《机械零件轴》PPT课件.ppt

第五章机械零件 轴 重点 轴承 掌握 键联接和销联接 了解 螺纹联接 了解 联轴器 离合器和制动器 不讲 5 1轴 轴是组成机器的重要零件之一 用来支承旋转的机械零件 轴的功用 支承回转零件及传递运动和动力 轴一般都有 足够的强度合理的结构良好的工艺性 5 1 1轴的分类和应用特点 按照承受载荷的不同可分为转轴 心轴和传动轴三类 转轴 工作中既受弯矩又受扭矩的轴 合金元素溶入铁素体后 产生固溶强化 使铁素体的强度 硬度提高 但塑性 韧性都有下降趋势 传动轴 只受扭矩不受弯矩或弯矩很小的轴 心轴 只受弯矩而不受扭矩的轴 它又分为转动心轴和固定心轴两种 2 按照轴线形状的不同可分为直轴 曲轴和软轴 直轴按其外形的不同 可分为阶梯轴 光轴 实心轴 空心轴 其轴线在同一条直线上 光轴具有形状简单 加工方便 制造成本低 轴上应力集中源少等优点 其缺点是轴上零件不易装配定位 阶梯轴的特点则正好与光轴相反 因此 光轴常用作心轴和传动轴 阶梯轴常用作转轴 转轴阶梯轴 轴一般都制成实心的 实心轴 只有在因机器结构要求 需要在轴中安装其它零件或是减轻轴的质量具特别重大作用时 才将轴制成空心的 空心轴 曲轴用以将旋转运动与往复直线运动相互转变 软轴是由几层紧贴在一起的钢丝层构成的 它能把回转运动灵活地传到任何位置 主要用于两传动轴线不在同一直线或工作时彼此有相对运动的空间传动 也可用于受连续振动的场合 具有缓和冲击的作用 5 1 2轴的常用材料 轴的失效形式是 因疲劳强度不足而产生疲劳断裂 因静强度不足而生产塑性变形或脆性断裂 因刚度不足而产生过大弯曲及扭转变形 高速时发生共振破坏等 交变应力使轴易发生疲劳破坏 故轴的材料也就首先要有足够的疲劳强度 当然还要考虑到经济性 轴的常用材料主要是碳素钢和合金钢 轴的毛坯一般多为轧制圆钢和锻件 碳素钢具有足够的强度 比合金钢价廉 对应力集中的敏感性较低 并且可通过正火或调质处理获得较好的综合机械性能 故应用广泛 其中以45号钢经调质处理最为常用 合金钢具有较高的机械性能 但价格较贵 常用于制造有特殊要求的轴 如高速重载轴 受力大而又要求尺寸小 重量轻的轴 处于高温 低温或腐蚀性介质中的轴等 形状发杂 尺寸大的轴也用球墨铸铁铸造成型 5 1 3轴的结构 轴的结构设计就是使轴的各部分具有合理的形状和尺寸 影响轴的结构形状的因素有 轴上零件的类型 数量和尺寸 轴上零件的安装位置 定位方法 载荷的大小 方向和性质及分布情况 轴的制造工艺性等 在进行轴结构设计时 应遵循的一般原则 1 轴和轴上零件要有准确的工作位置 定位 2 各零件要牢固而可靠地相对固定 固定 3 轴应具有良好的加工工艺性 制造要求 4 轴上零件要易于装拆和调整 安装要求 5 尽量减小应力集中 6 受力合理 有利于节约材料 减轻轴的重量 在进行轴的结构设计时 首先应拟定轴上零件的装配方案轴上零件的装配方案大体决定了轴的基本形式 装配方案 就是预定出轴上主要零件的装配方向 顺序和相互关系 同一个设计任务 轴上零件的装配方案不同 可有不同的结构 如图所示是两种不同装配方案得出的两种不同的轴结构 在拟定装配方案时 一般应考虑几个方案 进行分析比较与选择 一 制造安装要求为便于轴上零件的装拆 常将轴做成阶梯形 对于一般剖分式箱体中的轴 它的直径从轴端逐渐向中间增大 如图14 7所示 可依次将齿轮 套筒 左端滚动轴承 轴承盖和带轮从轴的左端装拆 另一滚动轴承从右端装拆 为使轴上零件易于安装 轴端及各轴段的端部应有倒角 轴上磨削的轴段 应有砂轮越程槽 图14 7中 与 的交界处 车制螺纹的轴段 应有退刀槽 在满足使用要求的情况下 轴的形状和尺寸应力求简单 以便于加工 