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轴类零件的加工和设计

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:轴类零件轴颈 夹具

中图分类号:TG51标识码:A

文章编号:10039082 (2017) 040001

机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,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.

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

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1、热加工工艺期刊

2、加工贸易论文