轴类零件的加工与设计

高贺

摘 要：轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。它在机械中主要用于支承齿轮、带轮、凸轮以及连杆等传动件，以传递扭矩。按结构形式不同，轴可以分为阶梯轴、锥度心轴、光轴、空心轴、曲轴、凸轮轴、偏心轴、各种丝杠等轴的长径比小于5的称为短轴，大于20的称为细长轴，大多数轴介于两者之间；轴用轴承支承，与轴承配合的轴段称为轴颈。轴颈是轴的装配基准，它们的精度和表面质量一般要求较高。根据零件的结构及其功能，运用定位夹紧的知识完成了夹具设计。

关键词：轴类零件 轴的设计 工艺规程

中图分类号：TG51 文献标识码：A 文章编号：1003-9082 （2017） 04-0229-01

機器产品中的轴类零件是通用零件，应用非常普遍。机器工作能力和工作质量在很大程度上都与轴有关，轴一旦失效，有可能造成严重后果。轴是组成机械结构的重要零件之一。它是轴系零件中的主要零件，也是支撑轴上零件、传递运动和动力的关键部件。为了保证安装在轴上的零件能正确地定位和固定，满足轴的加工和装配的要求，必须合理地定出轴各部分形状和结构尺寸，即进行结构设计。

一、轴类零件加工的概述

轴是穿在轴承中间或车轮中间或齿轮中间的圆柱形物件，但也有少部分是方型的。轴是支承转动零件并与之一起回转以传递运动、扭矩或弯矩的机械零件。一般为金属圆杆状，各段可以有不同的直径。机器中作回转运动的零件就装在轴上。 根据轴线形状的不同，轴可以分为曲轴和直轴两类。根据轴的承载情况，又可分为：转轴、心轴、传动轴。 轴的结构设计是确定轴的合理外形和全部结构尺寸，为轴设计的重要步骤。它由轴上安装零件类型、尺寸及其位置、零件的固定方式，载荷的性质、方向、大小及分布情况，轴承的类型与尺寸，轴的毛坯、制造和装配工艺、安装及运输，对轴的变形等因素有关。设计者可根据轴的具体要求进行设计，必要时可做几个方案进行比较，以便选出最佳设计方案，

以下是一般轴结构设计原则：

1.轴的设计主要包括材料、结构设计、性能设计与精度设计等。轴的设计内容是确定轴的合理外形和全部尺寸。由于轴、轴上零部件（包括支承轴承）等构成了轴系组件，故轴的结构设计需同时考虑轴上零部件的定位、固定、调整、装拆等功能需求。轴的性能设计主要包括强度设计、刚度设计。轴的性能设计首先需进行其力学模型的简化（根据其支承方式简化为简支梁和悬臂梁）；其次根据其承载类型和工况确定其可能的失效形式，进而选用相应的设计准则进行性能设计。轴的性能设计准则包括强度准则和刚度准则。高速轴常需要进行振动稳定性设计。轴的振动稳定性设计主要目的是避免轴振动过大，特别是发生共振。轴的精度设计，包括其尺寸公差和几何公差。2.轴的加工工艺分析 轴类零件的加工工艺因其用途、结构形状、技术要求、产量大小的不同而有所差异。在日常的工艺工作中遇到的大量工作是一般轴的工艺编制。技术人员根据产品数量、设备条件和工人素质等情况，确定采用的。二、轴的材料及选择

1.轴的材料主要是碳素钢和合金钢。常用的碳素钢为45钢，一般应进行正火或调质处理，以改善其力学性能。合金钢比碳素钢具有更高的力学性能和热处理性能，但对应力集中的敏感性强，价格较贵，因此多用于高速、重载及要求耐磨、耐高温或低温等特殊条件的场合。由于在常温下合金钢与碳素钢的弹性模量相差很小，因此，用合金钢代替碳素钢并不能明显提高轴的刚度。

2.对于承受较大载荷、要求强度高、结构紧凑或耐磨性较好的轴，可采用合金钢。常用的有40Cr、20Cr、35SiMn等。应当指出：当尺寸相同时，采用合金钢不能提高轴的刚度，因为在一般情况下各种钢的弹性模量相差不多；合金钢对应力集中的敏感性较高，因此轴的结构设计更要注意减少应力集中的影响；采用合金钢时必须进行相应的热处理，以便更好地发挥材料的性能。

