Как изготавливают шестерни: зубофрезерование, долбление, шлифование, материалы и термообработка

Что определяет технологию

Перед тем как выбирать станок и инструмент, технолог смотрит на четыре параметра чертежа.

Размеры связаны с модулем m и числом зубьев z просто: делительный диаметр равен m·z, наружный m·(z+2), а глубина врезания составляет около 2,25·m. Модуль неизвестной шестерни находят по высоте зуба, поделив её на 2,2–2,25, или по межосевому расстоянию. Набор из восьми модульных дисковых фрез подбирают по числу зубьев колеса.

Степень точности. ГОСТ 1643-81 устанавливает 12 степеней точности цилиндрических передач, 1-я самая точная. Общее машиностроение работает в основном с 7–9-й степенями: редукторы общего назначения, станочные коробки, приводы конвейеров. Скоростные и малошумные передачи требуют 5–6-й степени, а их без шлифования зубьев не получить.

Тип колеса. Прямозубое или косозубое, с наружными или внутренними зубьями, одиночный венец или блок из нескольких венцов, колесо на ступице или вал-шестерня.

Твёрдость зубьев. Колёса твёрдостью до 350 HB нарезают в окончательный размер после улучшения. Колёса твёрдостью 45–62 HRC нарезают до закалки, а после неё доводят шлифованием или оставляют как есть, если допускает степень точности.

Подготовка заготовки

Заготовку колеса точат на токарном станке: наружный диаметр (по нему потом контролируют высоту зуба), посадочное отверстие с допуском обычно по H7 и базовый торец. Отверстие и торец обрабатывают за один установ. Именно они базируют колесо на оправке зубофрезерного станка, и если торец не перпендикулярен оси, зубья получатся с перекосом.

Шпоночный паз в отверстии долбят на долбёжном станке или протягивают. Шлицевое отверстие в серии протягивают, в единичном производстве долбят. Вал-шестерню обрабатывают в центрах, так же как обычный вал.

Методы нарезания зубьев

Зубофрезерование червячной фрезой

Червячная фреза похожа на винт с прорезанными поперёк канавками. Станок вращает фрезу и заготовку согласованно, как червяк и червячное колесо, и при каждом обороте фреза срезает материал во впадинах. Профиль зуба получается методом обката, огибанием, поэтому одна фреза данного модуля нарезает колёса с любым числом зубьев, прямые и косые.

Метод быстрый и дешёвый по сравнению с другими способами нарезания и подходит для единичных колёс и для серий. Точность определяет класс фрезы.

Ограничения: червячная фреза не нарезает внутренние зубья, а у колеса с буртом или соседним венцом ей нужно место для выхода. Многозаходные фрезы производительнее однозаходных, но менее точны.

Зубодолбление

Долбяк — инструмент в форме зубчатого колеса с режущими кромками. Он совершает возвратно-поступательное движение вдоль оси заготовки и одновременно обкатывается с ней. Долбление нарезает то, что недоступно фрезе: внутренние зубья, блочные колёса с близкими венцами, зубчатые венцы рядом с буртом. По производительности оно обычно уступает зубофрезерованию на колёсах, которые можно сделать обоими способами.

Нарезание дисковой модульной фрезой

На универсальном фрезерном станке с делительной головкой каждую впадину прорезают дисковой фрезой с профилем зуба, затем поворачивают заготовку на один зуб. Метод медленный и неточный, потому что профиль фрезы рассчитан на определённый диапазон чисел зубьев. Его применяют в ремонте, когда зубофрезерного станка нет, а колесо нужно одно.

Отделка: шевингование, шлифование, хонингование

Шевингование — отделка боковых поверхностей зубьев шевером, колесом с прорезанными на зубьях канавками. Шевер снимает тонкую стружку, исправляет погрешности профиля и шага после фрезерования. Делают его до термообработки, по сырому металлу. Метод массовый в автомобильных коробках передач.

