1、.1.2 軸類零件的分類根據承受載荷的不同分為：1）轉軸：定義：既能承受彎矩又承受扭矩的軸2）心軸：定義：只承受彎矩而不承受扭矩的軸3）傳送軸：定義：只承受扭矩而不承受彎矩的軸4）根據軸的外形，可以將直軸分為光軸和階梯軸；5）根據軸內部狀況，又可以將直軸分為實心軸和空。1.3軸類零件的設計要求1.3.1、軸的設計概要 軸的工作能力設計。主要進行軸的強度設計、剛度設計，對于轉速較高的軸還要進行振動穩(wěn)定性的計算。 軸的結構設計。根據軸的功能，軸必須保證軸上零件的安裝固定和保證軸系在機器中的支撐要求，同時應具有良好的工藝性。一般的設計步驟為：選擇材料，初估軸徑，結構設計，強度校核，必要時要進行剛度校

2、核和穩(wěn)定性計算。1.3.2、軸的材料軸是主要的支承件，常采用機械性能較好的材料。常用材料包括：碳素鋼：該類材料對應力集中的敏感性較小，價格較低，是軸類零件最常用的材料。常用牌號有：30、35、40、45、50。采用優(yōu)質碳素鋼時應進行熱處理以改善其性能。受力較小或不重要的軸，也可以選用Q235、Q255等普通碳鋼。45鋼價格相對比較便宜，經過調質（或正火）后，可得到較好的切削性能，而且能獲得較高的強度和韌性等綜合機械性能，淬火后表面硬度可達45-52HRC，是軸類零件的常用材料。合金鋼具有更好的機械性能和熱處理性能，可以適用于要求重載、高溫、結構尺寸小、重量輕等使用場合的軸，但對應力集中較敏感，

3、價格也較高。設計中尤其要注意從結構上減小應力集中，并提高其表面質量。40Cr等合金結構鋼適用于中等精度而轉速較高的軸類零件，這類鋼經調質和淬火后，具有較好的綜合機械性能。軸承鋼GCr15和彈簧鋼65Mn，經調質和表面高頻淬火后，表面硬度可達50-58HRC，并具有較高的耐疲勞性能和較好的耐磨性能，可制造較高精度的軸。精密機床的主軸（例如磨床砂輪軸、坐標鏜床主軸）可選用38CrMoAIA氮化鋼。這種鋼經調質和表面氮化后，由于此鋼氮化層硬度高，耐磨性好，而且能保持較軟的芯部，因此耐沖擊韌性好，還具備一定的耐熱性和耐蝕性。與滲碳淬火鋼比較，它有熱處理變形很小，硬度更高的特性，是目前工業(yè)中應用最廣泛的

4、氮化鋼。鑄鐵：對于形狀比較復雜的軸，可以選用球墨鑄鐵和高強度的鑄鐵。它們具有較好的加工性和吸振性，經濟性好且對應力集中不敏感，但鑄造質量不易保證。1.3.3、軸的結構設計根據軸在工作中的作用，軸的結構取決于：軸在機器中的安裝位置和形式，軸上零件的類型和尺寸，載荷的性質、大小、方向和分布狀況，軸的加工工藝等多個因素。合理的結構設計應滿足：軸上零件布置合理，從而軸受力合理有利于提高強度和剛度；軸和軸上零件必須有準確的工作位置；軸上零件裝拆調整方便；軸具有良好的加工工藝性；節(jié)省材料等。1). 軸的組成軸的毛坯一般采用圓鋼、鍛造或焊接獲得，由于鑄造品質不易保證，較少選用鑄造毛坯。軸主要由三部分組成。軸

5、上被支承，安裝軸承的部分稱為軸頸；支承軸上零件，安裝輪轂的部分稱為軸頭；聯結軸頭和軸頸的部分稱為軸身。軸頸上安裝滾動軸承時，直徑尺寸必須按滾動軸承的國標尺寸選擇，尺寸公差和表面粗糙度須按規(guī)定選擇；軸頭的尺寸要參考輪轂的尺寸進行選擇，軸身尺寸確定時應盡量使軸頸與軸頭的過渡合理，避免截面尺寸變化過大，同時具有較好的工藝性。2). 結構設計步驟設計中常采用以下的設計步驟：1.分析所設計軸的工作狀況，擬定軸上零件的裝配方案和軸在機器中的安裝情況。2.根據已知的軸上近似載荷，初估軸的直徑或根據經驗確定軸的某徑向尺寸。3.根據軸上零件受力情況、安裝、固定及裝配時對軸的表面要求等確定軸的徑向（直徑）尺寸。4

