第五章機械零件 軸 重點 軸承 掌握 鍵聯(lián)接和銷聯(lián)接 了解 螺紋聯(lián)接 了解 聯(lián)軸器 離合器和制動器 不講 5 1軸 軸是組成機器的重要零件之一 用來支承旋轉(zhuǎn)的機械零件 軸的功用 支承回轉(zhuǎn)零件及傳遞運動和動力 軸一般都有 足夠的強度合理的結(jié)構(gòu)良好的工藝性 5 1 1軸的分類和應(yīng)用特點 按照承受載荷的不同可分為轉(zhuǎn)軸 心軸和傳動軸三類 轉(zhuǎn)軸 工作中既受彎矩又受扭矩的軸 合金元素溶入鐵素體后 產(chǎn)生固溶強化 使鐵素體的強度 硬度提高 但塑性 韌性都有下降趨勢 傳動軸 只受扭矩不受彎矩或彎矩很小的軸 心軸 只受彎矩而不受扭矩的軸 它又分為轉(zhuǎn)動心軸和固定心軸兩種 2 按照軸線形狀的不同可分為直軸 曲軸和軟軸 直軸按其外形的不同 可分為階梯軸 光軸 實心軸 空心軸 其軸線在同一條直線上 光軸具有形狀簡單 加工方便 制造成本低 軸上應(yīng)力集中源少等優(yōu)點 其缺點是軸上零件不易裝配定位 階梯軸的特點則正好與光軸相反 因此 光軸常用作心軸和傳動軸 階梯軸常用作轉(zhuǎn)軸 轉(zhuǎn)軸階梯軸 軸一般都制成實心的 實心軸 只有在因機器結(jié)構(gòu)要求 需要在軸中安裝其它零件或是減輕軸的質(zhì)量具特別重大作用時 才將軸制成空心的 空心軸 曲軸用以將旋轉(zhuǎn)運動與往復(fù)直線運動相互轉(zhuǎn)變 軟軸是由幾層緊貼在一起的鋼絲層構(gòu)成的 它能把回轉(zhuǎn)運動靈活地傳到任何位置 主要用于兩傳動軸線不在同一直線或工作時彼此有相對運動的空間傳動 也可用于受連續(xù)振動的場合 具有緩和沖擊的作用 5 1 2軸的常用材料 軸的失效形式是 因疲勞強度不足而產(chǎn)生疲勞斷裂 因靜強度不足而生產(chǎn)塑性變形或脆性斷裂 因剛度不足而產(chǎn)生過大彎曲及扭轉(zhuǎn)變形 高速時發(fā)生共振破壞等 交變應(yīng)力使軸易發(fā)生疲勞破壞 故軸的材料也就首先要有足夠的疲勞強度 當然還要考慮到經(jīng)濟性 軸的常用材料主要是碳素鋼和合金鋼 軸的毛坯一般多為軋制圓鋼和鍛件 碳素鋼具有足夠的強度 比合金鋼價廉 對應(yīng)力集中的敏感性較低 并且可通過正火或調(diào)質(zhì)處理獲得較好的綜合機械性能 故應(yīng)用廣泛 其中以45號鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理最為常用 合金鋼具有較高的機械性能 但價格較貴 常用于制造有特殊要求的軸 如高速重載軸 受力大而又要求尺寸小 重量輕的軸 處于高溫 低溫或腐蝕性介質(zhì)中的軸等 形狀發(fā)雜 尺寸大的軸也用球墨鑄鐵鑄造成型 5 1 3軸的結(jié)構(gòu) 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計就是使軸的各部分具有合理的形狀和尺寸 影響軸的結(jié)構(gòu)形狀的因素有 軸上零件的類型 數(shù)量和尺寸 軸上零件的安裝位置 定位方法 載荷的大小 方向和性質(zhì)及分布情況 軸的制造工藝性等 在進行軸結(jié)構(gòu)設(shè)計時 應(yīng)遵循的一般原則 1 軸和軸上零件要有準確的工作位置 定位 2 