Deskundige asbewerking:materialen, technieken en ontwerpstrategieën

De mechanische as vormt de ruggengraat van het machineontwerp. Deze eenvoudige maar essentiële roterende componenten worden gebruikt om kracht of beweging van de ene plaats naar de andere over te brengen, bijvoorbeeld naar een ander onderdeel van een machine of naar een andere machine.

Assen worden aangetroffen in motoren, versnellingsbakken, pompen en vele andere machines en zijn ontworpen om sterke torsiekrachten en hoge buigbelastingen te weerstaan tijdens het draaien. Dat betekent dat het juiste asontwerp en de juiste productie een topprioriteit is voor ingenieurs op gebieden als de automobielsector, industriële productie en energieopwekking.

Dit artikel legt de basisbeginselen van het bewerken van assen uit en bekijkt hoe processen zoals CNC-draaien worden gebruikt om robuuste assen voor allerlei toepassingen te vervaardigen.

Wat is een schacht? Definitie en mechanische functies

Wat is een schacht precies? Het McGraw-Hill Woordenboek van Techniek  biedt de volgende “as”-definitie:“Een cilindrisch stuk metaal dat wordt gebruikt om roterende machineonderdelen te dragen, zoals katrollen en tandwielen, om kracht of beweging over te brengen.”

Merriam-Webster biedt een vergelijkbare definitie van ‘as’ in de machinebouw, waarbij een as wordt beschreven als ‘een gewoonlijk cilindrische staaf die wordt gebruikt om roterende stukken te ondersteunen of om kracht of beweging door rotatie over te brengen’. Merk op dat deze definitie van assen verwijst naar het bestaan van niet-cilindrische assen, zoals vierkante assen en zeskantige assen.

Hoe werkt een as?

Veel industriële toepassingen van assen gebruiken deze componenten op verschillende manieren. Assen werken echter in grote lijnen op dezelfde manier en brengen kracht, koppel en rotatiebeweging over van een aandrijfapparaat (zoals een motor) naar een ander machineonderdeel.

De belangrijkste functies van een schacht zijn:

• Stroom overbrengen door stroombronnen aan te sluiten op componenten die stroom nodig hebben
• Het overbrengen van koppel (draaikracht) van een aandrijfcomponent naar een aangedreven component
• Ondersteunen van roterende onderdelen, zoals tandwielen en lagers, en ze op hun plaats houden terwijl ze draaien
• Bestand tegen zware krachten zoals schuifspanningen, buigen en draaien

Veel voorkomende typen industriële schachten

De verschillende soorten schachten kunnen worden gecategoriseerd op basis van hun functie of hun vorm. Deze gids biedt beide onderscheidingen, waarbij eerst wordt gekeken naar drie belangrijke functionele schachttypen en vervolgens naar de verschillende schachtvormen die kunnen worden gebruikt.

Transmissieassen

Transmissieassen zijn een van de subtypes van de hoofdas. Deze fungeren als een manier om stroom over te dragen tussen een krachtbron en een aangedreven machine die stroom absorbeert.

Voorbeelden van transmissieschachten zijn lijnschachten  voor het distribueren van gecentraliseerde macht, tussenassen  die aandrijf- en aangedreven assen verbinden, en aandrijfassen voor auto's  die het vermogen van de motor naar het differentieel overbrengen.

Machineassen

Waar transmissieassen afzonderlijke systemen met elkaar verbinden, zijn machineassen componenten binnen een machine die intern vermogen overbrengen.

Voorbeelden van machine-assen zijn krukassen  die heen en weer gaande beweging omzetten in rotatiebeweging en nokkenassen  die de beweging van de klep regelt.

Asassen

Assen kunnen worden beschouwd als een afzonderlijk type as, dat doorgaans wordt gebruikt om wielen van auto's aan te drijven  en draag het gewicht van het voertuig.

Bij een auto met achterwielaandrijving is de as verbonden met het differentieel, dat via een aandrijfas zijn kracht uit de motor haalt.

Verschillende schachtvormen en -vormen

In de onderstaande tabel worden de verschillende soorten schachten onderscheiden op basis van hun vorm en ontwerp, waarbij de belangrijkste voordelen en het doel van elk worden vermeld.

