摘要：随着现代装备发展的需要，轴类零件越来越多地应用在各类机械设备中，轴类零件的失效分析和失效预防也成为机械行业领域的关键技术，本文主要分析了轴类零件的失效原因和失效形式，并结合其在机械设计加工过程中的实际应用，提出了轴类零件在结构设计和机械加工等发面的预防措施。
关键词：轴类零件；失效分析；失效预防；机械加工；结构设计
引言
轴类零件作为机械生产加工行业中的典型工件，尤其是在大型机械设备中必不可少的重要零件，几乎是各类机械设备和产品中使用频率最高的零部件，在某些工况下，轴类零件甚至是整机中的关键件。
1轴类零件特征概述
轴类零件是机械设备中用来支承传动零部件、传递扭矩和承受载荷的一种旋转体零件，其实际用途和使用工况的差异也对轴类零件的生产提出了不同的结构设计要求，轴可以由同心的外圆柱表面、轴肩、端面、台阶、内空、螺纹孔、键槽、退刀槽、倒角、圆弧等各种不同的形式组成。机械设备中涉及多种结构形式的轴类零件，包括阶梯轴、光轴、偏心轴、曲轴等。在这些类型中，阶梯轴的工艺是最具加工特点的，能够表现出大部分轴类零件的机加方式。
轴是机械设备中最重要的传递动力的零件，是整个轴系传动装置的基准，其他传动零件是以轴为支撑做回转运动的，轴的几何形状精度（圆度、圆柱度、直线度等）和表面粗糙度甚至直接决定了机械产品的质量。如果因加工精度误差导致装配后的轴的间隙不一致，会加速轴的局部磨损和运动精度，也会降低其他零件的工作寿命，影响机械设备的使用性能。
2轴类零件的失效原因分析
失效是指机械设备及其零部件丧失其规定功能的现象。由于应力、时间、温度、环境介质及操作失误等因素的作用，会产生种类多样的失效形式。失效分析的目的，就是对机械设备及其零部件在使用过程中发生各种形式失效现象的特征及规律进行分析研究，从中找出产生失效的主要原因并找出防止失效的可行措施。
轴类零件的失效原因可以分为内因和外因：外因包括三维模型设计、原材料优选、机械加工制造、整机装配调试、使用环境条件等；内因则主要包括原材料的成分、组织、性能、缺陷等。
轴类零件的失效常常是内外因共同作用下产生的不良结果。设计方面：工程设计人员未能坚持合理的设计理念和原则，没有清晰的设计思路和方案，在轴的设计中未全面考量选材标准、强度计算、结构功能实现等因素；制造方面：主要包括工艺路线的划分和加工方法的选取不合理；装配方面：轴及其承载零件的安装位置不精确和缺乏相对润滑；使用方面：没有按照使用说明书来操作设备，保养不及时，缺乏定期的维护措施；环境方面：一般是因为机械设备长期处于高温、海水、酸碱、盐雾等恶劣环境中。
3轴类零件的主要失效形式
从实际工作中的使用情况来看，轴类零件的失效形式主要由变形、断裂、磨损和腐蚀四种形式。任何一种形式的失效都会有其产生的条件、特征及判断依据，而且轴类零件一旦出现失效，很有可能是几种情况同时发生。
3.1轴的变形
轴在随时间不断变化的交变应力作用下，承受拉压、弯扭、冲击、振动、疲劳等载荷变化，形状和尺寸都会发生相应的累积变化。
轴在高温、酸碱、海水、腐蚀气体等工作环境和外力作用下，持续地发生弹性变形和塑性变形，高温蠕变还会在轴表面产生裂纹，裂纹的扩展会导致轴的开裂甚至断裂。
3.2轴的断裂
断裂失效是所有机械设备失效形式中危害性最大的，在其他的失效形式中零件可能还可以低效率地使用，但是如果发生断裂失效，就意味着零件报废，无法满足其功能需求。
断裂可以分为塑性断裂、低应力脆性断裂、疲劳断裂、蠕变断裂、环境介质加速断裂等多种断裂失效形式，其中最为常见的一种失效形式是由交变应力引起的疲劳断裂。轴类零件在发生疲劳断裂之前，不会发生显著的塑性变形，但是随着使用时间的累及，轴类零件会在应力集中的部位产生疲劳断裂，随着应力的继续作用和润滑脂的挤压膨胀，裂纹不断扩展进而发生急剧断裂破坏，这种突发性的破坏往往危害也比较大。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆疲劳断裂又可以分为多种形式：按循环次数，可以将其分为低周疲劳和高周疲劳；按载荷类型，可以分为冲击、扭转、腐蚀疲劳、高温疲劳和热疲劳等。
