Шпоночный паз и шлицы: размеры по ГОСТ 23360-78, допуски и изготовление

Маршрут обработки вала описан в статье как изготавливают валы и оси. Здесь разобрана одна операция из него, шпоночный паз, а затем шлицы для моментов, с которыми шпонка не справляется.

Что стандартизует ГОСТ 23360-78

Стандарт распространяется на соединения с призматическими шпонками обычной высоты. Высокие шпонки выпускают по ГОСТ 10748-79, сегментные по ГОСТ 24071-97, и размеры в них отличаются. Для призматической шпонки ГОСТ 23360 задаёт:

• сечение b×h в зависимости от диаметра вала;
• ряд длин шпонки от 6 мм до 500 мм (6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 25, 28, 32, 36, 40, 45, 50, 56, 63, 70, 80, 90, 100 и далее), причём каждому сечению отвечает свой участок ряда;
• глубину паза на валу t1 и во втулке t2 с допусками;
• поля допусков ширины паза и радиус или фаску в углу паза;
• материал шпонки: сталь с пределом прочности не менее 590 МПа, на практике сталь 45.

Шпонка исполнения 1 со скруглёнными торцами идёт в закрытый паз под концевую фрезу, исполнение 3 с плоскими торцами в паз, который выходит на торец вала или сделан дисковой фрезой.

Таблица размеров шпонок и пазов

Числа сверены по двум воспроизведениям стандарта. В коммерческих «выжимках» встречаются ошибки (например, t1 = 1,5 мм вместо 1,2 мм для вала до 8 мм), поэтому для чертежа берите значения из действующего ГОСТ.

Допуски глубины: для шпонок высотой до 6 мм от 0 до +0,1 мм, для высоты 7–18 мм от 0 до +0,2 мм, для 20 мм и выше от 0 до +0,3 мм.

Сумма t1 + t2 всегда чуть больше h: для 12×8 это 8,3 мм, зазор 0,3 мм. Он нужен, чтобы момент передавался боковыми гранями, а шпонка не упиралась в дно паза ступицы.

Допуски ширины паза

Ширину паза назначают по трём видам соединения. Шпонка по ширине всегда по h9, по высоте h11 (для шпонок до 6 мм h9), по длине h14, а длина паза на валу выдерживается по H15.

Для термообработанных деталей стандарт разрешает ширину паза на валу по H11. Отклонения в микрометрах сведены ниже, остальные значения есть в справочнике допусков и посадок и в калькуляторе.

Возьмём ширину 12 мм (вал 40 мм): шпонка h9 имеет отклонения от 0 до −43 мкм. С нормальным пазом N9 на валу получается зазор до 43 мкм или натяг до 43 мкм, с пазом Js9 во втулке зазор до 64 мкм или натяг до 21 мкм. Плотное соединение P9 даёт натяг до 61 мкм и зазор до 25 мкм, поэтому шпонку туда вбивают.

Положение паза ограничивают допусками расположения. Учебники по нормированию точности дают допуск параллельности 0,6 от допуска ширины паза, допуск симметричности в диаметральном выражении 4 допуска ширины, округлённые по ГОСТ 24643. Для паза 12 N9 с допуском 43 мкм это примерно 25 мкм по параллельности и 160 мкм по симметричности. Знаки параллельности и симметричности ставят по ЕСКД, правила собраны в статье про чертёж детали.

Шероховатость по рекомендуемому приложению к ГОСТ 23360: боковые стенки при допуске по IT9 в диапазоне размеров до 50 мм не грубее Ra 3,2 мкм, дно паза Ra 6,3 мкм. Радиус в углу паза для 12×8 составляет 0,25–0,40 мм, в ответственных узлах его пишут на чертеже.

