عملیات حرارتی چرخ دنده

از دیرباز یکی از موارد مورد استفاده بشر، چرخ‌دنده‌ها بوده‌اند که قبل از فولاد، از مواد در دسترس اکثر چرخنده‌ها به راحتی قابل شکل دهی بوده اند که از این مواد می‌توان چوب را نام برد.
این چرخ دنده‌ها عمر کمی داشته و نیاز به جایگزین مکرر داشتند.
در عملکرد بسیاری از ماشین‌ها و قطعات مکانیکی چرخ دنده‌ها جایگاه ویژه‌ای دارند و از نقطه نظر ماده سازنده، پیشرفت‌های جدیدی در تکنولوژی چرخ دنده‌ها صورت گرفته است، که از مواد با استحکام بالا برای ساخت آنها استفاده می‌شود، عملیات حرارتی و ماشین کاری موثری برای دستیابی به این چرخ دنده‌ها صورت می‌گیرد.
طراحی چرخنده نیز بسیار مهم می‌باشد که به منظور فرایندهای ماشین کاری و عملیات حرارتی بایستی، اندازه چرخنده، هندسه مواد، باعث برآورده کردن سطوح کیفتی خواهد شد.
یک عنصر حیاتی در ساخت انواع چرخ دنده‌ها عملیات حرارتی چرخ دنده می‌باشد، که این عملیات بر نحوه عملکرد آن بسیار تاثیرگذار بوده است.
عملیات حرارتی در ارتباط با تعدادی از فرآیندهای حرارتی می‌باشد، که بر روی چرخ دنده‌ها اجرا می‌شوند تا خواص و ویژگی‌های آنها را بهبود بخشند.
با تغییر خواص شیمیایی متالوژیکی و فیزیکی چرخ دنده‌ها، عملیات حرارتی باعث بهینه کردن عملکرد آنها و افزایش عمر آنها خواهد شد، با توجه به نوع مواد، انتقال نیرو، هندسه، چرخ دنده، نرخ چرخه بار و طراحی قطعات جفت شده و سایر شرایط این عملیات تعیین می‌شود، علاوه بر این حرارت دهی باعث بهبود سختی خواص فیزیکی مانند بهبود سختی سطح، جلوگیری از سایش‌ها می‌شود و برای جلوگیری از ایجاد تنش، تغییر شکل ناشی از تنش‌های تماسی زیاد، روی دنده‌های چرخ دنده، ایجاد تنش‌های فشاری زیر سطحی انجام می‌گیرد، این عملیات معمولاً به منظور افزایش مقاومت چرخ دنده در برابر فشار و فرسایش و یا به منظور بهبود کارایی و دقت آنها انجام می‌شود.

چند مثال از این عملیات عبارتند از:

۱- تصفیه حرارتی

این عملیات اغلب بر روی چرخ دنده‌های فولادی انجام می‌شود.
در این فرآیند، چرخ دنده‌ها به حرارت بالا می‌رسند و سپس به آرامی خنک می‌شوند.
این فرآیند باعث کاهش تنش‌ها و تغییرات داخلی فلز می‌شود و به بهبود مقاومت و دقت چرخ دنده‌ها منجر می‌شود.

۲-تقسیم‌بندی

در این فرآیند، چرخ دنده‌ها به سرعت در محلولی از مواد خنک‌کننده قرار می‌گیرند.
این باعث تشکیل ساختار کربیدی در فلز می‌شود که مقاومت چرخ دنده را افزایش می‌دهد.
پس از تقسیم‌بندی، چرخ دنده‌ها به فرآیند تلمبه‌زدن  می‌روند تا سختی آنها کاهش یابد و مقاومت بهبود یابد.

۳- کربوریزاسیون

این فرآیند به منظور افزایش مقاومت چرخ دنده‌ها در برابر سایش و فشار انجام می‌شود.
در کربوریزاسیون، چرخ دنده‌ها در محیط حاوی کربن قرار می‌گیرند تا لایه‌های سطحی کربوریزه شده ایجاد شوند.

