空心軸的工藝優化

比較了空心軸和實心軸的抗彎和抗扭截面系數，發現相同外徑的空心軸和實心軸在傳遞扭矩、彎矩和彎扭復合的功能時差別不大，但空心軸能大幅降低軸的重量，故空心軸的應用受到了越來越多的重視，急需解決空心軸的成形問題。對空心軸的成形方法做了歸納總結，簡要分析了鍛造+機加工、徑向鍛造、旋轉鍛造、擠壓或擠壓+機加工、楔橫軋、強力旋壓、 旋轉壓縮、內高壓成形、橫軋+軸向穿孔、注射鍛造、靜液擠壓+內高壓成形等的原理和特點，并對幾種常用成形方法在坯 料形式、成形溫度、潤滑、成形道次、尺寸精度、表面質量和成形周期等方面進行了比較。未來對空心軸的需求會越來越多， 成形方法也將向高效、精密、柔性的方向發展。

幾乎在所有的機械產品中都存在著機械傳動裝置，不同 傳動機構或裝置有不同需求。如有些需要大傳動比的減速機 構，有些需要較長的傳動軸，有些需要減輕自身的重量而使 用空心軸傳動等。并且在機械制造中，減輕重量，節約材料 幾乎是每個設計工作者所要追求的目標之一，

軸是組成機械的重要零件之一，各類做回轉運 動的傳動零件都是通過軸來支承傳動零件、傳遞運動 和動力的。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、不承受彎矩的傳動軸，如汽車的傳動軸；既傳遞扭矩又承受彎矩的轉軸，如汽車變速箱軸。對于某些軸類 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 重量節約材料的角度考慮，將其設計成空心是相當必要的^[1]。 由于橫截面上的剪應力沿半徑方向是按線性分布，圓心附近 的應力很小，即圓心附近的材料沒有充分發揮其應有的性能 ^[2]。這一理論早被人們所熟悉，并且得到廣泛的應用，如飛機、 輪船、汽車等運輸機械的某些傳動軸為了減輕其質量都設計 為空心的。但是按照傳統的設計方法和設計技術是不可能在 滿足使用強度的條件下達到最低質量的，因為這樣設計的計 算量非常大，由原來的人工計算幾乎是不可能完成的^[3]。只 有在計算機技術和軟件技術高度發達的今天，才能解決手工 難以計算的高次方方程，使優化設計的設計方案得以實現^[4]。

與實心軸相比，在保證使用要求的情況 下，空心軸擁有以下優點：（1)減少材料消耗、降 低軸的重量；（2)對于高轉速的零件，空心軸的轉 動慣量??；（3)減少振動。對交通工具如汽車、高鐵和飛行器等，空心軸的優越性尤為明顯

對實心軸和空心軸在傳遞彎矩和扭 矩時的效果做了對比，發現外徑相同的空心軸和實 心軸在使用功能上差別不大，但重量卻能大幅降低， 對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。空心軸的成形方法有：鍛 造+機加工、徑向鍛造、旋轉鍛造、擠壓+沖孔 (鉆孔）、楔橫乳、內高壓成形、剪切旋壓、乳擠成 形等，比較成熟的方法有鍛造+機加工、徑向鍛造、 旋轉鍛造、擠壓等。未來隨著輕量化的發展，對空 心軸的需求會越來越多，成形方法將向高效、精密、 柔性的方向發展

空心傳動軸的設計既需要傳統的設計理念同時需要新的 設計工具和設計方法，特別是現代的計算機技術和軟件技術， 以及優化設計理念、計算方法。本文中對空心傳動軸的優化 設計結果顯示新型的設計理念、設計方法以及設計工具對現 代機械產品的設計有很大的幫助，能夠大幅度提升設計效率 和產品的設計質量，并且還可以提升產品的經濟性和實用性。