6、.根據軸上零件的位置、配合長度、支承結構和形式確定軸的軸向尺寸。5.考慮加工和裝配的工藝性，使軸的結構更合理。3). 零件在軸上的安裝保證軸上零件可靠工作，需要零件在工作過程中有準確的位置，即零件在軸上必須有準確的定位和固定。零件在軸上的準確位置包括軸向和周向兩個方面。 零件在軸上的軸向定位和固定常見的軸向定位和固定的方法采用軸肩、各種擋圈、套筒、圓螺母、錐端軸頭等的多種組合結構。軸肩分為定位軸肩和非定位軸肩兩種。利用軸肩定位結構簡單、可靠，但軸的直徑加大，軸肩處出現應力集中；軸肩過多也不利于加工。因此，定位軸肩多在不致過多地增加軸的階梯數和軸向力較大的情況下使用，定位軸肩的高度一般取3-6m

7、m，滾動軸承定位軸肩的高度需按照滾動軸承的安裝尺寸確定。非定位軸肩多是為了裝配合理方便和徑向尺寸過度時采用，軸肩高度無嚴格限制，一般取為1-2mm。套筒定位可以避免軸肩定位引起的軸徑增大和應力集中，但受到套筒長度和與軸的配合因素的影響，不宜用在使套筒過長和高速旋轉的場合。擋圈的種類較多，且多為標準件，設計中需按照各種擋圈的用途和國標來選用。 零件在軸上的周向定位和固定常見的周向定位和固定的方法采用鍵、花鍵、過盈配合、成形聯結、銷等多種結構。鍵是采用最多的方法。同一軸上的鍵槽設計中應布置在一條直線上，如軸徑尺寸相差不過大時，同一軸上的鍵最好選用相同的鍵寬。4)、軸的結構工藝性從裝配來考慮：應合理

8、的設計非定位軸肩，使軸上不同零件在安裝過程中盡量減少不必要的配合面；為了裝配方便，軸端應設計45°的倒角；在裝鍵的軸段，應使鍵槽靠近軸與輪轂先接觸的直徑變化處，便于在安裝時零件上的鍵槽與軸上的鍵容易對準；采用過盈配合時，為了便于裝配，直徑變化可用錐面過渡等。從加工來考慮：當軸的某段須磨削加工或有螺紋時，須設計砂輪越程槽或退刀槽；根據表面安裝零件的配合需要，合理確定表面粗糙度和加工方法；為改善軸的抗疲勞強度，減小軸徑變化處的應力集中，應適當增大其過渡圓角半徑，但同時要保證零件的可靠定位，過渡圓角半徑又必須小于與之相配的零件的圓角半徑或倒角尺寸。軸的設計時應考慮多方面因素和要求，需要解決

9、的問題是軸的選材、結構、強度和剛度。因此軸的強度校核尤為重要，通過校核來確定軸的設計是否能達到使用要求，最終實現產品的完整設計。合理的進行軸的強度校核是軸設計的主要內容，也是評定軸的設計成敗得先決條件。校核結果如不滿足承載要求時，則必須修改原結構設計結果，再重新校核。1.4課題研究意義在科學技術高速發(fā)展的今天，軸是機械設備中最常見的一種零件，也是機械傳動系統(tǒng)中重要的零件。對于不同類型的軸，在工作中常常受到多個載荷作用，這些載荷產生的應力計算是軸的強度計算中的重要內容。軸的強度校核在材料力學和機械零件等課程中具有重要的地位。例如轉軸一般都是工作在彎曲與扭轉共同作用的復合應力狀態(tài)下,對它的強度校核

10、,一般是采用當量應力法或疲勞安全裕度的方法。這些強度校核計算方法的理論依據是塑性材料屈服失效理論(最大切應力理論與歪形能理論),并且考慮軸危險剖面上的彎曲正應力與扭轉切應力的循環(huán)特性,以及軸的絕對尺寸、表面質量和應力集中等因素對疲勞強度的影響。研究軸的強度校核方法對于提高機械設備可靠性具有重要意義。隨著計算機技術的廣泛應用，軸類零件的設計正逐步從手工走向計算機自動化設計，不僅提高了設計質量，減少了設計工作量，同時為現代高速、多變、小批量生產的設計提供了必要的保障手段。研究軸的強度校核方法有助于我們更好的掌握軸的強度校核原理，并進一步與計算機應用技術相結合，提高設計水平。第二章 軸的強度校核方法