3.轴的毛坯一般采用热轧圆钢或锻件。对于形状复杂的轴（如曲轴和凸轮轴等）也可采用铸钢或球墨铸铁，后者具有吸振性好，对应力集中敏感性低和价格低廉等优点。

三、轴类零件的设计要求

根据轴类零件的功用和工作条件，其设计技术要求主要在以下方面：

1.尺寸精度

轴类零件的主要表面常为两类：一类是与轴承的内圈配合的外圆轴颈，即支承轴颈，用于确定轴的位置并支承轴，尺寸精度要求较高，通常为IT 5～IT7；另一类为与各类传动件配合的轴颈，即配合轴颈，其精度稍低，常为IT6～IT9。2.几何形状精度

主要指轴颈表面、外圆锥面、锥孔等重要表面的圆度、圆柱度。其误差一般应限制在尺寸公差范围内，对于精密轴，需在零件图上另行规定其几何形状精度。

3.相互位置精度

包括内、外表面、重要轴面的同轴度、圆的径向跳动、重要端面对轴心线的垂直度、端面间的平行度等。

4.表面粗糙度

轴的加工表面都有粗糙度的要求，一般根据加工的可能性和经济性来确定。支承轴颈常为0.2～1.6μm，传动件配合轴颈为0.4～3.2μm。5.其他热处理、倒角、倒棱及外观修饰等要求。

四、轴类零件的热处理

1.中碳钢和中碳合金钢。考虑到轴类零件的综合力学性能要求，主要选用经过轧制或锻造的35、40、45、50、40Cr、40CrNi、40MnB钢等，一般应进行正火或调质；若轴颈处耐磨性要求高，可对轴颈处进行表面淬火。具体的钢种应根据载荷的类型、零件的尺寸和淬透性的大小决定。承受弯曲载荷和扭转载荷的轴类，应力的分布是由表面向中心递减的，对淬透性要求不高；承受拉、压载荷的轴类，应力沿轴的截面均匀分布，应选用淬透性较高的钢。2.对承受冲击载荷较大，对强韧性要求高时或要求进一步提高轴颈的耐磨性时，可选用20Cr、20CrMnTi等合金渗碳钢并进行渗碳、淬火、低温回火处理。

3.对于受力小、不重要的轴可选用Q235～Q275等普通质量碳钢。4.球墨铸铁和高强度灰铸铁可用来制作形状复杂、难以锻造成形的轴类零件，如曲轴等。

五、轴类零件加工工艺规程及注意点

工艺过程，在学校机械加工实习课中，轴类零件的加工是学生练习车削技能的最基本也最重要的项目，但学生最后完工工件的质量总是很不理想，经过分析主要是学生对轴类零件的工艺分析工艺规程制订不够合理。 轴类零件中工艺规程的制订，直接关系到工件质量、劳动生产率和经济效益。一零件可以有几种不同的加工方法，但只有某一种较合理，在制订机械加工工艺规程中，须注意以下几点。

1.零件图工艺分析中，需理解零件结构特点、精度、材质、热处理等技术要求，且要研究产品装配图，部件装配图及验收标准。2.渗碳件加工工艺路线一般为：下料→锻造→正火→粗加工→半精加工→渗碳→去碳加工（对不需提高硬度部分）→淬火→车螺纹、钻孔或铣槽→粗磨→低温时效→半精磨→低温时效→精磨。3.粗基准选择：有非加工表面，应选非加工表面作为粗基准。对所有表面都需加工的铸件轴，根据加工余量最小表面找正。且选择平整光滑表面，让开浇口处。选牢固可靠表面为粗基准，同时，粗基准不可重复使用。4.精基准选择：要符合基准重合原则，尽可能选设计基准或装配基准作为定位基准。符合基准统一原则。尽可能在多数工序中用同一个定位基准。尽可能使定位基准与测量基准重合。选择精度高、安装稳定可靠表面为精基准。 工艺规程制订得是否合理，直接影响工件的质量、劳动生产率和经济效益。一个零件可以用几种不同的加工方法制造，但在一定的条件下，只有某一种方法是较合理的。因此，在制订工艺规程时，必须从实际出发，根据设备条件、生产类型等具体情况，尽量采用先进加工方法，制订出合理的工艺过程。

参考文献

[1]杨叔子.机械加工工艺师手册[M].北京：机械工业出版社，2004.

[2]上海金属切削技术协会.金属切削手册[M].上海：上海科学技术出版社，2004.

[3]机械设计基础/孙敬华主编.—北京：机械工业出版社，2007.9