轴类零件选材及工艺分析

轴类零件选材及工艺分析
在机床、汽车、拖拉机等制造工业中，轴类零件是另一类用量很大，且占有相当重要
地位的结构件。

轴类零件的主要作用是支承传动零件并传递动和动力，它们在工作时受多种应力的作用，因此从选材角度看，材料应有较高的综合机械性能.局部承受摩擦的部位如车床主轴的花键、曲轴轴颈等处，要求有一定的硬度，以提高其抗磨损能力。

要求以综合机械性能为主的一类结构零件的选材，还需根据其应力状态和负荷种类考虑材料的淬透性和抗疲劳性能。

实践证明，受交变应力的轴类零件、连杆螺栓等结构件，其损环形式不少是由于疲劳裂纹引起的。

下面以车床主轴、汽车半轴、内燃机曲轴、镗杆、大型人字齿轮轴等典型零件为例进行分析。

（一）机床主轴
在选选用机床主轴的材料和热处理工艺时，必须考虑以下几点：
<1> 受力的大小。

不同类型的机床，工作条件有很大差别，如高速机床和精密机床主轴的工作条件与重型机床主轴的工作条件相比，无论在弯曲或扭转疲劳特性方面差别都很大。

<2> 轴承类型。

如在滑动轴承上工作时，轴颈需要有高的耐磨性。

<3> 主轴的形状及其可能引起的热处理缺陷。

结构形状复杂的主轴在热处理时易变形甚至于开裂，因此在选材上应给予重视。

主轴是机床中主要进零件之一，其质量好坏直接影响机床的精度和寿命。

因此必须根据主轴的工作条件和性能要求，选择用钢和制定合理的冷热加工工艺。

1、机床主轴的工作条件和性能要求C616-416车床主轴如图1-2所示。

该主轴的工作
条件如下：
①承受交变的弯曲应力与扭转应力，有时受到冲击载荷的作用；
②主轴大端内锥孔和锥度外圆，经常与卡盘、顶针有相对摩擦；
③花健部分经常有磕或相对滑动。

总之，该主轴是在滚动轴承中动转，承受中等负荷，转速中等，有装配精度要求，且受到一定的冲击力作用。

由此确定热处理技术条件如下：
①整体调质后硬度应为HB200~230，金相组织为回火索氏体；
②内锥孔和外圆锥面处硬度为HRC45~50，表面3~5㎜内金相组织为回火屈氏体和
少量回火马氏体；
③花键部分的硬度为HRC48~53，金相组同上。

2、选择用钢C616车床属于中速、中负荷、在滚动轴承中工作的机床，因此选用45
钢是可以的。

过去此主轴曾采用45钢经正火处理后使用；后来为了提高其强度和韧性，在粗车后又增加了调质工序。

而且调质状态的疲劳强度比正火为高，这对提高主轴抗疲劳
性能也是很重要的。

表1-1为45钢正火和调质后的机械性能比较。

3、主轴的工艺路线
下料→锻造→正火→粗加工（外圆留余4~5㎜）→调质→半精车外圆（留余2.5~3.5㎜），钻中心孔，精车外圆(留余0.6~0.7㎜，锥孔留余0.6~0.7㎜)，铣键槽→局部淬火（锥孔及外锥体）→车定刀槽，粗磨外圆(留余0.4~0.5㎜)，滚铣花键→花键淬火→精磨。

4、热处理工序的作用正火处理是为了得到合适和硬度（HB170~230），以便于机械加工，同时改善锻造组织，为调质处理作准备。

调质处理是为了使主轴得到高的综合机械性能和疲劳强度。

调质后硬度后硬度为HB200~230，组织为回火索氏体。

为了更好的发挥调质效果，将调质安排在粗加工后进行。

内锥孔和外圆锥面部分经盐浴局部淬火和回火后得到所要求的硬度，以保证装配精度和不易磨损。

5、热处理工艺调质淬火时由于主轴各部分的直径不同，应注意谈天问题。

调质后的变形虽然可以通过校直来修正，但校直时的附加应力对主轴精加工后的尺寸稳定性是不利的。

为减小变形，应注意淬火操作方法。

可采取预冷淬火和控制水中冷水机却时间来减小变形。

花键部分可用高频淬火以减小变形和达到硬度要求。

经淬火后的内锥孔和外圆锥面部分需经260~300℃回火，花键部分需经240~260℃回火，以消除淬火应力并达到规定的硬度值。

也有用球墨铸铁制造机床主轴的，如某厂用球墨铸铁的主轴淬火后硬度为HRC52~58,且变形量比45钢为小.
(二) 汽车半轴
汽车半轴是驱动车轮转动的直接驱动件。

半轴材料与其工作条件有关，中型载重汽车目前选用40Cr钢，而重型载汽车则选用性能更高的40CrMnMo钢。

1、汽车半轴的工作条件和性能在求以跃进型载重汽车（载重量为2500kg）的半轴为例。

半轴的简图如图9-28所示。

汽车半轴是传递扭矩的一个重要部件。

汽车运行时，发动机输出的扭矩，经过多级变速和主动器传递给半轴，再由半轴传动车轮。

在上坡或启动时，扭矩很大，特别在紧急制动或行驶在不平坦的道路上，工作条件更为繁重。

因此半轴在工作时承受冲击、反复弯曲疲劳和扭转应力的作用，要求材料有足够的抗弯强度和较好的韧性。

热处理技术条件：
硬度：杆部HRC37~44；
盘部外圆HRC24~34。

金相组织：回火索氏体或回火屈氏体。

弯曲度：杆中部≯1.8㎜，盘都跳动≯2.00㎜。

2、选择用钢根据JB529-64汽车半轴技术条件规定，半轴材料可选用40Cr、40CrMo、40CrMnMo钢。

同时规定调质后的半轴其金相组织淬透层应呈回火索氏体或回火屈氏体，心部（从中心到花键底半径四分之三范围内）允许有铁素体存在。

根据上述技术条件，选用40Cr钢能满足要求。

同时应指出，从汽车的整体性能来看，设计半轴时所采取的安全系数是比较小的。

这是考虑到汽车超载运行而发生事故时，半轴首先破坏对保护后桥内的主动齿轮不受损坏是有利的。

从这一点出发，半轴又是一个易损件。

3、半轴的工艺路线
下料→锻造→正火→机械加工→调质→盘部钻孔→磨花键
4、热处理工艺分析锻造后正火，硬度为HB187~241。

调质处理是使半轴具有高的综合机械性能。

淬火后的回火温度，根据杆部要求硬度HRC37~44，选用420±10℃回火。

回火后在水中冷却，以防止产生回火脆性。

同时水冷有利于增加半轴表面的压应力，提高其疲劳强度。

（三）内燃机曲轴
曲轴是内燃机中形状复杂而又重要的零件之一。

它在工作时受到内燃机周期性变化着的气体压力、曲柄连杆机构的惯性力、扭转和弯曲应力以及冲击力等的作用。

在高速内燃机中曲轴还受到扭转振动的影响，会造成很大的应力。

因此，对曲轴的性能要求是保证有高的强度，一定的冲击韧性和弯曲、扭转疲劳强度，在轴颈处要求有高的硬度和耐度磨性。

1、选择用钢一般以静力强度（σs、σb、ψ、δ）和冲击韧性作为曲轴的设计指标，并考疲劳强度。

内燃机曲轴材料的选择主要决定于内燃机的使用情况、功率大小、转速高低以及轴瓦材料等。

一般按下列情况进行选择：
低速内燃机曲轴采用正火状态的碳素钢或球墨铁；。