軸類零件的加工與設(shè)計

高賀

摘 要：軸類零件是機(jī)器中經(jīng)常遇到的典型零件之一。它在機(jī)械中主要用于支承齒輪、帶輪、凸輪以及連桿等傳動件，以傳遞扭矩。按結(jié)構(gòu)形式不同，軸可以分為階梯軸、錐度心軸、光軸、空心軸、曲軸、凸輪軸、偏心軸、各種絲杠等軸的長徑比小于5的稱為短軸，大于20的稱為細(xì)長軸，大多數(shù)軸介于兩者之間；軸用軸承支承，與軸承配合的軸段稱為軸頸。軸頸是軸的裝配基準(zhǔn)，它們的精度和表面質(zhì)量一般要求較高。根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)及其功能，運(yùn)用定位夾緊的知識完成了夾具設(shè)計。

關(guān)鍵詞：軸類零件 軸的設(shè)計 工藝規(guī)程

中圖分類號：TG51 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-9082 （2017） 04-0229-01

機(jī)器產(chǎn)品中的軸類零件是通用零件，應(yīng)用非常普遍。機(jī)器工作能力和工作質(zhì)量在很大程度上都與軸有關(guān)，軸一旦失效，有可能造成嚴(yán)重后果。軸是組成機(jī)械結(jié)構(gòu)的重要零件之一。它是軸系零件中的主要零件，也是支撐軸上零件、傳遞運(yùn)動和動力的關(guān)鍵部件。為了保證安裝在軸上的零件能正確地定位和固定，滿足軸的加工和裝配的要求，必須合理地定出軸各部分形狀和結(jié)構(gòu)尺寸，即進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

一、軸類零件加工的概述

軸是穿在軸承中間或車輪中間或齒輪中間的圓柱形物件，但也有少部分是方型的。軸是支承轉(zhuǎn)動零件并與之一起回轉(zhuǎn)以傳遞運(yùn)動、扭矩或彎矩的機(jī)械零件。一般為金屬圓桿狀，各段可以有不同的直徑。機(jī)器中作回轉(zhuǎn)運(yùn)動的零件就裝在軸上。 根據(jù)軸線形狀的不同，軸可以分為曲軸和直軸兩類。根據(jù)軸的承載情況，又可分為：轉(zhuǎn)軸、心軸、傳動軸。 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計是確定軸的合理外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸，為軸設(shè)計的重要步驟。它由軸上安裝零件類型、尺寸及其位置、零件的固定方式，載荷的性質(zhì)、方向、大小及分布情況，軸承的類型與尺寸，軸的毛坯、制造和裝配工藝、安裝及運(yùn)輸，對軸的變形等因素有關(guān)。設(shè)計者可根據(jù)軸的具體要求進(jìn)行設(shè)計，必要時可做幾個方案進(jìn)行比較，以便選出最佳設(shè)計方案，

以下是一般軸結(jié)構(gòu)設(shè)計原則：

1.軸的設(shè)計主要包括材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能設(shè)計與精度設(shè)計等。軸的設(shè)計內(nèi)容是確定軸的合理外形和全部尺寸。由于軸、軸上零部件（包括支承軸承）等構(gòu)成了軸系組件，故軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計需同時考慮軸上零部件的定位、固定、調(diào)整、裝拆等功能需求。軸的性能設(shè)計主要包括強(qiáng)度設(shè)計、剛度設(shè)計。軸的性能設(shè)計首先需進(jìn)行其力學(xué)模型的簡化（根據(jù)其支承方式簡化為簡支梁和懸臂梁）；其次根據(jù)其承載類型和工況確定其可能的失效形式，進(jìn)而選用相應(yīng)的設(shè)計準(zhǔn)則進(jìn)行性能設(shè)計。軸的性能設(shè)計準(zhǔn)則包括強(qiáng)度準(zhǔn)則和剛度準(zhǔn)則。高速軸常需要進(jìn)行振動穩(wěn)定性設(shè)計。軸的振動穩(wěn)定性設(shè)計主要目的是避免軸振動過大，特別是發(fā)生共振。軸的精度設(shè)計，包括其尺寸公差和幾何公差。2.軸的加工工藝分析 軸類零件的加工工藝因其用途、結(jié)構(gòu)形狀、技術(shù)要求、產(chǎn)量大小的不同而有所差異。在日常的工藝工作中遇到的大量工作是一般軸的工藝編制。技術(shù)人員根據(jù)產(chǎn)品數(shù)量、設(shè)備條件和工人素質(zhì)等情況，確定采用的。二、軸的材料及選擇

1.軸的材料主要是碳素鋼和合金鋼。常用的碳素鋼為45鋼，一般應(yīng)進(jìn)行正火或調(diào)質(zhì)處理，以改善其力學(xué)性能。合金鋼比碳素鋼具有更高的力學(xué)性能和熱處理性能，但對應(yīng)力集中的敏感性強(qiáng)，價格較貴，因此多用于高速、重載及要求耐磨、耐高溫或低溫等特殊條件的場合。由于在常溫下合金鋼與碳素鋼的彈性模量相差很小，因此，用合金鋼代替碳素鋼并不能明顯提高軸的剛度。

2.對于承受較大載荷、要求強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)緊湊或耐磨性較好的軸，可采用合金鋼。常用的有40Cr、20Cr、35SiMn等。應(yīng)當(dāng)指出：當(dāng)尺寸相同時，采用合金鋼不能提高軸的剛度，因?yàn)樵谝话闱闆r下各種鋼的彈性模量相差不多；合金鋼對應(yīng)力集中的敏感性較高，因此軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計更要注意減少應(yīng)力集中的影響；采用合金鋼時必須進(jìn)行相應(yīng)的熱處理，以便更好地發(fā)揮材料的性能。