۴- نیتریدینگ

این فرآیند مشابه کربوریزاسیون است، اما به جای کربن، از نیتروژن استفاده می‌شود. این باعث تشکیل لایه‌های سطحی نیتریدی در چرخ دنده می‌شود که مقاومت بهبود یافته را فراهم می‌کند.
تعیین کدام نوع عملیات حرارتی برای چرخ دنده شما مناسب است، به ویژگی‌های مواد و نیازهای کاربری آن بستگی دارد.
همچنین، این فرآیندها نیازمند تجهیزات و دانش تخصصی هستند که ممکن است به هزینه افزوده شوند.
برای ساخت انواع چرخ دنده، روش‌های متنوعی وجود دارد که هر کدام از این روش‌ها دارای مزایا و معایبی می‌باشد، با توجه به نوع کارایی که از چرخ دنده نیاز می‌باشد و کارکرد آن، جنس مناسب برای چرخ دنده تعیین می‌شود و سپس با عملیات لازم شکل دهی آن صورت می‌گیرد، از چرخ دنده‌هایی که دارای دندانه می‌باشند، در حال حاضر استفاده می‌شود که وجود این دندانه ها باعث جلوگیری از لغزش و یکنواختی در حرکت خواهد شد.

انتخاب جنس مناسب و عملیات حرارتی چرخ دنده

انتخاب جنس مناسب و انجام عملیات حرارتی بر روی چرخ دنده به منظور بهبود خواص و کارایی آن بسیار مهم است. توجه به عوامل زیر به شما کمک می‌کند تا جنس مناسب را انتخاب کنید و عملیات حرارتی مناسب را برای چرخ دنده خود انجام دهید

۱- نوع ماده مورد استفاده (متالوژی)

 تعیین کنید که چرخ دنده از چه نوع فلز یا آلیاژی ساخته شود.
مثلاً، فولاد‌ها، آلومینیم، برنز، و فولاد‌های ضدزنگ رایج برای ساخت چرخ دنده هستند. انتخاب متالوژی باید با توجه به محیط کاری و نیازهای کاربری چرخ دنده انجام شود.

۲- خواص مکانیکی

تعیین کنید که چه نوع خواص مکانیکی مانند مقاومت به کشش، سختی، انعطاف‌پذیری و زیبایی برای چرخ دنده مورد نیاز است.
انتخاب متالوژی و خواص مناسب وابسته به نیازهای کاربری چرخ دنده است.

۳- ترمیم حرارتی

 تصمیم بگیرید که آیا چرخ دنده نیاز به عملیات حرارتی مانند تصفیه حرارتی، تقسیم‌بندی یا کربوریزاسیون دارد. این عملیات ممکن است مقاومت، سختی و میزان تغییر شکل چرخ دنده را بهبود بدهند.

۴- دمای کاری

 در نظر بگیرید که چرخ دنده در چه دماهایی کار می‌کند.
متالوژی انتخابی باید مقاومت به دماهای مورد نیاز را داشته باشد.

۵- نیاز به مقاومت در برابر سایش و فشار

اگر چرخ دنده برای انتقال نیروی بزرگ و یا در معرض فشار و سایش زیادی قرار دارد، متالوژی باید مقاومت به این عوامل را داشته باشد.

۶- بهبود کارایی

در نظر بگیرید که آیا عملیات حرارتی از نوع تصفیه حرارتی یا تقسیم‌بندی مناسب است تا به بهبود دقت و کارایی چرخ دنده کمک کند.
بهتر است با متخصصان مهندسی متریال و متالورژیک مشورت کنید تا جنس مناسب و عملیات حرارتی بهینه برای چرخ دنده شما را تعیین کنند.
همچنین، استانداردهای مهندسی و فنی مربوط به مواد و فرآیندهای حرارتی را رعایت کنید تا از کیفیت و عملکرد بهینه چرخ دنده اطمینان حاصل کنید.

روند اجرای عملیات حرارتی چرخ دنده

در تولید چرخ دنده، امروزه چندین فرایند عملیاتی عملیات حرارتی استفاده می‌شود که برای نرم کردن چرخ دنده یا قطعه و کاهش تنش باقیمانده از این فرایندها استفاده می‌شود، که به آن نرمال کردن و بازپخت گفته می‌شود.
برای سخت شدن چرخ دنده برخی از فرایندهای رایج عبارتند از سخت شدن موردی، کربورسازی، نیتریدینگ، نیتروکربورسازی و سخت شدن انرژی کاربردی، عملیات حرارتی لیزر، عملیات حرارتی القایی، که در عملیات حرارتی القایی بخشی از قطعه به جای کل آن حرارت می‌بیند و با جریان‌های القایی الکتریکی با استفاده از میدان الکترومغناطیسی در سطح تولید می‌شوند، این کار انجام می‌گیرد.
با توجه به عدم نفوذ جریان‌های القایی دایره‌ای به عمق قطعه، فقط سطح قطعه گرم می‌شود اما چنانچه از گرمای هدایتی استفاده شود، باعث گرم شدن کل قطعه خواهد شد.
از فلزات مناسب برای عملکرد عملیات حرارتی القایی می‌توان فولاد، چدن، مس، آلومینیوم، برنج، برنز را نام برد و برای انواع چرخ دنده مانند چرخ دنده‌های مخروطی، جناغی، پینیون مناسب است.
ممکن است نیاز به عملیات حرارتی روی چرخ دنده باشد تا خواص و ویژگی‌های آن بهبود یابد.