Как фрезеруют шпоночный паз

• Концевая шпоночная фреза. Двузубая концевая фреза диаметром, равным ширине паза, врезается вдоль оси и идёт вдоль вала. Паз получается закрытый, с радиусом на концах, под шпонку исполнения 1. Вал лежит в призмах или в станочных тисках с призматическими губками, ось вала выставляют по оси шпинделя по краю заготовки или по щупу. Биение фрезы в патроне почти целиком прибавляется к ширине паза, а допуск N9 для 12 мм всего 43 мкм, поэтому цангу и вылет проверяют индикатором.
• Дисковая фреза. Режет быстро и даёт ровные стенки, но на конце паза остаётся скругление большого радиуса, то есть полная глубина паза короче, чем длина по чертежу. Подходит для пазов, выходящих на торец, и для крупных серий.
• Токарный центр с приводным инструментом. Паз фрезеруется за тот же установ, что и точение, поэтому ось паза проходит через ось вала по построению, а выставлять её вручную не нужно. Режимы подбирают так же, как для обычного фрезерования, в калькуляторе режимов.
• Втулка: протягивание, долбление. Паз в отверстии нельзя пройти фрезой. В серии его протягивают шпоночной протяжкой на прессе, в единичном производстве долбят на долбёжном станке, а в закалённой ступице вырезают проволочным электроэрозионным станком.

Какие детали на каком станке делают, разобрано в статье про фрезерный и токарный станки, а ступицы описаны в материале про втулки и фланцы.

Как измерить глубину паза

Проверить глубину t1 прямо в пазу неудобно: вал круглый, и базы нет. Поэтому ГОСТ разрешает контролировать вместо t1 и t2 размеры d − t1 (от дна паза до противоположной образующей вала) и d + t2 (от дна паза втулки до противоположной образующей отверстия). Отклонения этих размеров заданы по высоте шпонки.

Для вала Ø40 с пазом под шпонку 12×8 на чертеже ставят 35,0 с допуском от 0 до −0,2 мм (40 − 5,0), а для паза во втулке 43,3 с допуском от 0 до +0,2 мм (40 + 3,3). Размер d − t1 на валу меряют микрометром или штангенциркулем с узкой губкой: одну губку опускают на дно паза, другую на противоположную сторону вала. Втулку проверяют штангенглубиномером от плоскости, а ширину паза пробками или калибрами. Ширину проверяют калибром-пробкой на обоих концах паза, так видно и перекос.

Брак при фрезеровании паза

• Смещение паза от оси. Шпонка одним боком упирается в стенку и перекашивается, во втулке появляется зазор с другой стороны. Причина обычно в том, что фрезу выставили по краю заготовки без учёта диаметра фрезы.
• Перекос относительно оси. Паз идёт под углом к оси вала, и шпонка клинит при установке втулки. Виновата обычно неровная опора вала в тисках или призме.
• Широкий паз. Из-за биения фрезы шпонка получает люфт, и под переменным моментом боковые поверхности быстро выкрашиваются.
• Глубокий паз. Вал теряет сечение больше положенного, а шпонка садится ниже.
• Острый угол на дне. Фреза со стёртым радиусом оставляет острый угол, где напряжения при изгибе и кручении концентрируются; усталостная трещина начинается именно отсюда.

Паз ослабляет вал. При изгибе момент сопротивления сечения с пазом равен πd³/32 − b·t1·(d − t1)²/(2d). Для Ø40 с пазом 12×8 это 6283 − 919 = 5364 мм³, на 15 % меньше, чем у гладкого вала. При кручении полярный момент сопротивления падает на 7 % (12 566 − 919 = 11 647 мм³). К этому добавляется концентрация напряжений в углах паза, поэтому радиус на дне паза нельзя оставлять без контроля.

Расчёт шпонки на смятие

Размеры призматических шпонок подобраны так, что срез и изгиб не опаснее смятия, поэтому проверяют боковую грань на смятие. Расчётная длина шпонки со скруглёнными торцами lр = l − b.

