轴类零件的选材和工艺分析

轴是用于支承转动零件并与之一起回转以传递运动、扭矩或弯矩的机械零件。机器中作回转运动的零件就装在轴上。如机床主轴、花键轴、变速轴、丝杠以及内燃机的曲轴等，它是机器中重要的零件之一。

（1）轴的工作条件和失效形式

1）工作条件

轴类零件工作时主要承受弯曲应力、扭转应力或拉压应力，有相对运动的表面其摩擦和磨损较大，大多数轴类零件还承受一定的冲击力，若刚度不够会产生弯曲变形和扭曲变形。由此可见，轴类零件受力情况较为复杂。

2）失效形式

轴类零件的失效形式有：断裂，大多是疲劳断裂；轴颈或花键处过度磨损；发生过量弯曲或扭转变形；此外，有时还可能发生振动或腐蚀失效。

（2）轴类零件材料的性能要求

①具有优良的综合力学性能，即有足够的强度、刚度、塑性和一定的韧性。

②有相对运动的摩擦表面（如轴颈、花键等处），具有较高的硬度和耐磨性。

③有较高的疲劳强度，对应力集中敏感性小。

④有足够的淬透性，淬火变形小。

⑤有良好的切削加工性，价格低廉。

⑥对于特殊环境下工作的轴，还应具有特殊性能，如高温下工作的轴，抗蠕变性能要好；在腐蚀性介质中工作的轴，要求耐蚀性好；等等。

（3）轴类零件材料

轴类零件很多，其选材的原则和主要依据是载荷大小、转速高低、精度和粗糙度的要求、有无冲击载荷和轴承类型等，轴类零件是机床、汽车、拖拉机以及各类机器重要零件之一。其功能主要是支撑旋转零件、传递动力或运动。

根据承载特点，轴分为转轴、心轴和传动轴；根据结构特点，轴分为阶梯轴和等径轴；此外还有直轴、曲轴、空心轴、实心轴等。转轴在工作时受弯曲和扭转应力的复合作用，心轴只承受弯曲应力，传动轴主要承受扭转应力。除固定的心轴外，所有作回转运动的轴所承受的应力都是交变应力，轴颈承受较大的摩擦。此外，轴大多都承受一定的过载或冲击。

（4）零件的材料选择

轴类零件一般按强度、刚度计算和结构要求进行零件设计与选材。通过强度、刚度计算保证轴的承载能力，防止过量变形和断裂失效；结构要求则是保证轴上零件的可靠固定与拆装，并使轴具有合理的结构工艺性及运转的稳定性。

制造轴类零件的材料主要是碳素结构钢和合金结构钢、特殊场合也用不锈钢、有色金属甚至塑料。下面介绍不同工况下钢（铁）轴的材料选用。

①轻载、低速、不重要的轴（如心轴、联轴节、拉杆、螺栓等），可选用Q235，Q255，Q275等普通碳素结构钢，这类钢通常不进行热处理。

②受中等载荷且精度要求一百年的轴类零件（如曲轴、连杆、机床主轴等）常选用优质中碳结构钢，如35，40，45，50钢等，其中以45钢应用最多。为改善其性能，一般要进行正火或调质处理。要求轴颈等处耐磨时，还可进行局部表面淬火及低温回火。

③受较大载荷或要求精度高的轴，以及处于强烈摩擦或在高、低温等恶劣条件工作的轴（如汽车、拖拉机、柴油机的轴，压力机曲轴等）应选用合金钢，常用的有20Cr，20CrMnTi，12CrNi3，40MnB，40Cr，30CrMnSi，35CrMo，40CrNi等。根据合金钢的种类及轴的性能要求，应采用调质、表面淬火、渗碳、渗氮、淬回火等处理，以充分发挥合金钢的性能潜力。(www.xing528.com)

特别地，20SiMnMoV，20MnV，15MnVB，20Mn2，27SiMn等低碳马氏体状态下的强度及韧性均大于40Cr的调质态，在无须表面淬火场合正得到越来越多的应用；非调质钢35MnVN，35MnVS，40MnV，48MnV等以及贝氏体钢如12Mn2VB等已用于汽车连杆、半轴等重要零件，这些钢无需调质，在供货状态下就能达到或接近调质钢的性能。

近年来，球墨铸铁和高强度铸铁（如HT350，KTZ550-06）已经越来越多地作为制造轴的材料，如内燃机曲轴、普通机床的主轴等。具有成本低、切削工艺好、缺口敏感低、减震及耐磨等特点，所用热处理方法主要是退火、正火、调质及表面淬火等。

此外，在特殊场合轴的选材上，要求高比强度的场合（如航空航天）则多选超高强度钢、钛合金、高性能铝合金甚至高性能复合材料；高温场合则选耐热钢及高温合金；腐蚀场合则选不锈钢或耐蚀树脂基复合材料等。

（5）轴类零件加工工艺路线

制造轴类零件常采用锻造、切削加工、热处理（预先热处理及最终热处理）等工艺，其中切削加工和热处理工艺是制造轴类零件必不可少的。台阶尺寸变化不大的轴，可选用与轴的尺寸相当的圆棒直接切削加工而成，然后进行热处理，不必经过锻造加工。

下面以内燃机曲轴类零件为例具体分析：

曲轴是内燃机的重要零件之一，在工作时承受内燃机周期性变化的气体压力、曲柄连杆机构的惯性力、扭转和弯曲应力以及冲击力等作用。在高速内燃机中，曲轴还受到扭转振动的影响，产生很大的应力。

曲轴分为锻钢曲轴和球墨铸铁曲轴两类。长期以来，人们认为曲轴在动载荷下工作，材料有较高的冲击韧性更为安全。实践证明，这种想法不够全面。目前轻、中载荷，低、中速内燃机已成功地使用球墨铸铁曲轴。如果能保证铸铁质量，对一般内燃机曲轴完全可以用球墨铸铁制造，同时可简化生产工艺，降低成本。

1）球墨铸铁曲轴

以110型柴油机球墨铸铁曲轴为例，说明加工工艺路线。

材料：QT600-3球墨铸铁。

热处理技术条件：整体正火，σb≥650 MPa；αk≥15 J/cm2，硬度240～300 HBS；轴颈表面淬火+低温回火，硬度不低于55 HRC；珠光体数量：试棒≥75%，曲轴≥70%。

加工工艺路线：铸造成型→正火+高温回火→切削加工→轴颈表面淬火+回火→磨削。

这种曲轴质量的关键在于铸造，例如铸造后的球化情况，有无铸造缺陷，成分及显微组织是否合格等十分重要。在保证铸造质量的前提下，球墨铸铁曲轴的静强度、过载特性、耐磨性和缺口敏感性都比45钢锻钢曲轴好。

正火的目的是为了消除正火风冷所造成的内应力。轴颈表面淬火是为了进一步提高该部位的硬度和耐磨性。

2）锻造合金钢曲轴

以机车内燃机曲轴为例，说明选材及加工工艺路线。

材料：50CrMoA。

热处理技术条件：整体调质，σb≥950 MPa；σb≥750 MPa；αk≥56 J/cm2，δ≥12%；ψ≥45%，硬度30～35 HRC；轴颈表面淬火+回火，60～65 HRC；硬化层深度3～8 mm。

加工工艺路线：锻造→退火→粗加工→调质→半精加工→表面淬火+回火→磨削。

锻造的目的一是成型，二是改善组织，提高韧性；退火的目的是改善锻造后的组织，并降低硬度以利于切削；调质则是为得到强韧的心部组织；轴颈表面淬火是为提高该部位的硬度和耐磨性。