各零件要牢固而可靠地相對固定 固定 3 軸應(yīng)具有良好的加工工藝性 制造要求 4 軸上零件要易于裝拆和調(diào)整 安裝要求 5 盡量減小應(yīng)力集中 6 受力合理 有利于節(jié)約材料 減輕軸的重量 在進行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計時 首先應(yīng)擬定軸上零件的裝配方案軸上零件的裝配方案大體決定了軸的基本形式 裝配方案 就是預(yù)定出軸上主要零件的裝配方向 順序和相互關(guān)系 同一個設(shè)計任務(wù) 軸上零件的裝配方案不同 可有不同的結(jié)構(gòu) 如圖所示是兩種不同裝配方案得出的兩種不同的軸結(jié)構(gòu) 在擬定裝配方案時 一般應(yīng)考慮幾個方案 進行分析比較與選擇 一 制造安裝要求為便于軸上零件的裝拆 常將軸做成階梯形 對于一般剖分式箱體中的軸 它的直徑從軸端逐漸向中間增大 如圖14 7所示 可依次將齒輪 套筒 左端滾動軸承 軸承蓋和帶輪從軸的左端裝拆 另一滾動軸承從右端裝拆 為使軸上零件易于安裝 軸端及各軸段的端部應(yīng)有倒角 軸上磨削的軸段 應(yīng)有砂輪越程槽 圖14 7中 與 的交界處 車制螺紋的軸段 應(yīng)有退刀槽 在滿足使用要求的情況下 軸的形狀和尺寸應(yīng)力求簡單 以便于加工 二 軸上零件的定位軸上零件的軸向定位方式主要是軸肩和套簡定位 階梯軸上截面變化處叫做軸肩 起軸向定位作用 在圖14 7中 間的軸肩使齒輪在軸上定位 間的軸肩使帶輪定位 間的軸肩使右端滾動軸承定位 有些零件依靠套簡定位 如圖14 7中的左端滾動軸承 三 軸上零件的固定軸上零件的軸向固定 常采用軸肩 套簡 螺母或軸端擋圈 又稱壓板 等形式 在圖14 7中 齒輪能實現(xiàn)軸向雙向固定 齒輪受軸向力時 向右是通過 間的軸肩 并由 間的軸肩頂在滾動軸承內(nèi)圈上 向左則通過套簡頂在滾動軸承內(nèi)圈上 帶輪的軸向固定是靠 間的軸肩以及軸端擋圈 無法采用套簡或套簡太長時 可采用圓螺母加以固定 圖14 8 圖14 9所示是軸端擋圈的一種型式 采用套筒 螺母 軸端擋圈作軸向固定時 應(yīng)把裝零件的軸段長度做得比零件輪轂短2 3mm 以確保套筒 螺母或軸端擋圈能靠緊零件端面 圖14 7 14 8 為了保證軸上零件緊靠定位面 軸肩 軸肩的圓角半徑r必須小于相配零件的倒角C1或圓角半徑R 軸肩高h必須大于C1或R 軸向力較小時 零件在軸上的固定可采用彈性擋圈或緊定螺釘 調(diào)質(zhì)鋼 成分中碳 0 25 0 5 一般為0 4 左右 合金元素 主加元素Mn Si Cr Ni B等 主要作用提高淬透性 次要作用溶入鐵素體起固溶強化作用 輔加元素Mo W V等強碳化物形成元素 其中Mo W的主要作用是抑制含Cr Ni Mn Si等合金調(diào)質(zhì)鋼的高溫回火脆性 次要作用是改善淬透性 V主要作用形成碳化物阻礙奧氏體晶粒長大 起細晶強化和彌散強化作用 用途 制造受力復(fù)雜 交變應(yīng)力 沖擊載荷等 的重要零件 如發(fā)動機連桿 曲軸 機床主軸等 性能 具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能 即既強又韌熱處理 預(yù)先熱處理 正火處理 Me含量低 或正火 高溫回火 Me含量高 最終熱處理 調(diào)質(zhì) 