2.2 轴结构设计与工艺性实例分析
2.2.1 轴结构设计常见错误及其改进
实例2-1
①原设计实例及结构特点 如图2-1（a）所示，轴中段的加工量过多。
②改进后轴结构设计特点 改为图2-1（b），制成阶梯轴。
图2-1 尽量减少加工量的结构（一）
③工艺性分析对比 制成阶梯轴后不需保证精度的部分不加工、减少了加工量。
实例2-2
①原设计实例及结构特点 如图2-2（a），左右两段轴直径一致但却加工成有轴环的形式，加工工作量大。
②改进后轴结构设计特点 改为图2-2（b），用弹性挡圈代替轴环。
图2-2 尽量减少加工量的结构（二）
③工艺性分析对比 当用弹性挡圈代替轴环时，便于加工，减少了加工工作量。
实例2-3
①原设计实例及结构特点 如图2-3（a），轴肩与轴环处重复定位，可能导致轴与孔的配合不紧凑。
②改进后轴结构设计特点 改为图2-3（b），仅用锥轴定位。
图2-3 避免重复定位的结构
③工艺性分析对比 单独用锥轴定位时可以避免重复定位，配合紧凑。
实例2-4
①原设计实例及结构特点 如图2-4（a），根据轴的使用情况，即功率输出和轴向力的估算，轴环设计宽度为6mm，不足以承受电动机转子的轴向力，容易出现材料裂纹和断裂，以致发生事故。
②改进后轴结构设计特点 设计轴环宽度改为10mm，如图2-4（b），增加轴环宽度后，轴环的强度能够承受转子在运转中的轴向力。
图2-4 轴环应有足够承受轴向载荷的宽度
③工艺性分析对比 轴环应能承受较大的轴向力，定位精确。
轴环是用来在轴上承受轴向载荷的，通常在轴上设置轴环是为了固定齿轮等零件的一端，另一端用螺母或者用弹性挡圈来固定；轴环应有足够承受轴向载荷的宽度。
实例2-5
①原设计实例及结构特点 如图2-5（a），磨削时左右两段圆柱的同轴度不容易保证。
②改进后轴结构设计特点 改为图2-5（b），轴左端留出一段以供磨削时夹持用。
图2-5 保证两段轴磨削时同轴度的结构
③工艺性分析对比 轴段设计时应保证各轴段的同轴度。轴的左端留一段供磨削时夹持用，则可保证两段轴磨削时的同轴度。
实例2-6
①原设计实例及结构特点 如图2-6（a），轴上零件固定方式不合理，没有充分发挥出轴肩的定位效果。用螺栓连接轴肩和轴上零件时不但会削弱轴肩的材料力学性能，而且没有发挥阶梯轴在轴向定位中的作用。在轴上零件的运转过程中完全靠螺栓的预紧力来克服轴向力，会很快让螺栓松动并导致轴环的失效。
②改进后轴结构设计特点 改为图2-6（b），则轴上零件固定合理，使轴环和阶梯轴的轴向定位作用充分发挥了出来，同时轴环的直径减小，轴的阶梯尺寸过渡良好，减少了应力集中，提高了轴的使用性能。
图2-6 合理固定轴上零件的结构
③工艺性分析对比 轴上零件固定方式，直接影响着轴上零件的工作状况。合理的固定方式能使轴上零件获得良好的工作环境；不好的固定方式会使轴上零件左右晃动，使动力传递不均匀、零件和轴的结合面发生磨损。
实例2-7
①原设计实例及结构特点 如图2-7（a），轴径和齿轮顶圆直径相差较大，整料加工费工、费料，锻件不便于锻造。
②改进后轴结构设计特点 改为图2-7（b），轴与齿轮分别加工后再用键连接的结构形式，方便拆卸与维修。
图2-7 轴与齿轮分别加工的结构
③工艺性分析对比 轴与轴的传动连接应综合考虑毛坯选择、加工与装配工艺等问题。
实例2-8
①原设计实例及结构特点 如图2-8（a），曲轴上的孔存在应力，“1”处内孔孔口应有一定角度的倒角，“2”处轴上的通孔应倒角或加滚珠碾压以减少应力集中。
②改进后轴结构设计特点 改为图2-8（b）则较为合理，即“1”处孔口加60°倒角，“2”处加45°倒角再倒圆。
图2-8 减少曲轴上应力集中的结构
③工艺性分析对比 要尽量避免轴的结构要素产生应力集中。
实例2-9
①原设计实例及结构特点 如图2-9（a），轴上的通孔没有倒角或加滚珠碾压，易产生应力集中。
②改进后轴结构设计特点 改为图2-9（b），即通孔加倒角或加滚珠碾压。
图2-9 减少轴上应力集中的结构
③工艺性分析对比 为了减少应力集中，通孔上应倒角或加滚珠碾压。
实例2-10
①原设计实例及结构特点 如图2-10（a），轴的倒圆半径大于与之配合的轴承的倒圆半径，难以保证轴向定位和配合紧凑。
②改进后轴结构设计特点 改为图2-10（b），即轴的倒圆半径小于轴承的倒圆半径。
图2-10 保证轴上定位和配合的结构
③工艺性分析对比 轴的倒圆半径应小于与之配合轴承的倒圆半径，以保证轴向定位和配合紧凑。
实例2-11
①原设计实例及结构特点 如图2-11（a），轴上的盲孔使此处应力较集中，也易造成旋转的不平衡。
②改进后轴结构设计特点 将其改为图2-11（b），即盲孔改为通孔，则应力集中减小，轴强度增大。
图2-11 轴上孔的结构
③工艺性分析对比 尽量避免轴上的盲孔。
实例2-12
①原设计实例及结构特点 发电机曲轴的结构如图2-12（a），实心曲轴自身的重量会加大旋转惯性力，造成曲轴在曲柄与曲轴连接的两侧处产生严重的应力集中，对曲轴承受交变载荷极为不利。
