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        軸類加工

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        1.1 概述
        1.1.1軸的分類
        1.1.2軸的毛坯與材料
        1.1.3軸的失效形式和計算準則
        1.2 軸的結構設計
        1.2.1軸的結構組成
        1.2.2零件在軸上的定位
        1.2.3軸結構的工藝性
        1.2.4軸結構的設計步驟
        1.3 軸的設計計算
        1.3.1軸的強度計算
        1.3.2軸的剛度計算
        1.3.3提高軸的強度、剛度措施
        1.1 概述
        軸是組成機器的重要零件之一。用于支承作回轉運動或擺動的零件來實現其回轉或擺動,使其有確定的工作位置.
        1.1.1 分類
        1.按照軸線形狀分類:軸可分為直軸、曲軸和軟軸
        (1)直軸:直軸按外形不同可分為光軸、階梯軸及一些特殊用途的軸,如凸輪軸、花鍵軸齒輪軸及蝸桿軸等。
        (2)曲軸:曲軸是內燃機、曲柄壓力機等機器上的專用零件,用以將往復運動轉變為旋轉運動,或作相反轉變。
        (3)軟軸:軟軸主要用于兩傳動軸線不在同一直線或工作時彼此有相對運動的空間傳動,也可用于受連續振動的場合,以緩和沖擊。
        2.按照所受載荷性質分類:軸可分為心軸、轉軸和傳動軸。
        (1)心軸:通常指只承受彎矩而不承受轉矩的軸。如自行車前、后輪軸,汽車輪軸。
        (2)轉軸:既受彎矩又受轉矩的軸。轉軸在各種機器中最為常見。
        (3)傳動軸:只受轉矩不受彎矩或受很小彎矩的軸。車床上的光軸、連接汽車發動機輸出軸和后橋的軸,均是傳動軸。
        1.1.2軸的毛坯與材料
        1.軸的材料:首先應有足夠的強度,對應力集中敏感性低;還應滿足剛度、耐磨性、耐腐蝕性及良好的加工性。常用的材料主要有碳鋼、合金鋼、球墨鑄鐵和高強度鑄鐵。
        選擇軸的材料時,應考慮軸所受載荷的大小和性質、轉速高低、周圍環境、軸的形狀和尺寸、生產批量、重要程度、材料機械性能及經濟性等因素,選用時注意如下幾點:
        (1) 碳鋼有足夠高的強度,對應力集中敏感性較低,便于進行各種熱處理及機械加工,價格低、供應充足,故應用最廣。一般機器中的軸,可用30、40、45、50等牌號的優質中碳鋼制造,尤以45號鋼經調質處理最常用。
        (2) 合金鋼機械性能更高,常用于制造高速、重載的軸,或受力大而要求尺寸小、重量輕的軸。至于那些處于高溫、低溫或腐蝕介質中工作的軸,多數用合金鋼制造。常用的合金鋼有:12CrNi2、12CrNi3、20Cr、40Cr、38SiMnMo等。
        (3) 通過進行各種熱處理、化學處理及表面強化處理,可以提高用碳鋼或合金鋼制造的軸的強度及耐磨性。特別是合金鋼,只有進行熱處理后才能充分顯示其優越的機械性能。
        (4) 合金鋼對應力集中的敏感性高,所以合金鋼軸的結構形狀必須合理,否則就失去用合金鋼的意義。另外,在一般工作溫度下,合金鋼和碳鋼的彈性模量十分接近,因此依靠選用合金鋼來提高軸的剛度是不行的,此時應通過增大軸徑等方式來解決。
        (5)球墨鑄鐵和高強度鑄鐵的機械強度比碳鋼低,但因鑄造工藝性好,易于得到較復 雜的外形,吸振性、耐磨性好,對應力集中敏感性低,價廉,故應用日趨增多。
        1.1.3 軸的失效形式和計算準則
        1. 軸的失效形式:主要有因疲勞強度不足而產生的疲勞籪裂、因靜強度不足而產生的塑性變形或脆性籪裂、磨損、超過允許范圍的變形和振動等。
        2.軸的設計應滿足如下準則:
        (1)根據軸的工作條件、生產批量和經濟性原則,選取適合的材料、毛坯形式及熱處理方法。
        (2)根據軸的受力情況、軸上零件的安裝位置、配合尺寸及定位方式、軸的加工方法等具體要求,確定軸的合理結構形狀及尺寸,即進行軸的結構設計。
        (3)軸的強度計算或校核。對受力大的細長軸(如蝸桿軸)和對剛度要求高的軸,還要進行剛度計算。在對高速工作下的軸,因有共振危險,故應進行振動穩定性計算。
        1.2軸的結構設計
        1.2.1軸的結構組成
        1.2 軸的結構設計
        軸的結構設計的任務,就是在滿足強度、剛度和振動穩定性的基礎上,根據軸上零件的定位要求及軸的加工、裝配工藝性要求,合理地定出軸的結構形狀和全部尺寸。
        1.2.1 軸結構的組成
        軸主要由軸頸、軸頭、軸身三部分組成。軸上被支承部分叫做軸頸;安裝輪轂部分叫做軸頭;連接軸頸和軸頭的部分叫軸身。
        1.2.2零件在軸上的定位
        1.2.2 零件在軸上的定位
        1. 零件在軸上的軸向定位:零件在軸上的軸向定位方法,主要取決于它所受軸向力的大小。此外,還應考慮軸的制造及軸上零件裝拆的難易程度、對軸強度的影響及工作可靠性等因素。
        常用軸向定位方法有:軸肩(或軸環)、套筒、圓螺母、擋圈、圓錐形軸頭等。
        (1)軸肩:軸肩由定位面和過度圓角組成。為保證零件端面能靠緊定位面,軸肩圓角半徑必須小于零件轂孔的圓角半徑或倒角高度;為保證有足夠的強度來承受軸向力,軸肩高度值為h=(2-3)R。
        (2)軸環:軸環的功用及尺寸參數與軸肩相同,寬度b≥1.4h。若軸環毛坯是鍛造而成,則用料少、重量輕。若由圓鋼毛坯車制而成,則浪費材料及加工工時。
        1.2.3 軸結構的工藝性
        所謂軸的結構的工藝性,是指軸的結構應盡量簡單,有良好的加工和裝配工藝性,以利減少勞動量,提高勞動生產率及減少應力集中,提高軸的疲勞強度。
        1. 設計合理的結構,利于加工和裝配
        (1)為減少加工時換刀時間及裝夾工件時間,同根軸上所有圓角半徑、倒角尺寸、退刀槽寬度應盡可能統一;當軸上有兩個以上鍵槽時,應置于軸的同一條母線上,以便一次裝夾后就能加工。
        (2)軸上的某軸段需磨削時,應留有砂輪的越程槽;需切制螺紋時,應留有退刀槽。
        (3)為去掉毛刺,利于裝配,軸端應倒角。
        (4)當采用過盈配合聯結時,配合軸段的零件裝入端,常加工成導向錐面。若還附加鍵聯結,則鍵槽的長度應延長到錐面處,便于輪轂上鍵槽與鍵對中。