σсм = 2T / (d · (h − t1) · lр) ≤ [σ]см

Здесь T в Н·мм, размеры в мм, напряжение получается в МПа. Допускаемое напряжение зависит от материала ступицы, посадки и характера нагрузки. Для неподвижного соединения со стальной ступицей справочники дают разные диапазоны: 80–150 МПа для переходных посадок и 110–200 МПа для посадок с натягом (учебник по деталям машин); в других справочниках границы немного сдвинуты, поэтому в расчёте лучше брать нижнюю часть диапазона. Для чугунных ступиц и ударной нагрузки берут нижнюю часть диапазона, для подвижных вдоль оси соединений 20–30 МПа.

Это уже граница применения шпонки: при ступице длиннее 1,5 диаметра нагрузка по длине шпонки распределяется неравномерно, и справочники советуют перейти на шлицы или посадку с натягом.

Шлицевые соединения: какие бывают

Шлицы это зубья на валу и впадины во втулке. Момент идёт по всем зубьям, вал ослаблен слабее, чем пазом, а центрирование точнее. Цена за это более сложная технология. Профили бывают трёх видов.

• Прямобочные по ГОСТ 1139-80. Самый распространённый вид, с тремя сериями: лёгкой, средней и тяжёлой. При одном внутреннем диаметре тяжёлая серия отличается большим числом зубьев и высотой.
• Эвольвентные по ГОСТ 6033-80 с углом профиля 30°. Зуб утолщён к основанию, поэтому прочнее и точнее центрирует. Для них применимы приёмы зубонарезания, как для шестерён: см. статью про шестерни.
• Треугольные (мелкие шлицы на малых диаметрах и тонкостенных деталях). Среди межгосударственных стандартов ГОСТ 1139 и 6033 их не охватывают, на зарубежных чертежах встречается DIN 5481.

В таблице три серии ГОСТ 1139-80 при одинаковых внутренних диаметрах:

Высота зуба примерно равна половине разности D − d: при d = 36 мм у лёгкой серии 2 мм, у средней 3 мм, у тяжёлой 4,5 мм, а зубьев не 8, а 10. Поэтому при одном диаметре вала тяжёлая серия передаёт заметно больший момент.

Центрирование по D, d или b

По трём поверхностям сразу центрировать нельзя, пришлось бы задавать жёсткий допуск на все элементы. Поэтому выделяют одну центрирующую поверхность, остальные делают с зазором.

Обозначение на чертеже содержит букву поверхности центрирования, число зубьев и размеры. Пример для центрирования по d: d-6×28 H7/f7×34 H12/a11×7 D9/f8. По D: D-6×28×34 H8/h7×7 F10/h9. Шероховатость центрирующих поверхностей не грубее Ra 1,25 мкм, нецентрирующих боковых 2,5 мкм у подвижных и 4,0 мкм у неподвижных соединений. Допуск параллельности зубьев относительно оси при точности размера b по IT6–IT8 составляет 0,03 мм на длине 100 мм, при IT9–IT10 0,05 мм. Радиальное биение центрирующей поверхности относительно общей оси шеек под подшипники по 7-й степени точности ГОСТ 24643 при 6–8-м квалитете, по 8-й при 9–10-м квалитете.

Как нарезают шлицы

Вал и втулку делают разными способами, потому что фрезой внутри отверстия работать нельзя.

• Шлицевой вал. Зубья прямобочного шлицевого вала фрезеруют червячной шлицевой фрезой методом обкатки или фасонной дисковой фрезой, которая режет по одной впадине с делительной головкой. Для закалённых валов после фрезерования шлифуют боковые стороны и центрирующий диаметр. Серийные шлицевые валы иногда накатывают: зубья выдавливают роликами без снятия стружки.
• Втулка. Шлицевое отверстие протягивают шлицевой протяжкой за один проход. В единичном производстве его долбят. Если ступица закалена и центрирование идёт по d, отверстие шлифуют.

Что указать на чертеже шлицевого вала

Условное обозначение по ГОСТ 1139 или 6033, длину шлицев с учётом выхода фрезы, биение центрирующей поверхности относительно общей оси шеек, параллельность зубьев, шероховатость, сталь, термообработку и твёрдость. Общие правила оформления собраны в статье про чертёж детали, а шейки под подшипники на том же валу разобраны в материале про посадку подшипника на вал.