②改进后轴结构设计特点 改为图2-12（b），即曲轴做成空心的，减轻了自身重量并减小了旋转惯性力，解除了曲柄与曲轴连接的两侧处的应力集中。这种结构不但可使原应力集中区的应力分布均匀，使圆角过渡部分的应力平坦，而且有利于后续热处理所引发的残余应力的消除。
图2-12 发电机曲轴的结构
③工艺性分析对比 曲轴在发动机里高速运转时承受很大的交变载荷，并且由于自身的重量会增加旋转惯性力，所以设计时要尽量降低重量。
实例2-13
①原设计实例及结构特点 图2-13中“错误”处，键槽的底部未倒圆或倒角，应力较集中，轴强度低。
②改进后轴结构设计特点 改为图2-13中“正确”处，键槽底部倒圆，则可以减小此处应力集中，增大强度。
图2-13 键槽底部应倒角以减小应力集中
③工艺性分析对比 键槽底部应倒角以减小应力集中。
实例2-14
①原设计实例及结构特点 如图2-14（a），键槽底部位置过于接近轴肩，削弱了轴的整体力学性能，键槽没必要这样长。键连接中的平键有一定的、足够承受扭转力矩的长度就足够了，不必要太长，而且键槽太长会使应力更加集中于键槽底部和轴肩部位，造成轴的早期疲劳断裂。
②改进后轴结构设计特点 改为图2-14（b），即键槽底部与轴肩离开一定的距离，这样在键槽上有足够的长度传递扭矩，也不会在键槽底部和轴肩处产生较大的应力集中，避免了轴的疲劳损坏。
图2-14 轴上键槽应避开应力集中区（一）
③工艺性分析对比 键槽应避开应力集中区一定距离。键槽底部与轴肩的距离主要用来保证安装在轴上的零件有足够的空间定位，只要有足够长的键槽就可以，若键槽太长会削弱轴的强度，造成轴的扭转断裂。
实例2-15
①原设计实例及结构特点 图2-15（a）中键槽开在了过渡区，导致此处应力过于集中，轴的强度削弱较大。
②改进后轴结构设计特点 将其改为图2-15（b），即轴上键槽与倒圆处留出一段距离，降低此处的应力集中，增加轴的强度。
图2-15 轴上键槽应避开应力集中区（二）
③工艺性分析对比 同实例2-14类似，键槽应避开应力集中区一定距离，即避免键槽与轴肩重合，造成局部应力集中的叠加，从而削弱轴的强度，造成轴的扭转断裂。
实例2-16
①原设计实例及结构特点 如图2-16（a），花键轴与锥度轴的过渡应加退刀圆槽，以降低此处的应力集中。
②改进后轴结构设计特点 改为图2-16（b），即加退刀圆槽后可有效地减小此处的应力集中，增大轴的强度。
图2-16 花键轴与锥度轴的过渡结构
③工艺性分析对比 花键轴与锥度轴的过渡应加退刀圆槽。
实例2-17
①原设计实例及结构特点 在不是止推轴的情况下、阶梯轴的轴径应从中向两端递减。如图2-17（a）所示的结构中，轴中部圆圈处直径最小，结构不合理。
②改进后轴结构设计特点 可将其改为图2-17（b），阶梯轴的直径从中间到两端逐渐递减。
图2-17 便于装配的阶梯轴结构
③工艺性分析对比 阶梯轴直径应从中间到两端逐渐递减以便于装配。
实例2-18
①原设计实例及结构特点 如图2-18（a），退刀槽尺寸不一致。同一轴上的退刀槽尺寸应尽量一致。
②改进后轴结构设计特点 若将其改为图2-18（b），即退刀槽尺寸一致，便于一次性加工而不用更换刀具。
图2-18 退刀槽尺寸应尽量保持一致的结构
③工艺性分析对比 退刀槽尺寸应尽量保持一致。
为了减少换刀次数，提高轴类零件的加工效率，在设计轴结构的时候经常把轴上一些相似的地方设计成相同的尺寸，例如将退刀槽设计成相同的宽度，即同根轴上的退刀槽宽度一致。
实例2-19
①原设计实例及结构特点 如图2-19（a），退刀槽深度不够，在加工螺纹末尾的时候，刀具不能迅速地脱离加工表面，会将退刀槽加工出浅螺纹，使轴在这个部位出现应力集中，降低整个轴的使用性能。
②改进后轴结构设计特点 改为图2-19（b），将退刀槽加深，能让螺纹加工刀具顺利地脱离加工表面，同时也可以减少轴表面的应力集中，提高轴整体性能。
图2-19 合理设计退刀槽的结构
③工艺性分析对比 保证退刀槽深度。
退刀槽是在加工螺纹或者键槽时使加工刀具在加工表面加工出合格螺纹或者键槽的保证，因为加工到末尾时刀具不能迅速离开加工表面，因而需设置退刀槽。一般在加工螺纹前，都要先加工出退刀槽。
实例2-20
①原设计实例及结构特点 如图2-20（a），靠近轴肩的磨削表面处未留出越程槽，不易保证磨削精度。
②改进后轴结构设计特点 应将其改为图2-20（b），留出越程槽，这样便于加工，并能保证磨削精度。
图2-20 留出越程槽的结构
③工艺性分析对比 靠近轴环处应留出退刀槽。
靠近轴肩的磨削表面或螺纹处应留有砂轮越程槽或螺尾退刀槽，以便于加工。
实例2-21
①原设计实例及结构特点 齿轮轴的一端由V带传动，中间用一对轴承支撑，右端用圆螺母锁紧定位。为了使轴肩便于磨削加工，设计了越程槽，如图2-21（a）。越程槽处易引起应力集中，工作过程中，轴经过反复、对称循环的弯曲应力的作用将形成疲劳裂痕，在A—A断面处轴断裂，并有明显的疲劳裂纹痕迹。
