ระบบส่งกำลังด้วยเฟือง: หลักการและแอปพลิเคชันของวิธีตัดตามรูปทรงและวิธีสร้างรูปในการกลึงเฟือง

01 หลักการพื้นฐานของวิธีเจเนอเรทติ้ง

1.1 รากฐานทางคณิตศาสตร์

• หลักการโอบล้อม : เส้นทางการเคลื่อนที่ของขอบตัดของเครื่องมือ (เช่น ฮอบส์ และเกียร์เชเปอร์) จะสร้างเส้นโค้งต่อเนื่องหลายเส้น และผลรวมของเส้นโค้งเหล่านี้จะประกอบเป็นรูปร่างฟันเฟืองเชิงทฤษฎี (เช่น เส้นเอื้อง, เส้นไซคลอยด์)
• สมการการสัมผัสกัน : สอดคล้องกับความสัมพันธ์ของการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างเครื่องมือกับชิ้นงาน เพื่อให้มั่นใจในความแม่นยำของรูปร่างฟันเฟือง

1.2 ลักษณะสำคัญ

• ความแม่นยำสูง : สามารถกลึงรูปร่างฟันเฟืองที่ซับซ้อนได้ (เช่น เฟืองโปรไฟล์เอื้อง, เฟืองโปรไฟล์ส่วนโค้งวงกลม)
• ประสิทธิภาพสูง : การตัดแบบต่อเนื่องทำให้สามารถผลิตจำนวนมากได้
• ความหลากหลายสูง : เครื่องมือตัวเดียวกันสามารถกลึงเฟืองที่มีจำนวนฟันต่างกันได้ (โดยเงื่อนไขว่าต้องมีโมดูลเท่ากัน)

1.3 กระบวนการสร้างแบบเจเนอเรติ้งทั่วไป

1.3.1 การกลึงเฟืองด้วยฮอบบิง

• หลักการ : ใช้หลักการสัมผัสกันของฟันเกลียวระหว่างฮอบ (มีรูปร่างคล้ายไส้เกลียว) กับชิ้นงานเฟือง โดยทำการตัดด้วยการป้อนแนวแกน
• ความสัมพันธ์ของการเคลื่อนไหว : การหมุนของฮอบ (การเคลื่อนที่ตัดหลัก) + การหมุนของชิ้นงาน (การเคลื่อนที่สร้างรูปทรง) + การป้อนแนวดิ่ง
• ข้อดี : มีประสิทธิภาพสูง เหมาะสำหรับการผลิตจำนวนมาก (เช่น เฟืองในรถยนต์); สามารถกลึงเฟืองตรง เฟืองเหี้ยว เฟืองวอร์ม เป็นต้น
• ตัวอย่างการใช้งาน : การกลึงเฟืองดาวเคราะห์และเฟืองดวงอาทิตย์ในกล่องเกียร์พลังงานลม

1.3.2 การกลึงด้วยเครื่องแต่งเฟือง (Gear Shaping)

• หลักการ : ใช้ดอกตัดแต่งเฟือง (มีรูปร่างคล้ายเฟือง) ในการตัดแบบเคลื่อนขึ้นลง พร้อมกับหมุนชิ้นงานตามอัตราส่วนการสัมผัสกันของฟันเฟือง
• ความสัมพันธ์ของการเคลื่อนไหว : การตัดแนวตั้งแบบหมุนเวียนของเครื่องกัดเฟือง + การหมุนสร้างรูปของชิ้นงานและเครื่องมือ
• ข้อดี : สามารถกลึงโครงสร้างที่ซับซ้อน เช่น เฟืองภายในและเฟืองคู่; มีความหยาบผิวของฟันเฟืองที่ดีกว่าการกัดด้วยฮอบ (Ra 0.8–1.6 μm)
• ข้อจำกัด : มีประสิทธิภาพต่ำกว่าการกัดด้วยฮอบ; ต้นทุนเครื่องมือสูงกว่า
• ตัวอย่างการใช้งาน : การกลึงแหวนเฟืองภายในสำหรับกล่องเกียร์และเฟืองขนาดเล็กที่ต้องการความแม่นยำสูง

