机械零件——轴实用教案

1、5.1.1 轴的分类和应用(yngyng)特点1.按照承受载荷的不同可分为(fn wi)转轴、心轴和传动轴三类。2. 转轴工作中既受弯矩又受扭矩的轴。合金元素溶入铁素体后，产生(chnshng)固溶强化，使铁素体的强度、硬度提高，但塑性、韧性都有下降趋势。第1页/共53页第一页，共54页。 传动轴只受扭矩不 受弯矩或弯矩很小的轴第2页/共53页第二页，共54页。心轴只受弯矩而不受扭矩的轴。它又分为转动(zhun dng)心轴和固定心轴两种。第3页/共53页第三页，共54页。2 2、 按照轴线(zhu xin)(zhu xin)形状的不同 可分为直轴、曲轴和软轴直轴按其外形的不同，可分为阶梯轴、

2、光轴、实心轴、空心轴。其轴线(zhu xin)(zhu xin)在同一条直线上。 光轴具有形状简单、加工方便、制造成本低、轴上应力集中源少等优点，其缺点是轴上零件不易装配定位。阶梯轴的特点则正好与光轴相反。因此，光轴常用作心轴和传动轴，阶梯轴常用作转轴。转轴 阶梯轴第4页/共53页第四页，共54页。轴一般都制成实心的(实心轴)。只有在因机器结构要求(yoqi)，需要在轴中安装其它零件或是减轻轴的质量具特别重大作用时，才将轴制成空心的(空心轴) 。第5页/共53页第五页，共54页。曲轴用以将旋转(xunzhun)运动与往复直线运动相互转变。第6页/共53页第六页，共54页。软轴是由几层紧贴在一起

3、的钢丝层构成的，它能把回转运动灵活地传到任何位置。主要用于两传动轴线不在同一直线或工作时彼此有相对运动的空间传动，也可用于受连续振动的场合(chng h)，具有缓和冲击的作用。第7页/共53页第七页，共54页。5.1.2 5.1.2 轴的常用(chn (chn yn)yn)材料轴的失效形式是： 因疲劳强度不足而产生疲劳断裂(dun li)(dun li)； 因静强度不足而生产塑性变形或脆性断裂(dun (dun li) li) ； 因刚度不足而产生过大弯曲及扭转变形； 高速时发生共振破坏等。 交变应力使轴易发生疲劳破坏，故轴的材料也 就首先要有足够的疲劳强度，当然还要考虑到经济性。第8页/共5

4、3页第八页，共54页。轴的常用材料主要是碳素钢和合金钢。轴的毛坯一般多为轧制圆钢和锻件。碳素钢具有足够的强度，比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较低，并且可通过正火或调质处理获得较好的综合(zngh)机械性能，故应用广泛，其中以45号钢经调质处理最为常用。合金钢具有较高的机械性能，但价格较贵，常用于制造有特殊要求的轴。如高速重载轴；受力大而又要求尺寸小、重量轻的轴；处于高温、低温或腐蚀性介质中的轴等。 形状发杂、尺寸大的轴也用球墨铸铁铸造成型。第9页/共53页第九页，共54页。5.1.3 5.1.3 轴的结构(jigu)(jigu)轴的结构设计就是使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。影响轴的结构形

5、状的因素有：轴上零件的类型、数量和尺寸轴上零件的安装位置、定位方法；载荷的大小(dxio)、方向和性质及分布情况；轴的制造工艺性等。第10页/共53页第十页，共54页。在进行轴结构设计时，应遵循的一般(ybn)(ybn)原则：1 1）轴和轴上零件要有准确的工作位置（定位）；2 2）各零件要牢固而可靠地相对固定（固定）；3 3）轴应具有良好的加工工艺性；（制造要求）4 4）轴上零件要易于装拆和调整（安装要求）；5 5）尽量减小应力集中；6 6）受力合理，有利于节约材料，减轻轴的重量。第11页/共53页第十一页，共54页。在进行轴的结构设计时，首先应拟定轴上零件的装配方案轴上零件的装配方案大体决定

