轴类零件设计中注意的问题

田莉莉

烟台工程职业技术学院，山东烟台 264006

轴类零件加工的主要问题是如何保证各加工表面的尺寸精度、表面粗糙度和主要表面之间的相互位置精度。锻造厂轴类零件加工的典型工艺路线如下：

毛坯及其热处理→预加工→车削外圆→铣键槽等→热处理→磨削

1 CA6140主轴加工工艺分析

1.1 CA6140主轴技术条件的分析

1.1.1 支承轴颈的技术要求

主轴两支承轴颈A、B的圆度允差 0.005mm，径向跳动允差0.005mm，两支承轴颈的1：12锥面接触率＞70%，表面粗糙度Ra0.4um。支承轴颈直径按IT5-7级精度制造。主轴外圆的圆度要求，对于一般精度的机床，其允差通常不超过尺寸公差的50%，对于提高精度的机床，则不超过25%，对于高精度的机床，则应在 5%～10%之间。

1.1.2 锻造厂锥孔的技术要求

主轴锥孔（莫氏 6号）对支承轴颈 A、B的跳动，近轴端允差 0.005mm，离轴端300mm处允差 0.01mm，锥面的接触率 ＞70%，表面粗糙度Ra0.4um，硬度要求 HRC48。

1.1.3 短锥的技术要求

短锥对主轴支承轴颈A、B的径向跳动允差0.008mm，端面D对轴颈A、B的端面跳动允差0.008mm，锥面及端面的粗糙度均为Ra0.8um。

1.1.4 空套齿轮轴颈的技术要求

空套齿轮的轴颈对支承轴颈A、B的径向跳动允差为0.015mm。

1.1.5 螺纹的技术要求

锻造厂这是用于限制与之配合的压紧螺母的端面跳动量所必须的要求。因此在加工主轴螺纹时，必须控制螺纹表面轴心线与支承轴颈轴心线的同轴度，一般规定不超过0.025mm。

1.2 轴类零件锻造加工的主要技术要求

1.2.1 尺寸精度

轴颈是轴类锻件锻造厂的主要表面，它影响轴的回转精度及工作状态。轴颈的直径精度根据其使用要求通常为IT6～9，精密轴颈可达IT5。

1.2.2 几何形状精度

轴颈的几何形状精度（圆度、圆柱度），一般应限制在直径公差点范围内。对几何形状精度要求较高时，可在零件图上另行规定其允许的公差。

1.2.3 位置精度

主要是指装配传动件的配合轴颈相对于装配轴承的支承轴颈的同轴度，通常是用配合轴颈对支承轴颈的径向圆跳动来表示的；根据使用要求，规定高精度轴为0.001mm～0.005mm，而一般精度轴为0.01mm～0.03mm。

此外还有内外圆柱面的同轴度和轴向定位端面与轴心线的垂直度要求等。

1.2.4 表面粗糙度

锻造厂根据零件的表面工作部位的不同，可有不同的表面粗糙度值，例如普通机床主轴支承轴颈的表面粗糙度为Ra0.16um～0.63um，配合轴颈的表面粗糙度为Ra0.63um～2.5um，随着机器运转速度的增大和精密程度的提高，轴类零件锻造加工后表面粗糙度值要求也将越来越小。

2 热处理问题

根据金属材料学基本原理，金属材料的组织结构直接决定了其力学性能，同时在热处理之后能否被淬透，得到马氏体组织，是决定材料力学性能的关键因素之一。而衡量钢材料经热处理之后获得马氏体组织能力的一个关键指标是钢的淬透性，同时钢的淬透性还直接决定了淬火之后所获得淬硬层的厚度。

2.1 大截面45号钢轴类零件热处理试验分析

钢热处理力学后的力学性能除了受到其淬透性的影响外，还受到其他相关因素的影响，包括尺寸和零件的结构等因素，其中尺寸是一个比较重要的因素。对于45号钢而言，其在水中的淬透临界直径为14mm～22mm。这就使得在进行大直径、大截面45号钢零件进行淬火时，其淬硬层的深度一直是热处理工艺中最为关心的问题之一，它直接关系到热处理之后工件的相关性能是否能达到设计的要求。

2.1.1 试验方法

实验中所采用的零件材料为在生产现场进行调质处理的45号钢，其主要的化学成分为：C 0.43%-0.51%、Si 0.18%-0.38%、Mn 0.49%-0.79%，S 0.04%-0.056%、P 0.040%。零件的直径为这样六种：40mm、60mm、80mm、100mm、120mm和150mm，同时其长度均大于直径的2.5倍，棒材在剥去外表层1 mm厚的表皮之后留待备用。试验中零件进行淬火的温度为845℃，而淬火介质是浓度为10%的盐水，回火温度为200℃～600℃。在进行热处理之后，需要磨去其表面的氧化皮，确保接下来的硬度测试的准确性及表面积碳对工件硬度造成的影响。每个试样进行热处理之后，在其长度的二分之一处用砂轮机在水冷的条件下进行剖开，沿同心圆对硬度进行测定，以确保数据的可靠程度。