Schachtvorm Dwarsdoorsnede Beschrijving Rond (cilindrisch)○Meest voorkomende as; soepele rotatie, gemakkelijk te bewerken, past goed op de lagers. Stevig vierkant □ Goede koppeloverbrenging zonder spiebanen. Zeskantige as ⬡ Goede koppeloverbrenging, gemakkelijke ingrijping van het gereedschap. Spieas ⚆ Brengt koppel over naar naven en tandwielen met behulp van een machinaal bewerkte spiebaan en spie. Gesplijnde as ⚙ Langsgroeven voor hoge koppelcapaciteit. D-as (plat) ◖ Voorkomt slip in eenvoudige naven. Getrapte as ◎ Biedt plaatsingsoppervlakken voor lagers en tandwielen; variërende diameters langs de lengte. Taps toelopende schacht◎ De diameter neemt geleidelijk af naar één uiteinde; sterke vergrendeling voor naven.Excentrische as❍Cilinder met uitstekende eivormige “lobben” voor bediening van motorkleppen.Holle as⊙Vergelijkbaar met ronde as maar met lagere massa.

Materiaalselectie voor asbewerking

Het meest voorkomende materiaal voor standaardassen is zacht staal. Voor sterkte kunnen echter ook andere materialen zoals nikkel of titanium worden gebruikt. De onderstaande lijst beschrijft de beste asmaterialen en hun belangrijkste voordelen.

• Koolstofstaal :Koolstofstaal, met name zacht staal, is de meest kosteneffectieve en veelzijdige metalen voor assen. Ze hebben een goede sterkte en bewerkbaarheid.
• Roestvrij staal :Roestvrijstalen assen kunnen nodig zijn voor toepassingen die extra corrosiebestendigheid vereisen, zoals in maritieme omgevingen of voor voedselverwerking.
• Aluminium :Assen van aluminiumlegeringen zijn lichter en kunnen worden gebruikt in toepassingen waar een goede sterkte-gewichtsverhouding vereist is, zoals in de automobiel- of ruimtevaartsector.
• Titanium :Titanium assen bieden een goed niveau van corrosieweerstand, temperatuurbestendigheid en een goede sterkte-gewichtsverhouding, waardoor ze bruikbaar zijn in de lucht- en ruimtevaart en andere gebieden.
• Nikkel :Nikkel en nikkellegeringen kunnen worden gebruikt bij de vervaardiging van assen wanneer corrosiebestendigheid, temperatuurbestendigheid en weerstand tegen vermoeidheid hoge prioriteiten zijn.
• Messing :Messingschachten kunnen worden ingezet wanneer antimicrobiële eigenschappen, lage wrijving en goede bewerkbaarheid vereist zijn.

Precisie-asbewerking en productieprocessen

Bij het vervaardigen van assen gaat het doorgaans om smeden, extruderen of walsen om het langwerpige metaalmateriaal te creëren, gevolgd door precisie-CNC-bewerkingsprocessen zoals CNC-draaien, CNC-frezen en precisieslijpen om de uiteindelijke kenmerken en afmetingen te bereiken.

1. Smeden :Door het metaal te verwarmen en drukkrachten uit te oefenen, ontstaat de basisvorm van de schacht, waardoor deze een uitstekende korrelstructuur heeft voor maximale sterkte
2. CNC-bewerking :De basisas wordt gefreesd, gedraaid of op andere manieren bewerkt (zie onderstaande sectie) om kenmerken te creëren; Een getrapte as kan bijvoorbeeld worden gemaakt met behulp van een CNC-draaibank door de as in een boorkop te draaien terwijl een enkelpunts snijgereedschap materiaal verwijdert.
3. Afwerking :Processen zoals slijpen worden gebruikt om de as aan te passen en nauwkeurige toleranties te bereiken, terwijl polijsten en andere methoden worden gebruikt om de oppervlakteafwerking van de as aan te passen.
4. Warmtebehandeling :Harden, ontlaten en andere processen kunnen worden toegepast om de duurzaamheid van de as te verbeteren.

CNC Draaien

CNC-draaimachines of draaibanken worden op verschillende manieren gebruikt tijdens de productie van assen, zoals voorbewerken en nadraaien, het maken van getrapte assen, conisch draaien voor het produceren van conische assen, draadsnijden, het maken van groeven en afsteken.

CNC-frezen

CNC-freesassen omvatten het creëren van functies in de as of het aanpassen van de geometrie ervan. CNC-frezen worden gebruikt voor het bewerken van spiebanen en sleuven in spieschachten, het snijden van longitudinale groeven in spiebanen en het bewerken van vlakken en contouren.

CNC-slijpen

As-CNC-slijpen wordt doorgaans gebruikt om een fijne oppervlakteafwerking en nauwe tolerantie te bereiken, in plaats van om kenmerken in de as te creëren. Slijpen kan ook worden gebruikt om vervormingen veroorzaakt door warmtebehandeling te corrigeren.

