Vật liệu chế tạo bánh răng và những đặc tính

Khi thiết kế và sản xuất các bánh răng, vật liệu sử dụng sẽ phụ thuộc vào loại bánh răng đang được làm và cách nó sẽ được sử dụng và ở đâu.

Khi thiết kế một bánh răng đơn hoặc một hệ thống bánh răng, việc lựa chọn vật liệu sẽ là yếu tố chính dựa trên đó hình học của bánh răng được xây dựng hoặc hiệu suất của bánh răng sẽ quyết định việc chọn lựa vật liệu phù hợp. Có nhiều nguyên liệu nguyên thô thường được sử dụng trong xây dựng bánh răng, và mỗi loại có một “điểm ngọt” nơi các tính chất cơ học của nó nổi bật như lựa chọn vật liệu xuất sắc. Các nhóm chính của vật liệu bao gồm hợp kim đồng, hợp kim sắt, hợp kim nhôm và nhựa dẻo nhiệt.

Hợp kim đồng

Khi thiết kế một bánh răng sẽ phải chịu môi trường ăn mòn hoặc cần không từ, hợp kim đồng thường là lựa chọn tốt nhất. Ba hợp kim đồng phổ biến nhất được sử dụng trong công nghệ chế tạo bánh răng là đồng thau, đồng phosphor và đồng nhôm. Đồng thau là một hợp kim của đồng và kẽm. Lượng kẽm thay đổi trong các hợp kim đồng khác nhau và sự hiện diện của nó làm thay đổi tính dẻo dai của hợp kim.

Nồng độ kẽm thấp giữ cho tính dẻo dai ở mức cao trong hợp kim đồng, trong khi hàm lượng kẽm cao giảm đi tính dẻo dai của hợp kim. Phần cơ bản của đồng trong hợp kim đồng đóng góp vào việc dễ gia công và lợi ích chống vi khuẩn của nó. Bánh răng thường được sản xuất từ các hợp kim đồng là bánh răng tròn và thanh ray bánh răng sẽ được sử dụng trong môi trường tải nhẹ như hệ thống truyền động dụng cụ.

Đồng phosphor là một hợp kim đồng khác kết hợp đồng với thiếc và photpho. Sự thêm thiếc vào đồng tăng cường sức mạnh của hợp kim và cải thiện khả năng chống ăn mòn của nó. Việc thêm photpho cải thiện cả khả năng chống mài mòn lẫn độ cứng của hợp kim. Sự tăng cường về khả năng chống ăn mòn và mài mòn khiến cho hợp kim đồng phosphor trở thành lựa chọn xuất sắc cho các bộ phận truyền động có ma sát cao. Bánh răng vít được sản xuất bằng hợp kim này vì nó chống lại mài mòn tạo ra do ma sát khi bánh răng này kết nối với một vít vít và nó có thể chịu đựng sự suy giảm do chất bôi trơn.

Đồng nhôm là một hợp kim đồng thứ ba được sử dụng trong công nghệ chế tạo bánh răng. Hợp kim này kết hợp đồng với nhôm, sắt, nickel và mangan. Hợp kim đồng nhôm có khả năng chống mài mòn cao hơn so với các hợp kim đồng phosphor và cũng có khả năng chống ăn mòn vượt trội. Sự thêm sắt cải thiện khả năng chống mài mòn của hợp kim này. Nickel và mangan đóng góp vào khả năng chống ăn mòn của nó. Hợp kim đồng nhôm có thể chống lại sự ăn mòn do quá trình oxi hóa, tiếp xúc với nước mặn và tiếp xúc với axit hữu cơ. Khả năng chống mài mòn bổ sung này cho phép thiết kế các bánh răng có thể chịu tải trọng đáng kể hơn so với các bánh răng cùng kích thước được làm từ hợp kim đồng phosphor. Các bánh răng thông thường được sản xuất từ các hợp kim đồng nhôm bao gồm bánh răng vít trục chéo (bánh răng vít) và bánh vít

Thép

Khi thiết kế bánh răng đòi hỏi sức mạnh vật liệu vượt trội, thép là sự chọn lựa tốt nhất. Trong dạng nguyên liệu, sắt xám có thể được đúc và gia công thành các bánh răng. Thông thường, sắt đúc được sử dụng trong các ứng dụng mà đồng phosphor là lựa chọn thích hợp, nhưng không bị hạn chế bởi từ tính của vật liệu. Thép là một hợp kim của sắt, carbon và các nguyên tố dấu hiệu khác. Có bốn danh hiệu chính của hợp kim thép. Đó là thép carbon, thép hợp kim, thép không gỉ và thép dụng cụ. Hợp kim thép carbon được sử dụng cho gần như mọi loại bánh răng vì chúng dễ gia công, chống mài mòn tốt, có thể làm cứng, dễ dàng tiếp cận và tương đối giá rẻ. Hợp kim thép carbon có thể được phân loại thành thép nhẹ, thép carbon trung bình và thép carbon cao. Thép nhẹ có nhiều hơn 0.30% carbon. Thép carbon cao có hàm lượng carbon lớn hơn 0.60%, và các loại thép với hàm lượng carbon trung bình nằm giữa hai loại trên. Các loại thép này là sự chọn lựa tốt cho bánh răng tròn, bánh răng xoắn ốc, thanh ray bánh răng, bánh răng nón và vít vít.