②改进后轴结构设计特点 若将其改为图2-21（b），取消越程槽，增设挡环；加大齿轮轴肩处的圆弧半径，挡环内孔倒角与轴肩圆弧相适应，从而减小了应力集中。
图2-21 避免越程槽引起应力集中的结构
③工艺性分析对比 当齿轮越程槽处容易断裂时，应取消越程槽，增设挡环。
实例2-22
①原设计实例及结构特点 如图2-22中的“1处”、“1处放大”，越程槽内两直线相交处，产生尖角。
图2-22 合理设置砂轮越程槽的结构
②改进后轴结构设计特点 如图2-22中的“正确”处，越程槽内两直线相交处可倒圆。
③工艺性分析对比 砂轮越程槽的作用和退刀槽的作用类似，砂轮在磨削完加工表面后，不能迅速地离开加工表面，为了不磨削到其他的表面，应设置砂轮越程槽。
砂轮越程槽不允许产生尖角（越程槽内深度h与圆弧半径r之间的关系，一般要满足r小于3h）。
实例2-23
①原设计实例及结构特点 图2-23（a）为挂轮架轴零件图，其中ϕ25的圆柱面需要磨削加工，但无砂轮越程槽；左右两段螺纹尺寸和精度要求不一致，这样不利于用同一把刀具一次加工完成，还需要更换刀具，增加了换刀时间，降低了劳动生产率。
图2-23 添加砂轮越程槽/两螺纹尺寸和精度要求一致
②改进后轴结构设计特点 若改为图2-23（b），即添加砂轮越程槽；改变螺纹尺寸和精度要求使两螺纹的尺寸和精度要求一致，则可以使用一把刀具加工两个螺纹，省去换刀时间，提高劳动生产率。
③工艺性分析对比 设置砂轮越程槽，可用于砂轮“避空”。多个螺纹的尺寸和精度要求一致，可以节省换刀时间，提高劳动生产率。
实例2-24
①原设计实例及结构特点 如图2-24（a），加工螺纹的地方没有留有退刀槽，这样不利于刀具的退出。
②改进后轴结构设计特点 可将其改为图2-24（b），即加工螺纹的地方预先切制出退刀槽。
图2-24 加工螺纹处设置退刀槽的结构
③工艺性分析对比 为了便于退出刀具，必须预先切制出退刀槽。
实例2-25
①原设计实例及结构特点 如图2-25（a），锥形轴段需要用砂轮打磨，以达到相应的表面粗糙度，但图中没有设计砂轮越程槽，在加工到末尾时会磨削到锥形轴段左边——安装轴承的轴段。
②改进后轴结构设计特点 改进后如图2-25（b），锥形轴段与安装轴承的轴段接合处设计了砂轮越程槽，能很好地保证砂轮在加工末尾离开加工表面时不碰到安装轴承的轴段。
图2-25 锥形轴段与安装轴承的轴段接合处设置砂轮越程槽
③工艺性分析对比 锥形轴没有设计砂轮越程槽时会磨削到锥形轴段的左边，即安装轴承的轴段。
实例2-26
①原设计实例及结构特点 如图2-26（a），轴的两端是安装长轴承的配合光滑表面，需要精磨加工，而与之相连的是螺纹段，所以在加工时必须设置合适宽度的砂轮越程槽。
②改进后轴结构设计特点 改进后如图2-26（b），轴的两端设计了砂轮越程槽，使磨削加工更有精度保证，优化了整个轴的结构设计。
图2-26 精磨加工处须设置合适宽度的砂轮越程槽
③工艺性分析对比 安装轴承的轴段，需要很光滑的配合表面，为了降低表面粗糙度数值，需要精磨加工工序，所以需要设置砂轮越程槽。
实例2-27
①原设计实例及结构特点 如图2-27（a），大小轴径过渡处没有倒圆（图中1、2处），易产生应力集中；与毂孔配合的轴段没有倒角，不便于装配和拆卸。
②改进后轴结构设计特点 若改为图2-27（b），大小轴径过渡处设置倒圆，则可减少轴上的应力集中，增加轴的强度；与毂孔配合的轴段加工成倒角以便于装配和拆卸。
图2-27 过渡圆角的结构
③工艺性分析对比 大小轴径过渡处设置倒圆，减少轴上的应力集中，增加轴的强度。与毂孔配合的轴段应有倒角以便于装配。
实例2-28
①原设计实例及结构特点 如图2-28（a），此处圆角过小，应力过于集中。
②改进后轴结构设计特点 若改为图2-28（b），即倒圆R3改为R5，则可减小应力集中，增大轴的强度。
图2-28 合理设置过渡圆角的大小
③工艺性分析对比 一般情况下倒角R与轴径d的比值应大于等于0.1，即R/d≥0.1。
实例2-29
①原设计实例及结构特点 图2-29为滑行车轮轴组件图。图2-29（a）因受轴承内圈圆角的限制，在轴承与轴配合时轴肩处的过渡圆角应小于轴承内圈的过渡圆角，但此轴承受冲击振动较严重，并且过渡圆角过小时会产生很大的应力集中；在频繁的冲击振动下，容易产生疲劳裂纹，最终导致轴的疲劳断裂。
②改进后轴结构设计特点 改为图2-29（b），即为了避免轴肩过渡圆角太小而引起轴肩处的应力集中，在轴肩处加一个环，留出一定的空间，来加大过渡圆角，减少应力集中。
图2-29 合理设计过渡结构
③工艺性分析对比 滑行车速在40km/h以上，滑行车轮轴受冲击振动较严重，设计中采用滚动轴承，滚动轴承内圈有圆角，在与轴配合时，轴上应有合适的配合圆角。
过渡圆角是阶梯轴中重要的连接方式，目的是为了使阶梯轴能更好地进行尺寸过渡，减少应力集中，防止轴因应力集中而引起的疲劳裂纹，或因长时间的交变载荷发展成疲劳断裂。
实例2-30
①原设计实例及结构特点 如图2-30（a），倒角一个为1×45°，另外一个是2×45°，尺寸不同。在加工时需要进行换刀，增加了加工工时，降低了加工效率。
