空心軸的工藝優(yōu)化

比較了空心軸和實(shí)心軸的抗彎和抗扭截面系數(shù)，發(fā)現(xiàn)相同外徑的空心軸和實(shí)心軸在傳遞扭矩、彎矩和彎扭復(fù)合的功能時(shí)差別不大，但空心軸能大幅降低軸的重量，故空心軸的應(yīng)用受到了越來越多的重視，急需解決空心軸的成形問題。對(duì)空心軸的成形方法做了歸納總結(jié)，簡(jiǎn)要分析了鍛造+機(jī)加工、徑向鍛造、旋轉(zhuǎn)鍛造、擠壓或擠壓+機(jī)加工、楔橫軋、強(qiáng)力旋壓、 旋轉(zhuǎn)壓縮、內(nèi)高壓成形、橫軋+軸向穿孔、注射鍛造、靜液擠壓+內(nèi)高壓成形等的原理和特點(diǎn)，并對(duì)幾種常用成形方法在坯 料形式、成形溫度、潤(rùn)滑、成形道次、尺寸精度、表面質(zhì)量和成形周期等方面進(jìn)行了比較。未來對(duì)空心軸的需求會(huì)越來越多， 成形方法也將向高效、精密、柔性的方向發(fā)展。

幾乎在所有的機(jī)械產(chǎn)品中都存在著機(jī)械傳動(dòng)裝置，不同 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)或裝置有不同需求。如有些需要大傳動(dòng)比的減速機(jī) 構(gòu)，有些需要較長(zhǎng)的傳動(dòng)軸，有些需要減輕自身的重量而使 用空心軸傳動(dòng)等。并且在機(jī)械制造中，減輕重量，節(jié)約材料 幾乎是每個(gè)設(shè)計(jì)工作者所要追求的目標(biāo)之一，

軸是組成機(jī)械的重要零件之一，各類做回轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)的傳動(dòng)零件都是通過軸來支承傳動(dòng)零件、傳遞運(yùn)動(dòng) 和動(dòng)力的。按照軸所受載荷的不同，可將軸分為：只 承受彎矩、不傳遞扭矩的心軸，如高鐵的輪軸；只傳 遞扭矩、不承受彎矩的傳動(dòng)軸，如汽車的傳動(dòng)軸；既傳遞扭矩又承受彎矩的轉(zhuǎn)軸，如汽車變速箱軸。對(duì)于某些軸類 的其它受力與其所受的扭矩相比較可以忽略的情形，從減輕 重量節(jié)約材料的角度考慮，將其設(shè)計(jì)成空心是相當(dāng)必要的^[1]。 由于橫截面上的剪應(yīng)力沿半徑方向是按線性分布，圓心附近 的應(yīng)力很小，即圓心附近的材料沒有充分發(fā)揮其應(yīng)有的性能 ^[2]。這一理論早被人們所熟悉，并且得到廣泛的應(yīng)用，如飛機(jī)、 輪船、汽車等運(yùn)輸機(jī)械的某些傳動(dòng)軸為了減輕其質(zhì)量都設(shè)計(jì) 為空心的。但是按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)技術(shù)是不可能在 滿足使用強(qiáng)度的條件下達(dá)到最低質(zhì)量的，因?yàn)檫@樣設(shè)計(jì)的計(jì) 算量非常大，由原來的人工計(jì)算幾乎是不可能完成的^[3]。只 有在計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天，才能解決手工 難以計(jì)算的高次方方程，使優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方案得以實(shí)現(xiàn)^[4]。

與實(shí)心軸相比，在保證使用要求的情況 下，空心軸擁有以下優(yōu)點(diǎn)：（1)減少材料消耗、降 低軸的重量；（2)對(duì)于高轉(zhuǎn)速的零件，空心軸的轉(zhuǎn) 動(dòng)慣量小；（3)減少振動(dòng)。對(duì)交通工具如汽車、高鐵和飛行器等，空心軸的優(yōu)越性尤為明顯

對(duì)實(shí)心軸和空心軸在傳遞彎矩和扭 矩時(shí)的效果做了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)外徑相同的空心軸和實(shí) 心軸在使用功能上差別不大，但重量卻能大幅降低， 對(duì)于輕量化有著重要的意義，為此空心軸的成形受 到了越來越多的重視?？招妮S的成形方法有：鍛 造+機(jī)加工、徑向鍛造、旋轉(zhuǎn)鍛造、擠壓+沖孔 (鉆孔）、楔橫乳、內(nèi)高壓成形、剪切旋壓、乳擠成 形等，比較成熟的方法有鍛造+機(jī)加工、徑向鍛造、 旋轉(zhuǎn)鍛造、擠壓等。未來隨著輕量化的發(fā)展，對(duì)空 心軸的需求會(huì)越來越多，成形方法將向高效、精密、 柔性的方向發(fā)展

空心傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)既需要傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念同時(shí)需要新的 設(shè)計(jì)工具和設(shè)計(jì)方法，特別是現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)， 以及優(yōu)化設(shè)計(jì)理念、計(jì)算方法。本文中對(duì)空心傳動(dòng)軸的優(yōu)化 設(shè)計(jì)結(jié)果顯示新型的設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)方法以及設(shè)計(jì)工具對(duì)現(xiàn) 代機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)有很大的幫助，能夠大幅度提升設(shè)計(jì)效率 和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，并且還可以提升產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

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