Зубошлифование — обработка закалённых зубьев абразивным кругом. Это единственный надёжный способ получить 4–6-ю степень точности после цементации, потому что термообработка коробит колесо, и предварительно нарезанный профиль искажается.

Зубохонингование — доводка зубьев абразивным хоном после закалки. Улучшает шероховатость и снижает шум передачи.

Диапазоны — по справочникам и учебникам технологии машиностроения. На конкретном станке и инструменте результат может отличаться на степень в любую сторону.

Материалы и термообработка

Выбор материала начинается с нагрузки на зуб. Контактная прочность растёт с твёрдостью поверхности, поэтому при той же передаваемой мощности колесо из цементованной стали получается в разы компактнее, чем из улучшенной.

Значения твёрдости взяты из справочных таблиц по проектированию зубчатых передач и сопоставлены с данными японского производителя KHK для аналогичных сталей S45C, SCM440 и SCM415. В паре улучшенных колёс шестерню обычно делают твёрже колеса на 20–50 HB: у неё больше циклов нагружения, и так зубья прирабатываются равномерно.

Закалка ТВЧ. Индуктор нагревает поверхность зубьев током высокой частоты, затем зубья охлаждают. Твёрдый слой получается только снаружи, сердцевина остаётся вязкой после улучшения. Подходит для сталей с содержанием углерода от 0,3 %, то есть 45 и 40Х. При мелком модуле зуб прокаливается насквозь и становится хрупким, это учитывают при выборе режима.

Цементация. Деталь из низкоуглеродистой легированной стали насыщают углеродом в поверхностном слое, затем закаливают и низко отпускают. Поверхность получает 56–62 HRC, сердцевина остаётся прочной и вязкой. Глубина слоя у колёс средних модулей — порядка 1 мм. Цементация даёт лучшее сочетание износостойкости и сопротивления изломам зуба, но колесо после неё заметно коробит. Подробнее о видах термообработки — в разделе термообработки и покрытий.

Когда можно сделать шестерню из капролона

Капролон, литой полиамид 6, хорошо обрабатывается резанием, и шестерню из него нарезают на том же оборудовании, что и стальную. Его выбирают, когда нужна тихая передача без смазки или когда стальная шестерня в паре быстро изнашивает дорогую деталь.

Условия, при которых капролоновая шестерня работает долго:

• Нагрузка небольшая. Прочность капролона при изгибе — порядка 80 МПа, в разы ниже, чем у улучшенной стали. При той же нагрузке зуб должен быть крупнее, поэтому модуль капролонового колеса обычно берут больше, чем у стального.
• Скорость невелика. Полимер плохо отводит тепло, а на высокой скорости зуб греется от трения и гистерезиса.
• Температура до +70 °C. Такую рабочую температуру дают для типового капролона, отдельные марки выдерживают больше.
• В паре со стальной шестернёй. Сталь отводит тепло из зоны контакта. Пара двух полимерных колёс греется сильнее.
• Размеры могут меняться. Полиамид впитывает влагу, и отверстие, диаметр и боковой зазор в зацеплении меняются. Заложите больший боковой зазор и, если колесо крупное, делайте его на металлической ступице.

Типичные места для капролоновых шестерён — приводы конвейеров и транспортёров, пищевое и упаковочное оборудование, механизмы с ручным приводом, ремонт сельхозтехники, где стальное колесо в паре дорогое и его хотят сберечь.

Звёздочки и шкивы

Эти детали той же подтемы делаются проще. Звёздочки под приводные роликовые цепи имеют профиль зуба по ГОСТ 591-69. В единичном производстве их часто вырезают из листа лазером или плазмой, затем растачивают ступицу и, если нужно, закаливают зубья ТВЧ. В серии зубья нарезают червячной фрезой со специальным профилем. Шкивы клиноремённых передач точат на токарном станке: профиль канавок для ремней нормальных сечений задаёт ГОСТ 20889-88. Крупные шкивы отливают из чугуна, мелкие точат из стали или алюминиевого сплава.