②改进后轴结构设计特点 改为图2-30（b），将轴上的倒角都设计成为2×45°，则避免了加工倒角时换刀的麻烦，缩短了加工工时，提高了效率。
图2-30 同一根轴上的倒角应保持一致
③工艺性分析对比 同一根轴上相似的结构一般都设计成相同的尺寸，以减少换刀次数和装卡次数，提高加工效率，减少工时。
实例2-31
①原设计实例及结构特点 如图2-31（a），直径相差不大的轴段倒角却不一致。
②改进后轴结构设计特点 若改为图2-31（b），即轴两端倒角一致，则可减少加工刀具种类和提高劳动生产率。
图2-31 直径相差不大的轴端倒角应尽量一致
③工艺性分析对比 直径相差不大的轴段倒角应尽量一致。
同一轴上的倒角、圆角等应尽可能取相同尺寸。
实例2-32
①原设计实例及结构特点 如图2-32（a），没有倒角，不便于轴上零件的装配，且易造成配合面的擦伤。
②改进后轴结构设计特点 可将其改为图2-32（b），即根据轴径尺寸设计合适的倒角。
图2-32 轴的两端应有倒角以便于装配
③工艺性分析对比 轴的两端倒角便于装配导向和避免擦伤配合表面。因此，轴的两端及有过盈配合的台阶处都应制成倒角。
实例2-33
①原设计实例及结构特点 如图2-33（a），在空心轴上开设键槽后，键槽部位的壁厚太小，影响轴的强度。
②改进后轴结构设计特点 若改为图2-33（b），即在空心轴上选用薄形键，则可增加键槽部位的厚度。
图2-33 空心轴上的键槽结构
③工艺性分析对比 空心轴上的键槽应考虑键槽深度对强度的影响。
实例2-34
①原设计实例及结构特点 如图2-34（a），轴上有两个键槽，轴两端的键槽开在了互成90°的方向上，需要二次装卡，增加了轴的加工量，浪费了工时，应开在同一方向上；两个ϕ55轴颈为安装轴承的位置，要求的粗糙度数值比较小，需要精车或者磨削，而右端的ϕ55轴颈较长，不但加大了精加工的面积，浪费了工时，而且由于轴颈较长，影响轴承的装卸，另外，中部ϕ55轴段与ϕ45轴径相差较大，加大了应力集中的影响。
②改进后轴结构设计特点 若改为图2-34（b），将两个键槽开在了同一方向上，一次装卡就能完成两个键槽的铣削加工，缩短了工时，提高了加工效率；右端原较长的ϕ55轴颈设计为两段，即ϕ55和ϕ50，并取不同的粗糙度数值，这样，轴的结构及粗糙度值较为合理。
图2-34 键槽开口方向应一致
③工艺性分析对比 键槽开口方向应一致。为减少装卡次数，在结构设计中常将轴上的键槽设计在同一个方向上，以提高加工效率。
键槽（圆角）尺寸应尽量一致。在轴的不同截面上，轴径相差不大的情况下应取相同的键槽截面尺寸，以便于加工并提高生产效率。若键槽截面尺寸不一致，会给加工带来不便，降低加工效率，提高生产成本。
实例2-35
①原设计实例及结构特点 如图2-35（a），轴环过高、尺寸大，与中间连接处的尺寸相差较大，车削轴时会将中间部位表面力学性能好的材料切削掉，而留下的却是力学性能差的心部。这样的轴会很快造成断裂失效，不符合使用要求。
②改进后轴结构设计特点 若改为图2-35（b），将轴环螺栓连接轴上零件改为阶梯轴螺母加轴环固定，这种固定更加可靠、稳定，同时减小了轴环和中间连接部位的尺寸差距，使中间连接部分的轴段有较好的材料力学性能，保证了轴的使用性能。
图2-35 满足材料力学性能的轴结构
③工艺性分析对比 轴的结构设计需要考虑很多方面的因素，尤其是在结构设计时，要考虑毛坯的形状和加工后轴材料的力学性能，这样才能加工出符合要求的轴。
轧制毛坯在轴类零件的选材中有很重要的地位，轧制毛坯材料性质均匀时加工方便，直接放在车床上能加工出合格的轴类零件。
实例2-36
①原设计实例及结构特点 如图2-36（a），选用毛坯里的金属纤维形状与曲轴的受力方向几乎垂直了，在车削加工中几乎全被切断了，未发挥锻造毛坯的效果，降低了曲轴的强度。这种毛坯材料加工出来的曲轴不能满足高强度的交变载荷，会出现断裂等失效形式。
②改进后轴结构设计特点 若改为图2-36（b），选用毛坯材料里的金属纤维，其外形与曲轴的最终形状接近，车削后，大部分的金属纤维未被切断，曲轴强度高，符合曲轴的高强度交变载荷的工作情况。
图2-36 尽量选用纤维方向与曲轴应力方向一致的毛坯
③工艺性分析对比 曲轴的工作情况复杂，主要是承受拉应力和交变载荷，所以要求曲轴的毛坯选用锻造毛坯，尽量使毛坯里的纤维方向与曲轴应力方向一致。
实例2-37
①原设计实例及结构特点 图2-37（a）是一段带有内螺纹的轴。图的右端结构虽然已设计了供顶尖装夹的60°坡口，但在加工过程中易损坏与60°坡口衔接处的螺纹。
②改进后轴结构设计特点 改进后的结构如图2-37（b）所示，在坡口处留有退刀槽，这样不至于破坏螺纹。
图2-37 带有内螺纹的轴
③工艺性分析对比 轴端螺纹结构的设计应注意保护螺纹，避免加工过程中产生易损坏螺纹的结构。
实例2-38
①原设计实例及结构特点 图2-38（a）为阶梯孔与阶梯轴配合的结构，两个件都是阶梯结构，使加工变得复杂。