11、2.1強度校核的定義在機械系統(tǒng)中，金屬材料在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力稱為強度。強度是衡量零件本身承載能力（即抵抗失效能力）的重要指標。強度是機械零部件首先應滿足的基本要求。強度校核就是對材料或設備的力學性能進行檢測并調節(jié)的一種方式，如抗沖擊強度，抗彎曲強度等，并且這種方式以不破壞材料或設備性能為前提。強度的校核研究是綜合性的研究，主要是通過其應力狀態(tài)來研究零部件的受力狀況以及預測破壞失效的條件和時機。2.2常用的軸的強度校核計算方法進行軸的強度校核計算時，應根據軸的具體受載及應力情況，采取相應的計算方法，并恰當地選取其許用應力。對于傳動軸應按扭轉強度條件計算。對于心軸應按彎曲強度條件

12、計算。對于轉軸應按彎扭合成強度條件計算。2.2.1按扭轉強度條件計算：這種方法是根據軸所受的扭矩來計算軸的強度，對于軸上還作用較小的彎矩時，通常采用降低許用扭轉切應力的辦法予以考慮。通常在做軸的結構設計時，常采用這種方法估算軸徑。實心軸的扭轉強度條件為：由上式可得軸的直徑為 為扭轉切應力，MPa式中：T為軸多受的扭矩，N·mm為軸的抗扭截面系數，n為軸的轉速，r/minP為軸傳遞的功率，KW d為計算截面處軸的直徑，mm 為許用扭轉切應力，Mpa，值按軸的不同材料選取，常用軸的材料及值見下表：表1 軸的材料和許用扭轉切應力軸的材料Q235，2035451Cr18Ni9Ti40Cr,3

13、5SiMn,2Cr13,42SiMn12-2020-3030-4015-2540-52A160-135135-118118-107148-125100.7-98空心軸扭轉強度條件為：其中即空心軸的內徑與外徑d之比，通常取=0.5-0.6這樣求出的直徑只能作為承受扭矩作用的軸段的最小直徑。例如，在設計一級圓柱齒輪減速器時，假設高速軸輸入功率P1=2.475kw，輸入轉速n1=960r/min，則可根據上式進行最小直徑估算，若最小直徑軸段開有鍵槽，還要考慮鍵槽對軸的強度影響。根據工作條件，選擇45#鋼，正火，硬度HB170-217，作為軸的材料，A0值查表取A0=112，則因為高速軸最小直徑處安裝

14、聯軸器，并通過聯軸器與電動機相連接，設有一個鍵槽，則：另外，實際中，由于減速器輸入軸通過聯軸器與電動機軸相聯結，則外伸段軸徑與電動機軸徑不能相差太大，否則難以選擇合適的聯軸器，取，查表，取,則：綜合考慮，可取通過上面的例子，可以看出，在實際運用中，需要考慮多方面實際因素選擇軸的直徑大小。2.2.2按彎曲強度條件計算：由于考慮啟動、停車等影響，彎矩在軸截面上鎖引起的應力可視為脈動循環(huán)變應力。則 其中：M 為軸所受的彎矩，N·mmW 為危險截面抗扭截面系數()具體數值查機械設計手冊B19.3-1517.為脈動循環(huán)應力時許用彎曲應力(MPa)具體數值查機械設計手冊B19.1-12.2.3按

15、彎扭合成強度條件計算由于前期軸的設計過程中，軸的主要結構尺寸軸上零件位置及外載荷和支反力的作用位置均已經確定，則軸上載荷可以求得，因而可按彎扭合成強度條件對軸進行強度校核計算。一般計算步驟如下：(1)做出軸的計算簡圖：即力學模型 通常把軸當做置于鉸鏈支座上的梁，支反力的作用點與軸承的類型及布置方式有關，現在例舉如下幾種情況：圖1 軸承的布置方式當,但不小于（0.250.35）L，對于調心軸承e=0.5L在此沒有列出的軸承可以查閱機械設計手冊得到。通過軸的主要結構尺寸軸上零件位置及外載荷和支反力的作用位置，計算出軸上各處的載荷。通過力的分解求出各個分力，完成軸的受力分析。（2）做出彎矩圖在進行軸

16、的校核過程中最大的難度就是求剪力和彎矩，畫出剪力圖和彎矩圖，因此在此簡單介紹下求剪力和彎矩的簡便方法。橫截面上的剪力在數值上等于此橫截面的左側或右側梁段上所有豎向外力（包括斜向外力的豎向分力）的代數和 。外力正負號的規(guī)定與剪力正負號的規(guī)定相同。剪力符號：當截面上的剪力使考慮的脫離體有順時針轉動趨勢時的剪力為正；反之為負。橫截面上的彎矩在數值上等于此橫截面的左側或右側梁段上的外力（包括外力偶）對該截面形心的力矩之代數和 。外力矩的正負號規(guī)定與彎矩的正負號規(guī)定相同。彎矩符號：當橫截面上的彎矩使考慮的脫離體凹向上彎曲（下半部受拉，上半部受壓）時，橫截面上的彎矩為正；反之凹向下彎曲（上半部受拉，下半部

