Обработка металла на токарном станке очень распространенная услуга. А шестерня на токарном станке – непременное условие его работы, ведь назначением данной детали является изменение скорости, усилия, крутящего момента или направления движения. Они необходимы для работы коробки скоростей и коробки подач, которые управляют режимами резания.

Являясь главными составляющими зубчатых передач, такие изделия активно используются и в другой технике, где требуется постоянная передача мощности – автомобилях, тракторах, кривошипных прессах и т.д.

В чём разница между шестерней и колесом

Любая зубчатая передача предполагает жёсткое зацепление между шестерней и колесом с использованием зубьев, которые располагаются по периферии каждой детали. Однако, если эти детали будут совершенно одинаковыми, то никакого изменения в движении подвижных частей механизма не произойдёт. Поэтому:

  • Диаметр зубчатого колеса всегда больше, чем диаметр шестерни;
  • Окружная скорость зубчатого колеса значительно меньше, чем у шестерни;
  • Крутящий момент на колесе всегда больше, чем этот же показатель для шестерни.

Чем отличается шестерня от зубчатого колеса? Во-первых, своими размерами, а, во-вторых, материалом. При этом толщина деталей в большинстве случаев одинакова. Остальные различия несущественны. Конструктивно и те, и другие представляют собой тело вращения, и состоят из ступицы с центральным отверстием (которое предназначено для подвижного или глухого крепления на валу) и зубчатого венца. В ступице зубчатых колёс часто выполняют сквозные отверстия, которые снижают момент инерции и потери при вращении. Шестерни, наоборот, выполняют без отверстий, поскольку возникающие при работе динамические усилия (осевые и радиальные) способствуют появлению в поперечном сечении напряжений, которые могут снизить долговечность детали.

Конструктивной разновидностью деталей с зубьями считаются звёздочки. Возникающие усилия и крутящие моменты здесь меньше, поэтому звёздочки всегда плоские. Звёздочки используются в цепных передачах.

Виды шестерен

Виды зубчатых шестерён

В зависимости от направления и интенсивности передачи мощности виды зубчатых шестерён различают по:

  1. Конфигурации зуба: прямо- и косозубые. Прямые зубья проще в изготовлении, однако плохо справляются с внецентренными силовыми факторами, которые возникают в результате относительного скольжения зубьев передачи.
  2. Форме основания зуба, которая может быть прямой или скошенной (на угол от 15 до 450). Такое соединение называется коническим. Оно изменяет направление передачи мощности на угол до 900 включительно. Относительное расположение углов конических передач может размещаться в горизонтальной и вертикальной плоскости.
  3.  При значительном скольжении используют червячные шестерни, ось вращения, которых перпендикулярна движению зубчатого колеса. При существенных потерях мощности червячные передачи характеризуются высоким передаточным числом и способны повысить компактность механизма, в котором они используются.
  4. Зубчатая дорожка может располагаться не только по окружности, но и по прямой. Это характерно для реечных зубчатых передач, используемых в системах рулевого управления автомобилей, весах, на железных дорогах. В реечной передаче медленно вращающееся зубчатое колесо входит в зацепление с плоским ребристым стержнем (рейкой).
  5. Способности преобразовывать поступательное движение во вращательное (планетарные механизмы). Деталь меньшего диаметра при этом не вращается, а перемещается вокруг колеса.

Следует отметить, что все разновидности зубчатых передач либо увеличивают скорость с потерей мощности, либо увеличивают скорость с потерей усилия/момента. КПД находится в пределах от 0,75…0,80 (для червячных передач) до 0,95…0,98 — для прямозубых передач.

Из чего изготавливают шестерни

Для выбора материала производят предварительный расчёт зубчатой шестерни и/или колеса. Виды расчётов зависят от следующих факторов:

  1. Условий, в которых работает зубчатая передача. Различают открытые передачи, вращение которых происходит на открытом воздухе, и закрытые передачи, чьи элементы движутся в масляной ванне.
  2. Усилий и крутящих моментов: значения определяют материал, из которого должна быть изготовлена деталь.
  3. Направления передачи мощности. Часто встречаются, например, реверсивные передачи, где периодически направление вращения изменяется на противоположное. Соответственно усталостные нагрузки в зубчатых соединениях реверсивного типа существенно повышаются.
  4. Точности элементов передачи. Соответствующие нормативные данные содержатся в ГОСТ 16531-83. Отметим только, что детали, зубья которых имеют пониженную точность, нельзя использовать при значительных скоростях вращения, поскольку износ деталей будет весьма высоким.

