軸類零件設計中注意的問題

田莉莉

煙臺工程職業技術學院，山東煙臺 264006

軸類零件加工的主要問題是如何保證各加工表面的尺寸精度、表面粗糙度和主要表面之間的相互位置精度。鍛造廠軸類零件加工的典型工藝路線如下：

毛坯及其熱處理→預加工→車削外圓→銑鍵槽等→熱處理→磨削

1 CA6140主軸加工工藝分析

1.1 CA6140主軸技術條件的分析

1.1.1 支承軸頸的技術要求

主軸兩支承軸頸A、B的圓度允差 0.005mm，徑向跳動允差0.005mm，兩支承軸頸的1：12錐面接觸率＞70%，表面粗糙度Ra0.4um。支承軸頸直徑按IT5-7級精度制造。主軸外圓的圓度要求，對于一般精度的機床，其允差通常不超過尺寸公差的50%，對于提高精度的機床，則不超過25%，對于高精度的機床，則應在 5%～10%之間。

1.1.2 鍛造廠錐孔的技術要求

主軸錐孔（莫氏 6號）對支承軸頸 A、B的跳動，近軸端允差 0.005mm，離軸端300mm處允差 0.01mm，錐面的接觸率 ＞70%，表面粗糙度Ra0.4um，硬度要求 HRC48。

1.1.3 短錐的技術要求

短錐對主軸支承軸頸A、B的徑向跳動允差0.008mm，端面D對軸頸A、B的端面跳動允差0.008mm，錐面及端面的粗糙度均為Ra0.8um。

1.1.4 空套齒輪軸頸的技術要求

空套齒輪的軸頸對支承軸頸A、B的徑向跳動允差為0.015mm。

1.1.5 螺紋的技術要求

鍛造廠這是用于限制與之配合的壓緊螺母的端面跳動量所必須的要求。因此在加工主軸螺紋時，必須控制螺紋表面軸心線與支承軸頸軸心線的同軸度，一般規定不超過0.025mm。

1.2 軸類零件鍛造加工的主要技術要求

1.2.1 尺寸精度

軸頸是軸類鍛件鍛造廠的主要表面，它影響軸的回轉精度及工作狀態。軸頸的直徑精度根據其使用要求通常為IT6～9，精密軸頸可達IT5。

1.2.2 幾何形狀精度

軸頸的幾何形狀精度（圓度、圓柱度），一般應限制在直徑公差點范圍內。對幾何形狀精度要求較高時，可在零件圖上另行規定其允許的公差。

1.2.3 位置精度

主要是指裝配傳動件的配合軸頸相對于裝配軸承的支承軸頸的同軸度，通常是用配合軸頸對支承軸頸的徑向圓跳動來表示的；根據使用要求，規定高精度軸為0.001mm～0.005mm，而一般精度軸為0.01mm～0.03mm。

此外還有內外圓柱面的同軸度和軸向定位端面與軸心線的垂直度要求等。

1.2.4 表面粗糙度

鍛造廠根據零件的表面工作部位的不同，可有不同的表面粗糙度值，例如普通機床主軸支承軸頸的表面粗糙度為Ra0.16um～0.63um，配合軸頸的表面粗糙度為Ra0.63um～2.5um，隨著機器運轉速度的增大和精密程度的提高，軸類零件鍛造加工后表面粗糙度值要求也將越來越小。

2 熱處理問題

根據金屬材料學基本原理，金屬材料的組織結構直接決定了其力學性能，同時在熱處理之后能否被淬透，得到馬氏體組織，是決定材料力學性能的關鍵因素之一。而衡量鋼材料經熱處理之后獲得馬氏體組織能力的一個關鍵指標是鋼的淬透性，同時鋼的淬透性還直接決定了淬火之后所獲得淬硬層的厚度。

2.1 大截面45號鋼軸類零件熱處理試驗分析

鋼熱處理力學后的力學性能除了受到其淬透性的影響外，還受到其他相關因素的影響，包括尺寸和零件的結構等因素，其中尺寸是一個比較重要的因素。對于45號鋼而言，其在水中的淬透臨界直徑為14mm～22mm。這就使得在進行大直徑、大截面45號鋼零件進行淬火時，其淬硬層的深度一直是熱處理工藝中最為關心的問題之一，它直接關系到熱處理之后工件的相關性能是否能達到設計的要求。