6、了轴的基本形式。装配方案，就是预定出轴上主要零件的装配方向、顺序和相互(xingh)关系。同一个设计任务，轴上零件的装配方案不同，可有不同的结构。如图所示是两种不同装配方案得出的两种不同的轴结构。在拟定装配方案时，一般应考虑几个方案，进行分析比较与选择。一、制造安装要求为便于轴上零件的装拆，常将轴做成阶梯形。第12页/共53页第十二页，共54页。对于(duy)(duy)一般剖分式箱体中的轴，它的直径从轴端逐渐向中间增大。如图14-714-7所示，可依次将齿轮、套筒、左端滚动轴承、轴承盖和带轮从轴的左端装拆，另一滚动轴承从右端装拆。为使轴上零件易于安装，轴端及各轴段的端部应有倒角。轴上磨削的轴段

7、，应有砂轮越程槽（图14-714-7中与的交界处）；车制螺纹的轴段，应有退刀槽。在满足使用要求的情况下，轴的形状和尺寸应力求简单，以便于加工。 二、轴上零件的定位 轴上零件的轴向定位方式主要是轴肩和套简定位。第13页/共53页第十三页，共54页。第14页/共53页第十四页，共54页。阶梯轴上截面变化处叫做轴肩，起轴向定位作用。在图14-714-7中，、间的轴肩使齿轮在轴上定位；、间的轴肩使带轮定位；、间的轴肩使右端滚动轴承定位。有些零件依靠套简定位，如图14-714-7中的左端滚动轴承。三、轴上零件的固定轴上零件的轴向固定，常采用轴肩、套简、螺母(lum)(lum)或轴端挡圈（又称压板）等形式

8、。在图14-714-7中，齿轮能实现轴向双向固定。齿轮受轴向力时，向右是通过、间的轴肩，并由、间的轴肩顶在滚动轴承内圈上；向左则通过套简顶在滚动轴承内圈上。带轮的轴向固定是靠、间的轴肩以及轴端挡圈。第15页/共53页第十五页，共54页。无法(wf)采用套简或套简太长时，可采用圆螺母加以固定(图14-8)。图14-9所示是轴端挡圈的一种型式。 采用套筒、螺母、轴端挡圈作轴向固定时，应把装零件的轴段长度做得比零件轮毂(lng)短23 mm，以确保套筒、螺母或轴端挡圈能靠紧零件端面（图14-7，14-8）。 第16页/共53页第十六页，共54页。 为了保证轴上零件(ln jin)紧靠定位面（轴肩），

9、轴肩的圆角半径r必须小于相配零件(ln jin)的倒角C1或圆角半径R，轴肩高h必须大于C1 或R。 轴向力较小时(xiosh)，零件在轴上的固定可采用弹性挡圈或紧定螺钉。 第17页/共53页第十七页，共54页。三调质(dio zh)钢成分中碳： 0.25%0.5%（一般(ybn)为0.4%左右）。合金元素 ：l主加元素Mn、Si、Cr、Ni、B等，主要作用提高淬透性；次要作用溶入铁素体起固溶强化作用。l辅加元素Mo、W、V等强碳化物形成元素，其中Mo、W的主要作用是抑制含Cr、Ni、Mn、Si等合金调质钢的高温(gown)回火脆性，次要作用是改善淬透性；V主要作用形成碳化物阻碍奥氏体晶粒长大

10、，起细晶强化和弥散强化作用。第18页/共53页第十八页，共54页。 用途：制造受力复杂（交变应力、冲击载荷等）的重要零件，如发动机连杆、曲轴、机床主轴等。 性能：具有( jyu)优良的综合力学性能，即既强又韧 热处理： 预先热处理：正火处理（Me含量低） 或正火高温回火（Me含量高） 最终热处理 ：调质，即淬火高温回火。 组织：S回连杆(lin n)第19页/共53页第十九页，共54页。40Cr钢制造连杆螺栓(lushun)的热处理工艺曲线第20页/共53页第二十页，共54页。四弹簧钢成分：中高碳：碳素弹簧钢0.60.9%C，合金(hjn)弹簧钢0.450.70%C，经淬火加中温回火后得到回火

