軸類零件設(shè)計中注意的問題

田莉莉

煙臺工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東煙臺 264006

軸類零件加工的主要問題是如何保證各加工表面的尺寸精度、表面粗糙度和主要表面之間的相互位置精度。鍛造廠軸類零件加工的典型工藝路線如下：

毛坯及其熱處理→預(yù)加工→車削外圓→銑鍵槽等→熱處理→磨削

1 CA6140主軸加工工藝分析

1.1 CA6140主軸技術(shù)條件的分析

1.1.1 支承軸頸的技術(shù)要求

主軸兩支承軸頸A、B的圓度允差 0.005mm，徑向跳動允差0.005mm，兩支承軸頸的1：12錐面接觸率＞70%，表面粗糙度Ra0.4um。支承軸頸直徑按IT5-7級精度制造。主軸外圓的圓度要求，對于一般精度的機床，其允差通常不超過尺寸公差的50%，對于提高精度的機床，則不超過25%，對于高精度的機床，則應(yīng)在 5%～10%之間。

1.1.2 鍛造廠錐孔的技術(shù)要求

主軸錐孔（莫氏 6號）對支承軸頸 A、B的跳動，近軸端允差 0.005mm，離軸端300mm處允差 0.01mm，錐面的接觸率 ＞70%，表面粗糙度Ra0.4um，硬度要求 HRC48。

1.1.3 短錐的技術(shù)要求

短錐對主軸支承軸頸A、B的徑向跳動允差0.008mm，端面D對軸頸A、B的端面跳動允差0.008mm，錐面及端面的粗糙度均為Ra0.8um。

1.1.4 空套齒輪軸頸的技術(shù)要求

空套齒輪的軸頸對支承軸頸A、B的徑向跳動允差為0.015mm。

1.1.5 螺紋的技術(shù)要求

鍛造廠這是用于限制與之配合的壓緊螺母的端面跳動量所必須的要求。因此在加工主軸螺紋時，必須控制螺紋表面軸心線與支承軸頸軸心線的同軸度，一般規(guī)定不超過0.025mm。

1.2 軸類零件鍛造加工的主要技術(shù)要求

1.2.1 尺寸精度

軸頸是軸類鍛件鍛造廠的主要表面，它影響軸的回轉(zhuǎn)精度及工作狀態(tài)。軸頸的直徑精度根據(jù)其使用要求通常為IT6～9，精密軸頸可達IT5。

1.2.2 幾何形狀精度

軸頸的幾何形狀精度（圓度、圓柱度），一般應(yīng)限制在直徑公差點范圍內(nèi)。對幾何形狀精度要求較高時，可在零件圖上另行規(guī)定其允許的公差。

1.2.3 位置精度

主要是指裝配傳動件的配合軸頸相對于裝配軸承的支承軸頸的同軸度，通常是用配合軸頸對支承軸頸的徑向圓跳動來表示的；根據(jù)使用要求，規(guī)定高精度軸為0.001mm～0.005mm，而一般精度軸為0.01mm～0.03mm。

此外還有內(nèi)外圓柱面的同軸度和軸向定位端面與軸心線的垂直度要求等。

1.2.4 表面粗糙度

鍛造廠根據(jù)零件的表面工作部位的不同，可有不同的表面粗糙度值，例如普通機床主軸支承軸頸的表面粗糙度為Ra0.16um～0.63um，配合軸頸的表面粗糙度為Ra0.63um～2.5um，隨著機器運轉(zhuǎn)速度的增大和精密程度的提高，軸類零件鍛造加工后表面粗糙度值要求也將越來越小。

2 熱處理問題

根據(jù)金屬材料學(xué)基本原理，金屬材料的組織結(jié)構(gòu)直接決定了其力學(xué)性能，同時在熱處理之后能否被淬透，得到馬氏體組織，是決定材料力學(xué)性能的關(guān)鍵因素之一。而衡量鋼材料經(jīng)熱處理之后獲得馬氏體組織能力的一個關(guān)鍵指標是鋼的淬透性，同時鋼的淬透性還直接決定了淬火之后所獲得淬硬層的厚度。

2.1 大截面45號鋼軸類零件熱處理試驗分析

鋼熱處理力學(xué)后的力學(xué)性能除了受到其淬透性的影響外，還受到其他相關(guān)因素的影響，包括尺寸和零件的結(jié)構(gòu)等因素，其中尺寸是一個比較重要的因素。對于45號鋼而言，其在水中的淬透臨界直徑為14mm～22mm。這就使得在進行大直徑、大截面45號鋼零件進行淬火時，其淬硬層的深度一直是熱處理工藝中最為關(guān)心的問題之一，它直接關(guān)系到熱處理之后工件的相關(guān)性能是否能達到設(shè)計的要求。