2.1.1 試驗方法

實驗中所采用的零件材料為在生產現場進行調質處理的45號鋼，其主要的化學成分為：C 0.43%-0.51%、Si 0.18%-0.38%、Mn 0.49%-0.79%，S 0.04%-0.056%、P 0.040%。零件的直徑為這樣六種：40mm、60mm、80mm、100mm、120mm和150mm，同時其長度均大于直徑的2.5倍，棒材在剝去外表層1 mm厚的表皮之后留待備用。試驗中零件進行淬火的溫度為845℃，而淬火介質是濃度為10%的鹽水，回火溫度為200℃～600℃。在進行熱處理之后，需要磨去其表面的氧化皮，確保接下來的硬度測試的準確性及表面積碳對工件硬度造成的影響。每個試樣進行熱處理之后，在其長度的二分之一處用砂輪機在水冷的條件下進行剖開，沿同心圓對硬度進行測定，以確保數據的可靠程度。

2.1.2 試驗結果及分析

經過試驗之后，我們可以發現大截面45號鋼的淬硬深度僅為lmm～5mm，而且除了表面層可以獲得馬氏體組織外，淬硬層大部分都不是馬氏體組織。同時，由于傳統的銷軸類零件在加工過程中，調質處理一般都安排在了粗加工之前，而且其預留的加工余量通常設置為2.5mm，這對于大截面的45號鋼零件來講，經過粗加工之后，調質處理基本上沒有起到作用。因此，我們在加工大截面的軸類零件時，調質處理應該安排在粗加工工序之后，這樣才能達到預定的要求。

1）采用淬火結合低溫回火來替代調質處理

隨著工程機械市場的不斷發展，在其中大量采用的大截面45號鋼軸類零件大量采用，這就在一定程度上加大了對其熱處理質量的要求。在進行熱處理過程中，有的是將調質處理作為最終的熱處理工藝，而有的只是將調質處理作為預熱處理程序，之后還需要進行表面高頻淬火及中頻淬火等。通過上面的試驗我們可以知道，我們可以在適當的條件下采用淬火結合加低溫回火的熱處理方式來替代調質等處理工序。這是由于淬硬層在200℃溫度中進行回火之后得到的將是回火馬氏體組織，其力學性能，包括硬度、強度及耐磨性等方面均要遠遠高于回火索氏體，同時還可以產生表面殘余應力，大大的提高軸的疲勞強度，其綜合力學性能基本上達到了表面淬火所得到的1mml～5mml的硬化層的力學性能。

2）用正火處理替代調質處理作為預備熱處理工序

對于直徑大于100 mm的大截面45號鋼軸類零件而言，其淬硬深度一般在1mm～2mm之間。除了表層之外，淬硬層的大部分并不是馬氏體組織。因此，一般在進行高溫回火之后僅能在軸的表面得到具有綜合力學性能較好的回火索氏體，其熱處理效果有限。因此，我們可以采用正火來替代調質處理，將其作為淬火前的預備熱處理工序，這樣不僅可以達到零件的使用力學性能要求，同時還能在一定程度上降低生產成本，節約資源，提高生產效率。

2.2 汽車前軸熱處理工藝概述

軸類零件的熱處理工藝除了明顯受到尺寸的影響之外，還與材料種類具有重要聯系。下面以汽車前軸的熱處理工藝，對該問題進行探討。汽車前軸材料為42CrMo，要求在調質處理后的硬度達到240-305HB，金相組織為1-4級的回火索氏體。

在進行生產試驗中，先后進行了油淬、亞溫淬火、復合亞溫淬火及PGA淬火試驗與批量淬火回火生產。試驗表明，前三種熱處理方式都不能達到設計要求的力學性能。其中，采用油淬處理之后得到的硬度僅為260HB～299HB，且得到的金相組織為回火索氏體和鐵素體，沒有達到設計要求；采用亞溫淬火后得到的軸類零件的硬度達到46HRC～50HRC，硬度達到設計要求，但是其得到的金相組織為回火素氏體和棒狀鐵素體，不能達到設計要求；采用復合亞溫淬火熱處理之后得到的零件硬度能達到要求，但是金相組織和亞溫淬火相似，也不符合要求；而采用PGA淬火之后，硬度在242HB～305HB之間，而且金相組織為回火索氏體，兩方面都達到了設計的力學性能要求。

3 結論

綜上所述，在對軸類零件進行熱處理時，應該針對不同的材料種類和零件結構尺寸等進行具體的熱處理設計。在對大截面45號鋼軸類零件進行熱處理時，可以采用淬火加低溫回火的方式替代調質處理，在提高軸的硬度、強度及耐磨性的同時，還可以使得軸的芯部具有一定的抗沖擊能力。而在對汽車前軸進行熱處理時，要根據具體的設計目的對熱處理工藝進行設計。

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