        5)如果需從軸的一端裝入兩個過盈配合的零件,則軸上兩配合軸段的直徑不應相等,否則第一個零件壓入后,會把第二個零件配合的表面拉毛,影響配合。
        1.2.4軸結構的設計步驟
        軸的結構設計須在經過初步強度計算,已知軸的最小直徑以及軸上零件尺寸(主要是轂孔直徑及寬度)后才進行。其主要步驟為:
        1.確定軸上零件裝配方案:軸的結構與軸上零件的位置及從軸的哪一端裝配有關。如圖所示,

         

        2.確定軸上零件定位方式:根據具體工作情況,對軸上零件的軸向和周向的定位方式進行選擇。軸向定位通常是軸肩或軸環與套筒、螺母、擋圈等組合使用,周向定位多采用平鍵、花鍵或過盈配合聯結。
        3.確定各軸段直徑:軸的結構設計是在初步估算軸徑的基礎上進行的,為了零件在軸上定位的需要,通常軸設計為階梯軸。根據作用的不同,軸的軸肩可分為定位軸肩和工藝軸肩(為裝配方便而設),定位軸肩的高度值有一定的要求;工藝軸肩的高度值則較小,無特別要求。所以直徑的確定是在強度計算基礎上,根據軸向定位的要求,定出各軸段的最終直徑。
        4.確定各軸段長度:主要根據軸上配合零件轂孔長度、位置、軸承寬度、軸承端蓋的厚度等因素確定。
        1.3軸的設計計算
        軸在實際工作中,承受各種載荷。設計計算是確保軸可以承受載荷、可靠工作的重要保證。根據軸的失效形式,對軸的計算內容通常為強度計算、剛度計算和臨界轉速計算。
        1.3.1軸的強度計算
        軸的強度計算應根據軸的承載情況,采用相應的計算方法。軸的計算方法主要有三種方法:許用切應力計算;許用彎曲應力計算;安全系數校核計算。
        1.許用切應力計算
        許用切應力計算只需知道轉矩大小,方法簡便,但計算精度低。它主要用于下列情況:(1)傳遞以轉矩為主的傳動軸;(2)初步估算軸徑以便進行結構設計;(3)不重要的軸。
        受轉矩T(N.mm)的實心軸,其切應力為:

        MPa (1.1)
        寫成設計公式,軸的最小直徑

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