Lange asbewerking:uitdagingen en geavanceerde technieken

Hoewel veel assen relatief kort en stijf zijn, brengt het bewerken van lange assen extra technische en productie-uitdagingen met zich mee. Lange assen worden doorgaans gedefinieerd door een hoge verhouding tussen lengte en diameter (L/D), waardoor ze gevoeliger zijn voor doorbuiging, trillingen en maatinstabiliteit tijdens de bewerking. In verspanende termen wordt een L/D-verhouding tussen 10:1 en 20:1 als een uitdaging beschouwd, terwijl alles boven 30:1 (zoals een slanke spindel of een papiermolenrol) wordt geclassificeerd als een 'extra lange' as.

Lange schachten worden vaak gebruikt in:

• Maritieme voortstuwingssystemen
• Olie- en gasapparatuur
• Industriële walsen
• Krachttransmissiesystemen
• Luchtvaartcomponenten

Belangrijke uitdagingen bij het bewerken van lange assen

Doorbuiging en buiging

Door hun slanke geometrie kunnen lange assen doorbuigen onder snijkrachten. Zelfs kleine gereedschapsdrukken kunnen meetbare doorbuiging veroorzaken, wat de ronding en maatnauwkeurigheid beïnvloedt.

Trillingen en gebabbel

Een hoge L/D-verhouding verhoogt de gevoeligheid voor trillingen tijdens het draaien of slijpen. Chatter kan de oppervlakteafwerking beschadigen en de standtijd verkorten.

Thermische uitzetting

Tijdens langere bewerkingscycli kan de opbouw van warmte uitzetting veroorzaken, wat tot tolerantieafwijkingen kan leiden.

Rechtheid behouden

Het bereiken en behouden van rechtheid over de gehele aslengte is van cruciaal belang, vooral bij toepassingen die een nauwkeurige rotatiebalans vereisen.

Technieken die worden gebruikt bij het bewerken van lange schachten

Om deze uitdagingen aan te pakken, gebruiken fabrikanten verschillende gespecialiseerde technieken:

Gestage rust en volgrust

CNC-draaibanken gebruiken vaste steunen of volgsteunen om de as te ondersteunen tijdens het draaien, waardoor doorbuiging en trillingen worden geminimaliseerd.

Ondersteuning van de losse kop

Het ondersteunen van de as tussen de middelpunten verbetert de stijfheid en handhaaft de concentriciteit.

Geoptimaliseerde snijparameters

Lagere snijkrachten, geschikte voedingssnelheden en scherpe gereedschappen helpen de buigkrachten te verminderen.

Meerstaps voorbewerken en afwerken

De ruwe bewerking wordt in fasen uitgevoerd om spanning te minimaliseren, gevolgd door een nauwkeurige afwerking om nauwe toleranties te bereiken.

Precisieslijpen voor rechtheid

Na een warmtebehandeling ondergaan lange assen vaak cilindrisch slijpen om vervorming te corrigeren en nauwe toleranties voor rechtheid en rondheid te bereiken.

Dynamisch balanceren

Voor toepassingen met hoge snelheid kunnen lange assen dynamisch balanceren vereisen om een soepele rotatie te garanderen en trillingen tijdens gebruik te verminderen.

Materiaaloverwegingen voor lange schachten

Materiaalkeuze is vooral belangrijk bij het bewerken van lange assen. Gelegeerde staalsoorten worden vaak gebruikt vanwege hun hoge sterkte en weerstand tegen vermoeidheid. In gewichtsgevoelige toepassingen kan voor aluminium of titanium worden gekozen, hoewel aanvullende stijfheidsmaatregelen nodig kunnen zijn vanwege hun lagere stijfheid in vergelijking met staal.

Door geavanceerde opspanningen, geoptimaliseerde bewerkingsstrategieën en precisie-inspectiemethoden zoals CMM-metingen en rechtheidstesten te combineren, kunnen fabrikanten lange assen produceren die voldoen aan strenge industriële eisen op het gebied van uitlijning, balans en duurzaamheid.

Voorbeeldworkflow:CNC draaien van een getrapte as

Een getrapte of schouderas is een goed voorbeeld van wat een CNC-draaimachine of draaibank kan maken van eenvoudig staafmateriaal.

Het proces begint met het ontwerp, wanneer de lengte, diameters en schouderlocaties van de getrapte as worden gedefinieerd, evenals afrondingen, afschuiningen en toleranties. (Normaal gesproken levert de klant dit ontwerp, terwijl 3ERP de rest verzorgt.) Het CAD-model wordt vervolgens omgezet in CAM-toolpaths voor de CNC-machine.

