Quels sont les meilleurs matériaux d’engrenages personnalisés ?

Engrenageest un composant de transmission largement utilisé dansÉquipement mécanique, et les performances de l’engrenage sont étroitement liées aux matériaux choisis. Lors de la personnalisation d’engrenages, le choix des matériaux est crucial car il détermine non seulement les performances mécaniques et la durée de vie des engrenages, mais affecte également directement les performances globales et l’efficacité opérationnelle de l’équipement.

Par conséquent, nous devons non seulement répondre aux exigences de base d’une résistance élevée, d’une résistance élevée à l’usure et d’une résistance élevée à la fatigue, mais également tenir compte de l’usinabilité et de l’économie du matériau. Par conséquent, il est important d’explorer les matériaux les plus appropriés pour les engrenages personnalisés afin d’optimiser les performances de l’équipement, de réduire les coûts et d’améliorer l’efficacité de la production.

Quels sont les matériaux des engrenages ?

1.acier

Acier forgé : Des aciers au carbone ou alliés sont généralement utilisés, avec une teneur en carbone comprise entre 0,15 % et 0,6 %. Pour les engrenages qui nécessitent moins de force, de vitesse et de précision, utilisez une surface de dent molle (dureté ≤ 350HBS) pour plus de commoditéTaillage d’engrenagesLes engrenages qui nécessitent un usinage de précision sont généralement fabriqués en acier allié pour améliorer la dureté et la résistance à l’usure de la surface de la dent.
Acier moulé : bonne résistance à l’usure et solidité. Lorsque la structure de l’engrenage est plus grande, de l’acier moulé est généralement utilisé.

2.fonte

Les engrenages en fonte sont principalement utilisés dans les situations où la résistance et la résistance à l’usure ne sont pas requises. La fonte grise a une bonne adhérence et une bonne résistance à la corrosion. La fonte grise ou la fonte ductile est un choix courant pour les engrenages d’entraînement ouverts à basse vitesse.

3.Alliages de cuivre

Laiton (H62) : Bonne conductivité électrique, résistance à l’usure modérée, faible coût.
Bronze au béryllium (C17000) : Module d’élasticité ultra-élevé (125GPa) avec une excellente résistance à la fatigue.

4.Matériaux non métalliques

Pour les engrenages à grande vitesse, à charge légère et de faible précision, les pignons sont généralement fabriqués à partir de matériaux non métalliques tels que le tissu, le plastique et le nylon pour réduire le bruit.

Quelles sont les propriétés des matériaux des engrenages ?

1. Propriétés mécaniques

Résistance : L’engrenage doit supporter une charge importante pendant l’utilisation, de sorte que le matériau doit avoir une résistance élevée, y compris la résistance à la traction, la limite d’élasticité, etc., pour garantir que l’engrenage n’est pas facile à déformer et à casser lors d’une utilisation à long terme.
Dureté : La dureté de surface des dents est un facteur clé affectant la résistance à l’usure et la durée de vie de l’engrenage. Une dureté appropriée peut améliorer la résistance à l’usure et prolonger la durée de vie des engrenages.
Résilience : La capacité d’un matériau à résister à la rupture lorsqu’il est soumis à un impact. Les engrenages peuvent être soumis à divers chocsCharge pendant l’utilisation, le matériau doit donc être flexible pour s’assurer que l’engrenage n’est pas sujet à la fissuration sous l’impact.

2. Performance du processus

De bonnes performances de traitement peuvent réduire les coûts de fabrication et améliorer l’efficacité de la production. Par exemple, la fonte grise est facile à couler et à couper, elle est donc couramment utiliséeUn engrenage qui ne nécessite pas une résistance élevée est nécessaire à la fabrication.

3. Performance environnementale

Résistance à l’abrasion : La résistance à l’abrasion estMatériau de l’engrenageLes engrenages sont souvent portés par paires pendant l’utilisation, de sorte que le matériau doit être résistant à l’usure pour réduire l’usure et prolonger la durée de vie. Par exemple, les engrenages en polyamide (nylon) ont une résistance à l’usure, et seuls les engrenages métalliques 1/5-1/10 ont une bonne résistance à l’usure après de longs trajets.
Résistance à la corrosion : Il peut maintenir de bonnes performances de travail à haute température, à haute humidité et dans d’autres conditions, et a une excellente résistance à la corrosion chimique, ce qui convient aux systèmes de transmission dans des environnements de milieu corrosif.