11、托氏体组织，能较好地保证弹簧的性能要求。合金(hjn)元素 主加元素为Si、Mn等，其主要作用是提高淬透性、回火稳定性、强化F基体；辅加元素为Mo、W、V等强碳化物形成元素，主要作用有防止Si引起的脱碳缺陷，并细化晶粒及进一步提高弹性极限与屈强比。第21页/共53页第二十一页，共54页。用途：制造各种( zhn)弹簧和弹性元件或类似性能要求的结构零件性能：高的弹性极限e和屈强比s/b，高的疲劳极限；热处理 热轧弹簧：热成型 淬火 + 中温回火 喷丸 冷轧弹簧：淬火 + 中温回火 冷成型 去应力 喷丸 第22页/共53页第二十二页，共54页。 热成形弹簧 对截面尺寸10mm各种大型和形状复杂的弹

12、簧均采用热成形(如热轧、热卷)，如汽车、拖拉机、火车(huch)的板簧和螺旋弹簧。其加工路线：下料加热压弯或卷绕淬火中温回火喷丸，使用状态组织为回火托氏体。喷丸可强化表面并提高弹簧表面质量，显著改善疲劳性能。（也可采用等温淬火获得下贝氏体、或形变热处理，提高弹簧的性能和寿命）。汽车(qch)板簧热卷大弹簧(tnhung)第23页/共53页第二十三页，共54页。 冷成形弹簧 截面尺寸10mm的各种小型弹簧可采用冷成形(如冷卷、冷轧)，如仪表中的螺旋弹簧、发条及弹簧片等。这类弹簧在成形前先进行冷拉（冷轧）、淬火中温回火或铅浴等温淬火后冷拉（轧）强化；然后(rnhu)再进行冷成形加工，此过程中将进一

13、步强化金属，但也产生了较大的内应力和脆性，故在其后应进行低温去应力退火（一般200400）。 弹簧(tnhung)丝发条(f tio)第24页/共53页第二十四页，共54页。五滚动轴承(gndngzhuchng)钢 成分高碳：0.95%1.15%C，保证轴承钢高硬度和高耐磨性；低铬：0.40%1.65%Cr，增加(zngji)钢的淬透性，并形成合金渗碳体(Fe、Cr)3C提高接触疲劳极限和耐磨性。大型轴承加入Si、Mn、Mo、 V等元素以进一步提高淬透性和强度。第25页/共53页第二十五页，共54页。用途：制造各种滚动轴承(gndngzhuchng)的滚动体（滚珠、滚柱）和内外套圈的专用钢种，

14、也可用于制作精密量具、冷冲模、机床丝杆及油泵油嘴的精密偶件如针阀体、柱塞等耐磨件。性能：高的硬度强度和耐磨性;高的接触疲劳强度;足够的韧性和耐蚀性;高的纯净度;热处理预先热处理：球化退火，以改善切削加工性并为淬火作组织准备；最终热处理：淬火低温回火，决定轴承钢的性能，得到高硬度（6266HRC）和高耐磨性。冷处理：消除A残与内应力、稳定组织、提高轴承的尺寸精度。组织(zzh) ： M回细碳化物少量A残 第26页/共53页第二十六页，共54页。4 合金(hjn)工具钢 第27页/共53页第二十七页，共54页。一、刃具(rnj)钢 性能(xngnng)要求 高的硬度（6066HRC）和耐磨性。高的