②改进后轴结构设计特点 改进设计的结构如图2-38（b）所示，其与图2-38（a）主要区别在于，图2-38（b）把阶梯孔改为简单孔处理，轴仍为阶梯轴，节省工时。
图2-38 阶梯孔与阶梯轴配合结构的改进
③工艺性分析对比 阶梯孔与阶梯轴的配合结构，结构复杂，加工不便；当把阶梯孔改为简单孔、轴仍为阶梯轴结构时，结构简单、节省工时。
实例2-39
①原设计实例及结构特点 图2-39（a）中，中间精加工段较长。当轴与盘、套类零件相配合时，为了保证配合部位的精度，非配合表面不必制成高精度。
②改进后轴结构设计特点 将其改为图2-39（b）所示结构，即将需要精车的部分保留，不必要部分改为简单轴，即减少中间精加工段长度。这样可以减少精加工面积，易于保证质量。
图2-39 减少精加工表面的轴结构
③工艺性分析对比 当中间精加工段较长时，轴与盘、套类零件配合不便；去掉不必要的精车，可以减少加工表面面积，保证配合部位的精度。
实例2-40
①原设计实例及结构特点 如图2-40（a）所示，轴端的键槽用端铣刀铣出，切削时会增加应力集中，同时键的打入也不方便。
②改进后轴结构设计特点 改进后的结构如图2-40（b）所示，键槽改为用盘铣刀铣出，在键槽两头各铣出一段过渡圆弧，减少了应力集中的影响；改善了切入时的切削条件，方便键的打入。
图2-40 减小应力集中的结构
③工艺性分析对比 当轴端键槽用端铣刀加工时，刀具进出不方便且会增加应力集中；改善切削条件，用盘铣刀加工，使得在键槽两头各铣出一段过渡圆弧，减少了应力集中、方便刀具的出入。
实例2-41
①原设计实例及结构特点 如图2-41（a）所示，用V形块装夹轴类工件。在卧式铣床上用铣刀铣削键槽，当铣削一批工件的直径尺寸有偏差时，对铣削键槽的深度就会有影响，其影响程度的大小，将随工件直径偏差的大小而变化。此时，这种方法不可取。
②改进后轴结构设计特点 改进后的结构如图2-41（b）所示，铣削键槽时，立铣刀的中心线或盘形铣刀的对称线始终能够对准V形架的角平分线，即能够保证键槽的对称度。
图2-41 V形块装夹轴类零件的结构
③工艺性分析对比 加工键槽时，为了保证键槽的对称度，应考虑切削条件对工件的影响，如使用的机床、夹具及工件直径等。
实例2-42
①原设计实例及结构特点 如图2-42（a）所示，轴上带有阶梯孔，用组合铣刀铣削阶梯孔。用组合铣刀铣削该工件时，铣削时所应保证的尺寸应该是工件最上端的孔深和第二个孔深。但若按照该图所标尺寸进行铣削加工，则无法得到应保证的深度。
②改进后轴结构设计特点 改进后的结构如图2-42（b）所示，其尺寸是按照组合铣刀来确定的，这时可以得到所要保证的尺寸深度和加工精度。
图2-42 符合组合铣刀尺寸的结构
③工艺性分析对比 用组合铣刀铣削阶梯孔时，所标注尺寸应按照刀具尺寸进行标注，才能保证顺利加工，保证尺寸的深度和加工精度。
实例2-43
①原设计实例及结构特点 键槽的铣削加工方法通常有两种：在深度上一次铣削完成及分层铣削完成。在通用铣床上一般采用一次铣成，而分层铣成则大都是在键槽铣床上进行。
如图2-43（a）所示，将键槽深度一次铣削完成。这种加工方法对铣刀的使用较为不利，因为铣刀在用钝时，切削刃上的磨损长度等于键槽的深度。若刃磨圆柱面切削刃，则因铣刀直径会磨小，而不能再作精加工，若把端面一段磨去，则又不经济。
②改进后轴结构设计特点 改进后的结构如图2-43（b）所示，可分层完成铣削键槽。每次铣削层深度只有非常小的一层，以较大的进给量往返进行铣削。在键槽铣床上加工时，每次的铣削层深度和往复进给都是自动进行的，一直切到预定键槽深度为止。这种加工方法的优点是铣刀用钝后，只需刃磨铣刀的端面，铣刀直径不受影响，铣削加工时也不会产生让刀现象。但在通用铣床上进行这种加工，则操作不方便，生产效率也较低。
图2-43 分层铣削的设计
③工艺性分析对比 当进行键槽铣削时，应考虑通用铣床及专用铣床加工方法、特点的不同。如采用往返铣削可保护刀具，既可以提高生产效率，还可以提高加工精度与加工的综合性能。
实例2-44
①原设计实例及结构特点 如图2-44（a）所示，在铣削该工件时，其工件上的退刀长度L小于铣刀的半径D/2，从而造成在铣削时产生对工件上非铣削部分的铣削干涉，破坏了加工质量。
②改进后轴结构设计特点 若将其改为如图2-44（b）所示的结构，工件的退刀长度L被延长到大于铣刀的半径D/2，此时不会再有铣刀铣削工件非铣削部分的情况发生，提高了工件的加工精度。
图2-44 避免铣削干涉的结构
③工艺性分析对比 当进行轴线方向的铣削时，应考虑退刀路径，避免产生铣削干涉。
实例2-45
①原设计实例及结构特点 如图2-45Ⅰ（a）所示，键槽在轴的阶梯部分铣出，使键槽本身的应力集中与轴阶梯部分的应力集中重合；图2-45Ⅱ（a）所示，端铣刀铣出的应力集中较大。
②改进后轴结构设计特点 改进后的结构如图2-45Ⅰ（b）所示，键槽改为开在远离轴阶梯部分；改进后的结构如图2-45Ⅱ（b）所示，改用盘铣刀开键槽。渐开线花键的应力集中小于矩形花键，对削弱应力集中有利。进后的结构如图2-45Ⅱ（c）所示，花键的环槽直径d不宜过小，可取等于花键的内径d1。