17、受壓）為負。不論在截面的左側或右側向上的外力均將引起正值的彎矩，而向下的外力則引起負值的彎矩。利用上述結論來計算某一截面上的內力是非常簡便的，此時不需畫脫離體的受力圖和列平衡方程，只要梁上的外力已知，任一截面上的內力均可根據梁上的外力逐項寫出。因此，這種求解內力的方法稱為簡便法。1、列剪力方程和彎矩方程 ，畫剪力圖和彎矩圖梁的不同截面上的內力是不同的，即剪力和彎矩是隨截面的位置而變化。 為了便于形象的看到內力的變化規(guī)律，通常是將剪力和彎矩沿梁長的變化情況用圖形來表示剪力圖和彎矩圖。剪力圖和彎矩圖都是函數圖形，其橫坐標表示梁的截面位置，縱坐標表示相應的剪力和彎矩。剪力圖和彎矩圖的畫法是：先列出剪

18、力和彎矩隨截面位置變化的函數式，再由函數式畫出函數圖形。剪力方程和彎矩方程 ：以梁的左端點為坐標原點，x 軸與梁的軸線重合, 找出橫截面上剪力和彎矩與橫截面位置的關系 , 這種關系稱為剪力方程和彎矩方程。，M=M(x)；2、剪力圖和彎矩圖的繪制方向的判定：剪力 : 正值剪力畫在x軸上側，負值剪力畫在x軸下側。彎矩 : 正值彎矩畫在x軸的下側；負值彎矩畫在x軸上側。3、繪剪力圖和彎矩圖的基本方法：首先分別寫出梁的剪力方程和彎矩方程，然后根據它們作圖。4、作剪力圖和彎矩圖的幾條規(guī)律取梁的左端點為坐標原點，x 軸向右為正；剪力圖向上為正；彎矩圖向下為正。以集中力、集中力偶作用處，分布荷載開始或結束處

19、，及支座截面處為界點將梁分段。分段寫出剪力方程和彎矩方程，然后繪出剪力圖和彎矩圖。梁上集中力作用處左、右兩側橫截面上，剪力值（圖）有突變，其突變值等于集中力的數值。在此處彎矩圖則形成一個尖角。梁上集中力偶作用處左、右兩側橫截面上的彎矩值也有突變，其突變值等于集中力偶矩的數值。但在此處剪力圖沒有變化。梁上的最大剪力發(fā)生在全梁或各梁段的邊界截面處；梁上的最大彎矩發(fā)生在全梁或各梁段的邊界截面，或 F= 0的截面處。5、求各分力的彎矩合成： 軸的載荷分析圖如下：圖2 軸的載荷分析圖（3）校核軸的強度通過以上計算得到得彎矩M和扭矩T后，可針對某些危險截面（即彎矩和扭矩大而軸徑小可能斷的截面）做彎扭合成強

20、度的校核計算。按第三強度理論的計算應力公式：為對稱循環(huán)變應力為扭轉切應力為了考慮兩者循環(huán)特性不同的影響，引入折合系數，則 若扭轉切應力為靜應力時： 取=0.3 若扭轉切應力為脈動循環(huán)應力時： 取=0.6若扭轉切應力為對稱循環(huán)應力時： 取=1.0對于直徑為d的圓軸：彎曲應力扭轉切應力代入與得：式中：為對稱循環(huán)變應力的軸的許用彎曲應力 (MPa)，具體數值查機械設計手冊B19.1-1 為軸的計算應力 MpaM 為軸所受的彎矩 N·mmT 為軸所受的扭矩N·mmW為軸的抗彎截面系數 ()具體數值查機械設計手冊B19.3-15-17下面本文以一級圓柱齒輪減速器的輸出軸為例詳細介紹按

21、彎扭合成強度條件對軸進行強度校核的計算方法。圖3 一級圓柱齒輪減速器輸出軸零件圖首先，作出軸的扭矩圖如下：圖4 一級圓柱齒輪減速器輸出軸扭矩圖按照上面提到的第三強度理論公式：式中：-軸的計算應力，單位為Mpa;M-軸所受的彎矩，單位為N.mm;T-軸所受的扭矩，單位為N.mm;W-軸的抗彎截面系數，單位為mm3依次確定式中的各個參數：根據減速器輸出軸的受力條件，已知：根據圖分析可得：因此：=591200 N.mm=530300 N.mm根據軸的工作條件，取=0.6。計算抗扭截面系數W根據彎矩圖可知道，危險截面在齒輪段的軸上，因此截面形狀如下所示：圖5 一級圓柱齒輪減速器輸出軸危險截面圖查表15

