2.3　实例启示

2.3.1　轴结构设计与工艺性相关的问题

轴结构设计与工艺性相关的问题主要包括：轴结构设计、轴计算及轴加工与工艺性。

（1）轴结构设计

包括决定轴的合理结构和全部结构尺寸。轴结构设计应以强度计算为基础，通常按扭转强度初步计算出轴端直径，如果该轴端需要开键槽，应将此轴径加大3%～7%，然后将轴径圆整成标准值并作为轴端最小直径。在此基础上再合理地定出轴的结构形状以及相关配置的结构。轴的合理外形应满足轴和装在轴上的零件定位准确，便于装拆和调整，轴应具有良好的制造工艺性等。

（2）轴计算

包括轴的扭转强度条件、轴的弯扭合成强度计算及轴的刚度计算。

①轴的扭转强度条件　本方法适用于传动轴的精确计算，也可用于转轴的近似计算。对于只传递转矩的圆截面轴，其强度条件为

式中，τ为轴的切应力，MPa；T为转矩，N·mm；WT为抗扭截面系数，mm3；P为传递的功率，kW；N为轴的转速，r/min；d为轴的直径，mm；［τ］为许用切应力，MPa。

②轴的弯扭合成强度计算　对于转轴，在完成初步结构设计，确定了外载荷和支承反力的作用位置后，即可作轴的受力分析及绘制弯矩图和转矩图，进而可按弯扭合成强度计算轴径，校核危险截面的强度。

具体步骤如下：

a.画出轴的空间力系图。将轴上作用力分解为水平面分力和垂直面分力，并求出水平面和垂直面的支点反力。

b.分别作出水平面上的弯矩图和垂直面上的弯矩图。

c.计算出合成弯矩，其中，Mv、Mh分别为垂直面弯矩和水平面弯矩。绘出合成弯矩图。

d.作出转矩（T）图。

e.计算当量弯矩，其中，α为折合系数。绘出当量弯矩图。

f.校核危险截面的强度。

③轴的刚度计算　包括弯曲刚度校核计算及扭转刚度校核计算。

轴的弯曲刚度以挠度y和偏转角θ来度量。挠度y≤［y］，其中［y］为许用挠度。偏转角θ≤［θ］，其中［θ］为许用偏转角。

轴的扭转刚度以扭转角来度量。扭转角φ≤［φ］，其中［φ］为许用扭转角。

（3）轴加工与工艺性

包括轴结构遵循的一般原则、轴类零件技术要求、轴类零件的加工工艺性及方法。

①轴结构遵循的一般原则　所谓轴的结构工艺性是指轴的结构应尽量简单，有良好的加工和装配工艺性，以利于减少劳动量，提高劳动生产率和减少应力集中，提高轴的疲劳强度。设计合理的结构应遵循一定的原则，以便于加工和装配。

a.零件应便于在机床或夹具上装夹。机械零件在加工时必须夹持在机床上，因此机械零件必须有便于夹持的部位，另外夹持零件必须要有足够大的支撑力，以保证在切削力的作用下零件不会晃动，因此零件应有足够的刚度，以免产生夹持变形。

b.为减少加工时换刀时间及装夹工件的时间，同根轴上所有圆角半径、倒角尺寸、退刀槽宽度应尽可能统一；当轴上有两个以上键槽时，应置于轴的同一母线上，以便于一次装夹后就能加工。

c.轴上的某段轴需要磨削时应留有砂轮越程槽；需切制螺纹时，需留有退刀槽。

对于阶梯型轴，用砂轮磨削小直径的根部时其直径尺寸很难保证，为此在轴的根部需要越程槽，使砂轮有越程尺寸，保证轴的根部尺寸符合图样要求。在有砂轮越程槽的轴与孔零件进行装配时，还可以避免装配零件的根部产生干涉。砂轮越程槽的形状、尺寸直接影响轴的强度和应力，一般应按照标准设计。

轴上螺纹的收尾、肩距、退刀槽、倒角也应按照标准设计。

②轴类零件技术要求　轴类零件上安装支承轴承和传动件的部位是主要表面，其粗糙度数值要求较低，加工精度要求较高。除直径精度要求外还有圆度、圆柱度、同轴度及垂直度等方面的要求。

a.尺寸精度　轴类零件的主要表面常分为两类，一类是与轴承的内圈配合的外圆轴颈，即支承轴颈，用于确定轴的位置并支承轴，尺寸精度要求较高，通常为IT5～IT7；另一类为与各类传动件配合的轴颈，即配合轴颈，其精度稍低，通常为IT6～IT9。

b.几何形状精度　主要指轴颈表面、外圆锥面、锥孔等重要表面的圆度、圆柱度。其误差一般应限制在尺寸公差范围内，对于精密轴，需在零件图上另行规定其几何形状精度。

c.位置精度　包括内、外表面，重要轴面的同轴度、圆的径向跳动、重要端面对轴心线的垂直度、端面间的平行度等。

d.表面粗糙度　轴的加工表面都有粗糙度的要求，一般根据加工的可能性和经济性来确定。

③轴类零件的加工工艺性及方法　对于7级精度、表面粗糙度Ra0.8～0.4μm的一般传动轴，其工艺路线是：正火—车端面、钻中心孔—粗车各表面—精车各表面—铣花键、键槽—热处理—修研中心孔—粗磨外圆—精磨外圆—检验。

由于细长轴刚性很差，在加工中极易变形，对加工精度和加工质量影响很大。为此，生产中常采用下列措施予以解决。

a.改进工件的装夹方法　粗加工时，由于切削余量大，工件受的切削力也大，一般采用卡顶法。尾座顶尖采用弹性顶尖，可以使工件在轴向自由伸长。但是，由于顶尖弹性的限制，轴向伸长量也受到限制，因而顶紧力不是很大。在高速、大用量切削时，有使工件脱离顶尖的危险。采用卡顶法可避免这种现象的产生。

精车时，采用双顶尖法（此时尾座应采用弹性顶尖）有利于提高精度，其关键是提高中心孔精度。

b.采用跟刀架　跟刀架是车削细长轴极其重要的附件。采用跟刀架能抵消加工时径向切削分力的影响，从而减少切削振动和工件变形，但必须注意仔细调整，使跟刀架的中心与机床顶尖中心保持一致。

c.采用反向进给　车削细长轴时，常使车刀向尾座方向作进给运动（此时应安装卡拉工具），这样刀具施加于工件上的进给力方向朝向尾座，因而有使工件产生轴向伸长的趋势，而卡拉工具大大减少了由于工件伸长造成的弯曲变形。

d.采用车削细长轴的车刀　车削细长轴的车刀一般前角和主偏角较大，以使切削轻快，减小径向振动和弯曲变形。粗加工用车刀在前刀面上开有断屑槽，使断屑容易。精车用刀常有一定的负刃倾角，使切屑流向待加工面。

2.3.2　轴结构设计与工艺性涉及的内容

在进行轴结构设计时，其工艺性涉及的内容很多，必须依据具体情况做具体分析。例如：

①与轴上要素（轴环、轴段）、加工（加工量）及定位有关；

②与轴的应力集中有关；

③与锥形轴与阶梯轴结构有关；

④与退刀槽与越程槽结构有关；

⑤与过渡圆角与倒角有关；

⑥与轴上键/键槽有关；

⑦轴结构与毛坯有关。