Ⅰ
Ⅱ
图2-45 键槽结构
③工艺性分析对比 铣削键槽时应注意应力集中的影响。如渐开线花键的应力集中小于矩形花键，对削弱应力集中有利；花键的环槽直径不宜过小。
实例2-46
①原设计实例及结构特点 如图2-46（a）所示，在较长的轴上铣削键槽。若只铣削出一个键槽，则在加工时，由于轴的结构不对称性容易产生弯曲。
②改进后轴结构设计特点 改进后的结构如图2-46（b）所示，为了减少长轴产生的弯曲，在已经铣键槽的180°处再铣出一同样大小的对称键槽，从而提高轴的加工精度。
图2-46 对称分布键槽结构
③工艺性分析对比 在较长的轴上铣削键槽时，应注意设置对称分布键槽，通过轴上结构的对称性避免产生弯曲，提高轴的加工精度。
实例2-47
①原设计实例及结构特点 如图2-47（a）所示，该轴需要铣削两个键槽。在图中，铣刀在两次铣削过程中所对应轴上母线各不相同，从而使铣出的键槽不在同一条母线上。这样不仅造成了铣削加工不便，同时也会导致键的结构和受力不对称，致使轴上零件偏离回转中心，引起振动与疲劳。安装齿轮的轴段（轴中间部分）铣削过长，在降低轴的强度之余使套筒无法装入。
②改进后轴结构设计特点 改进后的结构如图2-47（b）所示，使轴与零件在装配与工作时受力均匀，减少振动，便于加工；键槽的铣削位置使两键槽位于同一条母线上；可以装入套筒，从而使齿轮的左右振动降低，提高了整个系统的稳定性。
图2-47 两槽位于同一条母线上的结构
③工艺性分析对比 键槽应设置在同一母线上，便于与零件配合；避免键槽过长，降低轴的强度、影响装配。
实例2-48
①原设计实例及结构特点 如图2-48（a）所示为轴与轮毂连接时轮毂的结构。当铣削键槽时，若在轮毂厚度较小即工件的薄弱部位进行铣削，则会降低工件强度，因此应予以避免。
②改进后轴结构设计特点 改进后的结构如图2-48（b）所示，将铣削的位置改为在轮毂较厚或远离的部位，从而避免削弱工件强度，确保轴与轮毂连接的可靠性。
图2-48 避免削弱工件强度的键槽结构
③工艺性分析对比 如需要在轮毂或轴段上铣削键槽，应将铣削的位置设置在轮毂较厚处，或远离轴上的齿轮齿根及有螺钉孔部位；应避免在工件的薄弱部位进行铣削，从而避免削弱工件强度。
实例2-49
①原设计实例及结构特点 如图2-49（a）所示，轴上需要安装多个零件。当分段铣削出多个键槽时，轴上零件在安装时由于各键的方向不完全一致会产生困难，甚至不能安装。
②改进后轴结构设计特点 改进后的结构如图2-49（b）所示，在轴上铣出一个连通键槽，从而可以降低零件的安装难度，节约工时。
图2-49 连通键槽结构
③工艺性分析对比 当轴上需要安装多个零件时，应一次性铣削连通键；分段铣削多个键槽会使零件的安装产生困难，甚至不能安装。
实例2-50
①原设计实例及结构特点 如图2-50（a）所示，轴上没有磨削砂轮越程槽、且磨削面积过大。
②改进后轴结构设计特点 改为图2-50（b）所示结构，增加磨削砂轮越程槽，砂轮能顺利退出加工表面，并且可以减少磨削面积，提高加工效率。
图2-50 越程槽的结构
③工艺性分析对比 设置越程槽后可以使砂轮顺利退出加工表面，并且可以减少磨削面积。因此，磨削时越程槽不可缺少。
实例2-51
①原设计实例及结构特点 如图2-51（a）所示，轴上键槽的加工表面与其他表面重合，不宜进行磨削加工。
②改进后轴结构设计特点 若改为图2-51（b）所示结构，设计键槽表面高于其他加工表面，且高度大于加工误差，则易于磨削加工的进行。
图2-51 键槽与其他加工表面的过渡结构
③工艺性分析对比 在轴上设置键槽位置时，键槽的加工表面与其他表面不应重合，而应设置高度差并使其大于加工误差。
实例2-52
①原设计实例及结构特点 如图2-52（a）所示，轴上键槽开口方向不一致，磨削外圆时需调整砂轮。
②改进后轴结构设计特点 将其改为图2-52（b），将键槽开口方向设计成一个方向。
图2-52 双键槽的结构
③工艺性分析对比 若键槽开口方向不一致，从磨削加工角度考虑磨削对应的外圆时将需要调整砂轮，给加工带来不便。因此，键槽开口方向要一致。
实例2-53
①原设计实例及结构特点 如图2-53（a）所示，轴与球体连贯，将不可避免地产生对成形球表面的加工，尤其是当刀具到达轴线与成形表面加工时，刀具工作条件降低，增加了刀具的磨损。
②改进后轴结构设计特点 若改为图2-53（b）所示结构，即可减少轴线的成形表面加工，改善刀具工作条件，同时也减少了刀具的磨损。
图2-53 减少成形球表面加工的结构
③工艺性分析对比 通过设置凹槽以避免轴线成形面的加工，同时也减少了刀具的磨损。
实例2-54
①原设计实例及结构特点 如图2-54（a）所示，阶梯轴中左右轴段尺寸相差太大，材料利用率低。
②改进后轴结构设计特点 若将其改为图2-54（b）所示结构，即将尺寸偏小的部分做成连接件，这样既方便了加工，又提高了材料利用率。