22、-4可得：分別帶如圖示所示的數據，可得：根據危險截面分析,取M=5912000 N.mm強度的計算：將以上數據分別帶入上式中可得：前面已經選定軸的材料為45鋼，由表15-1查得,所以，故軸安全。2.2.4精確計算（安全系數校核計算）安全系數校核計算分為按疲勞強度條件和按精強度條件進行精確計算。1.按疲勞強度條件進行精確計算這種校核計算的實質在于確定變應力情況下軸的安全程度。在已知軸的外形、尺寸及載荷的基礎上，即可通過分析確定出一個或多個危險截面（這時不僅要考慮彎曲應力和扭轉切應力的大小，而且要考慮應力集中和絕對尺寸等因素影響的程度），按照公式求出計算安全系數并應使其稍大于或至少等于設計安全系數

23、。公式如下：其中： 為只考慮彎矩作用時的安全系數 為只考慮扭矩作用時的安全系數 S為按疲勞強度計算的許用安全系數：見下表。表2 許用安全系數選取條件S選 取 條 件1.3-1.5載荷確定精確,材料性質均勻1.5-1.8載荷確定不夠精確,材料性質不夠均勻1.8-2.5載荷確定不精確,材料性質均度較差僅有法向應力時，應滿足僅有扭轉切應力時，應滿足式中 對稱循環(huán)應力下的材料彎曲疲勞極限(MPa)，具體數值查機械設計手冊B19.1-1 對稱循環(huán)應力下的材料扭轉疲勞極限(MPa)，具體數值查機械設計手冊B19.1-1為彎曲和扭轉時的有效應力集中系數,具體數值查機械設計手冊B19.3.5-7 為表面質量系

24、數,具體數值查機械設計手冊B19.3-8-10.為材料拉伸和扭轉的平均應力折算系數,具體數值查機械設計手冊B19.3-13.為彎曲應力的應力幅和平均應力(MPa)具體數值查機械設計手冊B19.3-12為轉應力的應力幅和平均應力(MPa)圖6 一級圓柱齒輪減速器輸出軸軸承布置圖如上圖所示一級圓柱齒輪減速器的輸出軸承結構示意，首先判斷危險截面，截面a-a、b-b、c-c、d-d和e-e都有應力集中源(鍵槽、齒輪和軸的配合、過渡圓角等)，且當量彎矩均較大，故確定為危險截面，下面就以a-a截面為例進行安全系數校核。A、a-a截面上的應力：彎曲應力幅：扭轉應力幅：彎曲平均應力：扭轉平均應力：B、材料的疲

25、勞極限：根據，查表7-1附注得：，C、a-a截面應力集中系數：查附表7-1得：，D、表面狀態(tài)系數及尺寸系數：查附表7-5、附表7-4, 得：，E、分別考慮彎矩或扭矩作用時的安全系數：故安全。2.按靜強度條件進行精確計算這種校核目的是評定軸對塑性變形的抵抗能力。根據軸材料的屈服強度和軸上作用的最大瞬時載荷，計算軸危險截面處的靜強度安全系數。靜強度校核時的強度條件是：式中：為危險截面靜強度的計算安全系數為按屈服強度的設計安全系數為1.2-1.4用于高塑性材料制成的剛軸為1.4-1.8，用于中等塑性材料制成的剛軸為1.8-2，用于低塑性材料制成的剛軸為2-3，用于鑄造軸為只考慮彎矩和軸向力時的安全系

26、數為只考慮扭矩時的安全系數式中為材料的抗彎和抗扭屈服極限，MPa為軸的危險截面上所受的最大彎矩和最大扭矩，N·mm為軸的危險截面上所受的最大的軸向力，N A 為軸的危險截面的面積，分別為危險截面的抗彎和抗扭截面系數,具體數值查機械設計手冊B19.3-15-17.通過以上幾種校核強度的方法完成軸的設計，如果校核結果如不滿足承載要求時，則必須修改原結構設計結果，再重新校核。.第三章 提高軸的疲勞強度和剛度的措施3.1 合理的選擇軸的材料軸的材料種類很多，主要是根據軸的使用條件、剛度和其他的機械性能等的要求，采用的熱處理方式，同時考慮加工工藝，并力求經濟合理，通過設計計算來選擇軸的材料：抽