即淬火 高溫回火 組織 S回 連桿 40Cr鋼制造連桿螺栓的熱處理工藝曲線 彈簧鋼 成分 中高碳 碳素彈簧鋼0 6 0 9 C 合金彈簧鋼0 45 0 70 C 經(jīng)淬火加中溫回火后得到回火托氏體組織 能較好地保證彈簧的性能要求 合金元素主加元素為Si Mn等 其主要作用是提高淬透性 回火穩(wěn)定性 強化F基體 輔加元素為Mo W V等強碳化物形成元素 主要作用有防止Si引起的脫碳缺陷 并細化晶粒及進一步提高彈性極限與屈強比 用途 制造各種彈簧和彈性元件或類似性能要求的結(jié)構(gòu)零件性能 高的彈性極限 e和屈強比 s b 高的疲勞極限 熱處理熱軋彈簧 熱成型 淬火 中溫回火 噴丸冷軋彈簧 淬火 中溫回火 冷成型 去應(yīng)力 噴丸 熱成形彈簧對截面尺寸 10mm各種大型和形狀復(fù)雜的彈簧均采用熱成形 如熱軋 熱卷 如汽車 拖拉機 火車的板簧和螺旋彈簧 其加工路線 下料 加熱壓彎或卷繞 淬火 中溫回火 噴丸 使用狀態(tài)組織為回火托氏體 噴丸可強化表面并提高彈簧表面質(zhì)量 顯著改善疲勞性能 也可采用等溫淬火獲得下貝氏體 或形變熱處理 提高彈簧的性能和壽命 汽車板簧 熱卷大彈簧 冷成形彈簧截面尺寸 10mm的各種小型彈簧可采用冷成形 如冷卷 冷軋 如儀表中的螺旋彈簧 發(fā)條及彈簧片等 這類彈簧在成形前先進行冷拉 冷軋 淬火中溫回火或鉛浴等溫淬火后冷拉 軋 強化 然后再進行冷成形加工 此過程中將進一步強化金屬 但也產(chǎn)生了較大的內(nèi)應(yīng)力和脆性 故在其后應(yīng)進行低溫去應(yīng)力退火 一般200 400 彈簧絲 發(fā)條 滾動軸承鋼 成分高碳 0 95 1 15 C 保證軸承鋼高硬度和高耐磨性 低鉻 0 40 1 65 Cr 增加鋼的淬透性 并形成合金滲碳體 Fe Cr 3C提高接觸疲勞極限和耐磨性 大型軸承加入Si Mn Mo V等元素以進一步提高淬透性和強度 用途 制造各種滾動軸承的滾動體 滾珠 滾柱 和內(nèi)外套圈的專用鋼種 也可用于制作精密量具 冷沖模 機床絲桿及油泵油嘴的精密偶件如針閥體 柱塞等耐磨件 性能 高的硬度強度和耐磨性 高的接觸疲勞強度 足夠的韌性和耐蝕性 高的純凈度 熱處理預(yù)先熱處理 球化退火 以改善切削加工性并為淬火作組織準備 最終熱處理 淬火 低溫回火 決定軸承鋼的性能 得到高硬度 62 66HRC 和高耐磨性 冷處理 消除A殘與內(nèi)應(yīng)力 穩(wěn)定組織 提高軸承的尺寸精度 組織 M回 細碳化物 少量A殘 4合金工具鋼 一 刃具鋼 性能要求高的硬度 60 66HRC 和耐磨性 高的熱硬性 即鋼在高溫下 500 600 保持高硬度 60HRC左右 的能力 這是高速切削加工刀具必備的性能 適當?shù)捻g性 一 碳素工具鋼 成份 含碳量約0 6 1 3 性能 常溫硬度 HRC60 62 及耐磨性較好 但淬透性差 熱硬性差 熱處理 預(yù)先熱處理 球化退火 降低硬度便于切削加工 并為淬火作組織準備最終熱處理 淬火 低溫回火組織 回火馬氏體 細粒狀滲碳體 少量殘余奧氏體 二 低合金刃具鋼 成分 高碳 含0 9 1 5 C 添加Si Mn Cr 等合金元素 提高鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性 進一步改善刀具的硬度和耐磨性 強碳化物形成元素 