图2-54 尺寸偏小部分做成连接件的结构
③工艺性分析对比 当轴的结构尺寸相差太大时，材料利用率偏低。此时，可以将轴做成两个体的连接，即将尺寸偏小的部分做成连接件与尺寸偏大的部分连接成组合体。方便了加工，并提高了材料利用率。
实例2-55
①原设计实例及结构特点 如图2-55（a）所示，由于轴上加工面较多，需多次夹紧，形位公差不容易掌握。
②改进后轴结构设计特点 改为图2-55（b），增加一圆柱体，则可以减少磨削装夹的次数。
图2-55 减少磨削装夹次数的结构
③工艺性分析对比 车削时若多次夹紧，形位公差不容易掌握，应尽可能减少装夹次数；通过在轴心增加小圆柱体的方法可以减少磨削装夹的次数。
实例2-56
①原设计实例及结构特点 如图2-56（a）为短凸缘（法兰）轴的锻件，强加锻造可能会使凸缘在锻造时变形。为防止变形在轴向添加余块，使凸缘增长。
②改进后轴结构设计特点 可改为图2-56（b）。添加一层包覆零件外层的金属，余块的添加使锻造工艺得以简化，锻后车削，方便快捷。
图2-56 余块设计分析
③工艺性分析对比 对于短凸缘（法兰）锻件，过于复杂的部分不要锻出，若强加锻造不仅达不到锻造目的，还可能使凸缘在锻造时变形，从而导致锻件与零件有较大的差别。这时，应考虑添加一层包覆零件外层的金属，以削弱零件复杂形状给锻造带来的不便。
实例2-57
①原设计实例及结构特点 如图2-57（a），曲轴锻件有难成形的复杂形状，若强加锻造不仅达不到锻造目的，还可能发生翘曲歪扭。
②改进后轴结构设计特点 改为图2-57（b）的结构，在直径较小的部分添加径向余块，则可防止变形，并且锻件外形简化，便于加工。
图2-57 余块设计分析
③工艺性分析对比 零件上过于复杂的部分不要锻出，若强加锻造不仅费时、费力，达不到锻造目的；还可能发生翘曲歪扭，导致锻件与零件有较大的差别或出现废品。
由于锻件表面易氧化与脱碳，合金元素蒸发与污染等，金属表面裂纹时有发生，使得锻件设计时，不得不考虑添加一层包覆零件外层的金属。余块的添加虽然使锻造工艺得以简化，但金属的消耗以及机械加工工时也相应增加。对于此类问题应视锻件的生产批量和工具制造等情况综合考虑。
实例2-58
①原设计实例及结构特点 图2-58（a）轴是自由锻件，其自由锻件中有带锥度的曲面，因受其加工设备和工具的限制，锻造时很困难，费时又费力，很难保证其锥度；强加锻制会锻弯较薄的凸缘部分，使锻件变形。
②改进后轴结构设计特点 改为图2-58（b）后，锻件清晰、合理，结构简单、经济。
图2-58 自由锻件应尽量避免锥形
③工艺性分析对比 设计自由锻件时应尽量避免有锥度的曲面、倾斜平面。自由锻件的结构应该力求简单、对称，自由锻件应由直线、平面或圆柱面组成平滑的形状。
实例2-59
①原设计实例及结构特点 如图2-59（a），轴上台阶处忽视了台阶之余面所需的金属。这样会导致锻件缺料，锻件表面氧化与脱碳，合金元素蒸发与污染，表面裂纹时有发生。另外，台阶的尺寸太大，超出了所选择设备的锻造能力范围。
②改进后轴结构设计特点 而图2-59（b）的设计中添加了一层包覆零件外层的金属，锻件在一定程度上能防止应力集中带来的裂纹，具有抗弯、抗形变能力。台阶的尺寸减小。
图2-59 合理选择锻造设备
③工艺性分析对比 选择锻造设备吨位是很重要的工作。为了使锻件内部锻透，提高生产率，设备吨位不能太小；为了不浪费动力，降低锻造成本，防止打坏工具，设备吨位也不能太大，应合理选择锻造设备。
自由锻锻锤的锻造能力详见相关资料。
实例2-60
①原设计实例及结构特点 图2-60（a）为立式机械搅拌器主轴。实际工作环境下投入使用一段时间后发生主轴断裂事故；断轴部位除两根因为明显地腐蚀而在主轴中部断裂外，几乎全部断轴均发生在主轴与连接轴的焊接处。故障原因：焊接问题和轴肩处圆角半径过小而应力集中较大。
②改进后轴结构设计特点 将其改为图2-60（b），即采取加长连接轴1、减少主轴2的长度，使对接焊缝下移，处于防腐蚀衬套内，焊缝经热处理和机加工，加大圆角半径r，断轴问题得以解决。
图2-60 立式机械搅拌器主轴的结构
③工艺性分析对比 该立式机械搅拌器主轴为组合件，为了避免主轴裂纹、断裂等事故，应合理确定运动部件的焊接位置。
实例2-61
①原设计实例及结构特点 图2-61（a）为轴、轴承、轴套相配合的结构。结构中轴的装配接触面过长，由于轴和轴承是过盈配合，所以当轴装入轴承和轴套时会很困难，并且容易损坏轴的表面。
②改进后轴结构设计特点 改为图2-61（b），在轴上加工出空刀槽，这样减少了配合面长度，又易于提高配合精度，装配方便。
图2-61 轴、轴承、轴套相配合的结构
③工艺性分析对比 对于轴、轴承、轴套相配合的结构，轴的设计应方便装配，避免轴的接触面过长。
实例2-62
①原设计实例及结构特点 如图2-62（a），轴同时与两孔配合。在同一轴线上的两个相同直径的孔为过盈配合，压入的轴为等径轴，此轴压入第一个孔时难免有些歪斜或表面损伤，压入第二个孔时将十分困难。