二 轴上零件的定位轴上零件的轴向定位方式主要是轴肩和套简定位 阶梯轴上截面变化处叫做轴肩 起轴向定位作用 在图14 7中 间的轴肩使齿轮在轴上定位 间的轴肩使带轮定位 间的轴肩使右端滚动轴承定位 有些零件依靠套简定位 如图14 7中的左端滚动轴承 三 轴上零件的固定轴上零件的轴向固定 常采用轴肩 套简 螺母或轴端挡圈 又称压板 等形式 在图14 7中 齿轮能实现轴向双向固定 齿轮受轴向力时 向右是通过 间的轴肩 并由 间的轴肩顶在滚动轴承内圈上 向左则通过套简顶在滚动轴承内圈上 带轮的轴向固定是靠 间的轴肩以及轴端挡圈 无法采用套简或套简太长时 可采用圆螺母加以固定 图14 8 图14 9所示是轴端挡圈的一种型式 采用套筒 螺母 轴端挡圈作轴向固定时 应把装零件的轴段长度做得比零件轮毂短2 3mm 以确保套筒 螺母或轴端挡圈能靠紧零件端面 图14 7 14 8 为了保证轴上零件紧靠定位面 轴肩 轴肩的圆角半径r必须小于相配零件的倒角C1或圆角半径R 轴肩高h必须大于C1或R 轴向力较小时 零件在轴上的固定可采用弹性挡圈或紧定螺钉 调质钢 成分中碳 0 25 0 5 一般为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 次要作用溶入铁素体起固溶强化作用 辅加元素Mo W V等强碳化物形成元素 其中Mo W的主要作用是抑制含Cr Ni Mn Si等合金调质钢的高温回火脆性 次要作用是改善淬透性 V主要作用形成碳化物阻碍奥氏体晶粒长大 起细晶强化和弥散强化作用 用途 制造受力复杂 交变应力 冲击载荷等 的重要零件 如发动机连杆 曲轴 机床主轴等 性能 具有优良的综合力学性能 即既强又韧热处理 预先热处理 正火处理 Me含量低 或正火 高温回火 Me含量高 最终热处理 调质 即淬火 高温回火 组织 S回 连杆 40Cr钢制造连杆螺栓的热处理工艺曲线 弹簧钢 成分 中高碳 碳素弹簧钢0 6 0 9 C 合金弹簧钢0 45 0 70 C 经淬火加中温回火后得到回火托氏体组织 能较好地保证弹簧的性能要求 合金元素主加元素为Si Mn等 其主要作用是提高淬透性 回火稳定性 强化F基体 辅加元素为Mo W V等强碳化物形成元素 主要作用有防止Si引起的脱碳缺陷 并细化晶粒及进一步提高弹性极限与屈强比 用途 制造各种弹簧和弹性元件或类似性能要求的结构零件性能 高的弹性极限 e和屈强比 s b 高的疲劳极限 热处理热轧弹簧 热成型 淬火 中温回火 喷丸冷轧弹簧 淬火 中温回火 冷成型 去应力 喷丸 热成形弹簧对截面尺寸 10mm各种大型和形状复杂的弹簧均采用热成形 如热轧 热卷 如汽车 拖拉机 火车的板簧和螺旋弹簧 其加工路线 下料 加热压弯或卷绕 淬火 中温回火 喷丸 使用状态组织为回火托氏体 喷丸可强化表面并提高弹簧表面质量 显著改善疲劳性能 也可采用等温淬火获得下贝氏体 或形变热处理 提高弹簧的性能和寿命 汽车板簧 热卷大弹簧 冷成形弹簧截面尺寸 10mm的各种小型弹簧可采用冷成形 如冷卷 冷轧 如仪表中的螺旋弹簧 发条及弹簧片等 这类弹簧在成形前先进行冷拉 冷轧 淬火中温回火或铅浴等温淬火后冷拉 轧 强化 然后再进行冷成形加工 此过程中将进一步强化金属 但也产生了较大的内应力和脆性 故在其后应进行低温去应力退火 一般200 400 弹簧丝 发条 滚动轴承钢 成分高碳 0 95 1 15 C 保证轴承钢高硬度和高耐磨性 低铬 0 40 1 65 Cr 增加钢的淬透性 并形成合金渗碳体 Fe Cr 3C提高接触疲劳极限和耐磨性 大型轴承加入Si Mn Mo V等元素以进一步提高淬透性和强度 用途 制造各种滚动轴承的滚动体 