CNC izrada zupčanika od plastike – koji materijal je najotporniji na habanje

CNC izrada plastičnih zupčanika zauzima sve važnije mesto u savremenoj industriji, naročito tamo gde metalna rešenja donose nepotrebnu masu, buku ili zahtevaju dodatno podmazivanje.

Koji plastični materijal zaista najbolje podnosi habanje u realnim uslovima rada, zavisi od opterećenja, brzine, tipa kontakta, temperature i prisustva ili odsustva maziva.

U ovom tekstu vodimo vas kroz mehanizme habanja kod plastičnih zupčanika, razlike između najčešće korišćenih materijala i granicu između laboratorijskih podataka i onoga što se zaista pokazalo pouzdanim u proizvodnji.

Uporedni pregled materijala i otpornosti na habanje

U nastavku je prikazan pojednostavljen uporedni pregled najčešće korišćenih materijala u CNC izradi plastičnih zupčanika, sa fokusom na otpornost na habanje u realnim uslovima rada.

Ovaj zaključak se zasniva na kombinaciji laboratorijskih merenja koeficijenta trenja, otpornosti na abraziju i dugogodišnjeg iskustva iz pogona.

POM se pokazao stabilnim pri suvom radu, sa malim gubicima materijala na bokovima zuba i dobrim zadržavanjem geometrije.

PA ima nešto viši koeficijent trenja, ali često bolje podnosi udarna opterećenja.

Materijali poput UHMW-PE imaju izuzetnu otpornost na klizno habanje, ali zbog niske krutosti retko se koriste za precizne zupčanike.

U praksi se izbor gotovo uvek sužava na grupu industrijski proverene plastike, odnosno industrijski plastični materijali, gde se CNC obradom može postići kontrolisana tolerancija i ponovljiv kvalitet.

Kako nastaje habanje kod plastičnih zupčanika

Kod plastičnih zupčanika dominantni mehanizam je adheziono i abraziono habanje, uz povremenu pojavu površinskog zamora.

Kontakt zuba nije idealno kotrljanje. Uvek postoji klizna komponenta, naročito u ulaznoj i izlaznoj zoni zahvata.

Tada dolazi do lokalnog zagrevanja, omekšavanja površine i mikroskopskog prenosa materijala.

Ako je plastika previše mekana, dolazi do ubrzanog trošenja. Ako je previše kruta, može doći do pucanja ivica.

Najčešći uzroci ubrzanog habanja su:

• previsoka brzina bez adekvatnog odvođenja toplote
• neusklađen par zupčanika plastika metal
• neadekvatna završna obrada nakon CNC obrade
• rad u zaprljanom okruženju sa abrazivnim česticama

Razumevanje ovih faktora je ključno pre nego što se uopšte razmatra izbor materijala.

POM poliacetal u praksi otpornost koja se ponavlja

Poliacetal POM je jedan od retkih plastičnih materijala kod kog se laboratorijski podaci veoma dobro poklapaju sa ponašanjem u realnoj proizvodnji.

Njegova kristalna struktura omogućava nizak koeficijent trenja i stabilno habanje bez naglih skokova u gubicima materijala.

U CNC izradi zupčanika POM pokazuje nekoliko prednosti koje su posebno važne u serijskoj proizvodnji.

Dimenziona stabilnost nakon obrade je visoka, a deformacije su minimalne čak i kod tanjih zubaca. Površina nakon obrade je glatka, što dodatno smanjuje inicijalno trošenje u periodu uhodavanja.

U realnim pogonima POM se najčešće koristi:

• za srednja opterećenja i visoke brzine
• u suvom radu bez dodatnog podmazivanja
• u zatvorenim kućištima sa kontrolisanom temperaturom

Njegovo ograničenje se javlja pri povišenim temperaturama i dugotrajnom statičkom opterećenju, gde može doći do puzanja.

Poliamid PA i modifikovane varijante

Poliamid PA je materijal koji se često doživljava kao univerzalno rešenje, ali u kontekstu habanja zupčanika važno je razlikovati osnovni PA od modifikovanih varijanti.