عملیات حرارتی می‌تواند شامل مراحل زیر باشد.

۱- تصفیه حرارتی

 در این عملیات، چرخ دنده به دمای بالا برسانید و سپس به آرامی خنک کنید.
این فرآیند باعث کاهش تنش‌ها و تغییرات داخلی فلز می‌شود و به بهبود مقاومت و دقت چرخ دنده منجر می‌شود.

۲- تقسیم‌بندی

 در این مرحله، چرخ دنده به سرعت در محلولی از مواد خنک‌کننده قرار می‌گیرد. این باعث تشکیل ساختار کربیدی در فلز می‌شود که مقاومت چرخ دنده را افزایش می‌دهد.

۳- کربوریزاسیون

این فرآیند به منظور افزایش مقاومت چرخ دنده در برابر سایش و فشار انجام می‌شود. چرخ دنده در محیط حاوی کربن قرار می‌گیرد تا لایه‌های سطحی کربوریزه شده ایجاد شود.

۴-نیتریدینگ

 در این عملیات، به جای کربن از نیتروژن استفاده می‌شود. این باعث تشکیل لایه‌های سطحی نیتریدی در چرخ دنده می‌شود که مقاومت بهبود یافته را فراهم می‌کند.

۵- تصفیه نهایی

پس از انجام عملیات‌های حرارتی اصلی، ممکن است چرخ دنده نیاز به تصفیه حرارتی نهایی داشته باشد تا تنش‌ها رفع شوند و سختی بهینه‌ای به‌دست آید.

۶- سیخ کشی

اگر پس از تقسیم‌بندی یا کربوریزاسیون چرخ دنده بسیار سخت شده باشد، ممکن است به مرحله سیخ کشی نیاز باشد تا سختی آن کاهش یابد.
مراحل عملیات حرارتی به نوع متالوژی چرخ دنده و نیازهای کاربری آن بستگی دارد. برای اجرای عملیات حرارتی موفق، به دقت به توصیه تخصصی مهندسان متریال و متالورژیک پیروی کنید و فرآیند را با دقت کنترل کنید.

فرایند دقیق ساخت حرارتی چرخ دنده

فرآیند دقیق ساخت حرارتی چرخ دنده شامل مراحل مختلفی است و به نوع چرخ دنده، متالوژی مورد استفاده و نیازهای مشتری بستگی دارد.

اما در اینجا به طور کلی مراحل فرآیند ساخت حرارتی چرخ دنده را توضیح می‌دهیم.

۱- مهندسی و طراحی

ابتدا چرخ دنده به طراحی مورد نیاز مشتری و بر اساس نیازهای کاربری تعیین می‌شود. این مرحله شامل انتخاب متالوژی مناسب، تعیین ابعاد، تحمل نیروها و نیازهای حرارتی است.

۲- مهندسی متالوژی

 در این مرحله، متالوژی مناسب برای ساخت چرخ دنده انتخاب می‌شود. انتخاب متالوژی باید با توجه به خواص مکانیکی مورد نیاز مانند مقاومت به کشش، سختی، و مقاومت در برابر سایش و زنگ‌زدگی انجام شود.

۳- فرآیند تولید اولیه

چرخ دنده به شکل اولیه تولید می‌شود، معمولاً از طریق فرآیندهای مهندسی فلزات مانند ریخته‌گری، یا پرس کردن.

۴- ماشین‌کاری اولیه

چرخ دنده به شکل اولیه با دقت بیشتر ماشین‌کاری می‌شود تا به ابعاد نهایی برسد.

۵- عملیات حرارتی اولیه

این مرحله شامل عملیاتی مانند تصفیه حرارتی، تقسیم‌بندی یا کربوریزاسیون اولیه است تا خواص متالوژیکی بهبود یابد.