滚珠 滚柱 和内外套圈的专用钢种 也可用于制作精密量具 冷冲模 机床丝杆及油泵油嘴的精密偶件如针阀体 柱塞等耐磨件 性能 高的硬度强度和耐磨性 高的接触疲劳强度 足够的韧性和耐蚀性 高的纯净度 热处理预先热处理 球化退火 以改善切削加工性并为淬火作组织准备 最终热处理 淬火 低温回火 决定轴承钢的性能 得到高硬度 62 66HRC 和高耐磨性 冷处理 消除A残与内应力 稳定组织 提高轴承的尺寸精度 组织 M回 细碳化物 少量A残 4合金工具钢 一 刃具钢 性能要求高的硬度 60 66HRC 和耐磨性 高的热硬性 即钢在高温下 500 600 保持高硬度 60HRC左右 的能力 这是高速切削加工刀具必备的性能 适当的韧性 一 碳素工具钢 成份 含碳量约0 6 1 3 性能 常温硬度 HRC60 62 及耐磨性较好 但淬透性差 热硬性差 热处理 预先热处理 球化退火 降低硬度便于切削加工 并为淬火作组织准备最终热处理 淬火 低温回火组织 回火马氏体 细粒状渗碳体 少量残余奥氏体 二 低合金刃具钢 成分 高碳 含0 9 1 5 C 添加Si Mn Cr 等合金元素 提高钢的淬透性和回火稳定性 进一步改善刀具的硬度和耐磨性 强碳化物形成元素 如W V等 所形成的碳化物除对耐磨性有提高作用外 还可提高钢的热硬性 性能 低合金工具钢的淬透性和综合力学性能好 但由于其内的合金元素主要是淬透性元素 而不是含量较多的强碳化物形成元素 W Mo V等 故仍不具备热硬性特点 刀具刃部的工作温度一般不超过250 否则硬度和耐磨性迅速下降 甚至丧失切削能力 因此这类钢属于低速切削刃具钢 9SiCr钢板牙热处理工艺曲线 板牙 三 高速钢 成分 W18Cr4V 高碳0 7 1 5 保证高硬度钨18 形成碳化物 在560 左右回火时 弥散析出W2C 造成二次硬化 提高钢的红硬性 钼5 1 Mo的作用等同于2 W 铬4 形成碳化物 提高钢的淬透性 钒1 5 形成VC 硬度极高 提高钢的硬度和耐磨性 产生二次硬化 性能 高硬度 高耐磨性 高的红硬性 600 时 HRC63以上 有一定的强度和韧性 盘形铣刀 W18Cr4V钢的生产工艺及热处理特点 工艺路线 下料 锻造 退火 机加工 淬火 三次回火 喷砂 磨削 锻造 高速钢属于莱氏体钢 铸态组织中含有大量呈鱼骨状的粗大共晶碳化物 钢的韧性大幅下降 不能用热处理来消除 只能依靠反复多次锻打来击碎 退火 消除应力 调整组织 便于机加工 为淬火作好组织准备 退火后的组织 S 粒状碳化物淬火 1280 淬火后的组织 M Cm A残 20 25 三次回火 消除A残 并产生二次硬化弥散硬化 W2C VC弥散析出 二次淬火 A残中析出合金碳化物 使A残中合金的浓度下降 MS上升 在随后的冷却过程中转变为M W18Cr4V铸态组织420 W18Cr4V锻造组织210 W18Cr4V淬火 三次回火组织420 模具钢 一 冷作模具钢工作条件与性能要求 在常温下使金属材料变形成型的模具用钢 工作温度200 300 模具承受很大的载荷及摩擦 冲击作用 冷作模具钢应具有高硬度 高耐 汽车车门模具 成分 高碳合金元素 Cr Mo W V 磨性 高强度和足够的韧性 冷作模具对淬透性 耐磨性尤其是韧性方面的要求更高一些 冷作模具钢应是高碳成分并多在回火马氏体状态下使用 二 热作模钢 工作条件与性能要求 使热态金属成形的模具用钢 热锻模工作部分的温度会升高到300 400 热挤压模可达500 800 甚至近1000 因交替加热冷却的温 汽车曲轴模具 度循环产生交变热应力 热作模具常见的失效形式有变形 磨损 开裂和热疲劳等 要求模具钢应具有良好的高温强韧性 高的热疲劳和热磨损抗力 