专业轴加工：材料、技术和设计策略

机械轴是机器设计的支柱。这些简单但重要的旋转部件用于将动力或运动从一个地方传递到另一个地方，例如传递到机器的不同部分或完全传递到另一台机器。

电机、变速箱、泵和许多其他机器中都有轴，其设计用于在旋转时承受强大的扭转力和高弯曲载荷。这意味着正确的轴设计和制造是汽车、工业制造和发电等领域工程师的首要任务。

本文介绍了轴加工的基础知识，探讨了如何使用 CNC 车削等工艺来为各种应用制造坚固的轴。

什么是轴？定义和机械功能

那么到底什么是轴呢？麦格劳-希尔工程词典  提供了以下“轴”定义：“用于承载旋转机器部件（例如滑轮和齿轮）以传输动力或运动的圆柱形金属件。”

韦氏词典在机械工程中对“轴”给出了类似的定义，将轴描述为“用于支撑旋转件或通过旋转传递动力或运动的常见圆柱形杆”。请注意，轴的定义暗示了非圆柱形轴的存在，例如方轴和六角轴。

轴如何工作？

轴的许多工业应用以不同的方式使用这些组件。然而，轴的工作方式大致相同，将动力、扭矩和旋转运动从驱动装置（如发动机或电机）传输到另一个机器部件。

轴的主要作用是：

• 通过将电源连接到需要电力的组件来传输电力
• 将扭矩（转动力）从驱动部件传递到从动部件
• 支撑旋转部件，例如齿轮和轴承，并在旋转时将其固定到位
• 承受剪应力、弯曲和扭曲等重力

常见类型的工业轴

不同类型的轴可以按其功能或形状进行分类。本指南提供了这两种区别，首先介绍三种重要的功能轴类型，然后介绍可以使用的各种轴形式。

传动轴

传动轴是主轴子类型之一。它们的作用是在动力源和吸收动力的被驱动机器之间传输动力。

传动轴的示例包括传动轴  用于分配集中动力，副轴  连接驱动轴和从动轴以及汽车驱动轴  将动力从发动机传输到差速器。

机器轴

当传动轴连接单独的系统时，机器轴是机器内在内部传输动力的组件。

机器轴示例包括曲轴  将往复运动转换为旋转运动和凸轮轴  控制阀门运动。

车轴

车轴可以被视为一种单独类型的轴，通常用于驱动汽车上的车轮  并承受车辆的重量。

在后轮驱动汽车上，车轴连接到差速器，差速器通过传动轴从发动机获取动力。

不同的轴形状和形式

下表根据形状和设计区分了不同的轴类型，并注明了每种轴的主要优点和用途。

轴形状 横截面 描述 圆形（圆柱）○最常见的轴；旋转平稳，易于加工，与轴承配合良好。实心方形□无键槽，良好的扭矩传递。六角轴⬡良好的扭矩传递，易于工具啮合。键轴⚆使用机加工的键槽和键将扭矩传递到轮毂和齿轮。花键轴⚙纵向凹槽，可实现高扭矩能力。D轴（平）◖防止简单轮毂中的滑动。阶梯轴◎为轴承和齿轮提供定位表面；锥形轴◎直径向一端逐渐减小；轮毂的强力锁定。偏心轴❍带有突出的蛋形“凸角”的气缸，用于驱动发动机阀门。空心轴⊙类似于圆轴，但质量较轻。

轴加工的材料选择

标准轴最常见的材料是低碳钢。然而，可以使用镍或钛等其他材料来提高强度。下面的列表详细介绍了最好的轴材料及其主要优点。

• 碳钢 ：碳钢，特别是低碳钢，是最具成本效益且用途广泛的轴金属。它们具有良好的强度和可加工性。
• 不锈钢 ：对于需要额外耐腐蚀性的应用，例如海洋环境或食品加工，可能需要不锈钢轴。
• 铝 ：铝合金轴更轻，可用于需要良好强度重量比的应用，例如汽车或航空航天。
• 钛金属 ：钛轴具有良好的耐腐蚀性、耐温性和良好的强度重量比，使其可用于航空航天和其他领域。
• 镍 ：当耐腐蚀性、耐温性和耐疲劳性受到高度重视时，镍和镍合金可用于轴制造。
• 黄铜 ：当需要抗菌性能、低摩擦和良好的机械加工性时，可以使用黄铜轴。

精密轴加工和制造工艺

轴的制造通常涉及锻造、挤压或轧制来制造细长的金属坯料，然后进行精密数控加工工艺，如数控车削、数控铣削和精密磨削，以实现最终的特征和尺寸。

1. 锻造 ：加热金属并施加压缩力形成轴的基本形状，确保其具有优异的晶粒结构，以实现最大强度
2. 数控加工 ：基轴经过铣削、车削或其他方式加工（参见下文）以形成特征；例如，可以使用 CNC 车床通过在卡盘中旋转轴来创建阶梯轴，同时使用单点切削刀具去除材料。
3. 整理 ：通过磨削等工艺来调整轴并达到精确的公差，而通过抛光等方法来调整轴的表面光洁度。
4. 热处理 ：可以采用淬火、回火等工艺来提高轴的耐用性。

