Из какого металла сделать шпонку

Обновлено: 28.09.2024

Одним из самых распространенных разъемных соединений, которое используется в станках и механизмах для передачи вращательного движения, является шпоночное соединение. С помощью него можно передать вращательный момент от вала на ступицу, шкив или зубчатое колесо. Для того, чтобы процесс передачи движения происходил без потерь, необходима деталь, которая будет удерживать вал и тело вращения в фиксированном положении друг к другу.

Шпонкой называется элемент машин и механизмов, представляющий собой продолговатый предмет, который вставляется в пазы двух деталей для передачи вращательного движения от одного к другому. Материалом для изготовления служат различные стали и сплавы. По своей форме они подразделяются на:

призматические;
клиновые;
цилиндрические;
тангенциальные.

Наибольшее распространение получила шпонка призматическая, которая имеет прямоугольное сечение. В пазы соединения она входит с небольшим зазором, что обеспечивает ее стабильное положение и равномерное распределение нагрузки. Существует три типа исполнения призматических шпонок: с плоским или закругленным торцом и комбинированные. На рисунке 1 показан чертеж всех типов.

Требования к работе

Преимуществом использования такого типа соединения является простота конструкции, а также простой монтаж и демонтаж. Однако стоит учитывать, что на шпинделе будет участок с постоянной увеличенной нагрузкой. Поэтому при проектировании валов и шпинделей стоит учитывать этот момент и правильно спроектировать участок под шпоночное соединение.

Нельзя допускать перекоса шпонки, когда она устанавливается в паз. Нагрузка на вал или ступицу в таком случае будет распределятся неравномерно и может привести к поломке. Чтобы этого избежать, рекомендуют делать минимальный зазор между деталями. Также не рекомендуется использование такого типа соединений в станках с высокой скоростью вращения валов и шпинделей.

Дело в том, что при высоких скоростях неправильное расположение приводит к многократно возрастающим биениям, что недопустимо на производстве.

Разновидности

Главным критерием выбора призматической шпонки является то, для какого виды соединений она предназначена.

В том случае, если соединение неподвижное, используют закладные призматические шпонки. В подвижных соединениях применяют направляющие или скользящие призматические шпонки. Использование направляющих актуально, когда движение ступицы происходит по продольной оси с валом, при этом она проскальзывает по самому пазу. Скользящий тип подразумевает жесткое закрепление в паз и движение вдоль него.

На производстве изготовление шпонок всех типов должно быть выполнено по соответствующим ГОСТам. Данные документы содержат рекомендуемые размеры для изделий в соответствие со стандартными размерами валов.

В случаях, когда вал или шпиндель имеет нестандартный диаметр, следует проводить подробный расчет допусков и посадок для паза.

Основные параметры

Изготовление призматических шпонок своими руками – это сложный и малоэффективный процесс. Чтобы получить деталь с точными геометрическими параметрами сегодня у человека есть специальные станки.

Процесс изготовления начинается с выбора заготовки. Основным материалом для будущего изделия служат стали и сплавы, например, углеродистая Сталь 45. Она обладает высокими показателями прочности и выносливости, выдерживает колебания температур, а также устойчива к различным физико-химическим воздействиям. В зависимости от условий, где будет использоваться механизм или оборудование, в котором будет применена шпонка, можно выбрать и другой материал, соответствующий определенным требованиям к эксплуатации.

Дальнейший этап изготовления – это холодное или горячее волочение заготовки, с последующей калибровкой. Значение калибровки в этом процессе заключается в приближении требуемых значений размеров и характеристик детали по ГОСТу. После этого заготовка отрезается с помощью сверлильных, фрезерных или отрезных станков. Дальнейшая обработка происходит на фрезерном оборудовании, на котором получается достигнуть требуемые размеры призматических шпонок.

Геометрические параметры шпонок меняются в зависимости друг от друга. Так, шпонка призматическая din 6885, при значениях высоты и ширины в 4 мм может иметь длину в диапазоне 8–28 мм. Дальнейшее увеличение длины при заявленной ширине и высоте недопустимо, так как резко ухудшается надежность и долговечность изделия. В таблице ниже представлены размеры din 6885 выполненной из стали.