27、的材料一般是經過扎制或鍛造經切削加工的碳素鋼或合金鋼。對于直徑較小的軸，可用圓鋼制造；有條件的可以直接用冷軋鋼材；對于重要的，大直徑或階梯直徑變化較大的軸，采用鍛坯。為節(jié)約金屬和提高工藝性，直徑大的軸還可以造成空心的，并且?guī)в泻附拥幕蝈懺斓耐咕?。軸的常用的材料是優(yōu)質碳素結構鋼，如35、45和50，其中以45號鋼最為常見。不太重要及受載荷交小的軸可用Q235、Q275等普通碳素鋼結構鋼；對于受力較大，軸的尺寸受限制，以及某些有特殊要求的軸可用合金機構鋼。當采用合金鋼時，應優(yōu)先選用符合國家資源結構情況的硅錳鋼、硼鋼等。對于結構復雜的軸（例花鍵軸、空心軸等），為保護尺寸穩(wěn)定性和減小熱處理變形可選用鉻

28、鋼；對于大截面非常重要的軸可選用鉻鎳鋼，對于高溫或腐蝕條件下工作的軸可選用耐熱鋼或不銹鋼。曲軸和輪軸一般用球墨鑄鐵和一些高強度鑄鐵。（鑄造性能好，容易鑄成復雜的形狀，吸振能力好，應力集中敏感性比較低，支點位移的影響小。）3.2合理安排軸的結構和工藝設計過程中，除合理選材外還可從結構安排和工藝等方面采取措施來提高軸的承載能力。分析軸上零件特點，減小軸受載荷根據軸上安裝的傳動零件的狀況，合理布置和合理設計可以減小軸的受載。對于受彎矩和轉矩聯合作用的轉軸，可以改進軸和軸上零件結構，使軸的承載減少。(2)改進軸的結構，減少應力集中避免軸的剖面尺寸發(fā)生較大的變化，采用較大的過渡圓角半徑，當裝配零件的倒角

29、很小時，可以采用內凹圓角或加裝隔離環(huán)；盡可能不在軸的受載區(qū)段切制螺紋；可能時適當放松零件與軸的配合，在輪轂上或與輪轂配合區(qū)段兩端的軸上加開卸載槽，以降低過盈配合處的應力集中等。(3)改進軸的表面質量，提高軸的疲勞強度減小表面及圓角處的表面粗糙度；對零件進行表面淬火、滲氮、滲碳、碳氮共滲等處理；對零件表面進行碾壓加工或噴丸硬化處理等可以顯著提高軸的承載能力。(4)采用空心軸，減輕質量，提高強度和剛度（內徑/外徑d）為0.6的空心軸與直徑為d的實心軸相比，空心軸的剖面模量減少13%，質量減少36%；/d仍為0.6的空心軸與同質量的實心軸相比，剖面模量可增加1.7倍。3.3國內外同行業(yè)新材料、新技術

30、的應用現狀隨著我國機械工業(yè)的迅猛發(fā)展，機械工業(yè)零部件產業(yè)顯示出誘人的商機，在機械設備制造上，大多采用傳動的材料和工藝方法，隨著科技的進步，出現了許多新材料、新技術和新工藝。只要在我們的產品里正確地應用，就能夠提高產品質量、降低勞動強度、減小成本、加快生產周期。而作為新材料前沿科技的復合材料必將成為這個新興產業(yè)的主導。本文中有些新材料、新技術已經有十幾年或更長的運用歷史，但由于在機械行業(yè)推廣、應用不普及因而有“新”的感覺。此前，加拿大汽車供應商Magna公司與加拿大政府的研發(fā)組織結成伙伴關系，雙方將在加拿大安大略省康科德創(chuàng)建一個Magna-NRC復合材料優(yōu)勝中心，旨在研發(fā)安全、經濟、環(huán)境友好和燃

31、料效率高的“新一代”熱塑性復合材料，這類復合材料主要應用于汽車零部件，據悉，該研究機構已經于今年夏天投入運行。在中國，空中客車中國公司與哈飛集團等中國企業(yè)合資建立了復合材料飛機零部件制造中心，以為空客系列飛機生產復合材料零部件。這也讓我們近距離的接觸到復合材料在中國的推動應用。但是復合材料在我國機械零部件領域的應用非常缺乏。業(yè)內人士對復合材料這個概念根本就不了解，有的人竟然不知道玻璃鋼是復合材料。軸類零件往往是機械系統(tǒng)的驅動部件，對整個機械系統(tǒng)的性能起著決定性作用，軸的剛性及精度要求使得加工難度增大，對材料的加工工藝要求都很高。因此，新的機械工藝技術將有助于提高軸類零件的工藝性，本文將具體介紹

32、超精密加工、超高速加工技術與楔橫軋技術。3.3.1超高速加工技術超高速加工技術是指采用超硬材料的刃具，通過極大地提高切削速度和進給速度來提高材料切除率、加工精度和加工質量的現代加工技術。超高速加工的切削速度范圍因不同的工件材料、不同的切削方式而異。目前，一般認為，超高速切削各種材料的切速范圍為：鋁合金已超過1600m/min，鑄鐵為1500m/min，超耐熱鎳合金達300m/min，鈦合金達150-1000m/min，纖維增強塑料為2000-9000m/min。各種切削工藝的切速范圍為：車削700-7000m/min，銑削300-6000m/min，鉆削200-1100m/min，磨削250m