De diameter van het gekozen staafmateriaal moet iets groter zijn dan de grootste diameter of schouder, en de materiaalkeuze moet passen bij de eindtoepassing. (3ERP kan indien nodig helpen bij de materiaalkeuze.) Wanneer deze beslissingen zijn genomen, wordt de gekozen metalen staaf in een spantang op het CNC-draaicentrum geklemd.

Het vlakken wordt aan het uiteinde uitgevoerd en vervolgens wordt ruw draaien uitgevoerd, eerst op de grootste diameter en vervolgens op de kleinere. Vervolgens brengen afwerkingsgangen de as dichter bij de gespecificeerde geometrie, waardoor schone schouders ontstaan. Afschuiningen en afrondingen worden gesneden waar aangegeven.

Vervolgens wordt de as gescheiden, afhankelijk van eventuele verdere oppervlakteafwerking, en gecontroleerd met een CMM om conformiteit te garanderen. De afgewerkte as wordt vervolgens aan de klant geleverd.

Ontwerp voor productie (Df M) Tips voor schachten

Het mechanische asontwerp vereist naleving van de DfM-principes. Dit zorgt ervoor dat assen zijn ontworpen om zware krachten te weerstaan ​​en soepel samen te werken met verbindingscomponenten. Hieronder vindt u enkele basis DfM-tips voor schachten.

• Definieer eerst belastingen en lay-out :plaats roterende onderdelen zoals tandwielen, katrollen en lagers op de CAD-tekening en bouw vervolgens de asgeometrie op volgens de krachten en het koppel die de as zal moeten weerstaan.
• Laat krachten de diameter bepalen :schets de as en de duw- en trekbewegingen, zoek uit wat de lagers dragen, zoek dan waar de as het meest buigt en hoeveel draaiing hij ziet voordat je de diameter kiest.
• Ontwerp voor stijfheid en sterkte :beperk doorbuiging en torsie en maximale spanning, vooral op kritieke delen.
• Let op de L/D-verhouding (slankheid) :lange, dunne schachten buigen meer door en kunnen trillen, dus gebruik grotere diameters of extra steunen indien nodig.
• Minimaliseer stressconcentraties :vermijd scherpe treden en diepe groeven; gebruik in plaats daarvan afrondingen en vloeiende overgangen, vooral op onderdelen zoals spieschachten.
• Don ’ precisie niet te veel specificeren: eisen alleen strikte “exacte afmetingen”-limieten waarbij onderdelen nauw moeten passen (zoals lagers en afdichtingen). Sta elders lossere toleranties toe om de kosten te verlagen en de productie eenvoudiger te maken.
• Kies materialen voor afwegingen :koolstofstaal =goedkoop, gelegeerd staal =sterkte/vermoeidheid, roestvrij staal =corrosieweerstand, aluminium =lichtgewicht; warmtebehandeling verbetert de sterkte, maar verhoogt de kosten en het risico op vervorming.

Waarom samenwerken met 3ERP voor uw op maat gemaakte asprojecten?

Met meer dan 15 jaar ervaring in de metaalprototyping- en productiesector beschikt 3ERP over een hoog niveau van expertise op het gebied van asontwerp en productie. Voordelen van een samenwerking met ons zijn onder meer toleranties van +/- 0,01 mm, meerassige CNC-mogelijkheden, nauwkeurige CMM-inspectie om de kwaliteit van de onderdelen te garanderen, en een snelle doorlooptijd van prototyping tot productie.

Vraag voor uw volgende asbewerkingsproject een offerte aan bij 3ERP.

Veelgestelde vragen

Wat is asbewerking?

Asbewerking is het proces waarbij met precisie roterende assen worden gemaakt met behulp van CNC-technieken zoals draaien, frezen, slijpen en boren (meestal nadat de basisas via een ander proces is gevormd).

Welke CNC-machines worden gebruikt voor het bewerken van assen?

De meeste assen gebruiken CNC-draaibanken voor ronde onderdelen, en vervolgens CNC-frezen of frees-draaicentra voor onderdelen zoals spiebanen, platte vlakken en gaten.

Hoe worden nauwe toleranties op assen bereikt?

Nauwe toleranties worden bereikt met nadraaien, precisieslijpen, gecontroleerd opspannen en inspectie met micrometers of CMM's.

Wat zijn enkele veelvoorkomende machinaal bewerkte asmaterialen ?

Veel voorkomende asmetalen zijn onder meer koolstofstaal (met name zacht staal), gelegeerd staal, roestvrij staal en aluminium, gekozen vanwege sterkte, slijtvastheid en corrosieweerstand.