3.3轴的磨损
由于轴和轴套、轴承、套筒等其他零件的相互接触，表面产生相对运动，彼此之间发生摩擦而造成磨损。磨损会导致轴的尺寸发生变化，使其丧失原有的几何形状、加工精度和位置精度，降低其工作效能，进而导致失效现象的发生。
磨损的形式多种多样，一般可将其分为摩擦磨损、磨料磨损、微动磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损和疲劳磨损等。比如：铣床刀具、模具、车床导轨、蜗轮蜗杆等的失效通常属于摩擦磨损；硬磨粒（金属屑等）滑落于机械设备内部（如齿轮间隙）容易造成磨料磨损；蒙皮铆接处、轴承与座体之间常常会产生微动磨损；腐蚀磨损则大多发生在设备外壳、气缸活塞等处；叶轮、车床冷却液管路等受流体或受固体微小颗粒冲击可引起冲蚀磨损；疲劳磨损则常常发生在各类轴承和齿轮中。
3.4轴的腐蚀
轴一般采用低温润滑脂或润滑油来进行润滑，这些润滑剂中的某些化学元素会与轴的原材料发生反应，造成表面凹坑、锈蚀等其他各类损伤，尤其是在海水、酸碱、高温、盐雾等工作环境下的轴，更容易因轻微腐蚀的累积而降低工作效能和寿命。
按照分布的集中程度分为局部腐蚀和全面腐蚀。我们进行的失效分析往往面对的是局部腐蚀，全面腐蚀则比较容易观察和辨别。局部腐蚀有多种形式：比如，缝隙腐蚀发生在法兰连接面、螺母压紧面、锈层等处，晶间腐蚀则多发生在奥氏体不锈钢焊缝处，铝合金在铸造、热处理、焊接等过程中产生的残余应力则会引起腐蚀开裂等。
4轴类零件的失效诊断及避免措施
失效分析和预防的关键在于失效诊断，失效原因的诊断为失效预防提供了导向明确且分析高效的研究方向。
为预防和减少轴类零件的失效，排除不稳定因素，提高机械设备的使用性能，在全过程的机械结构设计中，轴类零件的设计是重中之重。我们进行轴类零件的设计工作时，计算许用的强度和刚度是必不可少的步骤，三维模型是否设计合理，结构尺寸是否精准细化，都会影响轴类零件的加工、装配工艺性、制造成本和生产周期。
在实际设计工作和加工制造中，轴类零件在结构上应考虑一下因素：1.轴向安装位置要有严格的计算控制：为避免零件在轴向上产生滑动，并能承受足够的轴向力，其固定方式常采用轴肩、压环、套筒的进行轴向固定。2.轴上零件应便于安装和拆卸维修：通常将轴做成阶梯形的，其中间大、两端小，装配时从中间向两端可依次装入相应的零件而互不干扰。3.轴的设计要分析受力情况，尽量减少应力集中：避免轴的截面形状和尺寸发生骤变，尽可能地设计稍大的圆角来进行过渡，这样有利于提高轴类零件的强度和刚度。4.合理选择毛坯，节省材料，有效减重。5.严格加工精度要求：因轴的定位精度要求较高，对轴的几何形状精度和位置精度都有很高的要求，圆度、圆柱度、同轴度等都有严格的公差限制范围，确保传动精度和安装精度。6.轴应该具有良好的制造工艺性：分析零件图确定加工主次，明确粗精加工要求，编制合理的工艺路线。
5结语
在实际的机械设备服役过程中，由于轴类零件失效而使机械设备无法正常工作，或者造成机械产品质量性能降低的情况屡屡发生，在某些关键设备上轴类零件的失效甚至会造成财力、物力、人力的巨大损失。因此，分析轴类零件的失效形式、失效原因，进而提出设计加工等改进措施，对提高机械设备工作效率、提升产品质量、降低生产维护成本、保障执行工作任务都具有积极的现实意义。
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论文作者:邢宇斐,刘季,丑婀娜 艾浩
论文发表刊物:《基层建设》2019年第32期
论文发表时间:2020/4/7
标签：零件论文; 磨损论文; 机械设备论文; 形式论文; 疲劳论文; 发生论文; 精度论文; 《基层建设》2019年第32期论文;