Стоит отметить, что она также может быть изготовлена из нержавеющей стали. Это позволит в некоторых случаях использовать заготовку меньшей толщины при требуемой длине.

Размеры шпонок должны соответствовать государственным стандартам независимо от типа их исполнения.

Государственные стандарты

Размеры закладных шпонок определены в ГОСТ 23360-78 и отображены в таблице ниже.

Предельные отклонения значения ширины определяют по h9, высоты – h11; h9, длины – h14. Если требуемая длина превышает максимально указанное значение в 500 мм, то в соответствие с ГОСТ 6636-69 выбирают наиболее близкое значение из ряда чисел Ra20.

Шпонка и шпоночное соединение

Шпоночное соединение – разновидность соединения, состоящего из шпонки на валу и ступицы. Шпонкой называется деталь, которая соединяет узлы путем установки в пазы. Основной ее функцией является передача вращающего момента между узлами. Существует определенная стандартизация их разновидностей. Шпонка имеет специальные пазы, вырезанные путем фрезерования.

Применение

Основным применением шпоночных соединений является монтаж на вал с помощью пазового соединения. В большинстве своем шпоночный паз напоминает клин. Такой тип соединения деталей позволяет валу и ступице не проворачиваться относительно оси друг друга. Фиксированное положение ступицы к валу со шпонкой позволяет добиться высокого КПД при передаче усилия.

Наиболее часто шпоночное соединение можно встретить в машиностроении, при строительстве станков. Часто она используется при производстве автомобилей и других механизмов, где требуется повышенная надежность фиксации деталей машин. Высокая надежность достигается благодаря функции предохранительного узла вала со шпоночным пазом.

Шпонка выступает предохранителем в случаях превышения максимального уровня крутящего момента. В подобных случаях происходит срез шпонки, поглощая чрезмерную нагрузку она снимает ее из вала и ступицы.

Благодаря своим свойствам она стала широко распространенной в машиностроении, она отличается высокой эффективностью, простотой изготовления и монтажа, а также низкой стоимостью. Подобные характеристики особо важны в промышленном производстве, особенно в сельском хозяйстве. В разгар сезона часто возникают случаи поломок отдельных узлов, которые нужно заменить максимально быстро. Чаще всего можно встретить в узлах пресс-подборщиков.

Учитывая все вышесказанное, выделяются основные позиции, для чего нужна шпонка:

Обеспечение безопасность соединяемых узлов при повышенных нагрузках.
Достижение высокой степени фиксации отдельных элементов механического узла.
Выполняет функцию предупреждения проворачивания узла и ступицы.
Надежность подобного соединения превышает надежность аналогов при фиксации вала с деталями.

В общем, встретить шпоночное соединение можно практически в любом сложном механизме, что обусловлено его техническими характеристиками.

Виды шпонок

Основные виды шпонок делят на два типа: напряженные и ненапряженные. Среди которых выделяются такие типы шпонок:

Клиновые. Особый тип, который отличаются углом наклона верхней грани. В общем разделение на виды происходит исходя из классификации шпоночных соединений. Устанавливается в паз с помощью физической силы, ударным методом. Применение такого типа соединения позволяет добиться необходимого напряжения. Нарезанный клин, находясь в пазе, распирает его изнутри. За счет силы прижатия, вал и ступица совместно вращаются.Используется довольно редко, так как ее использование предусматривает индивидуальный подгон. Это можно считать недостатком для массового производства механизмов. Основное назначение — применение в тихоходных передачах и узлах неподвижного соединения.Среди клиновых шпонок выделяют:
- врезные;
- на лыске;
- фрикционные;
- без головки и с головкой.
Сегментные. Производятся в виде сегментной пластины, загоняемой в паз. Производиться методом фрезерования. Широко применяются в производстве, так как просты в изготовлении, не требуют особой точности при нарезании и легко устанавливается. Отличается установкой в боле глубокий паз, в сравнении с аналогами. Глубокий паз не подходит для больших нагрузок, так как значительно снижает прочность вала, поэтому используется при небольших крутящих моментов.На длинных ступицах может устанавливаться несколько шпонок, так как они имеют фиксированную длину. Выполняют предохранительную функцию на срез и смятие.
Призматические. Отличаются параллельными гранями, которые устанавливаются в паз и фиксируют ступицу. Рабочими гранями в таки случаях являются боковые. Относятся к ненапряженному типу шпоночных соединений, поэтому существует вероятность возникновения коррозии в месте соединения. Для исключения коррозии, муфта и вал соединяются с натягом. Концы производятся обычно со скругленными или плоскими концами. Для скругленного типа рабочей поверхностью считается длина прямых краев. Паз нарезается с помощью фрезы.Передача усилия происходит путем давления поверхности паза на шпонку, которая передает крутящий момент на паз ступицы. Данный тип соединения призматической шпонкой часто используется для подвижных соединений, поэтому используют дополнительное крепление с помощью винтов. Как и многие другие типы выполняет функцию предохранителя при смятии и срезе.
Цилиндрические. Штифты в таких шпонках изготавливаются в виде цилиндров. Работаю в натяжении с отверстием на торце вала, которое высверливается под соответствующие размеры шпонок. Используется в тех случаях, когда ступица устанавливается на конце вала. Требует особого подхода к монтажу шпоночных соединений.Позволяют работать на срез и смятие. Поэтому выбор шпонки производят исходя из прочности на смятие.

Исходя из типа посадки выделяются:

Свободная – применяется в случаях, когда выполнять сварочные работы довольно сложно и есть необходимость подвижного сцепления деталей во время работы.
Плотная – нужна для создания сцеплений, движение которых во время работы выполняется в одном пространственном положении.

Обозначения на чертежах

На чертежах обозначение призматических шпонок происходит исходя из нормативного документа ГОСТ. Они делятся на шпоночные пазы: высокие, нормальной высоты и направляющие. Рабочими гранями у них являются боковые.

На сборочном чертеже обозначение выполняется с учетом диаметра вала, крутящего момента, сечения и длины.

Шпонка 3–20Х12Х120 ГОСТ 23360-78;
Где 3 – исполнение, 20Х12 – сечение, 120 – длина.

Обозначение остальных типов шпонок на изображениях выполняется таким же образом, исходя из соответствующих ГОСТов, разработанных для каждой отдельной модели.
Указанное обозначение должно четко характеризировать деталь, что очень важно для получения надежного соединение. Ведь даже малейший зазор может стать причиной быстрого износа рабочих узлов и потери эффективности во время работы.

Достоинства и недостатки

Как и любой тип соединений, шпоночные имеют ряд достоинств и недостатков. К достоинствам шпоночных соединений можно отнести простоту большинства типов шпонки. При этом монтаж и замена такой детали выполняется легко и быстро. Благодаря чему они получили широкое применение в машиностроении. Также обеспечивает функцию предохранения.

К недостаткам относиться ослабление ступицы и вала. Оно возникает исходя из повышенного напряжения и уменьшения поперечного сечения. Также ослабление деталей вызвано из-за нарезанного паза, который снижает осевую прочность вала.

Чтобы минимизировать недостатки, нужно добиться отсутствия перекоса шпонки в пазе. Для этого нужно обеспечить отсутствие зазора, что делается путем индивидуального изготовления и подгона шпонки. Из-за этого в крупносерийном производстве редко применяют любые разновидности шпоночных соединений. Если добиться отсутствия перекоса не удалось, площадь рабочего контакта уменьшается, в следствие чего степень максимальной нагрузки уменьшается.

Также наличие зазора вызывает эффект биения, особенно на высоких скоростях. Это приведет к быстрому износу рабочих деталей. Из-за этого подобное соединение редко применяется для быстровращающихся валов. Для подбора подходящей шпонки лучше использовать таблицу шпоночных соединений.

Материал шпонок

Для изготовления шпоночного соединения применяют калибровочный металлопрокат. Чаще всего используется сталь марки 45. Она относиться к углеродистым сталям обычного типа, которая часто применяется для производства деталей высокой прочности. Сталь используется в виде бруска длиной 1 м.