4. Caractéristiques du traitement thermique

Le traitement thermique améliore les propriétés mécaniques et la dureté de la surface de la dent. traitement thermiqueY compris la trempe, la trempe, la cémentation et la nitruration.

Quelles industries ont besoin d’engrenages personnalisés ?

Machines et équipements industriels :Machines-outils, grues, machines d’impression et autres équipements industriels. L’équipement a des exigences différentes en matière de précision, de résistance à l’usure et de capacité de charge des engrenages, de sorte que les engrenages doivent être personnalisés en fonction des exigences spécifiques.
Dans le secteur automobile:Afin d’obtenir une transmission de puissance et une régulation de la vitesse, des engrenages de haute précision doivent être utilisés pour la transmission et les vitesses différentielles. Les solutions d’engrenages personnalisés peuvent fournir des engrenages qui répondent à des exigences spécifiques pour améliorer l’efficacité de la transmission du véhicule et la stabilité de conduite.
Domaine aérospatial:Il existe des exigences extrêmement élevées en matière de précision, de matériau, de traitement de surface, etc. de l’engrenage. Des solutions d’engrenages personnalisées peuvent répondre à ces besoins particuliers et assurer la stabilité et la fiabilité du système de transmission de l’avion.
Robotique et automatisation :Les articulations de robots, les transmissions et d’autres composants nécessitent des engrenages de haute précision pour un contrôle précis des mouvements. Les engrenages personnalisés peuvent répondre aux exigences particulières du robot en termes de taille, de poids et de précision de l’engrenage.

Quelles sont les techniques de traitement impliquées dans le processus de fabrication des engrenages ?

Préparation des matières premières

1. Forgeage/coulée

Forgeage : Il est utilisé pour les engrenages à charge élevée (tels que les engrenages de transmission automobile) pour extruder des ébauches métalliques à travers une matrice afin d’augmenter la densité du matériau.
Moulage au sable :Convient économiquement aux engrenages en fonte de petite et moyenne taille (par exemple les engrenages de boîte de vitesses).
Coulée de précision (par exemple, coulée EPC) : Utilisée pour les engrenages à structures complexes ou à parois minces afin de réduire le post-traitement.

2. Laminage/extrusion

Engrenages à laminage à chaud : L’usinage grossier des engrenages à arbre long (par exemple les roues de train) est produit par laminage continu.
Extrusion à froid : Convient pour :Engrenages en alliage d’aluminium, ce qui peut augmenter la résistance du matériau et réduire la quantité de coupe.

3. Métallurgie des poudres

Frittage par compression : utilisé pour le traitement de matériaux réfractaires (tels que les engrenages en alliage de titane) ou d’engrenages de formes complexes, avec un taux d’utilisation des matériaux supérieur à 95 %.

Usinage des dents (ébauche et usinage de semi-précision)

1. Moulage et traitement

Table de cuisson : La table de cuisson rotative s’engage en permanence avec la pièce pour couper la forme de la dent en développante. Haute efficacité (pour la production de masse), précision IT7 ~ IT9, rugosité de surface Ra 3,2 ~ 6,3 μ m.
Figuration:Outil de taillage d’engrenages alternatifs pour l’engrènement de la pièce, adapté à l’usinage d’engrenages internes ou de profils de dents non standard. Grande flexibilité, mais moins efficace que le taillage des engrenages.
Meunerie:La fraise à plusieurs tranchants coupe en fonction du profil de la dent et convient à la production unique ou à faible volume. Cependant, il vibre facilement et n’est pas très précis (IT9~IT10).

2 Manutention spéciale

Fils de décharge : Trous internes complexes ou engrenages irréguliers utilisés pour usiner des matériaux à haute dureté tels que l’acier trempé.
Impression 3D(Fabrication additive) : fusion sur lit de poudre (SLS/DLP) ou jet de liant métallique. Capacité à produire rapidement des prototypes légers (réduction de plus de 50 % de la structure en treillis).