Шестерни изготавливают из сталей, используя в основном конструкционные хромистые или хромоникелевые стали по ГОСТ 4543-81.Такие стали отличаются высокими значениями допускаемых напряжений на сдвиг и изгиб. Высокая поверхностная твёрдость обеспечивается использованием различных технологий термообработки, среди которых поверхностная закалка токами высокой частоты, нормализация, улучшение. Поверхностная твёрдость зуба при этом не уступает твёрдости сердцевины.

Из каких сталей изготавливают шестерни особо ответственного назначения? Применяют легированные конструкционные стали с повышенным содержанием молибдена, циркония, титана и марганца.

Фактические напряжения в зубчатых колёсах меньше. Поэтому в обоснованных случаях их производят из высокоуглеродистого стального литья (ГОСТ 977-75) и даже из чугуна.

С целью облегчения регламентного обслуживания зубчатых колёс, а также при повышенном скольжении в зацеплении иногда используют модульный вариант, когда зубчатый венец изготовлен из бронзы – сплава, хорошо работающего в условиях повышенного трения. Готовый венец напрессовывается на стальную ступицу, потери на трение при этом снижаются.

Из какого материала изготавливают шестерню для механизмов, применяемых в приборостроении? Силовые факторы тут существенно ниже, а на первый план выступают вес и компактность. Такие изделия именуют трибами и производят из фторсодержащих полимеров или текстолита.

Шестерни изготовление

Как производят шестерни

Процесс изготовления шестерни на металлорежущих станках традиционен: вначале заготовку отрезают и предварительно обтачивают на токарном станке, а затем передают на зуборезный агрегат. Готовое изделие подвергают термообработке и шлифуют до размеров и точности, которые указаны на чертеже. Колёса получают из литых заготовок.

Изготовление зубчатых колёс, шестерён обработкой резанием малопроизводительно и сопровождается значительными потерями металла в стружку. Поэтому возрастающее применение находят такие альтернативные варианты:

  1. Поперечно- или продольно винтовая прокатка: используется для производства червячных передач.
  2. Горячая объёмная штамповка, когда все предварительные размеры получают деформированием на прессах, молотах или горячештамповочных автоматах, и только окончательное оформление и шлифовку зубьев – на станках.
  3. Вырубка из толстолистового проката с последующей формовкой элементов ступицы. Технология используется преимущественно для получения звёздочек, однако всё активнее внедряется и при изготовлении зубчатых колёс, венцов.
  4. Электроэрозионная обработка непрофилированным электродом – проволочкой. Применяется в мелкосерийном производстве, однако отличается высоким процентом использования отходов, а также возможностью одновременно провести и поверхностное упрочнение детали.
  5. Горячая экструзия (выдавливание), при котором исходная стальная заготовка выдавливается через фильеру, а форма полости, куда попадает полуфабрикат, полностью соответствует профилю зубьев.

Трибы получают методом многорядной вырубки из листа или полосы.

Где взять или изготовить шестерню

Где изготовить шестерню? Передаточные механизмы любого оборудования отличаются большой номенклатурой размеров, поэтому купить подходящую деталь или колесо практически невозможно (если не снять подходящую деталь со станка той же модели, который подлежит утилизации). В домашних условиях изготовить изделие также невозможно.

Изготовление металлических деталей на заказ — наиболее подходящий вариант. Обратитесь на специализированное предприятие, в составе которого имеются пресс-ножницы и металлорежущее оборудование (зубообрабатывающие станки). По исходным данным клиента там подберут сталь или сплав нужной марки. Изготовление шестерни на токарном станке ведётся в строгом соответствии с указанными техническими требованиями.