数控车削

数控车床或车床在轴生产过程中有多种用途，例如粗车和精车、创建阶梯轴、生产锥形轴的锥度车削、螺纹加工、生产凹槽和切断。

数控铣削

CNC 铣削轴涉及在轴中创建特征或调整其几何形状。数控铣床用于加工键轴上的键槽和槽、在花键轴上切削纵向凹槽以及加工平面和轮廓。

数控磨削

轴 CNC 磨削通常用于实现精细的表面光洁度和严格的公差，而不是在轴中创建特征。磨削还可用于纠正热处理造成的变形。

长轴加工：挑战和先进技术

虽然许多轴相对较短且刚性较大，但长轴加工带来了额外的工程和制造挑战。长轴通常具有较高的长度与直径 (L/D) 比，这使得它们在加工过程中更容易出现偏转、振动和尺寸不稳定。在加工方面，长径比在 10:1 到 20:1 之间被认为是具有挑战性的，而任何高于 30:1 的东西（例如细长丝杠或造纸厂辊）都被归类为“超长”轴。

长轴通常用于：

• 船舶推进系统
• 石油和天然气设备
• 工业滚筒
• 电力传输系统
• 航空航天组件

长轴加工的主要挑战

偏转和弯曲

由于其细长的几何形状，长轴可以在切削力的作用下弯曲。即使很小的工具压力也可能导致可测量的偏转，影响圆度和尺寸精度。

振动和颤动

高长径比会增加车削或磨削过程中对振动的敏感性。颤振会损坏表面光洁度并缩短刀具寿命。

热膨胀

在延长的加工周期中，热量积聚可能会导致膨胀，从而导致公差偏差。

保持直线度

在整个轴长度上实现并保持直线度至关重要，特别是在需要精确旋转平衡的应用中。

长轴加工中使用的技术

为了应对这些挑战，制造商使用了几种专门的技术：

稳定休息和跟随休息

数控车床在车削过程中使用中心架或跟随架来支撑轴，最大限度地减少偏转和振动。

尾座支撑

在中心之间支撑轴可提高刚性并保持同心度。

优化的切割参数

较低的切削力、适当的进给率和锋利的刀具有助于减少弯曲力。

多步粗加工和精加工

粗加工分阶段进行，以最大限度地减少应力，然后进行精密精加工，以实现严格的公差。

精密磨削直线度

热处理后，长轴通常会进行外圆磨削，以校正变形并实现严格的直线度和圆度公差。

动态平衡

对于高速应用，长轴可能需要动态平衡，以确保平稳旋转并减少使用中的振动。

长轴的材料注意事项

材料选择对于长轴加工尤为重要。合金钢因其高强度和抗疲劳性而被广泛使用。在对重量敏感的应用中，可以选择铝或钛，但由于其刚度比钢低，因此可能需要采取额外的刚性措施。

通过结合先进的夹具、优化的加工策略以及 CMM 测量和直线度测试等精密检测方法，制造商可以生产满足严格的工业对准、平衡和耐用性要求的长轴。

示例工作流程：数控车削阶梯轴

阶梯轴或肩轴是数控车床或车床可以用简单棒料制造的一个很好的例子。

该过程从设计开始，定义阶梯轴的长度、直径和轴肩位置，以及圆角、倒角和公差。 （客户通常提供此设计，而 3ERP 处理其余部分。）然后将 CAD 模型转换为 CNC 机床的 CAM 刀具路径。

所选棒料的直径应略大于最大直径或肩部，并且材料选择应适合最终应用。 （如果需要，3ERP 可以协助选择材料。）做出这些决定后，所选金属棒材将被夹紧在 CNC 车削中心的卡盘或夹头上。

在端部进行端面车削，然后进行粗车削，首先是最大直径，然后是较小直径。接下来，精加工走刀使轴更接近其指定的几何形状，形成干净的轴肩。在指定位置切割倒角和圆角。

然后将轴分开，根据需要进行进一步的表面精加工，并用坐标测量机检查以确保符合性。然后将成品轴交付给客户。

制造设计 (Df M) 轴尖

机械轴设计需要遵守 DfM 原则。这确保轴的设计能够承受重力并与连接部件平稳地相互作用。以下是有关轴的一些基本 DfM 技巧。

• 首先定义负载和布局 ：将齿轮、滑轮和轴承等旋转部件放置在 CAD 图纸上，然后根据轴必须承受的力和扭矩构建轴的几何形状。
• 让力决定直径 ：画出轴及其上的推力和拉力，找出轴承承载的内容，然后在选择直径之前找出轴弯曲最大的位置以及扭曲程度。
• 刚度和强度设计 ：限制偏转和扭曲以及最大应力，特别是在关键部分。
• 手表长径比（细长） ：长而细的轴偏转更多并且可能振动，因此如果需要，请使用更大的直径或添加支撑。
• 最大限度地减少应力集中 ：避免尖锐的台阶和深槽；相反，请使用圆角和平滑过渡，尤其是在键轴等零件上。
• 唐 ' 不要过度指定精度： 仅要求零件必须紧密配合（例如轴承和密封件）的严格“精确尺寸”限制。在其他地方允许更宽松的公差，以降低成本并使制造更容易。
• 选择材料进行权衡 ：碳钢=低成本，合金钢=强度/疲劳，不锈钢=耐腐蚀，铝=轻质；热处理可提高强度，但会增加成本和变形风险。

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常见问题解答

什么是轴加工？

轴加工是利用车、铣、磨、钻等数控技术制造精密旋转轴的过程（通常是在基轴通过另一道工序形成之后）。

哪些数控机床用于轴加工？

大多数轴使用数控车床加工圆形特征，然后使用数控铣床或铣车中心加工键槽、平面和孔等特征。

如何在轴上实现严格的公差？

通过精车削、精密磨削、受控夹具以及使用千分尺或坐标测量机进行检查来实现严格的公差。

常见的机加工轴材料有哪些 ？

常见的轴金属包括碳钢（特别是低碳钢）、合金钢、不锈钢和铝，根据强度、耐磨性和耐腐蚀性来选择。