• Ultratette toleranser så lave som 0.005 mm
• Speillignende overflater, om nødvendig
• Perfekt rundhet og retthet

Nå er akselen din klar til montering.

Kvalitetskontroll i motorakslingsmaskinering

Du kan bruke følgende kvalitetskontrolltiltak for å sikre at motorakselen forblir feilfri:

1. Ra måles med profilometre ved hjelp av overflatebehandlingsinspeksjon.
2. For vibrasjonsfri drift utføres dynamiske balanseringstester
3. For å sikre konsistens i batchene kan du utføre statistisk prosesskontroll (SPC)

CNC-teknikker for tilpasset presisjonsmotoraksling

Snære toleranser, overlegen overflatefinish og kompleks geometri kan oppnås ved bruk av CNC-maskin. Dette er følgende forskjellige teknikker som brukes til å lage presisjonsmotorakslinger:

Tilpassede motorakselapplikasjoner

På grunn av liten toleranse og minimal vibrasjon kan tilpassede motoraksler brukes til følgende bruksområder:

• Tilpasset dronemotoraksel:

Tilpassede dronemotorakseler har egenskaper som høyt styrke-til-vekt-forhold, minimal vibrasjon og liten toleranse, noe som bidrar til å forhindre harmonisk resonans i motorakselen under høye hastigheter. For å forhindre korrosjon og slitasje på den tilpassede dronemotoren, er materialet belagt med nikkel og anodisering.

• Kirurgisk robotleddmotor:

Høy presisjon og kvalitetskontroll er nødvendig for leddmotorer for kirurgiske roboter. For leddmotorer for kirurgiske roboter eller medisinske applikasjoner opprettholdes en grov overflatehastighet på 0.2 μm Ra og høy toleranse for å sikre kvalitet.

• Ultrahøyhastighets CNC-spindelaksler:

Under ultrahøy hastighet er det alltid en mulighet for endringer i materialets dimensjon. Kobolt er et materiale som gir hardhet, slitestyrke og unngår deformasjon ved ultrahøye hastigheter i materialer. For å unngå denne endringen i materialets dimensjon brukes et høyt verktøystål med 8 % koboltinnhold.

CNC-dreiing for spor:

CNC-programmering gjør det fleksibelt å lage spor på sylindriske arbeidsstykker. CNC-maskiner gjør det enkelt å lage tilpassede og standard spor på materialer. Gjennom disse tilpassede og standard sporene kan det lages låseringer, tetninger og O-ringer som kan brukes i bil- og luftfartsapplikasjoner.

Sylindrisk sliping (til 0.4 µm Ra)

Denne typen ultrafin sliping kan gjøres ved å slipe materialet på en diamantskive med høy hastighet. Men vibrasjon er et problem på grunn av høy hastighet; dette kan minimeres ved å bruke det hydrostatiske spindellageret. Denne typen ultrafin overflatefinish kan brukes til luftfartsapplikasjoner som hydrauliske stenger.

Trådgnist for blinde spliner

Blindspline er et innvendig spor før det når enden av arbeidsstykket. En elektrisk utladningsmaskin for tråd er en avansert teknikk for å lage blindsplines. For å lage blindsplines brukes en tynn elektrisk ladet tråd til å kutte/erodere materialet. For å kutte harde metaller som titan brukes høy potensiell strøm for å erodere materialet lett.

Femaksfresing på komplekse ender

Det er veldig enkelt å lage komplekse geometrier, som turbinakselender, fra femakset fresing. Femakset fresing har tre X-, Y- og Z-lineære akser og to roterende A- og B-akser. På grunn av de flere vinklene den har sammenlignet med en enkel maskin, reduseres tiden for maskinering betydelig.

Ulike materialvalg for motoraksling

Avhengig av bruken av motorakslingen, kan ulike typer materialer som legert stål, rustfritt stål og aluminium brukes. Noen av dem diskuteres nedenfor:

1045/4140 karbonlegert stål

Krom og molybden er tilsatt dette middels karbonstålet. Det brukes der det kreves moderat styrke og middels spenningsmotstand. Denne materialetypen har egenskaper som høy maskinbearbeidbarhet og utmattingsmotstand, noe som gjør det ideelt å bruke i bærende industrielle sjakter. Rust er et stort problem med denne ståltypen, men dette kan unngås ved å bruke det beskyttende belegget.

17-4 PH Rustfri

Denne typen rustfritt stål har høy hardhet samt korrosjonsbestandighet. På grunn av utfellinger fra produksjonen og varmebehandlingen under produksjonen, gjør dette den ideell for bruk i motoraksler og marine akslingsapplikasjoner.

7075-T6 Aluminium

Den har høy styrke, lav vekt og slitesterke anvendelser på grunn av løsningsvarmebehandling, kunstig aldring og tilstedeværelsen av sink som et viktig legeringselement. På grunn av denne behandlingen kan den brukes til høyhastighets og lette motoraksler.