Usinage de précision et traitement de surface

1. Technologie d’usinage de précision

Meulage : Meulage de la pièce à l’aide d’une meule pour corriger la déformation du traitement thermique et améliorer la douceur de la surface.
Affûtage : Le disque de démorfilage souple est en léger contact avec une surface dure pour éliminer les micro-rugosités et réduire le bruit. Améliore le contact avec les dents de 10 à 15 décibels.
Rasoirs : Les rasoirs à lame fine micro-découpent les engrenages non trempés pour corriger le jeu des flancs des dents. Cependant, il ne convient qu’aux surfaces de dents molles (par exemple, les aciers trempés et revenus).

2.Procédé de traitement de surface

traitement thermique

Carburation et trempe : Augmente la dureté de surface (HRC58-62) et prolonge la résistance à l’usure.

Azote : traitement à basse température (500-550°C), la dureté de surface est HV800-1000.

Trempe et revenu: Trempe + revenu à haute température pour améliorer la ténacité du noyau.

Technologie de revêtement

Dépôt physique en phase vapeur (PVD) : Par exemple, pour les revêtements TiN, le coefficient de frottement est réduit à 0,1-0,15.

Projection thermique : Le revêtement WC Co augmente la résistance à l’abrasion de 5 à 10 fois.

Traitement chimique

Phosphatation/bleuissement : Améliore la résistance à la corrosion des engrenages à charge légère.

Post-traitement et inspection

1. Finition et polissage

Utilisez une brosse ou un solvant chimique pour éliminer les résidus de traitement et améliorer la douceur de la surface.

2. Détection des vibrations et équilibrage dynamique

Test d’équilibre dynamique : Correction des engrenages rotatifs à grande vitesse, tels que le déséquilibre des engrenages du moyeu.
Toothcheck : UtilisationMMT ou testeur d’engrenages.

3. Peinture et emballage

Traitement antirouille : peinture, placage ou phosphatation pour prolonger la durée de vie.

Quels sont les facteurs à prendre en compte lors du choix d’un matériau pour un engrenage personnalisé ?

1. Facteurs techniques de base

Exigences de performance

Propriétés mécaniques : résistance à la traction, limite d’élasticité, limite de fatigue (par exemple, acier cémenté pour charges lourdes,nylonpour les charges légères), la résistance aux chocs (par exemple, les machines minières nécessitant des matériaux à haute ténacité).
Résistance à l’abrasion : la dureté de surface (HRC58 ou supérieure) et les revêtements (par exemple WC Co) peuvent prolonger la durée de vie.
Résistance à la corrosion : Des matériaux résistants à la corrosion tels que l’acier inoxydable (316L) ou le PEEK sont nécessaires dans les environnements humides/chimiques.

Compatibilité de traitement

Difficultés de mise en œuvre : l’acier peut êtreLaminage/meulage, mais la déformation doit être contrôlée par un traitement thermique. Le nylon doit être moulé par injection et le rétrécissement contrôlé.
Traitement de surface : la cémentation et la trempe, le revêtement PVD et d’autres technologies ont des exigences élevées en matière de matériaux.

2. Facteurs économiques et de coûts

Coût : Le coût des différents matériaux varie considérablement et vous devez choisir le bon matériau en fonction de vos besoins réels et de votre budget. Minimisez les coûts de matériaux tout en garantissant les performances.
Productivité : Différents matériaux ont des difficultés de traitement et une efficacité différentes. Par exemple, la précision d’usinage des engrenages durs est très élevée et les méthodes d’usinage de précision telles que :Grincement des dents, ce qui augmentera les coûts et les cycles de production. Par conséquent, lors du choix des matériaux, il est nécessaire de tenir compte de leur impact sur la productivité.