1.3.3 การกบแต่งเฟือง

• หลักการ : เครื่องกบแต่งและชิ้นงานหมุนเข้าล้อฟันกันภายใต้แรงกดเบา ๆ เพื่อปรับปรุงความแม่นยำของรูปฟันเฟืองโดยอาศัยการขูดของขอบใบมีด ซึ่งเป็นกระบวนการตกแต่งเพื่อขจัดเศษส่วนหลังจากการกัดด้วยฮอบหรือการกัดรูปเฟือง
• ข้อดี : สามารถแก้ไขข้อผิดพลาดของรูปฟันเฟืองและเพิ่มความเรียบเนียนในการส่งกำลังของเฟืองได้; ความแม่นยำในการกลึงถึงระดับ DIN 6–7
• ตัวอย่างการใช้งาน : การกลึงขั้นสุดท้ายของเฟืองในกล่องเกียร์รถยนต์

1.3.4 การเจียรเฟือง

• หลักการ : ใช้ล้อเจียรรูปแบบหรือล้อเจียรชนิดหนอนเกลียวในการเจียรผิวฟันเฟืองผ่านการเคลื่อนไหวแบบสร้างรูป โดยส่วนใหญ่ใช้สำหรับการตกแต่งเฟืองที่ผ่านการชุบแข็งแล้ว
• ข้อดี : ความแม่นยำสูงมาก (สูงสุดถึงระดับ DIN 3–4); สามารถกลึงเฟืองที่ผิวแข็ง (HRC 58–62) ได้
• ข้อจำกัด : ต้นทุนสูงและประสิทธิภาพต่ำ โดยทั่วไปใช้ในสาขาที่ต้องการความแม่นยำสูง
• ตัวอย่างการใช้งาน : เฟืองเครื่องยนต์อากาศยาน และเฟืองสเตจความเร็วสูงในเกียร์บ็อกซ์กังหันลม

02 หลักการพื้นฐานของการตัดแบบรูปทรง (Form Cutting)

• ขึ้นอยู่กับเครื่องมือสูง : ความแม่นยำของโปรไฟล์ฟันเฟืองขึ้นอยู่กับความแม่นยำของรูปทรงเครื่องมือโดยตรง
• ไม่มีการเคลื่อนที่เพื่อสร้างรูปทรง : กระบวนการกลึงไม่จำลองการมีเดียวกันของเฟือง แต่อาศัยเพียงการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างเครื่องมือกับชิ้นงาน
• ความยืดหยุ่นสูง : สามารถกลึงโปรไฟล์ฟันเฟืองที่ไม่ได้มาตรฐานได้ (เช่น ฟันโค้งแบบวงกลม ฟันสี่เหลี่ยม)

2.1 รากฐานทางคณิตศาสตร์

• หลักการโปรไฟลิ่ง : รูปร่างเรขาคณิตของคมตัดของเครื่องมือสอดคล้องพอดีกับช่องฟันของเฟืองอย่างสมบูรณ์
• การเคลื่อนที่จัดตำแหน่ง : ใช้อุปกรณ์จัดตำแหน่ง (เช่น หัวแบ่ง) สำหรับการกลึงทีละฟัน เพื่อให้มั่นใจว่าระยะห่างระหว่างฟันเท่ากัน

2.2 ข้อดีและข้อเสีย

ข้อดี

• อุปกรณ์ง่ายๆ : สามารถทำได้ด้วยเครื่องกัดธรรมดา
• เหมาะสำหรับการผลิตชิ้นเดียว การผลิตแบบจำนวนน้อย หรืองานซ่อมแซม : เหมาะสำหรับสถานการณ์ที่ต้องการความเฉพาะเจาะจงและการบำรุงรักษา
• สามารถกลึงเฟืองโมดูลขนาดใหญ่พิเศษได้ : เช่น เกียร์ที่ใช้ในเครื่องจักรสำหรับงานเหมืองแร่

ข้อเสีย

• ความแม่นยำต่ำ : โดยทั่วไปอยู่ในระดับ DIN 9–10
• ประสิทธิภาพต่ำ : ต้องทำการกลึงฟันเกียร์ทีละซี่
• ความสามารถในการใช้เครื่องมือได้หลากหลายต่ำ : จำเป็นต้องใช้เครื่องมือเฉพาะทางสำหรับแต่ละโมดูล