Čist PA ima viši koeficijent trenja od POM-a, ali zato bolje podnosi udarna i promenljiva opterećenja.

U CNC izradi, PA zahteva više pažnje zbog osetljivosti na vlagu. Upijanje vlage menja dimenzije i mehanička svojstva, što može uticati na zazore u zupčastom paru.

Ipak, u industrijskoj praksi se često koriste PA sa dodatkom ulja, grafita ili staklenih vlakana.

Prednosti PA u zupčanicima su:

• dobra otpornost na zamor materijala
• veća žilavost u odnosu na POM
• tiši rad pri većim modulima zuba

Nedostatak je neujednačeno habanje ako radni uslovi nisu stabilni, što treba uzeti u obzir kod preciznih mehanizama.

UHMW-PE i srodni materijali gde su im granice

UHMW-PE se često pominje kao materijal izuzetne otpornosti na habanje, što je laboratorijski tačno kada se posmatra čisto klizno trenje.

U kontaktu sa čelikom pokazuje minimalan gubitak mase i vrlo nizak koeficijent trenja.

Međutim, kod CNC izrade zupčanika ovaj materijal ima ozbiljna ograničenja. Niska krutost dovodi do elastične deformacije zuba pod opterećenjem, što menja liniju zahvata i ubrzava lokalno habanje. Precizna obrada je moguća, ali zadržavanje geometrije u radu često nije zadovoljavajuće.

UHMW-PE se u praksi koristi:

• za transportne elemente i klizne segmente
• za zupčanike sa vrlo malim opterećenjem
• u aplikacijama gde buka mora biti minimalna

Za pogonske zupčanike u CNC mašinama ili industrijskim reduktorima, ovaj materijal se retko preporučuje kao dugoročno rešenje.

Uticaj CNC obrade na habanje zupčanika

Na otpornost na habanje ne utiče samo izbor materijala, već i način obrade.

CNC obrada plastike mora biti prilagođena materijalu, jer pregrevanje tokom obrade može promeniti površinsku strukturu i izazvati mikropukotine.

Neodgovarajući alati, previsoki obrtaji ili tup alat dovode do lokalnog topljenja površine. Takva površina u radu deluje glatko, ali se zapravo brže troši jer je narušena molekularna struktura.

U praksi se pokazalo da blago matirana, ali stabilna površina daje bolje rezultate u dugom radu.

Preporuke iz industrije uključuju:

• oštre alate sa prilagođenom geometrijom
• kontrolisano odvođenje toplote
• završnu obradu bez agresivnog poliranja

Na ovaj način se obezbeđuje da materijal pokaže svoja realna tribološka svojstva.

Da li ste znali

Prema industrijskim ispitivanjima sprovedenim u skladu sa ISO 7148 standardom za habanje polimera, razlika u realnom veku trajanja zupčanika od POM-a i PA sa uljnim aditivima može biti manja od 10 posto, pod uslovom da su opterećenje i brzina pravilno usklađeni.

To znači da u nekim slučajevima izbor nije pitanje najotpornijeg materijala, već najstabilnijeg ponašanja u datom režimu rada.

Ovaj podatak često iznenadi korisnike koji očekuju drastične razlike na osnovu kataloških vrednosti.

Upravo zato je važno osloniti se i na iskustvo iz proizvodnje, a ne samo na tabelarne podatke.

Kako doneti ispravnu odluku za vaš slučaj

Na osnovu svega navedenog, najotporniji plastični materijal za CNC izradu zupčanika u najvećem broju slučajeva je POM, uz jasno definisane radne uslove.

Ako su prisutna veća udarna opterećenja ili promenljivi režimi rada, PA sa odgovarajućim aditivima može biti racionalniji izbor.

Pre konačne odluke preporučuje se da razmotrite:

• maksimalno opterećenje i brzinu
• radnu temperaturu i trajanje ciklusa
• da li je rad suv ili sa mazivom
• zahteve za tolerancijama i bukom

Kada se materijal bira na osnovu realnih uslova, a ne opštih preporuka, plastični zupčanici mogu pružiti dug i pouzdan rad bez iznenađenja u eksploataciji.