軸加工：材料、熱處理、溶液

軸是機械設備的關鍵部件。它透過軸承與機架連接，安裝在其上的部件繞軸中心線做旋轉運動。這些部件共同構成以軸為基礎的軸組件。

軸系概覽

軸是任何機器的旋轉部件，其特點是具有圓形橫截面，用於將動力從一個部件傳遞到另一個部件，或將動力從電源傳遞到用電設備。為了實現動力傳輸，軸的一端與驅動裝置連接，另一端與機器連接。根據應用的不同，軸可以是實心的，也可以是空心的；空心軸有利於減輕重量。作為關鍵的機械元件，軸支撐著諸如皮帶輪和齒輪之類的旋轉部件。它們通常由剛性殼體內的軸承支撐，使齒輪和皮帶輪能夠有效地傳遞運動。

許多其他旋轉部件透過鍵槽安裝在軸上。因此，由於支撐部件的反作用力和動力傳輸過程中產生的扭矩，軸會承受彎矩和扭矩。

根據載荷類型，軸可分為以下三種類型：

• 主軸：一種只承受彎矩而不承受扭力的軸。主軸又可分為旋轉主軸和非旋轉主軸。
• 驅動軸：一種僅傳遞扭力而不承受顯著彎矩或彎矩可忽略的軸。例如，汽車中連接變速箱和後軸的軸。
• 傳動軸：一種承受彎矩和扭矩的軸，例如減速器中的軸。例如，連接汽車變速箱和後軸的驅動軸。

根據形狀，軸可以分為幾種類型。下表按形狀和設計列出了不同類型的軸。

軸的加工精度

軸部件的表面一般分為支撐軸頸和配合軸頸。

• 支撐軸頸：這些軸頸與軸承內圈配合，用於定位和支撐軸。它們對尺寸精度要求很高，通常為 IT5–IT7 等級。
• 匹配軸承：這些軸承與各種傳動部件連接。它們的公差要求通常較低，一般為 IT6–IT9。

幾何精度主要指軸頸表面、外錐面和錐孔等關鍵表面的圓度和圓柱度。誤差通常應控制在尺寸公差範圍內。對於精密軸，幾何公差必須在技術圖上明確規定。

位置精度：包含內外表面的同軸度、徑向跳動、關鍵端面與軸線的垂直度、端面之間的平行度。

表面粗糙度所有加工表面都有特定的粗糙度要求，這些要求取決於加工可行性和成本效益。支撐軸頸通常要求表面粗糙度 Ra 為 0.2–1.6 μm，而傳動部件的配套軸頸則要求表面粗糙度 Ra 為 0.4–3.2 μm。

軸的材料

軸主要由碳鋼和合金鋼製造。 1045碳鋼是最常用的材料，通常需要進行正火或淬火回火（Q&T）處理以改善其機械性能。與碳鋼相比，合金鋼具有更優異的機械性能和熱處理性能，但對應力集中更為敏感，且成本更高。因此，合金鋼通常用於高速、重載或特殊工況（例如，耐磨、高/低溫環境）。需要注意的是，由於合金鋼和碳鋼在室溫下的彈性模量幾乎相同，因此以合金鋼取代碳鋼並不會顯著提高軸的剛度。

對於承受重載或需要高強度、結構緊湊或耐磨性優異的軸，通常採用5140、5120或9255等合金鋼。由於合金鋼對應力集中非常敏感，結構設計必須盡可能減少這些影響。適當的熱處理對於充分發揮材料的性能至關重要。

軸坯由熱軋圓鋼或鍛件製成。對於曲軸和凸輪軸等複雜形狀，可使用鑄鋼或球墨鑄鐵，後者俱有優異的減振性能、對應力集中不敏感以及成本效益高等優點。

軸的熱處理

中碳鋼和中碳合金鋼（例如1035、1040、1045、1050、5140、3140或1541）是常用的選擇。這些鋼材通常需要進行正火或淬火回火處理。如果軸頸需要高耐磨性，可以進行表面硬化處理。

