二`轴类零件的选材(一)轴类零件工作条件`失效形式及性能要求.doc

PAGE 二、轴类零件的选材 （一）轴类零件工作条件、失效形式及性能要求 1．工作条件 轴是机械中重要的零件之一，主要用于支承传动零件（如齿轮、凸轮等）、传递运动和动力。工作时主要受交变弯曲和扭转应力的复合作用，有时也承受拉压应力；轴与轴上零件有相对运动，相互间存在摩擦和磨损；轴在高速运转过程中会产生振动，使轴承受冲击载荷；多数轴在工作过程中，常常要承受一定的过载载荷。 2．失效方式 长期交变载荷作用易导致疲劳断裂（包括扭转疲劳和弯曲疲劳断裂）；承受大载荷或冲击载荷会引起过量变形、断裂；长期承受较大的摩擦，轴颈及花键表面易出现过量磨损。 3．性能要求 良好的综合力学性能，以防过载断裂、冲击断裂；高疲劳强度，降低应力集中敏感性，以防疲劳断裂；足够的刚度，以防工作过程中，轴发生过量弹性变形而降低加工精度；表面要有高硬度、高耐磨性，以防磨损失效；特殊性能要求——如高温中工作的轴，抗蠕变性能要好；在腐蚀性介质中工作的轴，要求耐蚀性好等。 4．轴类材料选用依据 轴类零件选材的主要依据是载荷的性质、大小及转速高低，精度和粗糙度要求，轴的尺寸大小以及有无冲击、轴承种类等。 （1）主要承受弯曲、扭转的轴，如机床主轴、曲轴、汽轮机主轴、变速箱传动轴、卷扬机轴等。这类轴在载荷作用下，应力在轴的截面上分布是不均匀的，表面部位的应力值最大，愈往中心应力愈小，至心部达到最小。故不需要选用淬透性很高的材料，一般只需淬透轴半径的1/2～1/3即可。故常选45钢、40Cr钢、40MnB钢和45Mn2钢等，先经调质处理，后在轴颈处进行高、中频高频感应加热淬火及低温回火。 （2）同时承受弯曲、扭转及拉、压应力的轴，如锤杆、船用推进器等，其整个截面上应力分布基本均匀，应选用淬透性较高的材料，故常选用30CrMnSi钢、40MnB 钢、40 CrNiMo 钢等。一般也是先经调质处理，然后再进行高频感应加热淬火、低温回火。 （3）主要要求刚性好的轴，◎可选用优质非合金钢等材料，如20钢、35钢、45钢经正火后使用。◎若还有一定耐磨性要求时，则选用45钢，正火后在轴颈处进行高频感应加热淬火、低温回火。◎对于受载较小或不太重要的轴，也常用Q235或Q275等普通非合金钢。 （4）要求轴颈处耐磨的轴，常选中碳钢经高频感应加热淬火，将硬度提高到52 HRC以上。 （5）承受较大冲击载荷，又要求较高耐磨性的形状复杂的轴，如汽车、拖拉机的变速轴等，可选低碳合金钢（18Cr2NiWA钢、20Cr钢、20CrMnTi钢等），经渗碳、淬火、低温回火处理。 （6）要求有较好的力学性能和很高的耐磨性，而且在热处理时变形量要小，长期使用过程中要保证尺寸稳定，如高精度磨床主轴，选用渗氮钢38CrMoAlA ，进行氮化处理，使表面硬度达到1 100～1 200HV（相当于69～72 HRC），心部硬度230～280HBS。 近年来在国内外，用球墨铸铁代钢作内燃机曲轴的愈来愈多，第二代解放牌汽车Ｊ130汽车、东风及东风４型内燃机车的曲轴均用球墨铸铁（或合金球墨铸铁）制造，虽然球墨铸铁的塑、韧性远低于锻钢，但在一般发动机中对塑韧性要求并不太高；球墨铸铁的缺口敏感性小，实际球墨铸铁的疲劳强度并不明显低于锻钢，而且可通过表面强化（如滚压、喷丸、渗氮等）处理大大提高其疲劳强度，效果优于锻钢，因而在性能上完全可代替非合金调质钢。我国研制成功的稀土-镁球墨铸铁，冲击韧度好，同时具有减摩、吸振和对应力集中敏感性小等优点。　　 （二）机床主轴选材示例 例13-3　某车床主轴如图3所示。 该轴工作时受弯曲和扭转应力作用，但承受的应力和冲击力不大，运转较平稳，工作条件较好。主轴大端内锥孔、外圆锥面工作时需经常与顶尖、卡盘有相对摩擦；花键部位与齿轮有相对滑动或碰撞。该主轴在滚动轴承中运转。主轴热处理技术条件：主轴整体调质，硬度为220～250HBS；内锥孔和外圆锥面局部淬火，硬度为45～50HRC；花键部位高频感应淬火，硬度为48～53 HRC。试从下列材料中选择制造该主轴的合适钢种，并制订其加工工艺： 35，45，T 12，20Cr，40Cr，20CrMnTi，38CrMoAl，1Cr18Ni9Ti，W18Cr4V。 图3　C6132车床主轴简图 1）分析及选材 根据对上述工作条件的分析，主轴应具有良好的综合力学性能，并且花键（经常摩擦和碰撞）和大端内锥孔、外圆锥面（经常装拆，也有摩擦和碰撞）部位均要求有较高的硬度和耐磨性。C6132车床主轴属于中速、轻载荷、在滚动轴承中工作的主轴。 虽然45钢淬透性不如合金调质钢，但具有锻造性能和切削加工性能良好，价格低等特点，而且该主轴结构形状较简单，工作最大应力处于表层，因此选用45钢即可满足使用要求。 2）确定加工工艺 下料→锻造→正火（850～870℃空冷）→粗加工→