第1章 轴类零件的结构特点和工艺分析
1.1 轴类零件的结构特点
轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。它主要用来支承传动零部件，传递扭矩和承受载荷。轴类零件是旋转体零件，其长度大于直径，一般由同心轴的外圆柱面、圆锥面、内孔和螺纹及相应的端面所组成。根据结构形状的不同，轴类零件可分为光轴、阶梯轴、空心轴和曲轴等。
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，其技术要求一般根据轴的主要功用和工作条件制定，通常有以下几项：
尺寸精度起支承作用的轴颈为了确定轴的位置，通常对其尺寸精度要求较高（IT5~IT7）。装配传动件的轴颈尺寸精度一般要求较低（IT6~IT9）。
1.2 轴类零件的受力分析
（1）承受较大的交变弯曲应力、扭转应力。
（2）轴颈和花键部位承受较大的摩擦。
（3）一定的冲击载荷
1.3 轴类零件的加工工艺分析
轴类零件可根据使用要求、生产类型、设备条件及结构，选用棒料、锻件等毛坯形式。对于外圆直径相差不大的轴，一般以棒料为主；而对于外圆直径相差大的阶梯轴或重要的轴，常选用锻件，这样既节约
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又减少机械加工的工作量，还可改善机械性能。根据生产规模的不同，毛坯的锻造方式有自由锻和模锻两种。中小批生产多采用自由锻，大批大量生产时采用模锻。
1.4 阶梯轴的尺寸图
图1-1阶梯轴的尺寸
第2章 轴类零件的选材与热处理
2.1 轴类零件的选材分析
（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。
2.2 轴类零件的选材实例
机床主轴。下图是C6132卧式车床主轴，工作时主要承受交变弯曲应力、扭转应力作用和一定的冲击载荷，运转较平稳。要求具有良好的综合力学性能，锥孔、外圆锥面、花键表面要求耐磨。 现选用45钢制造，其工艺路线如下：
下料→锻造→正火→粗加工→调质→半精加工（花键除外）→局部淬火（内外圆锥面）+低温回火→粗磨→铣花键→花键感应淬火+低温回火→精磨。
整体调质硬度可达到220～250HBS；内外圆锥面采用盐浴局部淬火和低温回火，硬度为45～50HRC；花键部分采用高频感应淬火和低温回火，硬度为48～53HRC。
图2-1 C6132卧式车床主轴简图
2.3 轴类零件的热处理
(1)38CrMoAlA钢 热处理工艺路线:退火y调质y高温除应力y渗氮。在切削加工前进行完全退火,消除锻造应力。在外圆精车前进行调质,930e@3h油或水冷,650e@6h高温回火,调质后的硬度为265~295HB,金相检查要求离表面10mm处铁素体量<5%。在粗磨处圆后进行高温除应力,630e@5h炉冷,350e出炉空冷,消除切削加工引起的残余应力。在外圆精磨前进行渗氮,(500~520)e@5h+550e@25h两段渗氮,渗氮层深度Y0.45mm,硬度>950HV,脆性级别Z2级。 (2)9Mn2V钢 热处理工艺路线:球化退火y调质y中频淬火y人工时效。在切削加工前进行球化退火,760e@4h或690e@6h,球化1.5~5级,网状碳化物1~3级。在外圆精车前进行调质,800e@3h油冷,630e~650e高温回火,在外圆精车后进行中频淬火,用2500匝线圈连续加热冷却,850e水冷,过冷度<5mm,淬硬层3~5mm,有明显变形时校直,180e@8h低温回火。
(3)GCr15钢 热处理工艺路线:球化退火y淬火+冷处理+低温回火(连续完成)y人工时效y二次人工时效。在切削加工前进行球化退火,760e@4h或690e@6h,使锻后硬度降低,硬度<210HB,以利于切削加工。(840~860)e@3h硝盐分级淬火,以减小变形,180e出炉空冷。-60e@1h冰冷处理,以减少残留奥氏体量,起到稳定尺寸的作用。170e@2h低温回火,以降低淬火及冷处理后产生的应力(淬火+冷处理+低温回火3次不间断连续完成),在毛坯粗切后进行。130e@6h人工时效,以进一步降低应力,使组织趋于稳定,在低温回火后进行;二次人工时效:130e@6h,以更进一步降低应力、稳定组织,在精磨后进行。
(4)20CrMnTi钢 热处理工艺路线:正火y渗碳+预冷淬火(连续完成)y低温回火y喷丸强化。在机加工前进行正火,(950~970)e@(1.5~2)h出炉空冷,改善锻造组织,以利切削加工。在磨削加工前进行渗碳,920e@(6~8)h气体渗碳,渗碳层深1.2~1.6mm。在渗碳后连续进行预冷淬火,由渗碳温度预冷(炉冷)到870~880e直接油冷。在淬火后进行200e@(2~3)h低温回火,硬度为58~62HRC。
第3章 轴类零件的热处理注意事项
制定合适的保温温度、适当的升温速度还有保温时间以及降温速度就可以了。
一船来说奥氏体化温度根据材料的Ac3来确定，回火温度根据产品的要求来确定；
高碳钢、合金钢、工具钢以及大截面的产品升温慢一些，最好中间加一个或几个台阶，其它材料的或小截面的产品可升温快些；
冷却和升温一样也要注意，防止开裂；
对于高碳钢、合金钢、工具钢的回火完成后最后炉冷到一定温度后再出炉；
至于保温时间是根据产品的截面来确定的，高碳钢、合金钢、工具钢要适当长些。
参考文献
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【5】吴胜壮.金属切削机床.北京，机械工业出版社，1980.
【6】王先奎.金属力学性能.北京，清华大学出版社，2005.
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