材料的選擇取決於負載類型、零件尺寸和淬透性。對於承受彎曲和扭轉負荷的軸，由於應力從表面到中心逐漸減小，因此對高淬透性的要求並不嚴格。然而，對於承受拉伸或壓縮負荷的軸，由於應力在整個橫截面上均勻分佈，則必須使用高淬透性鋼材。

對於高衝擊負荷或對韌性和耐磨性要求極高的場合，通常採用合金滲碳鋼，例如 5120 或 4320，然後進行滲碳、淬火和低溫回火處理。而對於作用不大、負荷較小的軸，則可以使用通用碳鋼，例如 1015 和 1025。

圖中所示為軸加工中的熱處理製程。

1. 歸一化或退火：在加工前進行排列，以細化晶粒，消除鍛造應力，提高加工性能。
2. 淬火與回火（Q&T）：通常在粗車削後、半精車削前進行，以獲得最佳的綜合機械性質。
3. 表面硬化：在最終精加工之前進行，以便糾正淬火引起的任何變形。
4. 低溫時效：高精度軸在局部淬火或粗磨後需進行低溫時效處理。

定位基準的選擇

軸類零件的常用定位基準是雙中心孔。由於同軸度和垂直度是主要的精度要求，而設計基準通常是軸的中心線。

但是，如果出現以下情況，則不能使用中心孔：

• 粗加工需要更高的剛性，在這種情況下，會使用外徑表面。
• 軸是空心的，有一個通孔。

空心軸的製備方法：

1. 小孔：在孔口處倒角 60° 內錐（寬度 ≤ 2mm）。
2. 圓柱孔：使用錐形塞（1:500 錐度）。
3. 大錐孔：使用錐形塞的芯軸。

加工工藝路線

加工重點是軸頸的外圓柱面。加工路線圍繞外徑加工順序設計，螺紋、花鍵、鍵槽等輔助特徵穿插其中。

（1）滲碳鋼軸

材料準備 → 鍛造 → 正火 → 鑽中心孔 → 粗車 → 半精車/精車 → 滲碳 → 淬火與低溫回火 → 粗磨 → 二次特徵加工 → 精磨。

（2）標準精密淬火鋼軸

材料準備 → 鍛造 → 正火（退火） → 鑽中心孔 → 粗車 → 淬火回火 → 半精車/精車 → 表面硬化與回火 → 粗磨 → 二次特徵加工 → 精磨。

（3）氮化鋼軸

材料準備 → 鍛造 → 正火（退火） → 鑽中心孔 → 粗車削 → 淬火回火 → 半精車削/精車削 → 低溫時效 → 粗磨削 → 滲氮 → 二次特徵加工 → 精磨 → 研磨/拋光。

加工範例：階梯軸

此部件為階梯軸，由圓柱面、軸肩、螺紋和方形頭部組成。

（1）材料與毛坯製造

軸由45號鋼（相當於AISI 1045鋼）製成。雖然產量不大，但軸頸直徑變化很大（最大直徑50毫米，最小直徑13毫米）。為了優化材料利用率，採用鍛造坯料，然後進行正火處理。

（2）技術要求

尺寸精度：直徑為ø25mm的軸頸必須符合IT7公差等級。表面粗糙度規定為Ra 0.8μm。以直徑為ø50mm的軸肩為基準，ø25mm軸的垂直度公差為0.02mm，軸肩兩端面之間的平行度公差為0.02mm。

（3）定位基準

為確保各軸頸的同軸性，兩端的中心孔作為精細基準。此定位基準在車削、銑削和磨削過程中保持一致，從而最大限度地減少組裝誤差。

（4）加工方法

由於軸主要由旋轉表面構成，因此車削和研磨是主要的成形工藝。由於直徑25mm的軸頸和直徑50mm的肩部表面除了尺寸精度外，還需要較高的幾何精度，因此在車削之後進行研磨。外表面的加工順序為：粗車削→半精車削→研磨。

（5）加工路線

對於精度要求高的零件，必須將粗加工和精加工階段分開，以確保品質。此軸的加工分為三個階段：粗車、半精車和研磨。

（6）熱處理

ø25mm × 35mm截面和方形頭部表面需要進行淬火處理。淬火安排在半精加工之後、最終研磨前。坯料鍛造完成後進行正火處理，以消除內應力、細化晶粒組織並提高加工性能。

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