2.3 กระบวนการตัดรูปแบบทั่วไป

2.3.1 การกัดเกียร์

• หลักการ : ใช้ดอกกัดจานหรือดอกกัดปลาย; ตัวเครื่องมือหมุนเพื่อตัด และชิ้นงานจะถูกขยับทีละซี่ผ่านหัวแบ่งสัดส่วน
• ความสัมพันธ์ของการเคลื่อนไหว : การหมุนของเครื่องมือตัด (การตัดหลัก) + การป้อนแนวแกนของชิ้นงาน + การหมุนเพื่อแบ่งสัดส่วน
• สถานการณ์การประยุกต์ใช้งาน : การผลิตเฟืองเกียร์แบบวงจรเดียวและปริมาณน้อย ทั้งเฟืองตรง (spur gears) และเฟืองเอียง (helical gears); เฟืองโมดูลขนาดใหญ่ (module ≥20 mm) หรือเฟืองสำหรับซ่อมแซม
• กรณีศึกษา : เฟืองขั้นตอนความเร็วต่ำของเครื่องลดความเร็วสำหรับเรือ (module 30, วัสดุ: 42CrMo) ที่ผ่านกระบวนการด้วยเครื่องกัดปลาย (end mill) + การแบ่งตำแหน่งด้วยระบบ CNC ทำให้ได้พื้นผิวฟันเฟืองที่มีค่าความหยาบ Ra 3.2 μm

2.3.3 การกัดเชิงรูปทรง (Form Grinding)

• หลักการ : ใช้เครื่องกัดลิ่ม (broach) ซึ่งเป็นเครื่องมือที่มีหลายฟันในลักษณะขั้นบันได เพื่อกัดช่องฟันเฟืองทั้งหมดในครั้งเดียว
• ความสัมพันธ์ของการเคลื่อนไหว : การเคลื่อนที่แบบเส้นตรงของลิ่มกัด (การตัด) + ชิ้นงานยึดแน่นไม่ขยับ
• ข้อดี : มีประสิทธิภาพสูงมาก (กัดได้หนึ่งช่องต่อการเคลื่อนหนึ่งครั้ง); ความแม่นยำค่อนข้างสูง (สูงถึงระดับ DIN 7)
• ข้อจำกัด : เหมาะเฉพาะสำหรับการผลิตจำนวนมากของเฟืองภายในหรือเฟืองภายนอกเท่านั้น; ต้นทุนการผลิตลิ่มกัดสูง เหมาะที่สุดสำหรับคำสั่งซื้อปริมาณมากในข้อกำหนดเดียวกัน
• ตัวอย่างการใช้งาน : การผลิตจำนวนมากของแหวนซิงโครไนซ์เซอร์สำหรับรถยนต์ (ระยะเวลาไซเคิล <10 วินาที/ชิ้น)

2.3.3 การเจียรด้วยล้อรูปทรง

• หลักการ : ใช้ล้อเจียรที่มีรูปทรงเฉพาะ (มีรูปโปรไฟล์ตรงกับช่องฟันเฟือง) เพื่อทำการเจียรเฟืองที่ผ่านการอบแข็งแล้ว
• ความสัมพันธ์ของการเคลื่อนไหว : การหมุนของล้อเจียร + การหมุนตำแหน่งชิ้นงาน
• ข้อดี : สามารถกลึงเฟืองที่มีความแข็งสูง (HRC >60) ได้; ความแม่นยำสูงสุดถึงระดับ DIN 4 (ข้อผิดพลาดของรูปทรงฟันเฟือง <5 ไมครอน)
• ฟิลด์แอปพลิเคชัน : การตกแต่งผิวเฟืองเครื่องยนต์อากาศยาน และเฟืองรีดิวเซอร์ความแม่นยำสูง

03 การเปรียบเทียบและการประยุกต์ใช้งานในอุตสาหกรรมของทั้งสองวิธี

การเปรียบเทียบระหว่างวิธีสร้างรูปแบบและวิธีตัดตามรูปร่าง

การประยุกต์ใช้วิธีการสร้างรูปฟันเกียร์

3.1 กล่องเกียร์สำหรับพลังงานลม

• ข้อกำหนด : แรงบิดสูง อายุการใช้งานยาวนาน (≥20 ปี)
• การผสมผสานกระบวนการผลิต : การกัดเกียร์ (เบื้องต้น) → การบำบัดความร้อน → การเจียร์เกียร์ (ขั้นตอนสุดท้าย)