2.1.1 試驗方法

實驗中所采用的零件材料為在生產(chǎn)現(xiàn)場進行調(diào)質(zhì)處理的45號鋼，其主要的化學(xué)成分為：C 0.43%-0.51%、Si 0.18%-0.38%、Mn 0.49%-0.79%，S 0.04%-0.056%、P 0.040%。零件的直徑為這樣六種：40mm、60mm、80mm、100mm、120mm和150mm，同時其長度均大于直徑的2.5倍，棒材在剝?nèi)ネ獗韺? mm厚的表皮之后留待備用。試驗中零件進行淬火的溫度為845℃，而淬火介質(zhì)是濃度為10%的鹽水，回火溫度為200℃～600℃。在進行熱處理之后，需要磨去其表面的氧化皮，確保接下來的硬度測試的準確性及表面積碳對工件硬度造成的影響。每個試樣進行熱處理之后，在其長度的二分之一處用砂輪機在水冷的條件下進行剖開，沿同心圓對硬度進行測定，以確保數(shù)據(jù)的可靠程度。

2.1.2 試驗結(jié)果及分析

經(jīng)過試驗之后，我們可以發(fā)現(xiàn)大截面45號鋼的淬硬深度僅為lmm～5mm，而且除了表面層可以獲得馬氏體組織外，淬硬層大部分都不是馬氏體組織。同時，由于傳統(tǒng)的銷軸類零件在加工過程中，調(diào)質(zhì)處理一般都安排在了粗加工之前，而且其預(yù)留的加工余量通常設(shè)置為2.5mm，這對于大截面的45號鋼零件來講，經(jīng)過粗加工之后，調(diào)質(zhì)處理基本上沒有起到作用。因此，我們在加工大截面的軸類零件時，調(diào)質(zhì)處理應(yīng)該安排在粗加工工序之后，這樣才能達到預(yù)定的要求。

1）采用淬火結(jié)合低溫回火來替代調(diào)質(zhì)處理

隨著工程機械市場的不斷發(fā)展，在其中大量采用的大截面45號鋼軸類零件大量采用，這就在一定程度上加大了對其熱處理質(zhì)量的要求。在進行熱處理過程中，有的是將調(diào)質(zhì)處理作為最終的熱處理工藝，而有的只是將調(diào)質(zhì)處理作為預(yù)熱處理程序，之后還需要進行表面高頻淬火及中頻淬火等。通過上面的試驗我們可以知道，我們可以在適當?shù)臈l件下采用淬火結(jié)合加低溫回火的熱處理方式來替代調(diào)質(zhì)等處理工序。這是由于淬硬層在200℃溫度中進行回火之后得到的將是回火馬氏體組織，其力學(xué)性能，包括硬度、強度及耐磨性等方面均要遠遠高于回火索氏體，同時還可以產(chǎn)生表面殘余應(yīng)力，大大的提高軸的疲勞強度，其綜合力學(xué)性能基本上達到了表面淬火所得到的1mml～5mml的硬化層的力學(xué)性能。

2）用正火處理替代調(diào)質(zhì)處理作為預(yù)備熱處理工序

對于直徑大于100 mm的大截面45號鋼軸類零件而言，其淬硬深度一般在1mm～2mm之間。除了表層之外，淬硬層的大部分并不是馬氏體組織。因此，一般在進行高溫回火之后僅能在軸的表面得到具有綜合力學(xué)性能較好的回火索氏體，其熱處理效果有限。因此，我們可以采用正火來替代調(diào)質(zhì)處理，將其作為淬火前的預(yù)備熱處理工序，這樣不僅可以達到零件的使用力學(xué)性能要求，同時還能在一定程度上降低生產(chǎn)成本，節(jié)約資源，提高生產(chǎn)效率。

2.2 汽車前軸熱處理工藝概述

軸類零件的熱處理工藝除了明顯受到尺寸的影響之外，還與材料種類具有重要聯(lián)系。下面以汽車前軸的熱處理工藝，對該問題進行探討。汽車前軸材料為42CrMo，要求在調(diào)質(zhì)處理后的硬度達到240-305HB，金相組織為1-4級的回火索氏體。

在進行生產(chǎn)試驗中，先后進行了油淬、亞溫淬火、復(fù)合亞溫淬火及PGA淬火試驗與批量淬火回火生產(chǎn)。試驗表明，前三種熱處理方式都不能達到設(shè)計要求的力學(xué)性能。其中，采用油淬處理之后得到的硬度僅為260HB～299HB，且得到的金相組織為回火索氏體和鐵素體，沒有達到設(shè)計要求；采用亞溫淬火后得到的軸類零件的硬度達到46HRC～50HRC，硬度達到設(shè)計要求，但是其得到的金相組織為回火素氏體和棒狀鐵素體，不能達到設(shè)計要求；采用復(fù)合亞溫淬火熱處理之后得到的零件硬度能達到要求，但是金相組織和亞溫淬火相似，也不符合要求；而采用PGA淬火之后，硬度在242HB～305HB之間，而且金相組織為回火索氏體，兩方面都達到了設(shè)計的力學(xué)性能要求。

3 結(jié)論

綜上所述，在對軸類零件進行熱處理時，應(yīng)該針對不同的材料種類和零件結(jié)構(gòu)尺寸等進行具體的熱處理設(shè)計。在對大截面45號鋼軸類零件進行熱處理時，可以采用淬火加低溫回火的方式替代調(diào)質(zhì)處理，在提高軸的硬度、強度及耐磨性的同時，還可以使得軸的芯部具有一定的抗沖擊能力。而在對汽車前軸進行熱處理時，要根據(jù)具體的設(shè)計目的對熱處理工藝進行設(shè)計。

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