2.1.2 试验结果及分析

经过试验之后，我们可以发现大截面45号钢的淬硬深度仅为lmm～5mm，而且除了表面层可以获得马氏体组织外，淬硬层大部分都不是马氏体组织。同时，由于传统的销轴类零件在加工过程中，调质处理一般都安排在了粗加工之前，而且其预留的加工余量通常设置为2.5mm，这对于大截面的45号钢零件来讲，经过粗加工之后，调质处理基本上没有起到作用。因此，我们在加工大截面的轴类零件时，调质处理应该安排在粗加工工序之后，这样才能达到预定的要求。

1）采用淬火结合低温回火来替代调质处理

随着工程机械市场的不断发展，在其中大量采用的大截面45号钢轴类零件大量采用，这就在一定程度上加大了对其热处理质量的要求。在进行热处理过程中，有的是将调质处理作为最终的热处理工艺，而有的只是将调质处理作为预热处理程序，之后还需要进行表面高频淬火及中频淬火等。通过上面的试验我们可以知道，我们可以在适当的条件下采用淬火结合加低温回火的热处理方式来替代调质等处理工序。这是由于淬硬层在200℃温度中进行回火之后得到的将是回火马氏体组织，其力学性能，包括硬度、强度及耐磨性等方面均要远远高于回火索氏体，同时还可以产生表面残余应力，大大的提高轴的疲劳强度，其综合力学性能基本上达到了表面淬火所得到的1mml～5mml的硬化层的力学性能。

2）用正火处理替代调质处理作为预备热处理工序

对于直径大于100 mm的大截面45号钢轴类零件而言，其淬硬深度一般在1mm～2mm之间。除了表层之外，淬硬层的大部分并不是马氏体组织。因此，一般在进行高温回火之后仅能在轴的表面得到具有综合力学性能较好的回火索氏体，其热处理效果有限。因此，我们可以采用正火来替代调质处理，将其作为淬火前的预备热处理工序，这样不仅可以达到零件的使用力学性能要求，同时还能在一定程度上降低生产成本，节约资源，提高生产效率。

2.2 汽车前轴热处理工艺概述

轴类零件的热处理工艺除了明显受到尺寸的影响之外，还与材料种类具有重要联系。下面以汽车前轴的热处理工艺，对该问题进行探讨。汽车前轴材料为42CrMo，要求在调质处理后的硬度达到240-305HB，金相组织为1-4级的回火索氏体。

在进行生产试验中，先后进行了油淬、亚温淬火、复合亚温淬火及PGA淬火试验与批量淬火回火生产。试验表明，前三种热处理方式都不能达到设计要求的力学性能。其中，采用油淬处理之后得到的硬度仅为260HB～299HB，且得到的金相组织为回火索氏体和铁素体，没有达到设计要求；采用亚温淬火后得到的轴类零件的硬度达到46HRC～50HRC，硬度达到设计要求，但是其得到的金相组织为回火素氏体和棒状铁素体，不能达到设计要求；采用复合亚温淬火热处理之后得到的零件硬度能达到要求，但是金相组织和亚温淬火相似，也不符合要求；而采用PGA淬火之后，硬度在242HB～305HB之间，而且金相组织为回火索氏体，两方面都达到了设计的力学性能要求。

3 结论

综上所述，在对轴类零件进行热处理时，应该针对不同的材料种类和零件结构尺寸等进行具体的热处理设计。在对大截面45号钢轴类零件进行热处理时，可以采用淬火加低温回火的方式替代调质处理，在提高轴的硬度、强度及耐磨性的同时，还可以使得轴的芯部具有一定的抗冲击能力。而在对汽车前轴进行热处理时，要根据具体的设计目的对热处理工艺进行设计。

[1]徐祥翔，席平.数控加工仿真系统中刀具库的建立[J].机械工程师，2003(4).

[2]李伯虎，柴旭东，熊光楞，等.复杂产品虚拟样机工程的研究与初步实践[J].系统仿真学报，2002(3).

[3]Xiao Tianyuan.progress and Prospect of the research on virtual manufacturing[J].system simulation，2004(9).

[4]Cheng Changdong.information source；a class of hybrid systems simulation clock synchronization method and performance evaluation[J].Beihang University，1999(5).