15、热硬性，即钢在高温下（500600）保持高硬度（60HRC左右）的能力，这是高速切削加工刀具必备的性能(xngnng)。适当的韧性。 第28页/共53页第二十八页，共54页。（一）碳素工具钢 成份 含碳量约 0.61.3 % 性能 常温硬度（HRC6062）及耐磨性较好。 但淬透性差、热硬性差。 热处理： 预先(yxin)热处理：球化退火，降低硬度便于切削加工，并为淬火作组织准备 最终热处理：淬火低温回火 组织：回火马氏体细粒状渗碳体少量残余奥氏体。第29页/共53页第二十九页，共54页。（二）低合金刃具(rnj)钢 成分： 高碳，含 0.91.5 % C ，添加Si、Mn、Cr、等合金元素，

16、提高钢的淬透性和回火稳定性，进一步改善刀具的硬度和耐磨性；强碳化物形成元素(如W、V等)所形成的碳化物除对耐磨性有提高作用外，还可提高钢的热硬性。 性能(xngnng)：低合金工具钢的淬透性和综合力学性能(xngnng)好，但由于其内的合金元素主要是淬透性元素，而不是含量较多的强碳化物形成元素(W、Mo、V等)，故仍不具备热硬性特点，刀具刃部的工作温度一般不超过250，否则硬度和耐磨性迅速下降，甚至丧失切削能力，因此这类钢属于低速切削刃具钢。 第30页/共53页第三十页，共54页。9 SiCr 钢板(gngbn)牙热处理工艺曲线板牙(bny)第31页/共53页第三十一页，共54页。（三）高速钢

17、成分（W18Cr4V）高碳 0.71.5%：保证高硬度钨 18%：形成碳化物；在560左右(zuyu)回火时， 弥散析出W2C， 造成二次硬化，提高钢的红硬性。钼 5%：1%Mo的作用等同于2%W。铬 4%：形成碳化物；提高钢的淬透性。钒1.5%：形成VC，硬度极高，提高钢的硬度和耐磨性，产生二次硬化。性能：高硬度、高耐磨性、高的红硬性（600时，HRC63以上）、有一定的强度(qingd)和韧性。盘形铣刀(x do)第32页/共53页第三十二页，共54页。W18Cr4V钢的生产工艺及热处理特点(tdin) 工艺(gngy)路线：下料 锻造 退火 机加工 淬火 三次回火 喷砂 磨削 第33页/

18、共53页第三十三页，共54页。 锻造：高速钢属于莱氏体钢，铸态组织中含有大量呈鱼骨状的粗大共晶碳化物，钢的韧性大幅下降。不能用热处理来消除，只能依靠反复多次锻打来击碎。 退火：消除应力，调整组织，便于机加工，为淬火作好组织准备。退火后的组织 : S + 粒状碳化物 淬火 : 1280；淬火后的组织：M+Cm+A残(2025%) 三次(sn c)回火 ：消除A残；并产生二次硬化 弥散硬化：W2C、VC 弥散析出； 二次淬火： A残中析出合金碳化物，使A残中合金的浓度下降，MS 上升，在随后的冷却过程中转变为M。第34页/共53页第三十四页，共54页。W18Cr4V铸态组织 420 第35页/共5

19、3页第三十五页，共54页。W18Cr4V锻造组织 210 第36页/共53页第三十六页，共54页。W18Cr4V淬火+ 三次回火组织 420 第37页/共53页第三十七页，共54页。二模具钢（一）冷作(ln zu)模具钢工作条件与性能要求：在常温下使金属材料变形成型的模具用钢，工作温度200300；模具承受很大的载荷及摩擦、冲击作用；冷作(ln zu)模具钢应具有高硬度、高耐汽车车门模具 成分(chng fn)： 高碳 合金元素：Cr， Mo、W、V磨性、高强度和足够(zgu)的韧性；冷作模具对淬透性、耐磨性尤其是韧性方面的要求更高一些，冷作模具钢应是高碳成分并多在回火马氏体状态下使用。第38