②改进后轴结构设计特点 改为图2-62（b），两孔直径不同，而且不同时压入，用第一个孔的轴作引导，再装入第二个孔的轴，装配工艺性比较合理。
图2-62 过盈配合两孔的结构
③工艺性分析对比 对于同一轴线上有两个过盈配合的装配，采用第一个孔轴作引导再装入第二个孔轴的结构，此装配工艺性比较合理。
实例2-63
①原设计实例及结构特点 图2-63（a）是阶梯轴和孔的配合，其中有两个配合面，但是要满足轴的轴向定位，只需要一个配合面就可以了，应尽量减少多余配合面。
②改进后轴结构设计特点 改为图2-63（b），使得轴和孔的配合在水平方向上只有一个配合面，这样减少了加工量，降低了成本。
图2-63 减少多余配合面的结构
③工艺性分析对比 此类阶梯轴和孔的配合，多余的配合面将导致加工量和加工成本增加。也就是说两零件在同一方向最好只有一组接触面，否则就必须提高接触面处的尺寸精度，增加加工量和加工成本。
2.2.2 锥形轴
实例2-64
①原设计实例及结构特点 如图2-64（a），直径相差较大的相邻两轴段，如不采用锥形轴过渡，会导致倒角处应力过于集中，容易折断。
②改进后轴结构设计特点 若将其改为图2-64（b），采用锥形过渡，则可减小应力集中，增加轴的强度。
图2-64 采用圆锥过渡的结构
③工艺性分析对比 直径相差较大的相邻两轴段应设计成锥形或阶梯轴。
实例2-65
①原设计实例及结构特点 图2-65（a）是天轮轴简图。断面A—A处设计强度不够，当理论计算的弯曲应力略超过材料（45钢）的屈服极限时容易产生断裂；轴的外形设计出现多个直角的台阶；台阶的过渡圆弧半径（R3）太小；加工的表面也比较粗糙。因而应力集中很大，最终会造成轴断裂。
②改进后轴结构设计特点 改为图2-65（b），即阶梯轴成为圆锥形状平缓过渡的轴。
图2-65 天轮轴圆锥过渡的结构
③工艺性分析对比 从阶梯轴到圆锥形状平缓过渡的轴，其断面是逐渐变化的，并与轴所受的弯矩相适应。加大变断面处过渡圆弧的半径及降低轴表面粗糙度的数值，可以减少应力集中，提高轴的使用寿命。
实例2-66
①原设计实例及结构特点 如图2-66（a），锥形轴没有留有一定的圆柱段，不便于加工时的夹持。
②改进后轴结构设计特点 若改为图2-66（b），轴上留一段圆柱，则便于加工时的夹持。
图2-66 便于夹持的结构
③工艺性分析对比 锥形轴应留有一定的圆柱段以便于夹持。
实例2-67
①原设计实例及结构特点 图2-67（a）中锥度不同。同一轴上的圆角半径和锥度应尽量相同，以便于统一刀具，避免多次调整机床。
②改进后轴结构设计特点 若改为图2-67（b），即取各锥度相同，则可减少对刀次数，便于加工。
图2-67 采用锥度一致的结构
③工艺性分析对比 同一轴上的锥度应一致，以便于减少对刀次数。
实例2-68
①原设计实例及结构特点 如图2-68（a），锥度轴与圆柱部分的过渡处设计不合理，在磨削时不便于保证精度。
②改进后轴结构设计特点 可改为图2-68（b），即锥度轴左端直径与圆柱段直径相同，这样便于此处磨削，保证磨削精度。
图2-68 便于磨削的锥度轴结构
③工艺性分析对比 锥度轴的磨削应便于保证精度。
实例2-69
①原设计实例及结构特点 如图2-69（a），此锥形轴段处于远离动力输入端，没有必要设计成锥形轴段，锥形轴段相对于阶梯轴段加工困难，加工量大。
②改进后轴结构设计特点 若改为图2-69（b），阶梯轴在此段中仍能保证良好的力学性能，满足轴的使用要求，而且加工方便，加工量小，结构简单。
图2-69 尽量减少锥形轴段的结构
③工艺性分析对比 尽量减少锥形轴段。
实例2-70
①原设计实例及结构特点 如图2-70（a）所示，大锥度锥形轴上铣削平键键槽。若铣刀沿平行于轴线的方向进行铣削，则会造成键槽两端高度不同的现象。
②改进后轴结构设计特点 改进后的结构如图2-70（b）所示，当改为使铣刀沿平行于轴的表面铣削时，键槽两端高度一致，轴的结构及强度得以提升。
图2-70 大锥度锥形轴上的键槽结构
③工艺性分析对比 大锥度锥形轴上铣削平键键槽时，若铣刀沿平行于轴线的方向铣削，则会造成键槽两端高度不同；对此应使铣刀沿平行于轴的表面铣削，这样键槽两端高度一致，轴的结构及强度得以提升。
实例2-71
①原设计实例及结构特点 如图2-71（a）所示，锥形轴工件不易夹紧，加工不方便。
②改进后轴结构设计特点 改为图2-71（b）所示结构，即增加圆柱面，则易于夹紧，有利于零件加工。
图2-71 增加圆柱面的结构
③工艺性分析对比 锥轴工件不易夹紧，磨削加工不方便。增加小段圆柱面后，则易于夹紧，有利于零件加工。
实例2-72
①原设计实例及结构特点 如图2-72（a）所示，由于两加工面锥度不同，加工时需两次调整机床角度，降低加工效率。
②改进后轴结构设计特点 改为图2-72（b）所示结构，锥度一致，则可以提高加工效率。
图2-72 锥度一致的结构
③工艺性分析对比 对于锥面零件，当存在两加工面锥度不同时，加工时需两次调整机床角度，降低加工效率；当零件锥度一致时，则可以提高加工效率。