如W V等 所形成的碳化物除對耐磨性有提高作用外 還可提高鋼的熱硬性 性能 低合金工具鋼的淬透性和綜合力學(xué)性能好 但由于其內(nèi)的合金元素主要是淬透性元素 而不是含量較多的強碳化物形成元素 W Mo V等 故仍不具備熱硬性特點 刀具刃部的工作溫度一般不超過250 否則硬度和耐磨性迅速下降 甚至喪失切削能力 因此這類鋼屬于低速切削刃具鋼 9SiCr鋼板牙熱處理工藝曲線 板牙 三 高速鋼 成分 W18Cr4V 高碳0 7 1 5 保證高硬度鎢18 形成碳化物 在560 左右回火時 彌散析出W2C 造成二次硬化 提高鋼的紅硬性 鉬5 1 Mo的作用等同于2 W 鉻4 形成碳化物 提高鋼的淬透性 釩1 5 形成VC 硬度極高 提高鋼的硬度和耐磨性 產(chǎn)生二次硬化 性能 高硬度 高耐磨性 高的紅硬性 600 時 HRC63以上 有一定的強度和韌性 盤形銑刀 W18Cr4V鋼的生產(chǎn)工藝及熱處理特點 工藝路線 下料 鍛造 退火 機加工 淬火 三次回火 噴砂 磨削 鍛造 高速鋼屬于萊氏體鋼 鑄態(tài)組織中含有大量呈魚骨狀的粗大共晶碳化物 鋼的韌性大幅下降 不能用熱處理來消除 只能依靠反復(fù)多次鍛打來擊碎 退火 消除應(yīng)力 調(diào)整組織 便于機加工 為淬火作好組織準備 退火后的組織 S 粒狀碳化物淬火 1280 淬火后的組織 M Cm A殘 20 25 三次回火 消除A殘 并產(chǎn)生二次硬化彌散硬化 W2C VC彌散析出 二次淬火 A殘中析出合金碳化物 使A殘中合金的濃度下降 MS上升 在隨后的冷卻過程中轉(zhuǎn)變?yōu)镸 W18Cr4V鑄態(tài)組織420 W18Cr4V鍛造組織210 W18Cr4V淬火 三次回火組織420 模具鋼 一 冷作模具鋼工作條件與性能要求 在常溫下使金屬材料變形成型的模具用鋼 工作溫度200 300 模具承受很大的載荷及摩擦 沖擊作用 冷作模具鋼應(yīng)具有高硬度 高耐 汽車車門模具 成分 高碳合金元素 Cr Mo W V 磨性 高強度和足夠的韌性 冷作模具對淬透性 耐磨性尤其是韌性方面的要求更高一些 冷作模具鋼應(yīng)是高碳成分并多在回火馬氏體狀態(tài)下使用 二 熱作模鋼 工作條件與性能要求 使熱態(tài)金屬成形的模具用鋼 熱鍛模工作部分的溫度會升高到300 400 熱擠壓?？蛇_500 800 甚至近1000 因交替加熱冷卻的溫 汽車曲軸模具 度循環(huán)產(chǎn)生交變熱應(yīng)力 熱作模具常見的失效形式有變形 磨損 開裂和熱疲勞等 要求模具鋼應(yīng)具有良好的高溫強韌性 高的熱疲勞和熱磨損抗力 一定的抗氧化性和耐蝕性等 成分 中碳0 3 0 6 合金元素 Cr Ni Mn Si Mo W V 量具鋼 性能要求 高的硬度和耐磨性 良好的尺寸穩(wěn)定性 成分 高碳 合金元素 Cr Mn W 應(yīng)用 簡單量具 T10A T12A等 高精度量具 GCr15 9SiCr CrWMn熱處理 淬火 冷處理 低溫回火 時效處理最終組織 M回 合金碳化物 千分尺 特殊性能鋼 一 不銹鋼金屬腐蝕的種類 化學(xué)腐蝕 金屬表面與周圍介質(zhì)直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起的腐蝕 如金屬高溫時的氧化 鋼的脫碳 電化學(xué)腐蝕 金屬材料 合金或不純的金屬 