۶- تراشکاری و ماشین‌کاری نهایی

چرخ دنده به ابعاد نهایی خود با دقت تراشکاری و ماشین‌کاری می‌شود.

۷- عملیات حرارتی نهایی

عملیات حرارتی نهایی اعمال می‌شود تا خواص متالوژیکی نهایی مانند سختی، مقاومت به کشش و سایش به حالت مورد نیاز برسد.

۸- آزمون کیفیت

 چرخ دنده آزمون‌های کیفیتی گوناگونی مانند آزمون تراشه، آزمون سختی، و آزمون‌های غیرمخرب تا اطمینان از کیفیت نهایی چرخ دنده بررسی می‌شود.

۹- پوشش‌دهی و پایان‌دهی

 در بعضی موارد، چرخ دنده ممکن است پوشش‌دهی مانند کروم‌کردن یا آلودگی‌گیری دریافت کند. سپس به پایان‌دهی نهایی مانند آبکاری یا رنگ‌آمیزی می‌پردازد.

۱۰- بسته‌بندی و تحویل

چرخ دنده برای مشتری بسته‌بندی و تحویل می‌شود.
در هر مرحله از این فرآیند، کنترل کیفیت و رعایت استانداردهای مربوط به متالوژی و مهندسی بسیار مهم است تا از تولید چرخ دنده با کیفیت بالا و عملکرد بهینه اطمینان حاصل شود.

به طور کلی برای ساخت چرخ دنده راه‌های مختلفی وجود دارد که از این روش‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.

۱- ریخته‌گری

برای چرخ دنده‌هایی که نیازمند دقت بسیار بالا نیستند، و برای سرعت‌های خیلی کم کاربرد دارند از این روش استفاده می‌شود.

۲- فرم دادن

برای تولید چرخ دنده‌هایی که دقت و ابعاد متوسطی دارند و و سرعت آنها نیز در حد متوسط می‌باشد روش فرم دادن استفاده می‌شود که به تولید انبوه می‌رسد.

۳- متالوژی پود

برای تولید چرخ دنده‌های با فلزهای با مقیاس کوچک و تولید انبوه از روش متالولوژی پود استفاده می‌شود.
ماشین کاری برای چرخ دنده‌هایی که نیاز به دقت بسیار بالا دارند و برای سرعت‌های خیلی بالا کاربرد دارند، از این روش استفاده می‌شود.

 در ساخت چرخ دنده از دستگاه‌های مختلفی استفاده می‌شود که برخی از این دستگاه‌ها عبارتند از:

۱- دستگاه هاب

یکی از دستگاه‌هایی که به منظور ساخت چرخ دنده استفاده می‌شود و از دستگاه فرز می‌باشد، دستگاه هاب می‌باشد که یکی از کاربردیترین دستگاه‌ها تولید نوع تیز پیچشی آن است، این دستگاه در فاصله زمانی مشخص و سرعتی که به دستگاه داده می‌شود و به روش چرخاندن ابزار باعث ایجاد دنده در صفحه شده و به تولید چرخ دنده می‌ پردازد.
این دستگاه بر روی محصول ایجاد گوشه‌های منحنی می‌کند که به وسیله ابزار تیز و بر روی سطوح مارپیچ این کار انجام می‌ شود.

۲- دستگاه هابینگ

در این دستگاه برش‌های دقیق و برابر میزان مورد نظر به دلیل وجود تیغه‌های همسو و بدنه مارپیچی که این دستگاه دارد و با فاصله مناسب دارای برجستگی‌هایی است، ایجاد می‌شود.
در رابطه با تولید دندانه‌های داخلی از روش خان کشی در ساخت چرخ دنده استفاده می‌شود، که ابزاری که در این روش مورد استفاده قرار می‌گیرد، بر روی سطحی که به شکل مخروط است قرار داده می‌شود و با حرکت آن بر روی چرخ دنده‌ای که به صورت خام می باشد، در داخل آن دندانه‌های به صورت هم شکل مساوی ایجاد می‌شود.
در واقع یک فرایند براده برداری خان کشی می باشد که سوزن خان کشی در آن کاربرد فراوانی دارد. وجود لبه‌های بلند که به صورت متقاطع هستند، در این سوزن باعث براده برداری می‌شود، بیشترین کاربرد این فرایند در صنایع خودروسازی می‌باشد، این فرایند دارای سرعت عمل بسیار زیادی می‌باشد، بنابراین در این صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرد، اکثریت مواقع از سوزن‌های خان کشی به منظور ایجاد چرخ‌دنده‌ها استفاده می‌شود، که بدون این سوزن‌ها امکان برش چرخ دنده‌ها وجود ندارد.
ماشین ساخت چرخ دنده سایز، در تولید چرخ دنده‌های جناغی پیوسته استفاده می‌شود، که در این دستگاه با فاصله منظم از همدیگر دو ابزار برش کار شده‌اند و حرکت آنها به صورت رفت و برگشتی می‌باشد.
این ماشین از دقت بسیار بالایی برخوردار می‌باشد و مکانیسم عملکرد آن به گونه‌ای می‌باشد، که باعث برش چرخ دنده در حرکت اول و بخش دیگر آن در حرکت دوم می‌باشد و یکی از با کیفیت‌ترین اجناس موجود در بازار از طریق این روش تولید می‌شود .