33、/s以上等等。超高速加工技術主要包括：超高速切削與磨削機理研究，超高速主軸單元制造技術，超高速進給單元制造技術，超高速加工用刀具與磨具制造技術，超高速加工在線自動檢測與控制技術等。工業(yè)發(fā)達國家對超高速加工的研究起步早，水平高。在此項技術中，處于領先地位的國家主要有德國、日本、美國、意大利等。在超高速加工技術中，超硬材料工具是實現超高速加工的前提和先決條件，超高速切削磨削技術是現代超高速加工的工藝方法，而高速數控機床和加工中心則是實現超高速加工的關鍵設備。目前，刀具材料已從碳素鋼和合金工具鋼，經高速鋼、硬質合金鋼、陶瓷材料，發(fā)展到人造金剛石及聚晶金剛石（PCD）、立方氮化硼及聚晶立方氮化硼（CB

34、N）。切削速度亦隨著刀具材料創(chuàng)新而從以前的12m/min提高到1200m/min以上。砂輪材料也由過去主要是采用剛玉系、碳化硅系等發(fā)展到使用人工合成金剛石、CBN、陶瓷或樹脂結合劑CBN砂輪。金剛石砂輪線速度可達125m/s150m/s，而單層電鍍CBN砂輪可達250m/s。隨著新刀具（磨具）材料的不斷發(fā)展，每隔十年切削速度要提高近一倍，亞音速乃至超聲速加工的出現不會太遙遠了。在超高速切削技術方面，美國和聯邦德國走在了世界前列，1976年美國的Vought公司研制了一臺最高轉速達到20000rpm的超高速銑床。聯邦德國從1978年開始系統(tǒng)地進行超高速切削機理研究，對各種金屬和非金屬材料進行高速

35、切削試驗，并提供了大量資金支持該項研究工作，八十年代中后期以來，超高速機床從單一的超高速銑床發(fā)展成為超高速車銑床、鉆銑床乃至各種高速加工中心等。瑞士、英國、日本也相繼推出自己的超高速機床。日本日立精機的HG400III型加工中心主軸最高轉速達36000-40000r/min，工作臺快速移動速度為3640m/min。采用直線電機的美國Ingersoll公司的HVM800型高速加工中心進給移動速度為60m/min。在高速和超高速磨削技術方面，人們開發(fā)了高速、超高速磨削、深切緩進給磨削、深切快進給磨削（即HEDG）、多片砂輪和多砂輪架磨削等許多高速高效率磨削，這些高速高效率磨削技術在近20年來得到長

36、足的發(fā)展及應用。德國Guehring Automation公司1983年制造出了當時世界第一臺最具威力的60kw強力CBN砂輪磨床，Vs達到140-160m/s。并積極在鋁合金鈦合金、因康鎳合金等難加工材料方面進行高效深磨的研究。應用CBN砂輪高速磨削加工齒輪齒形，采用電鍍CBN砂輪超高速磨削代替原須經滾齒及剃齒加工的工藝，加工16MnCr5材料的齒輪齒形，Vs155m/s，其Q達到811mm3/mm.s，應用高速深磨加工泵類零件深槽，工件材料為100Cr6軸承鋼，采用電鍍CBN砂輪，Vs達到300m/s，其Q140mm3/mm.s，磨削加工中，可將淬火后的葉片泵轉子10個一次裝夾，一次磨出轉

37、子槽，磨削時工件進給速度為1.2m/min，平均每個轉子加工工時只需10秒鐘，槽寬精度可保證在2m，一個砂輪可加工1300個工件。目前日本工業(yè)實用磨削速度已達200m/s，美國Conneticut大學磨削研究中心，1996年其無心外圓高速磨床上，最高砂輪磨削速度達250m/s。近年來，我國在高速超高速加工的各關鍵領域如大功率高速主軸單元、高加減速直線進給電機、陶瓷滾動軸承等方面也進行了較多的研究，但總體水平同國外尚有較大差距，必須急起直追。3.3.2超精密加工超精密加工當前是指被加工零件的尺寸精度高于0.1m，表面粗糙度Ra小于0.025m，以及所用機床定位精度的分辨率和重復性高于0.01 m