3. Facteurs liés au scénario d’application

Type de scénario	Sélection des matériaux critiquesprincipe	Matériaux typiques
Transmission de précision à grande vitesse	Dureté élevée et faible coefficient de frottement	Acier au carbone respirant, revêtement POM+
Conditions de chocs à charge lourde	Haute ténacité et résistance à la fatigue	Acier allié (38CrMoAl), fonte
Exigences en matière de légèreté	Faible densité, module élevé	Alliage d’aluminium, matériaux composites en fibre de carbone
Production de masse à faible coût	Des processus simples et une chaîne d’approvisionnement stable	HT250 fonte grise PA6

Étude de cas.

Contexte : Personnalisation des engrenages des réducteurs de VR pour les robots industriels.

Une entreprise de robots industriels a besoin de personnaliser les planètesJeu d’engrenages réducteurs VR(module 2 mm, diamètre extérieur Φ 12 mm, production en série de 10 000 pièces) a les exigences de base suivantes :

Haute précision : le jeu d’engrènement de la paire d’engrenages est de ≤ 5 μ m (tolérance de niveau IT5).
Léger : engrenage unique ≤ 8 grammes.
Faible coût : coût total de 500 000 $ ≤ (y compris les matériaux, le traitement et les essais).

Sélection des matériaux :

1. Comparaison des matériaux de base

matériel	Densité (g/cm³)	Résistance à la traction (MPa)	Coût ($/kg)	Difficulté de traitement
Acier cémenté 20CrMnTi	7.85	1080	120	★★★
Alliage d’aluminium 7075-T6	2.8	570	60	★★★★
Plastique renforcé POM-CF30	1.4	160	80	★★

2. Plan final de sélection des matériaux

Matériaux principaux :Alliage d’aluminium 7075-T6(Il présente des avantages évidents en matière de légèreté et la densité n’est que de 1/3 de celle de l’acier) ;
Traitement de surface : Revêtement en acier au carbone (0,05 mm d’épaisseur, améliore la résistance à l’usure et la dureté de contact jusqu’à HRC60).
Critères de sélection : l’alliage d’aluminium répond aux exigences de légèreté (poids unique ≤ 7,5 g), de couche de cémentation pour assurer la résistance à l’usure, le coût du matériau est inférieur de 40 % à celui de l’acier pur, l’efficacité de l’usinage CNC est supérieure (vitesse de coupe augmentée de 30 %).

Usinage CNC :

1. Conception structurelle

Réduction topologique du poids : production de structures creuses en nid d’abeille avec réduction de 20 % de l’utilisation de matériaux et réduction du poids de 12 grammes à 7,5 grammes ;
Contrôle de la chaîne de tolérance : l’erreur de forme de la dent est contrôlée à ± 1,2 μm grâce à une programmation simultanée multi-axes.

2. Processus d’usinage CNC

processus	équipement	Paramètres clés	fonction
Usinage grossier	Fraiseuse CNC à cinq axes	Vitesse de coupe 800m/min, avance 0,1mm/tr.	Retirez rapidement les pièces en excès pour assurer la stabilité dimensionnelle.
Usinage de semi-précision	Rectifieuses cylindriques intérieures et extérieures	Précision IT7, rugosité de surface Ra0,8 μ m.	Améliorer la précision de la base de l’engrenage.
Usinage de précision	Machine à tailler les engrenages + rectifieuse d’engrenages	L’erreur de pas de taillage ≤ 0,5 μ m, le jeu de correction de meulage atteint 4,8 μ m.	Atteignez une précision de maillage de niveau IT5.
Traitement de surface	Four de cémentation sous vide + sablage	La profondeur de la couche cémentée est de 0,08 mm et la dureté de surface est HRC62.	Améliore la résistance à l’abrasion et à la fatigue.

En intégrant un capteur de température dans le processus de taillage pour surveiller la température de l’outil en temps réel (avec une précision de ± 0,5 °C), l’erreur cumulée du pas est réduite de 1,8 μ m à 0,9 μ m.
L’utilisation d’un dispositif de transfert pour usiner 4 engrenages en un seul processus de serrage réduit le temps de changement d’outil de 30 %.

Contrôle des coûts :

1. Gestion des coûts des matériaux

Approvisionnement centralisé : entente à long terme avec les fournisseurs d’aluminium, le prix unitaire est réduit de 60 $ US/kg à 53 $ US/kg ;
Recyclage de la ferraille : Le processus de métallurgie des poudres augmente le taux de récupération à 95 %.