سخت کردن سرتاسری چرخ دنده

سخت‌کردن سرتاسری یک فرآیند حرارتی است که برای افزایش سختی و مقاومت به کشش متالوژیکی چرخ دنده استفاده می‌شود.

این فرآیند ممکن است شامل مراحل زیر باشد.

۱- آماده‌سازی چرخ دنده

 چرخ دنده باید از هر نوع آلایش و رسوبات پاکسازی شود تا سطحی تمیز داشته باشد.

۲- تعیین پارامترهای سخت‌کردن

 دما، زمان، و سرعت سردکردن برای فرآیند سخت‌کردن تعیین می‌شود. این پارامترها بستگی به نوع متالوژی چرخ دنده و نیازهای مشتری دارند.

۳-انجام عملیات سخت‌کردن

چرخ دنده به دمای معینی گرم می‌شود و در آن دما نگه‌داشته می‌شود تا خواص متالوژیکی بهبود یابد. سپس سریعاً خنک می‌شود.
این عملیات به عنوان معدنکاری(Quenching) نیز شناخته می‌شود.

۴- تمیز کردن و تراشکاری نهایی

چرخ دنده از مواد زائد و زنگ‌زدگی پاکسازی می‌شود و به ابعاد نهایی تراش می‌شود.

۵- آزمون کیفیت

چرخ دنده پس از سخت‌کردن برای کیفیت و تطابق با مشخصات ابعادی و متالوژیکی بررسی می‌شود.

۶- پوشش‌دهی و پایان‌دهی

در بعضی موارد، چرخ دنده ممکن است پوشش‌دهی مانند کروم‌کردن یا آلودگی‌گیری دریافت کند. سپس به پایان‌دهی نهایی مانند آبکاری یا رنگ‌آمیزی می‌پردازد.
سخت‌کردن سرتاسری می‌تواند متالوژی چرخ دنده را بهبود دهد، اما به دلیل خواص مکانیکی مورد نیاز و استفاده‌های خاص، این فرآیند باید با دقت و به توجه به استانداردهای مشخص صورت گیرد.
انجام آزمون‌های کیفیت در طول فرآیند می‌تواند از کیفیت نهایی چرخ دنده اطمینان حاصل کند.

کلام آخر

از جمله پرکاربردترین قطعات در ساخت وسایل مکانیکی، چرخ دنده هامی‌باشند که وظیفه آنها انتقال و یا تغییر جهت نیرو، بین دو محور متفاوت می‌باشد از پرکاربردترین مواد در تولید چرخ دنده فولاد است، اما از مواد دیگری مانند برنج، برنز، چدن نیز می‌توان برای ساخت این قطعات استفاده کرد، که با توجه به کاربرد چرخنده؟ انتخاب هر یک از مواد صورت می‌گیرد و باید این چرخ دنده‌ها، تحمل فشار و توانایی انتقال نیرو را داشته باشد.
برای ساخت چرخ دنده از روش‌های بسیاری استفاده می‌شود، که از پرکاربردترین آنها ریخته‌گری، براده‌برداری، پرس و کشیدن می‌باشد.
یکی از دقیق‌ترین روش‌ها روش براده برداری می‌باشد که راندمان بالایی دارد، عملیات حرارتی که در فرایند ساخت چرخ دنده استفاده می‌شود.
باعث تغییر خواص فیزیکی و شیمیایی آن شده و با توجه به نوع کاربرد آن زمان و میزان حرارت متغیر می‌باشد، همچنین شکل چرخ دنده‌ها با توجه به کاربردی که دارند متغیر است.