與電解質(zhì)溶液接觸 通過電極反應(yīng)產(chǎn)生的腐蝕 如鋼的生銹 金屬的防腐 多相 易腐蝕 單相 不易腐蝕兩相若電極電位接近耐腐蝕 Cr Ni提高基體電極電位 表面致密的氧化膜也耐腐蝕 Al2O3 Cr2O3 化學(xué)成分特點 低碳 耐蝕性要求愈高 碳含量愈低 合金元素 主加Cr 輔加Ni Mo Cu Ti Nb Mn等 鐵素體不銹鋼 碳含量 0 12 鉻含量16 18 Cr是鐵素體形成元素 致使此類鋼從室溫到高溫 1000 左右 均為單相鐵素體 塑性加工 切削加工和焊接性較優(yōu) 主要用于對耐蝕性和抗氧化性有較高要求的零件 如耐硝酸 磷酸結(jié)構(gòu)和抗氧化結(jié)構(gòu) 常見的鐵素體不銹鋼有0Cr13 1Cr17 1Cr28等 馬氏體不銹鋼 馬氏體不銹鋼 碳0 1 0 45 含Cr平均為13 當WCr 12 時能起到鈍化作用 此類鋼在氧化性介質(zhì)中 如大氣 海水 氧化性酸 耐蝕 常見的馬氏體不銹鋼有 Cr13型如1Cr13 2Cr13 3Cr13 奧氏體不銹鋼 奧氏體不銹鋼 是在Cr18Ni8 18 8 基礎(chǔ)上發(fā)展起來的 低碳 0 12 高鉻 18 和較高鎳 9 Cr主要起鈍化作用 Ni主要起擴大A相區(qū)的作用 此類鋼具有最佳的耐蝕性 但相應(yīng)地價格也較高 優(yōu)良的低溫韌性 高的加工硬化能力 耐熱性 其冷塑性加工性和焊接性能較好 以Cr18Ni8普通型奧氏體不銹鋼用量最大 牌號有1Cr18Ni9 1Cr18Ni9Ti及0Cr18Ni9等 二 耐熱鋼 定義 在高溫下具有抗氧化性和高溫強度的特殊鋼 高溫強度 熱強性 指標有 蠕變極限 材料在高溫長期載荷下對緩慢塑性變形 即蠕變 的抗力 以表示700 下經(jīng)1000h產(chǎn)生0 2 殘余變形量的最大應(yīng)力 持久強度 材料在高溫長期載荷下對斷裂的抗力 以表示在500 下經(jīng)10000h發(fā)生斷裂的應(yīng)力值 提高鋼抗氧化性的途徑 加入Cr Al Si在鋼表面生成致密穩(wěn)定連續(xù)而牢固的Cr2O3 Al2O3 SiO2氧化膜 提高鋼熱強性的途徑 基體固溶強化 加入元素Cr Ni W Mo等 形成單相組織并提高再結(jié)晶溫度 第二相彌散強化 加入元素V Ti Nb Al等 形成細小彌散分布的穩(wěn)定碳化物 VC TiC NbC 或穩(wěn)定性更高的金屬間化合物 Ni3Ti Ni3Nb Ni3Al 獲得第二相彌散強化效果并提高組織穩(wěn)定性 晶界強化 微量元素硼 B 與稀土 RE 元素 起凈化晶界或填充晶界空位的作用 抗氧化鋼 如3Cr18Ni25Si2等 熱強鋼珠光體 500 以下 如12CrMo 15CrMoV馬氏體 600 650 如Cr13型馬氏體不銹鋼奧氏體 650 以上 如18 8型奧氏體不銹鋼 航空發(fā)動機 汽輪機葉片 三 耐磨鋼 定義 在強烈沖擊載荷作用下發(fā)生沖擊形變硬化的高錳鋼 化學(xué)成分 高碳 0 9 1 5 高錳 11 14 鑄態(tài)組織 粗大A Fe3C網(wǎng) 脆性大 不直接使用 水韌處理 1060 1100 快速水冷 后可得到單相A 此時韌性很高 形變硬化 A M 形成硬 500HBW 而耐磨的表面層 10 20mm 心部仍為高韌性的A 主要用途 坦克 拖拉機 挖掘機的履帶板 破碎機襯板 鐵路道岔等