一定的抗氧化性和耐蚀性等 成分 中碳0 3 0 6 合金元素 Cr Ni Mn Si Mo W V 量具钢 性能要求 高的硬度和耐磨性 良好的尺寸稳定性 成分 高碳 合金元素 Cr Mn W 应用 简单量具 T10A T12A等 高精度量具 GCr15 9SiCr CrWMn热处理 淬火 冷处理 低温回火 时效处理最终组织 M回 合金碳化物 千分尺 特殊性能钢 一 不锈钢金属腐蚀的种类 化学腐蚀 金属表面与周围介质直接发生化学反应而引起的腐蚀 如金属高温时的氧化 钢的脱碳 电化学腐蚀 金属材料 合金或不纯的金属 与电解质溶液接触 通过电极反应产生的腐蚀 如钢的生锈 金属的防腐 多相 易腐蚀 单相 不易腐蚀两相若电极电位接近耐腐蚀 Cr Ni提高基体电极电位 表面致密的氧化膜也耐腐蚀 Al2O3 Cr2O3 化学成分特点 低碳 耐蚀性要求愈高 碳含量愈低 合金元素 主加Cr 辅加Ni Mo Cu Ti Nb Mn等 铁素体不锈钢 碳含量 0 12 铬含量16 18 Cr是铁素体形成元素 致使此类钢从室温到高温 1000 左右 均为单相铁素体 塑性加工 切削加工和焊接性较优 主要用于对耐蚀性和抗氧化性有较高要求的零件 如耐硝酸 磷酸结构和抗氧化结构 常见的铁素体不锈钢有0Cr13 1Cr17 1Cr28等 马氏体不锈钢 马氏体不锈钢 碳0 1 0 45 含Cr平均为13 当WCr 12 时能起到钝化作用 此类钢在氧化性介质中 如大气 海水 氧化性酸 耐蚀 常见的马氏体不锈钢有 Cr13型如1Cr13 2Cr13 3Cr13 奥氏体不锈钢 奥氏体不锈钢 是在Cr18Ni8 18 8 基础上发展起来的 低碳 0 12 高铬 18 和较高镍 9 Cr主要起钝化作用 Ni主要起扩大A相区的作用 此类钢具有最佳的耐蚀性 但相应地价格也较高 优良的低温韧性 高的加工硬化能力 耐热性 其冷塑性加工性和焊接性能较好 以Cr18Ni8普通型奥氏体不锈钢用量最大 牌号有1Cr18Ni9 1Cr18Ni9Ti及0Cr18Ni9等 二 耐热钢 定义 在高温下具有抗氧化性和高温强度的特殊钢 高温强度 热强性 指标有 蠕变极限 材料在高温长期载荷下对缓慢塑性变形 即蠕变 的抗力 以表示700 下经1000h产生0 2 残余变形量的最大应力 持久强度 材料在高温长期载荷下对断裂的抗力 以表示在500 下经10000h发生断裂的应力值 提高钢抗氧化性的途径 加入Cr Al Si在钢表面生成致密稳定连续而牢固的Cr2O3 Al2O3 SiO2氧化膜 提高钢热强性的途径 基体固溶强化 加入元素Cr Ni W Mo等 形成单相组织并提高再结晶温度 第二相弥散强化 加入元素V Ti Nb Al等 形成细小弥散分布的稳定碳化物 VC TiC NbC 或稳定性更高的金属间化合物 Ni3Ti Ni3Nb Ni3Al 获得第二相弥散强化效果并提高组织稳定性 晶界强化 微量元素硼 B 与稀土 RE 元素 起净化晶界或填充晶界空位的作用 抗氧化钢 如3Cr18Ni25Si2等 热强钢珠光体 500 以下 如12CrMo 15CrMoV马氏体 600 650 如Cr13型马氏体不锈钢奥氏体 650 以上 如18 8型奥氏体不锈钢 航空发动机 汽轮机叶片 三 耐磨钢 定义 在强烈冲击载荷作用下发生冲击形变硬化的高锰钢 化学成分 高碳 0 9 1 5 高锰 11 14 铸态组织 粗大A Fe3C网 脆性大 不直接使用 水韧处理 1060 1100 快速水冷 后可得到单相A 此时韧性很高 形变硬化 A M 形成硬 500HBW 而耐磨的表面层 10 20mm 心部仍为高韧性的A 主要用途 坦克 拖拉机 挖掘机的履带板 破碎机衬板 铁路道岔等