20、页/共53页第三十八页，共54页。（二）热作模钢 工作条件与性能要求(yoqi)：使热态金属成形的模具用钢。热锻模工作部分的温度会升高到300400、热挤压模可达500800、甚至近1000，因交替加热冷却的温汽车曲轴(qzhu)模具 度循环产生(chnshng)交变热应力；热作模具常见的失效形式有变形、磨损、开裂和热疲劳等，要求模具钢应具有良好的高温强韧性、高的热疲劳和热磨损抗力、一定的抗氧化性和耐蚀性等。 成分：中碳 0.30.6 %；合金元素:Cr、Ni、Mn、Si、Mo、W、V。第39页/共53页第三十九页，共54页。三量具(lingj)钢 性能要求：高的硬度和耐磨性、良好的尺寸稳定性

21、。 成分：高碳 ；合金元素：Cr， Mn、W。 应用 简单量具 T10A、T12A 等。 高精度量具 GCr15、9SiCr、CrWMn 热处理：淬火(cu hu) + 冷处理 + 低温回火 + 时效处理 最终组织 ： M回+ 合金碳化物千分尺第40页/共53页第四十页，共54页。温度650820-840油冷冷处理140-160110-120110-120时效处理精磨研磨CrWMn钢制块规退火后的热处理工艺3h3h30h-75-78第41页/共53页第四十一页，共54页。四 特殊(tsh)性能钢（一）不锈钢 金属腐蚀的种类:化学腐蚀 金属表面与周围介质直接发生化学反应而引起的腐蚀。如金属高温时

22、的氧化，钢的脱碳 。 电化学腐蚀金属材料（合金或不纯(b chn)的金属）与电解质溶液接触 ， 通过电极反应产生的腐蚀。如钢的生锈。 第42页/共53页第四十二页，共54页。金属的防腐(fngf)“多相”易腐蚀，“单相”不易腐蚀两相若电极电位接近耐腐蚀(Cr、Ni提高基体电极电位)表面致密的氧化膜也耐腐蚀(Al2O3、Cr2O3)化学成分特点:低碳：耐蚀性要求愈高，碳含量愈低。合金元素：主加Cr。辅加Ni、Mo、Cu、Ti、Nb、Mn 等。第43页/共53页第四十三页，共54页。铁素体不锈钢 碳含量12%时能起到钝化作用(zuyng)。此类钢在氧化性介质中（如大气、海水、氧化性酸）耐蚀。 常见

23、的马氏体不锈钢有：Cr13型如1Cr13、2Cr13、3Cr13。第45页/共53页第四十五页，共54页。奥氏体不锈钢 奥氏体不锈钢：是在Cr18Ni8（18-8）基础上发展起来的，低碳（0.12）、高铬（18）和较高镍（9）；Cr主要起钝化作用，Ni主要起扩大A相区的作用。此类钢具有最佳的耐蚀性，但相应(xingyng)地价格也较高；优良的低温韧性、高的加工硬化能力、耐热性，其冷塑性加工性和焊接性能较好。 以Cr18Ni8普通型奥氏体不锈钢用量最大，牌号有1Cr18Ni9，1Cr18Ni9Ti及0Cr18Ni9等。 第46页/共53页第四十六页，共54页。（二）耐热钢定义:在高温下具有抗氧化

24、性和高温强度的特殊钢。高温强度（热强性）指标有：蠕变(r bin)极限：材料在高温长期载荷下对缓慢塑性变形（即蠕变(r bin)）的抗力；以 表示700下经1000h产生0.2%残余变形量的最大应力。持久强度：材料在高温长期载荷下对断裂的抗力；以 表示在500下经10000h发生断裂的应力值。7001000/2 . 050010000第47页/共53页第四十七页，共54页。提高钢抗氧化性的途径：加入Cr、Al、Si在钢表面生成致密稳定连续(linx)而牢固的Cr2O3、Al2O3、SiO2氧化膜。提高钢热强性的途径：基体固溶强化：加入元素Cr、Ni、W、Mo等，形成单相组织并提高再结晶温度。第二相弥散强化：加入元素V、Ti、Nb、Al等，形成细小弥散分