軸類零件的加工與設計

高賀

摘 要：軸類零件是機器中經常遇到的典型零件之一。它在機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。按結構形式不同，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的稱為細長軸，大多數軸介于兩者之間；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，它們的精度和表面質量一般要求較高。根據零件的結構及其功能，運用定位夾緊的知識完成了夾具設計。

關鍵詞：軸類零件 軸的設計 工藝規程

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

機器產品中的軸類零件是通用零件，應用非常普遍。機器工作能力和工作質量在很大程度上都與軸有關，軸一旦失效，有可能造成嚴重后果。軸是組成機械結構的重要零件之一。它是軸系零件中的主要零件，也是支撐軸上零件、傳遞運動和動力的關鍵部件。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構尺寸，即進行結構設計。

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。軸是支承轉動零件并與之一起回轉以傳遞運動、扭矩或彎矩的機械零件。一般為金屬圓桿狀，各段可以有不同的直徑。機器中作回轉運動的零件就裝在軸上。 根據軸線形狀的不同，軸可以分為曲軸和直軸兩類。根據軸的承載情況，又可分為：轉軸、心軸、傳動軸。 軸的結構設計是確定軸的合理外形和全部結構尺寸，為軸設計的重要步驟。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、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、安裝及運輸，對軸的變形等因素有關。設計者可根據軸的具體要求進行設計，必要時可做幾個方案進行比較，以便選出最佳設計方案，

以下是一般軸結構設計原則：

1.軸的設計主要包括材料、結構設計、性能設計與精度設計等。軸的設計內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）等構成了軸系組件，故軸的結構設計需同時考慮軸上零部件的定位、固定、調整、裝拆等功能需求。軸的性能設計主要包括強度設計、剛度設計。軸的性能設計首先需進行其力學模型的簡化（根據其支承方式簡化為簡支梁和懸臂梁）；其次根據其承載類型和工況確定其可能的失效形式，進而選用相應的設計準則進行性能設計。軸的性能設計準則包括強度準則和剛度準則。高速軸常需要進行振動穩定性設計。軸的振動穩定性設計主要目的是避免軸振動過大，特別是發生共振。軸的精度設計，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、結構形狀、技術要求、產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。技術人員根據產品數量、設備條件和工人素質等情況，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，一般應進行正火或調質處理，以改善其力學性能。合金鋼比碳素鋼具有更高的力學性能和熱處理性能，但對應力集中的敏感性強，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、要求強度高、結構緊湊或耐磨性較好的軸，可采用合金鋼。常用的有40Cr、20Cr、35SiMn等。應當指出：當尺寸相同時，采用合金鋼不能提高軸的剛度，因為在一般情況下各種鋼的彈性模量相差不多；合金鋼對應力集中的敏感性較高，因此軸的結構設計更要注意減少應力集中的影響；采用合金鋼時必須進行相應的熱處理，以便更好地發揮材料的性能。

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，對應力集中敏感性低和價格低廉等優點。

三、軸類零件的設計要求

根據軸類零件的功用和工作條件，其設計技術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～IT7；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～IT9。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。其誤差一般應限制在尺寸公差范圍內，對于精密軸，需在零件圖上另行規定其幾何形狀精度。

3.相互位置精度

包括內、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，一般根據加工的可能性和經濟性來確定。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。考慮到軸類零件的綜合力學性能要求，主要選用經過軋制或鍛造的35、40、45、50、40Cr、40CrNi、40MnB鋼等，一般應進行正火或調質；若軸頸處耐磨性要求高，可對軸頸處進行表面淬火。具體的鋼種應根據載荷的類型、零件的尺寸和淬透性的大小決定。承受彎曲載荷和扭轉載荷的軸類，應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，應力沿軸的截面均勻分布，應選用淬透性較高的鋼。2.對承受沖擊載荷較大，對強韌性要求高時或要求進一步提高軸頸的耐磨性時，可選用20Cr、20CrMnTi等合金滲碳鋼并進行滲碳、淬火、低溫回火處理。

3.對于受力小、不重要的軸可選用Q235～Q275等普通質量碳鋼。4.球墨鑄鐵和高強度灰鑄鐵可用來制作形狀復雜、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程及注意點

工藝過程，在學校機械加工實習課中，軸類零件的加工是學生練習車削技能的最基本也最重要的項目，但學生最后完工工件的質量總是很不理想，經過分析主要是學生對軸類零件的工藝分析工藝規程制訂不夠合理。 軸類零件中工藝規程的制訂，直接關系到工件質量、勞動生產率和經濟效益。一零件可以有幾種不同的加工方法，但只有某一種較合理，在制訂機械加工工藝規程中，須注意以下幾點。

1.零件圖工藝分析中，需理解零件結構特點、精度、材質、熱處理等技術要求，且要研究產品裝配圖，部件裝配圖及驗收標準。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.粗基準選擇：有非加工表面，應選非加工表面作為粗基準。對所有表面都需加工的鑄件軸，根據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，同時，粗基準不可重復使用。4.精基準選擇：要符合基準重合原則，盡可能選設計基準或裝配基準作為定位基準。符合基準統一原則。盡可能在多數工序中用同一個定位基準。盡可能使定位基準與測量基準重合。選擇精度高、安裝穩定可靠表面為精基準。 工藝規程制訂得是否合理，直接影響工件的質量、勞動生產率和經濟效益。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，在制訂工藝規程時，必須從實際出發，根據設備條件、生產類型等具體情況，盡量采用先進加工方法，制訂出合理的工藝過程。

參考文獻

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