Thép carbon có thể được làm cứng bằng phương pháp nhiệt từ hoặc bằng laser với độ cứng tối đa là HRc 55. Thép hợp kim như AISI 4140 chứa các nguyên tố bổ sung như nhôm, crôm, đồng và/hoặc niken. Những nguyên tố khác này, khi hợp kim với sắt và carbon, tạo ra các loại thép mạnh mẽ, dễ gia công hơn và cung cấp khả năng chống ăn mòn cao hơn so với thép carbon thường. Những hợp kim này thường được sử dụng để chế tạo bánh răng tròn, bánh răng xoắn ốc, thanh ray bánh răng, bánh răng nón xoắn và vít vít.

Ngoài phương pháp làm cứng bằng nhiệt từ và laser, những hợp kim này có thể được carburized hoặc làm cứng vỏ. Độ cứng tối đa cho những hợp kim này là HRc 63. Sức mạnh bổ sung cho phép các bánh răng cùng kích thước chịu tải trọng thêm và chống mài mòn được lâu hơn qua nhiều chu kỳ sử dụng. Hợp kim thép không gỉ có hàm lượng crôm tối thiểu là 11% và là một hợp kim của nhiều nguyên tố dấu hiệu bao gồm niken, mangan, silic, photpho, lưu huỳnh và nitơ. Chúng được chia thành thép không gỉ ferritic (có từ tính), thép không gỉ austenitic (không từ tính), martensitic và thép được làm cứng từ quá trình kết tinh. Thép không gỉ austenitic được gọi là loại thép không gỉ dòng 300, trong khi thép không gỉ ferritic được gọi là loại thép không gỉ dòng 400. Loại thép không gỉ phổ biến nhất là hợp kim 304. Nó chứa 18% crôm và 8% niken.

Trong công nghệ chế tạo bánh răng, thường sử dụng hợp kim 303. Trong hợp kim 303, hàm lượng crôm giảm xuống còn 17%, và 1% hợp kim là lưu huỳnh. Do sự thêm lưu huỳnh, hợp kim 303 có khả năng gia công tốt hơn so với hợp kim 304. Khi yêu cầu khả năng chống ăn mòn cải thiện, hợp kim 316 là lựa chọn tốt hơn. Hợp kim này có 16% crôm, 10% niken và 2% molipden; thép không gỉ 316 và hợp kim 303 được sử dụng cho bánh răng tròn, bánh răng xoắn ốc và bánh răng nón. Thanh ray bánh răng thường được chế tạo từ hợp kim 304. 440C là thép không gỉ ferritic phổ biến nhất, và 17-4PH là thép không gỉ được làm cứng từ quá trình kết tinh phổ biến nhất.

Hợp kim thép dụng cụ

Nhóm hợp kim thứ tư là thép dụng cụ. Đây là các hợp kim thép chứa các lượng dấu hiệu của coban, molypden, volfrâm, và/hoặc vanadi. Những nguyên tố này gia tăng khả năng chịu nhiệt và độ bền của thép.

AISI xác định các hợp kim thép bằng một chuỗi bốn chữ số (Bảng 1). Hai chữ số đầu tiên chỉ định họ hợp kim, và hai chữ số cuối cùng chỉ định phần trăm carbon dưới dạng thập phân. Ví dụ, thép carbon 1020 có hàm lượng carbon là 0.20%, trong khi thép carbon 1045 có hàm lượng carbon là 0.45%.

Hợp kim nhôm

Hợp kim nhôm là lựa chọn tốt thay thế cho các hợp kim sắt trong các ứng dụng yêu cầu tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng cao. Hợp kim nhôm thường chỉ nặng khoảng một phần ba so với các hợp kim thép cùng kích thước. Một lớp hoàn thiện bề mặt được gọi là passivation bảo vệ hợp kim nhôm khỏi sự oxi hóa và ăn mòn. Điều này tương tự như sự gỉ sét trên các hợp kim thép; tuy nhiên, nó phủ lên bề mặt, bảo vệ chúng khỏi hỏng hóc tiếp theo. Hợp kim nhôm thường đắt hơn so với thép carbon nhưng rẻ hơn so với thép không gỉ. Tuy nhiên, chúng dễ gia công, giúp cân bằng việc tăng chi phí vật liệu.