38、的加工技術，亦稱之為亞微米級加工技術，且正在向納米級加工技術發(fā)展。超精密加工技術主要包括：超精密加工的機理研究，超精密加工的設備制造技術研究，超精密加工工具及刃磨技術研究，超精密測量技術和誤差補償技術研究，超精密加工工作環(huán)境條件研究。超精密加工技術研究最早起步于美國，是迄今為止處于世界領先地位的國家，其次是歐洲的一些國家及日本。美國至少有30多個研究單位和廠家研制和生產各種超精密加工機床，摩爾公司、聯合碳化公司、杜邦公司等均在國際上久負盛名。日本對超精密加工技術的發(fā)展也十分重視，20世紀70年代初，日本成立了超精密加工技術委員會，指定了技術發(fā)展規(guī)劃，成為此項技術發(fā)展速度最快的國家，日本現有20

39、多家超精密加工機床研制公司，重點開發(fā)民用產品所需的加工設備，力圖使其設備系列化，并成批生產了多品種商品化的超精密加工機床。日本的超精密加工機床設備多采用0.01m高分辨率的CNC系統(tǒng)和激光干涉儀測量，那迷級光刻已超過了美國，居世界領先地位。超精密加工機床的加工精度已達亞微米級0.1m以下，粗糙度達Rn0.01m，最高水平的機床已用于制造超大規(guī)模集成電路，刻線寬度可達0.3m。我國的超精密加工技術在20世紀70年代末期有了長足進步，80年代中期出現了具有世界水平的超精密加工機床和部件，我國目前已成功研制出回轉精度達0.025m的超精密軸類零件。并已裝備超精密車床和超精密銑床，解決了長期以來由于國

40、外技術封鎖給超精密機床的研制帶來的巨大阻力。目前我國的超精密軸系已基本形成系列化，并達到實用化和商品化程度。我國在超精密加工的效率、精度、可靠性特別是大尺寸的規(guī)格和技術配套性方面與生產實際要求與國外比還有相當大的差距。主要表現在我國還不能生產超精密非球面車床，機床的精度一般比國外要低一個等級，機床的精度保持時間大大低于國外，因此對精度要求高的精密和超精密加工設備還不得不從國外進口。超精密加工是一個系統(tǒng)工程，影響超精密加工精度的因素很多，超精密加工將向以下幾個方向發(fā)展：1) 高質量、高精度、高效率2) 對工件材料的要求越來越嚴格3) 工藝整合化4) 在線檢測，實現加工計量一體化5) 智能化、自動

41、化、柔性化6) 技術集成化程度不斷提升7) 綠色化超精密加工技術是提高軸類零件性能、質量、工作壽命和可靠性以及節(jié)材節(jié)能的重要途徑。3.3.3楔橫軋技術隨著機械工業(yè)技術的不斷發(fā)展，許多機械零部件尤其是軸類零件逐步轉向標準化、系列化。同時軸類零件的需求量也快速增多，傳統(tǒng)的鍛造工藝制坯生產技術已不能滿足需求，楔橫軋技術是近年來才用于工業(yè)生產的一種金屬壓力加工方法，屬于金屬熱加工，采用楔橫軋機帶動安裝在其芯軸上的模具旋轉從而對原料施加壓力，完成成形過程的一種金屬成形方法。楔橫軋技術具有工藝先進、生產效率高、產品精度高等優(yōu)點，但是楔橫軋機床模具制造困難，不易修理，每副模具只能生產一個類型的產品。楔橫軋技

42、術的應用領域相當廣泛，如液壓機械、礦山機械、電動機和減速機等各個行業(yè)的傳動軸制坯均可利用此工藝生產。在我國，楔橫軋技術應用比較典型的企業(yè)有四川長城楔橫軋廠和山東萊蕪楔橫軋廠生產的凸輪軸毛坯等，楔橫軋技術是一種高效節(jié)能環(huán)保新型金屬加工技術，由此技術生產的軸類毛坯接近產品的最終形狀，外觀尺寸波動小，只需要進行微量加工便可以達到產品的最終形狀，并且易于實現自動化。.總 結合理的進行軸的強度校核是軸設計的主要內容，同時也是評定軸的設計成敗得先決條件。校核結果如不滿足承載要求時，則必須修改原結構設計結果，再重新校核。軸的設計應考慮多方面各種因素和要求，軸的設計過程中需要解決的問題是軸的選材、結構、強度和剛度，因此軸的強度校核尤為重要，通過校核來確定軸的設計是否能達到使用要求，最終實現產品的完整設計。本文在參考了大量文獻資料的情況下，具體介紹了四種軸的強度校核方法：1、按扭矩估算2、按彎矩估算3、按彎扭合成力矩近視計算4、精確計算（安全系數校核）。在實際中，常常根據軸的受載及應力情況采取相應的計算方法，對于軸的三種受載情況的軸的強度校核進行了具體分析，并對如何精確計算軸的安全系數做了