В некоторых случаях может применять углеродистая сталь марки 50. Она необходима, когда требуется повышенные прочностные свойства полученных шпонок. Реже применяются легированные стали, например, марки 40х, для которой характерен высокий показатель твердости, достигаемый путем термической обработки.

Стальные заготовки обрабатываются с помощью фрезы, сверлильных станков, станков для рубки, шлифовальных машин и других инструментов. Используемые станки имеют блок управление, который позволяет с помощью числовых программ изготовить деталь необходимых параметров.

Цена полученной шпонки довольно низка, поэтому приобрести необходимую деталь довольно легко. Но в некоторых случаях, когда есть необходимость срочного получения шпонки, изготовить ее можно самостоятельно. Чаще всего подобная необходимость возникает в сельском хозяйстве, где во время сезонных работ часто возникают поломки, которые нужно отстранить. При этом ближайшие точки продажи необходимых деталей находиться на расстоянии в несколько десятков километров.

Имея небольшое количеству инструмента под рукой и заготовку из соответствующего материала, можно быстро изготовить временную замену. При соблюдении технических характеристик, полученная деталь сможет полноценно заменить заводскую, но лучше всего при первой возможности приобрести шпонку нужной прочности и геометрических параметров. Это необходимо для избежание преждевременного износа механизмов.

Иногда для производства могут использовать другие материалы, например, пластик высокого качества. В качестве материала может использоваться дерево, чаще всего при изготовлении мебели.

В качестве материала лучше использовать разные породы дерева, для шпонки подойдет более мягкий материал чем основной. Это позволит обезопасить основную конструкцию от повреждений в случае повышенной нагрузки. Легче заменить шпонку чем большой конструкционный узел.

Для предотвращения проникания влаги в железобетонные конструкции используются специальные шпонки – ватерстоп. Изготавливают их из резины высокого качества и ПВХ. Это позволяет добиться необходимой степени водонепроницаемости и стойкости к растворам агрессивных химических веществ.

Заключение

Такой тип соединения отличается простотой и достаточно высокой надежностью, из-за чего получил высокую популярность в промышленности. Разнообразие видов позволяет подобрать оптимальный тип соединения, что позволит добиться высокой эффективности, надежности готовой конструкции и страховку узлов от повреждений при повышении допустимых нагрузок. Подобрав шпонку исходя из соответствующих ГОСТов, можно добиться высокой эффективности работы соединения.

На сегодняшний день можно легко подобрать необходимую деталь, что позволяет быстро сделать монтаж и замену в случае необходимости.

Марка шпоночной стали

Термин «марка шпоночной стали» подразумевает под собой марку стали, из которой был изготовлен шпоночный материал. Эта классификация по маркам была введена с целью того, чтобы покупатели имели возможность узнать об износостойкости, прочности, а также о других свойствах данной заготовки перед ее непосредственным приобретением, исходя лишь из обозначенной марки применяемой стали.

Таким образом, шпоночной стали присущи все характеристики использованного для ее создания материала. Именно по этой причине для производства шпонок и заготовок применяют ту марку стали, свойства которой будут более лучше подходить условиям работы, для которой она непосредственно предназначается. То есть шпонка одних и тех же размеров может быть создана из разных марок стали.

Шпоночный материал ГОСТ 8787-68

Существует шпоночный материал ГОСТ 8787-68 и шпоночная сталь DIN 6880. В первом случае, отечественный стандарт так же часто называют как сталь чистотянутая для шпонок, так и полоса калиброванная. Исходя из данных нормативов, шпоночный материал обычно производят из конструкционной углеродистой стали Ст45, но так же он может быть создан из сталей Ст20, Ст35, Ст50, 40Х, А4.

Сам по себе шпоночный материал — это одна из разновидностей калиброванного металлопроката, то есть стали с наиболее точными размерами и улучшенным качеством поверхности. Добиться усовершенствованных параметров позволяет специальная обработка одним из перечисленных способов: холодным или горячим волочением и плоской, объемной или комбинированной калибровкой.