Hợp kim nhôm không thể sử dụng ở môi trường nhiệt độ cao vì chúng bắt đầu biến dạng ở nhiệt độ 400°F (khoảng 204°C). Các hợp kim nhôm phổ biến được sử dụng trong làm bánh răng bao gồm 2024, 6061 và 7075. Hợp kim nhôm 2024 là anh em họ của nhôm đồng vì cũng là hợp kim của nhôm và đồng. Tuy nhiên, ở trường hợp này, tỷ lệ giữa chúng bị ngược. Đồng trong hợp kim 2024 mang lại sức mạnh cao cho hợp kim này nhưng giảm đáng kể khả năng chống ăn mòn của nó. Nhôm 7075 kết hợp kẽm và magiê với nhôm để tạo thành một hợp kim sức mạnh cao chống lại tải trọng căng thẳng. Nhôm 6061 là một hợp kim của nhôm, silic và magiê. Đây là một hợp kim nhôm có sức mạnh trung bình có khả năng chống ăn mòn tốt và có thể hàn được. Tất cả ba loại hợp kim nhôm này có thể được xử lý nhiệt để cải thiện độ cứng. Các bánh răng được làm từ các hợp kim nhôm bao gồm bánh răng thẳng, bánh răng xoắn ốc, bánh răng nghiêng và thanh trượt.

Nhựa dẻo nhiệt

Nhựa dẻo nhiệt là lựa chọn tốt nhất cho các bánh răng nơi trọng lượng là yếu tố quan trọng nhất. Bánh răng làm từ nhựa có thể được gia công giống như bánh răng kim loại; tuy nhiên, một số loại nhựa dẻo nhiệt thích hợp hơn cho việc sản xuất thông qua khuôn ép. Một trong những loại nhựa dẻo nhiệt phổ biến nhất được ép khuôn là acetal. Chất liệu này còn được gọi là polyacetal hoặc polyoxymethylene (POM). Polyoxymethylene có sẵn trong hai dạng: nó được sản xuất dưới dạng homopolymer (POM-H), hoặc nó được sản xuất dưới dạng copolymer (POM-C). Các bánh răng có thể được làm từ cả hai loại polymer này. Đây có thể là bánh răng thẳng, bánh răng xoắn ốc, bánh răng nghiêng, bánh răng nghiêng và thanh trượt.

Ưu điểm của POM là sự ổn định về kích thước dưới các phạm vi nhiệt độ lớn, hệ số ma sát thấp và khả năng chống trượt. Đây là một chất liệu xuất sắc cho các bề mặt mài mòn vì nó tự bôi trơn, nhưng POM không phù hợp cho các ứng dụng chịu tải trọng sốc do tính giòn của nó. Đối với những loại ứng dụng này, nylon là lựa chọn tốt hơn. Nylon 6/6 là một polyamid gồm hai monomer với sáu nguyên tử carbon mỗi monomer. Nylon tuyệt vời trong việc hấp thụ rung động, nhưng khi tiếp xúc với ẩm, nó trở nên không ổn định về kích thước. Nylon cũng trải qua thay đổi kích thước khi chịu sự biến đổi nhiệt độ đáng kể. Giống như acetal, nylon có hệ số ma sát thấp. Nylon có cường độ cơ học cao. Nylon có thể được sản xuất với molypden được hòa vào để tạo ra tính năng tự bôi trơn. Nylon cũng có thể được sản xuất với sợi thủy tinh hoặc sợi cacbon được nhúng vào chất liệu để tăng sức mạnh. Nylon là nguyên liệu xuất sắc cho mọi loại bánh răng bao gồm bánh răng xoắn ốc, thanh trượt, bánh răng thẳng và bánh răng nghiêng thẳng.

Vật liệu không thể có được unobtainium

Có một loại vật liệu cho bánh răng mà vẫn chưa được phát triển. Đó chính là vật liệu lý tưởng cho tất cả các thiết kế bánh răng. Vật liệu này được gọi là unobtainium. Vật liệu này cực kỳ nhẹ, cứng hơn cả kim cương tự nhiên, có hệ số ma sát là 0.001, ổn định về kích thước trong mọi môi trường, không bị ăn mòn hoặc gỉ sét, dễ dàng gia công và giá nguyên liệu chỉ 1 xu mỗi pound. Một khi được phát minh, nó sẽ khiến cho tất cả các vật liệu khác trở nên lỗi thời và cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống bánh răng.