2. La maîtrise des coûts de traitement

Postes de coût	traitement
Temps d’usinage d’une seule pièce	8 minutes
Coûts d’outillage	8 000 $
Ferraille	1.5%

3. Coûts des tests

Système de mesure en ligne : un interféromètre laser est utilisé pour la détectionÉcart dans le grincement des dentsÉvitez les déchets en vrac en temps réel.
Contrôle statistique des processus : Analysez la distribution des dimensions clés à l’aide d’un logiciel de données pertinent afin de réduire de 20 % la fréquence des inspections complètes.

4. Comptabilité analytique totale

projet	mesurer	proportion
Coûts des matériaux	265 000 $	53%
Coûts de traitement	155 000 $	31%
Essais et outillage	45 000 $	9%
Réserves pour éventualités	35 000 $	7%
total	500 000 $	100%

Ce cas montre qu’en combinant l’innovation matérielle et l’optimisation des processus,Personnalisation des engrenages de robots industrielsIl peut atteindre des objectifs de contrôle des coûts tout en répondant aux exigences de haute précision et de légèreté, et fournir des solutions réutilisables pour la fabrication d’équipements haut de gamme.

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Résumé

quandEngrenages sur mesureLe meilleur choix de matériau doit être basé sur l’application spécifique, les exigences de performance et le budget de coût. L’acier, en particulier l’acier forgé, est préféré pour un large éventail d’applications en raison de sa haute résistance, de sa résistance aux chocs et de sa capacité de traitement thermique. Cependant, dans des conditions particulières telles que la transmission de charge optique à grande vitesse, les matériaux non métalliques tels que le nylon et le bois lamellé-collé sont également privilégiés en raison de leurs propriétés légères et peu bruyantes. De plus, pour les environnements à haute température et corrosifs, des matériaux spéciaux résistants aux températures élevées et à la corrosion doivent être sélectionnés. En bref, l’optimisation des matériaux des engrenages doit être envisagée en fonction des besoins réels.

Démenti

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Foire aux questions

1. Les engrenages en plastique peuvent-ils remplacer le métal ?

Les engrenages en plastique peuvent remplacer partiellement les engrenages métalliques dans certaines conditions, mais pas dans tous les cas. Les engrenages en plastique présentent les avantages d’un poids léger, d’un faible bruit, d’une absence de lubrification et d’une forte résistance à la corrosion. Cependant, les engrenages en plastique ne sont généralement pas aussi solides, résistants à la chaleur et durables que les engrenages métalliques.

2. Quels matériaux d’engrenage répondent aux exigences environnementales ?

Les engrenages en nylon sont considérés comme un matériau respectueux de l’environnement en raison de leurs propriétés non toxiques, inodores et recyclables. Les engrenages en nylon sont largement utilisés dans un large éventail de domaines industriels car ils ont non seulement une excellente résistance à la chaleur, une ténacité et une résistance chimique, mais peuvent également maintenir la stabilité dans divers environnements difficiles.

3. Comment éviter les piqûres d’engrenage ?

Choisissez des matériaux d’engrenage à haute résistance et à haute dureté, utilisez des huiles de lubrification appropriées et contrôlez leur température pour réduire la friction et l’usure. En améliorant la précision d’usinage et la douceur de surface, la concentration des contraintes de surface des dents et la génération de microfissures peuvent être réduites.

4. Quel matériau d’engrenage a la plus longue durée de vie ?

L’acier carburé est généralement considéré comme ayant la plus longue durée de vie parmi les matériaux d’engrenage, en particulier dans les environnements industriels de haute précision et à forte charge. Pour les environnements extrêmes tels que les températures élevées et la forte corrosion, des matériaux spéciaux tels que la céramique et les alliages de titane peuvent être envisagés. Le choix des matériaux réels doit être équilibré par rapport aux conditions de fonctionnement spécifiques, aux budgets de coûts et aux exigences d’allègement.

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Fabrication d’engrenages

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