Ti-6Al-4V og Inconel 718

Ti-6Al-4V er en alfa-beta-titanlegering med høy styrke, god korrosjonsbestandighet og biokompatibilitet. Inconel 718 er en nikkel- og kromlegering som kan brukes til høytemperaturapplikasjoner. Begge har god korrosjonsbestandighet, men Inconel 718 er god å bruke til høytemperaturapplikasjoner. Mens Ti-6Al-4V kan brukes der lettvekt og holdbarhet er avgjørende.

Etterbehandlingsprosesser for motoraksler

Overflatebehandling er den siste prosessen som gjøres etter produksjon og maskinering av motoraksler. De viktigste egenskapene vi får etter etterbehandling er slitasje- og korrosjonsbestandighet. Avhengig av bruksområdene brukes følgende metoder for overflatebehandling:

Hardkrom vs. elektrofri nikkel

Høy hardhet kan oppnås gjennom kromplaten, mens middels hardhet kan oppnås gjennom elektroløs nikkelbelegg. Hardkrombelegg gir et hardt belegg som kan brukes i slipende miljøer, mens elektroløs nikkelbelegg kan gi kjemisk motstand med jevn tykkelse på materialet.

Gassnitrering

Gassnitrering utføres der det kreves en hard overflate og myk kjerne, for eksempel i en industriell motorkomponent. Det gjøres ved diffusjon av naserende nitrogen på ståloverflaten. På overflaten av stålet produseres et sprøtt belegg. Dette kan unngås ved å plassere stålet ved høy temperatur for å unngå konsentrasjonsgradienten.

Anodiseringsalternativer for aluminiumsaksler

Anodisering gjøres på aluminiumsaksler for å øke materialets korrosjonsmotstand. Dette gjøres ved at det dannes et aluminabelegg på overflaten som beskytter materialet. Kuleblåsing gjøres på materialet for å øke materialets utmattingslevetid ved å øke trykkspenningene. Dette gjøres i utgangspunktet ved å bombardere metall med harde partikler, men etterbehandling gjøres for racing-veivaksler.

Kostnadshensyn ved CNC-maskinering av akslinger

Kostnader knyttet til CNC-maskinering for aksling diskuteres i detalj nedenfor:

Maskineringsprosess

Kostnaden for maskinering i aksling avhenger av bruksområdet. Mer presisjon og nøyaktighet fører til høyere prosesskostnader. Ulike prosesser har sine egne kostnader. Kostnadene kan økes på grunn av oppsett, maskinstartkostnader og vedlikeholdskostnader. Prosesser som fresing, sliping og flerakset maskinering har høye maskineringskostnader sammenlignet med dreiemetoden, men dyrere metoder har høyere presisjon.

Materialkostnader

Den totale kostnaden for deler avhenger av materialkostnadene. Aluminium, lav- og middels karbonstål som 1045 er svært enkle å maskinere, noe som fører til en reduksjon i kostnader sammenlignet med rustfritt stål (17-4PH). Men materialer som Ti-6Al-4V og Inconel har lav maskineringshastighet, noe som fører til en økning i totale materialkostnader.

Batchstørrelse vs. enhetskostnad

Batchstørrelse og enhetskostnad er direkte proporsjonale med hverandre. Fordi hvis det er en mindre batchstørrelse, vil det automatisk føre til en økning i oppsett- og fikstureringskostnadene. Så en stor batchstørrelse er mer fordelaktig for å få en lavere kostnad per enhet.

Konklusjon

Motorakselen er en kritisk komponent som må designes, velges materiale, produseres, maskineres og overflatebehandles. Den totale materialkostnaden avhenger av de valgte materialene og produksjonsmetoden. Hvis det er større presisjonskrav, bør maskinering utføres med en femakset fresemaskin sammenlignet med andre maskineringsprosesser. Alt avhenger av applikasjonen, fordi hvis det er et mer korrosivt miljø, må du belegge materialet med korrosjonsbestandig materiale.

Spørsmål og svar

Hva er standard toleransen for motorakselkast?

Toleransen for motorakselens utkast avhenger av presisjonssystemet. Standard toleranse er imidlertid et område mellom 0.025–0.05 mm (0.001–0.002 tommer).

Hva forårsaker overdreven akselvibrasjon, og hvordan kan det fikses?

Hovedårsaken til overdreven akselvibrasjon er ikke valg av system i henhold til akselens hastighet. Dette vil føre til ubalanse og feiljusteringsproblemer, og dette kan fikses ved å balansere og justere på nytt.

Hvordan sjekker man motorakselens kast?

Motorakselens utslag kan kontrolleres ved hjelp av måleuret. Det fungerte ved å montere den magnetiske basen som målte avbøyningen til den roterende akselen.