Шпоночная сталь предназначается для последующего изготовления различных видов шпонок. Собственно, сама по себе шпонка представляет собой деталь для соединения каких-либо механизмов. Ее задача заключается в передаче крутящего момента с ведущего вала на различные ведомые элементы, например, шкив, маховик, зубчатое колесо, препятствуя их непосредственному смещению в механизме.

Шпонки выполняются в виде стальных брусков с различной формой и размерами, и устанавливаются в специальные углубления, которые называются пазами. Конструкционное различие шпонок принято подразделять на несколько видов, каждый из которых имеет своё уникальное предназначение, и обладает особыми техническими характеристиками. Таким образом, различают следующие виды шпонок:

призматические шпонки;
клиновые шпонки;
сегментные шпонки;
цилиндрические шпонки;
тангенциальные шпонки;
шпонки ватерстоп

Размеры шпоночного материала

Размеры шпоночного материала определяются по параметрам его длины, ширины и высоты, при этом ширина и высота, в основном, изготавливаются заводами по стандартным показателям, а длина прутков, по умолчанию составляет 1000 миллиметров. Но исходя из пожеланий клиента, размеры шпоночного материала могут быть созданы под заказ. Кроме того, многие фирмы выполняют резку шпоночного материала.

Размеры шпоночного материала ГОСТ 8787-68
Размер сторон	Марка стали
4х4мм	Ст45
5х5мм	Ст45
6х6мм	Ст45
6х6мм	Ст20
7х7мм	Ст45
8х8мм	Ст45
	Ст10
	Ст20
8х7мм	Ст45
8х10мм
9х14мм
10x10мм	Ст20
10x10мм	Ст45
10х16мм	Ст45
11х18мм	Ст45
12х12мм	Ст20
12х12мм	Ст45
12х20мм	Ст45
14х14мм	Ст20
14х14мм	Ст45
14x22мм	Ст45
14х24мм
14х25мм
16х16мм	Ст20
16х16мм	Ст45
18х18мм	Ст20
18х18мм	Ст45
20х20мм	Ст45
20х36мм	Ст45
22х22мм	Ст20
25х25мм	Ст20
25х25мм	Ст45
30х30мм	Ст20
30х30мм	Ст45
32х18мм	Ст45
40х40мм	Ст20
40х40мм	Ст45

Если Вам нужно выгодно купить шпоночный материал, то обращайтесь в компанию ООО «С-Агросервис». Мы продаем высококачественную сталь для шпонок чистотянутую от ведущих сталелитейных заводов России. Кроме того, при покупке у нас стали шпоночной, мы бесплатно нарежем ее в собственном цеху по заданным размерам! Доставка выполняется по России транспортными компаниями.

Для чего нужны шпонки

Среди большого количества разнообразных видов соединений очень часто встречается именно такой вид, как шпоночное соединение. Исходя из такого названия, можно понять, что выполняется оно, непосредственно, с помощью шпонок. Но для чего нужны шпонки в этом виде соединения? Насколько важную роль они играют в механизмах? Какие характеристики и свойства имеют шпонки, и что вообще это изделие представляет из себя?

Обычно под шпонкой подразумевается стальная продолговатая деталь в форме бруска. В более редких случаях упоминают деревянные шпонки, использующиеся при изготовлении разной мебели и фурнитуры. Мы же рассмотрим изделия, материалом изготовления которых служит сталь чистотянутая для шпонок из разных марок стали, например, Ст45, Ст50, Ст55. Это сырье так же называют шпоночный материал ГОСТ 8787-68.

Шпонка предназначена для установки в паз на валу и поверхности детали. При этом со стороны такое соединение может напоминать небольшой клин. Кстати говоря, с польского языка шпонка переводится именно как клин. Такое название она получила благодаря тому, что попросту не позволяет валу и ступице проворачиваться, надежно фиксируя вращающиеся по отношению друг к другу детали механизма, и передавая момент силы.

Сферой применения шпонок являются практически все отрасли машиностроения, а также станкостроения. Шпоночные соединения используют в разной технике, автомобилях, а также в механизмах, станках и различном оборудовании благодаря очень высокой степени надежности этих изделий. Одной из наиболее отличительных особенностей шпонок является возможность их функционирования как некого предохранителя узлов.

