Урок 5.5РезатьГлава 5 · Механическая обработка

Нарезание зубчатых колёс (зубофрезерование, зубодолбление)

Червячные фрезы или долбяки формируют зубья

Нарезание зубчатых колёс даёт круглой заготовке зубья. В двух основных методах инструмент и заготовка вращаются вместе, как будто это уже зацепляющиеся шестерни, поэтому каждый зуб получает один и тот же точный криволинейный профиль. Шестерни в коробке передач автомобиля, беспроводной дрели или ветрогенераторе делают именно так.

Фото: Kolossos, CC BY-SA 3.0, через Wikimedia Commons

Нарезание зубчатых колёс · зубофрезерование и зубодолбление, виды сбоку, 5 шаговЦифры в кружках соответствуют шагам ниже: шаги 1–3 — зубофрезерование (слева), шаги 4–5 — зубодолбление (справа).

Как это работает

Закрепить заготовку. Заготовку шестерни (диск, уже обточенный по размеру, с центральным отверстием) зажимают на вращающемся шпинделе станка.
Зубофрезерование: вращать фрезу и заготовку синхронно. Червячная фреза (инструмент в форме червячного винта со многими режущими зубьями) вращается, а заготовка поворачивается с фиксированным передаточным отношением, как червяк, приводящий своё колесо.
Подача вдоль торца. Фреза медленно движется вдоль оси заготовки. Каждая впадина прорезается понемногу за каждый оборот, поэтому все зубья растут вместе.
Зубодолбление: ход вверх-вниз. Для шестерён, до которых зубофрезерование не дотягивается, долбяк в форме шестерни движется вверх и вниз, как строгальный резец, режа при каждом ходе вниз.
Медленно перекатывать в зацеплении. Между ходами инструмент и заготовка понемногу поворачиваются, как при зацеплении, пока не сформируются все зубья. Зубодолбление может нарезать внутренние зубчатые колёса и зубья вплотную к буртику (ступеньке на детали).

После нарезания шестерни для автомобилей и машин обычно подвергают термообработке (закалке), а точные потом шлифуют или хонингуют.

Ключевые факты

Материалы: Стали (большинство шестерён), чугун, бронза, латунь, алюминий, пластики
Типичные детали: Прямозубые и косозубые шестерни (с прямыми или наклонными зубьями), звёздочки, шлицевые валы, червячные колёса
Размер детали: От шестерён часов в несколько миллиметров до шестерён ветрогенераторов и горного оборудования в несколько метров в поперечнике
Точность: Обычно AGMA 8–10 или ISO 7–9 степень после зубофрезерования, погрешности зубьев примерно 0,01–0,03 мм; шлифование достигает примерно ISO 4–5
Качество поверхности: Обычно Ra 1,6–3,2 мкм (Ra — средняя шероховатость; 1 мкм — одна тысячная миллиметра) на боковых поверхностях зубьев
Подходящая партия: От единичных шестерён до миллионов; одна фреза режет любое число зубьев при том же размере зуба
Стоимость оснастки и оборудования: Червячные фрезы и долбяки стоят от сотен до тысяч долларов; станки с ЧПУ для зубообработки — сотни тысяч
Скорость: От секунд до около минуты на небольшую автомобильную шестерню; много часов на шестерню в метры в поперечнике

Сильные стороны и ограничения

Сильные стороны

Точные, одинаковые формы зубьев на каждом зубе
Одна фреза подходит для многих размеров шестерён с тем же размером зуба
Зубофрезерование быстрое и непрерывное, идеально для больших объёмов
Зубодолбление добирается до внутренних и блочных шестерён

Ограничения

Специализированные дорогие станки
Зубофрезерование не может нарезать внутренние шестерни или зубья вплотную к буртику
Зубодолбление медленнее, потому что половина каждого хода не режет
Закалённые шестерни для наивысшей точности всё равно требуют шлифования

Где применяется

АвтомобилестроениеШестерни коробок передач, дифференциалов, стартеров и насосов
ЭнергетикаРедукторы ветрогенераторов, крупные промышленные приводы
МашиностроениеРедукторы, конвейеры, приводы станков
Потребительские товарыЭлектроинструмент, кухонные миксеры, звёздочки велосипедов и мотоциклов
АвиацияТрансмиссии вертолётов, коробки приводов агрегатов двигателей

Как узнать процесс

Одинаковые зубья с изогнутыми (эвольвентными) боковыми поверхностями — профилем, позволяющим шестерням плавно катиться друг по другу.
Тонкие следы поперёк каждой поверхности зуба, по направлению движения фрезы.
Внутреннее зубчатое колесо или шестерня вплотную к буртику указывают на зубодолбление, а не зубофрезерование.

Сравните с

Протягивание5.4копирует целую внутреннюю шестерню или шлиц за один ход, но для каждого размера нужен дорогой инструмент.Фрезерование5.2модульная фреза может нарезать зубья по одной впадине; медленнее и менее точно, используется для единичных ремонтов.Шлифование5.7доводит закалённые зубья шестерён до более высокой точности после зубофрезерования.

Смотрите

ProdMach · Сравнение зубофрезерования и зубодолбления для начинающих

Evolvent Design · Крупные планы зубофрезерования цилиндрической шестерни в мастерской

Gleason Corporation · Серийное зубофрезерование на современном станке, со снятием фасок

Liebherr · Очень большой зубофрезерный станок в работе

Смотреть реальные фото

Википедия: нарезание зубчатых колёс — обзор методов зубофрезерования, зубодолбления, протягивания, фрезерования и отделки
Википедия: зубофрезерование — фотография червячной фрезы и зубофрезерного станка
Поиск фотографий в Wikimedia Commons

Запомните

Зубья образуются обкаткой: инструмент катится с заготовкой, как зацепляющаяся шестерня.
Зубофрезерование непрерывное и быстрое; зубодолбление ходит вверх-вниз и добирается до внутренних шестерён.
Самые точные шестерни режут мягкими, затем закаливают и шлифуют.