3.軸的毛坯一般采用熱軋圓鋼或鍛件。對于形狀復(fù)雜的軸（如曲軸和凸輪軸等）也可采用鑄鋼或球墨鑄鐵，后者具有吸振性好，對應(yīng)力集中敏感性低和價格低廉等優(yōu)點(diǎn)。

三、軸類零件的設(shè)計要求

根據(jù)軸類零件的功用和工作條件，其設(shè)計技術(shù)要求主要在以下方面：

1.尺寸精度

軸類零件的主要表面常為兩類：一類是與軸承的內(nèi)圈配合的外圓軸頸，即支承軸頸，用于確定軸的位置并支承軸，尺寸精度要求較高，通常為IT 5～I(xiàn)T7；另一類為與各類傳動件配合的軸頸，即配合軸頸，其精度稍低，常為IT6～I(xiàn)T9。2.幾何形狀精度

主要指軸頸表面、外圓錐面、錐孔等重要表面的圓度、圓柱度。其誤差一般應(yīng)限制在尺寸公差范圍內(nèi)，對于精密軸，需在零件圖上另行規(guī)定其幾何形狀精度。

3.相互位置精度

包括內(nèi)、外表面、重要軸面的同軸度、圓的徑向跳動、重要端面對軸心線的垂直度、端面間的平行度等。

4.表面粗糙度

軸的加工表面都有粗糙度的要求，一般根據(jù)加工的可能性和經(jīng)濟(jì)性來確定。支承軸頸常為0.2～1.6μm，傳動件配合軸頸為0.4～3.2μm。5.其他熱處理、倒角、倒棱及外觀修飾等要求。

四、軸類零件的熱處理

1.中碳鋼和中碳合金鋼?？紤]到軸類零件的綜合力學(xué)性能要求，主要選用經(jīng)過軋制或鍛造的35、40、45、50、40Cr、40CrNi、40MnB鋼等，一般應(yīng)進(jìn)行正火或調(diào)質(zhì)；若軸頸處耐磨性要求高，可對軸頸處進(jìn)行表面淬火。具體的鋼種應(yīng)根據(jù)載荷的類型、零件的尺寸和淬透性的大小決定。承受彎曲載荷和扭轉(zhuǎn)載荷的軸類，應(yīng)力的分布是由表面向中心遞減的，對淬透性要求不高；承受拉、壓載荷的軸類，應(yīng)力沿軸的截面均勻分布，應(yīng)選用淬透性較高的鋼。2.對承受沖擊載荷較大，對強(qiáng)韌性要求高時或要求進(jìn)一步提高軸頸的耐磨性時，可選用20Cr、20CrMnTi等合金滲碳鋼并進(jìn)行滲碳、淬火、低溫回火處理。

3.對于受力小、不重要的軸可選用Q235～Q275等普通質(zhì)量碳鋼。4.球墨鑄鐵和高強(qiáng)度灰鑄鐵可用來制作形狀復(fù)雜、難以鍛造成形的軸類零件，如曲軸等。

五、軸類零件加工工藝規(guī)程及注意點(diǎn)

工藝過程，在學(xué)校機(jī)械加工實(shí)習(xí)課中，軸類零件的加工是學(xué)生練習(xí)車削技能的最基本也最重要的項(xiàng)目，但學(xué)生最后完工工件的質(zhì)量總是很不理想，經(jīng)過分析主要是學(xué)生對軸類零件的工藝分析工藝規(guī)程制訂不夠合理。 軸類零件中工藝規(guī)程的制訂，直接關(guān)系到工件質(zhì)量、勞動生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益。一零件可以有幾種不同的加工方法，但只有某一種較合理，在制訂機(jī)械加工工藝規(guī)程中，須注意以下幾點(diǎn)。

1.零件圖工藝分析中，需理解零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、精度、材質(zhì)、熱處理等技術(shù)要求，且要研究產(chǎn)品裝配圖，部件裝配圖及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。2.滲碳件加工工藝路線一般為：下料→鍛造→正火→粗加工→半精加工→滲碳→去碳加工（對不需提高硬度部分）→淬火→車螺紋、鉆孔或銑槽→粗磨→低溫時效→半精磨→低溫時效→精磨。3.粗基準(zhǔn)選擇：有非加工表面，應(yīng)選非加工表面作為粗基準(zhǔn)。對所有表面都需加工的鑄件軸，根據(jù)加工余量最小表面找正。且選擇平整光滑表面，讓開澆口處。選牢固可靠表面為粗基準(zhǔn)，同時，粗基準(zhǔn)不可重復(fù)使用。4.精基準(zhǔn)選擇：要符合基準(zhǔn)重合原則，盡可能選設(shè)計基準(zhǔn)或裝配基準(zhǔn)作為定位基準(zhǔn)。符合基準(zhǔn)統(tǒng)一原則。盡可能在多數(shù)工序中用同一個定位基準(zhǔn)。盡可能使定位基準(zhǔn)與測量基準(zhǔn)重合。選擇精度高、安裝穩(wěn)定可靠表面為精基準(zhǔn)。 工藝規(guī)程制訂得是否合理，直接影響工件的質(zhì)量、勞動生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益。一個零件可以用幾種不同的加工方法制造，但在一定的條件下，只有某一種方法是較合理的。因此，在制訂工藝規(guī)程時，必須從實(shí)際出發(fā)，根據(jù)設(shè)備條件、生產(chǎn)類型等具體情況，盡量采用先進(jìn)加工方法，制訂出合理的工藝過程。

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