Заключается подобная возможность, в том, что если предел крутящего момента будет превышен, то шпонка под нагрузкой попросту срежется в месте разграничения вала и детали. Замена испорченной шпонки для опытного мастера не составит никакого труда, да и цена на новую деталь совсем не высока. При чем под большой нагрузкой срезается только шпонка, а вот другие дорогостоящие части конструкции остаются в целости.

Таким образом, шпонка является достаточно дешевым и эффективным изделием, что крайне важно для производств в промышленных масштабах и для частных владельцев разной техники, в том числе тракторов, комбайнов и подборщиков сена, так как заменить шпонку в разгар уборочного сезона можно в кратчайшие сроки. Подводя итоги, можно выделить пару-тройку важных пунктов, объясняющих для чего нужны шпонки:

Выполняют надежное соединение вала и деталей
Обеспечивают высокую степень фиксации
Позволяют избежать проворачивания деталей
Сохраняют детали в целости при больших нагрузках.

Какие есть шпонки

С тем, зачем нужна шпонка, мы уже разобрались, однако очень важно будет отметить тот факт, что существуют различные варианты исполнения шпонок, каждый из которых будет иметь свои стандарты изготовления, следовательно, уникальные параметры, характеристики и предназначение для применения. Именно по этой причине мы так же рассмотрим, какие есть шпонки и какие у них эксплуатационные свойства.

Обратите внимание, что шпонки одной и той же формы и конструкции могут обладать различными размерами. Основные параметры и допуски изготовления, само собой, написаны в соответствующих нормативах ГОСТ, но зачастую очень многие предприятия осуществляют изготовление шпонок на заказ по чертежам заказчика. А в некоторых случаях, заказчик может сделать шпонку из шпоночной стали самостоятельно.

Таким образом, у потенциального клиента всегда есть возможность купить шпонку в соответствии с представленным модельным рядом или же заказать индивидуальный образец. Как правило, при изготовлении шпонки проходят процесс термообработки, позволяющий им выдерживать прочность в 600МПа, после чего им придается определенная конструкционная форма, подразделяющая их по виду соединения на:

призматические
сегментные
цилиндрические
тангенциальные.
клиновые.

Призматические шпонки, в свою очередь, так же подразделяют на 3 дополнительных вида исходя из их принципа действия: на закладные, на направляющие и на скользящие. Так как установка данного типа шпонок достаточно проблематична в плане их индивидуального подгона в пазы, а при полном износе они могут опрокидываться, то в большом производстве этот вид продукции используется достаточно редко.

В отличии от предыдущего варианта конструкции, сегментные шпонки не требуют в момент установки никакой подгонки, и не имеют свойства опрокидываться, что сказывается на их достаточно частом использовании. Однако применение такого типа шпонок ограничено на деталях с большим сечением вала, поэтому сегментную разновидность невозможно будет встретить на участках со множеством изгибов вала.

Цилиндрические шпонки по принципу работы схожи с призматическими. Они тоже редкий гость в крупномасштабном производстве из-за того, что они требуют одинаковой степени плотности и твердости соединяемых изделий. Во многом именно эта особенность и мешает их частому применению. Собственно, основным местом установки цилиндрических шпонок являются именно концевые участки вала.

Тангенциальная шпонка представляет собой конструкцию из двух элементов, которые напоминают призматический клин с сечением прямоугольного поперечного типа. Такой вид шпонок монтируется попарно под наклоном от 120° до 180°. Одним из главных достоинств у такого типа изделия является то, что их материал осуществляет работу на сжатие. Основной их сферой применения является тяжелое машиностроение.

Наконец, разбирая то, какие есть шпонки, мы подошли к последней разновидности, а именно к клиновым шпонкам. Такой тип по праву считается наиболее эффективным и очень распространенным ввиду множества своих неоспоримых преимуществ. Например, изделия клинового вида могут выдерживать незначительную осевую нагрузку, и при этом отлично функционировать при нагрузках переменного типа.

Читайте также: