Технологии изготовления зубчатых колес

Московский государственный технический университет 

имени Н.Э. Баумана

П.В. Круглов, И.А. Болотина

Технологии изготовления 
зубчатых колес

Учебное пособие

УДК 621.01:833:9 
ББК 34.445-630.01
К84

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru  
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/258/book1617.html

Факультет «Специальное машиностроение» 
Кафедра «Технологии ракетно-космического машиностроения»

Рекомендовано Редакционно-издательским советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия

Рецензент
канд. техн. наук, доцент В.В. Иваненков

Круглов, П. В.
Технологии изготовления зубчатых колес : учебное пособие / 

П. В. Круглов, И. А. Болотина. — Москва : Издательство МГТУ 
им. Н. Э. Баумана, 2017. — 22, [2] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-4636-0

Рассмотрены основные методы изготовления зубчатых колес. Даны 
сведения о конструкциях зубчатых колес и требованиях к ним и методах 
изготовления цилиндрических, конических, червячных колес и червяков. 
Кратко описаны основные виды оборудования для обработки зубчатых колес 
и технологии их контроля.
Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, обучающихся по специальностям 
и направлениям подготовки «Проектирование, производство и эксплу-
атация ракет и ракетно-космических комплексов», «Ракетные комплексы и 
космонавтика», «Мехатроника и робототехника» по дисциплинам «Техно-
логическое оснащение производства», «Технология производства робото-
технических систем специального назначения», «Технология производства 
мехатронных систем», «Технология производства подводных робототехни-
ческих систем». Также может быть полезно студентам машиностроитель-
ных специальностей.

УДК 621.01:833:9 
ББК 34.445-630.01

 
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017
 Оформление. Издательство 
ISBN 978-5-7038-4636-0 
 
 
   МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017

К 84

Зубчатые передачи выполняют важную роль в конструкци-
ях современных технологических, робототехнических систем, их 
приборов и исполнительных элементов. Они используются в си-
ловых системах, передавая значительные вращающие моменты и 
скорости, в контрольных и регулирующих системах, передавая ин-
формацию о положении или скорости на датчики системы управ-
ления. 
Надежность эксплуатации зубчатой передачи существенно за-
висит от точности изготовления и сборки зубчатых колес. В по-
собии кратко рассмотрены основные технологические методы 
изготовления зубчатых колес и этапы технологического процес-
са: выбор заготовки, обработка базовых поверхностей, получение 
профиля зубьев, отделочная обработка, а также методики расчета 
основного времени операции для различных методов изготовле-
ния зубчатых колес. 
Целью учебного пособия является ознакомление студентов с 
основными технологическими методами изготовления зубчатых 
колес, включая обоснование выбора метода получения заготовки, 
расчеты основного времени операции, характеристики применяе-
мого инструмента и оборудования.

Предисловие

Зубчатая передача, как правило, состоит из пары зубчатых колес, 
одно из которых (большего диаметра) называют колесом, а другое 
(меньшего диаметра) — шестерней. Детали зубчатых зацеплений (зуб-
чатые колеса) разнообразны по форме и материалу, из которого они из-
готовлены, различаются по виду зацепления, габаритам колес и разме-
рам зубчатых венцов (рис. 1). Детали зацеплений могут иметь полный 
венец по периметру колеса (диски, колеса) или только часть зубчатого 
венца (секторы). В приборных устройствах зубчатые колеса часто вы-
полняют в виде колес-втулок, колес-валиков, трибов, блочных колес. 

Рис. 1. Детали зубчатых зацеплений: 
а — диски; б — секторы; в — колеса-втулки; г — трибы; д — блочные колеса

1. Основные сведения о зубчатых колесах

По виду зацепления зубчатые передачи подразделяют на ци-
линдрические с прямыми, косыми, шевронными зубьями, кониче-
ские с прямыми, косыми, криволинейными зубьями и червячные. 
В зависимости от вида зацепления деталями зубчатых зацеплений 
могут быть цилиндрические колеса, шестерни и рейки (прямозу-
бые, косозубые, шевронные, криволинейные), червячные колеса 
и червяки, конические (прямые, криволинейные) и комбиниро-
ванные колеса.
Основными элементами колеса являются венец, на котором 
сформированы зубья, диск, соединяющий периферийную и цен-
тральную часть колеса, и ступица, которая фиксирует колесо на 
валу. Зубчатый венец имеет ряд характерных размеров, значе-
ния которых определяются заданными конструктором характе-
ристиками зубчатого зацепления. Наружный диаметр колеса De 
описывается окружностью выступов, внутренний диаметр венца  
Di — окружностью впадин, а на определенном расстоянии между 
ними находится делительная или основная окружность. Помимо 
вышеуказанных характеристик, профиль зубьев характеризуется 
основным шагом зуба t0, толщиной зуба по делительной окруж-
ности S0, радиусом галтели r. Еще одной важной геометрической 
характеристикой колеса является модуль колеса. Модулем назы-
вают длину, приходящуюся по диаметру делительной окружности 
на один зуб:

m
d
z
=
,  

где d — диаметр делительной окружности; z — число зубьев колеса;
или

m
t
= π,

где t — шаг профиля.
Модули зубчатых колес рассчитывают по известным методикам. 
Для приборостроения в целом, в отличие от машиностроения, ха-
рактерны меньшие значения габаритных размеров, и для модулей 
зубчатых зацеплений существуют два ряда (ряд 1 и ряд 2) предпоч-
тительных значений модулей в диапазоне от 0,05 до 100 мм. Значе-
ния ряда 1, мм: 0,05; 0,06; 0,08; 0,1; 0,12; 0,15; 0,2; 0,25; 0,3; 0,4; 0,5; 
0,6; 0,8; 1; 1,25; 1,5; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 12; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 60; 
80; 100. Значения ряда 2 можно узнать в специальной литературе.

5

Основные требования, предъявляемые к зубчатым колесам, — 
точность геометрических параметров, высокая прочность и изно-
состойкость зубьев. 
К геометрическим параметрам зубьев предъявляют высокие 
требования по точности: точность профиля зуба, точность основно-
го шага, точность расположения зубчатого венца относительно оси 
вращения колеса, отклонение толщины и направления зуба. На точ-
ность зацепления влияют радиус основной окружности r0, толщина 
зуба по делительной окружности S0, основной шаг t0, профиль зуба, 
расположение зубчатого венца относительно оси вращения колеса 
(рис. 2). Не оказывают влияния на точность зацепления радиусы 
окружностей выступов Re и впадин Ri, а также радиус галтели r.

Рис. 2. Геометрические параметры зубьев

Для обеспечения длительной, надежной эксплуатации кон-
струкции, имеющей в своем составе зубчатые зацепления, к ним 
предъявляют определенные требования. Эксплуатационными по-
казателями качества зубчатых зацеплений являются:

1) кинематическая точность — постоянство передаточного от-
ношения. Кинематическая точность зубчатого зацепления зависит 
от кинематической точности колес передачи, радиального биения 
колес и перекоса;

2) мертвый ход — боковой зазор между зубьями в зацеплении: 

на величину мертвого хода влияют погрешности межцентрового 
расстояния, радиальное биение колес, их перекос на валах;

3) плавность работы, которая зависит от циклической погрешности 
колес, бокового зазора, конструкции и качества опор;

4) контакт рабочих поверхностей зубьев: на площадь контакта 

зубьев влияют погрешности направления зубьев, основного шага, 
перекос оси зубчатого венца относительно оси вращения.
Зубчатые колеса приборных устройств изготавливают как из 
металлов, так и из неметаллов. Основными материалами для изго-

товления металлических колес являются углеродистые стали марок 
35, 45, 50, легированные стали 12ХН3А, 38ХМВА, 30ХГСА, чугуны. 
В некоторых зацеплениях для обеспечения бесшумности, плавности 
работы, низких уровней вибрации используют колеса из разных 
материалов: одно — из текстолита, а другое — из стали или чугуна. 
Широкое распространение в несиловых передачах получили колеса 
из пластмассы, нейлона, текстолита, капролона, обладающие способностью 
обеспечивать до 50 м/с окружной скорости. Материалом 
для червяков в червячных передачах служит сталь (45, 30ХГСА), колес — 
бронза БрОФ10-1, БрАМц9-2 или латунь ЛС59.
Типовой технологический процесс изготовления зубчатого ко-
леса содержит следующие основные технологические операции:

1) получение заготовки;
2) термическая обработка заготовки (нормализация или отжиг);
3) механическая обработка торцовых, цилиндрических поверх-
ностей и отверстий;

4) обработка зубьев;
5) термическая обработка (как правило);
6) отделочная обработка зубьев;
7) контроль.
Для разных деталей и условий производства характерны раз-
личные методы получения заготовок (табл. 1). 

Таблица 1

Методы получения заготовок зубчатых колес

Метод получения заготовки
Типы колес
Тип производства

Листовая штамповка  
с последующей зачисткой
Колеса-диски, 
секторы
Серийное, 
крупносерийное

Листовая штамповка  
с последующей механической 
обработкой

Колеса-диски, 
секторы
Мелкосерийное, 
серийное

Горячая штамповка  
с последующей механической 
обработкой

Колеса-втулки, 
колеса-валики
Все типы
Ударное выдавливание  
с последующей механической 
обработкой

Холодная высадка  
с последующей механической 
обработкой

Метод получения заготовки
Типы колес
Тип производства

Механическая обработка 
из прутка на токарных, 
револьверных станках, 
полуавтоматах и автоматах

Колеса-валики, 
втулки, трибы
Все типы

Литье под давлением
Колеса сложной 
конфигурации, 
колеса-втулки

Серийное, 
крупносерийное

Литье по выплавляемым 
моделям с последующей 
механической обработкой

Колеса сложной 
конфигурации, 
колеса-втулки

Мелкосерийное, 
серийное

После получения заготовки проводят термическую обработку, 
задача которой — снижение уровня остаточных напряжений перед 
механической обработкой. 
Следующей технологической операцией является обработка 
торцовых, цилиндрических поверхностей и отверстий. Механиче-
скую обработку заготовок выполняют в такой последовательности:

1) черновая обработка внутреннего отверстия, которое будет 

являться базой для следующей операции и нарезания зубьев;

2) чистовая обработка внутреннего отверстия, обработка тор-
цовых, внутренних и наружных цилиндрических поверхностей.
Наиболее важным этапом обработки зубчатых колес явля-
ется обработка зубьев. Методы изготовления профиля зубьев 
колес подразделяют на две группы: методы копирования (при 
этом копируется профиль инструмента) и методы обкатки, в ко-
торых взаимно обкатываются заготовка и инструмент, модели-
руя зацепление.
Типовыми методами копирования являются:
а) фрезерование пальцевой фрезой;
б) фрезерование дисковой фрезой;
в) протяжка дисковой протяжкой;
г) зубодолбление многорезцовыми головками.
Типовые методы обкатки: 
а) фрезерование червячными фрезами;
б) зубодолбление круглым долбяком или рейкой;
в) зуботочение (строгание) обкатными резцами;
г) накатывание зубьев в холодном или горячем состоянии. 
В следующих разделах рассмотрим эти методы подробнее.

Продолжение табл. 1

При использовании методов копирования профиль впадины 
зубьев копируется от профиля инструмента. В методе с использо-
ванием пальцевой фрезы инструмент имеет профиль нарезаемого 
зуба. В процессе обработки ось вращения инструмента направ-
лена по нормали к наружной поверхности венца, для цилиндри-
ческих колес — к цилиндрической поверхности, для конических 
колес — к конической. При движении инструмента образуется 
канавка, соответствующая профилю зуба. Профиль при этом 
формируется за один проход. Данный метод используется в еди-
ничном производстве, в основном для крупных модулей, шев-
ронных и криволинейных колес.
В методе с использованием дисковой фрезы применяют инстру-
мент в виде диска с набором расположенных по периферии зубьев, 
каждый из которых имеет профиль впадины нарезаемого зуба 
(рис. 3). Ось вращения инструмента 1 располагается перпендику-
лярно оси фрезеруемого профиля зубьев колеса 2. Профиль зуба 
по ширине колеса формируется при поперечной подаче фрезы от-
носительно торцовой поверхности колеса. 
Для данного метода удобно использовать приспособления для 
нарезания колес дисковой фрезой с делительной головкой, кото-
рая может иметь горизонтальное или вертикальное расположение 
оси. На диске такого приспособления устанавливают число зу-
бьев, на которое нужно разбить замкнутую окружность наружной 

9

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные детали зубчатых зацеплений, приме-
няющиеся в технологических (робототехнических) системах.
2. Назовите геометрические параметры зубьев, к которым 
предъявляются высокие требования по точности.
3. Какими эксплуатационными показателями качества харак-
теризуются зубчатые зацепления?
4. Какие материалы наиболее часто используют в зубчатых пе-
редачах?
5. Опишите типовой технологический процесс изготовления 
зубчатого колеса.

2. Изготовление цилиндрических колес

Методы копирования

поверхности колеса. Для нарезания следующего зуба необходимо 
прокрутить закрепленное в приспособлении колесо на определен-
ный угол с помощью делительного механизма. Он обеспечивает 
такой угол поворота, который при полном обороте колеса позво-
ляет получить необходимое число зубьев.
При использовании данного метода на практике существуют неко-
торые особенности. Для каждого колеса (при одном модуле) при раз-
ном числе зубьев теоретически необходимо иметь свою фрезу, так как 
с изменением числа зубьев меняется и профиль зуба. Изготавливать 
инструмент для каждого колеса с определенным модулем дорого. По-
этому в производстве для каждого модуля созданы наборы фрез (по 3, 8, 
15 и 26 в наборе), в которых каждая из фрез используется для своего диа- 
пазона чисел зубьев нарезаемого колеса. Профиль зуба будет соответ-
ствовать фрезе с меньшим числом зубьев из выбранного диапазона. 
В табл. 2 приведены характеристики фрез, поставляемых в ком-
плектах по 8 и 15 шт. Например, в колесе 24 зуба. Если закуплен 
набор из 8 фрез, то из табл. 2 следует выбрать фрезу № 4, профиль 
при этом будет как у 21-зубого колеса. Если закуплен набор из  
15 фрез, то нужно выбрать фрезу № 4½, профиль будет соответ-
ствовать 23-зубому колесу.
Расчет основного времени для фрезерования дисковой фрезой 
осуществляют по формуле

T
za
n
L
s
L
s
Т
0 =
+
+








м.р
м.х
д ,

где Т0 — основное (машинное) время, мин; z — число зубьев на-
резаемого колеса; a — число проходов; n — число одновременно 
обрабатываемых заготовок (для многошпиндельных станков);  

Рис. 3. Нарезание зубьев дисковой фрезой:

1 — дисковая фреза; 2 — колесо