Trục thép tròn: Vật liệu, dung sai và hướng dẫn lựa chọn

Điều gì xác định một trục thép tròn

Trục thép tròn là một thanh thép hình trụ được sản xuất theo dung sai kích thước cụ thể, tiêu chuẩn hoàn thiện bề mặt và các yêu cầu về đặc tính cơ học để sử dụng làm bộ phận quay, trượt hoặc chịu tải trong các cụm cơ khí. Thuật ngữ này bao gồm nhiều loại sản phẩm—từ trục chuyển động tuyến tính được mài chính xác với bề mặt hoàn thiện dưới micron đến trục truyền động tiện thô dành cho gia công tiếp theo—và sự khác biệt giữa chúng đủ lớn để việc chọn sai loại có thể dẫn đến hư hỏng vòng bi sớm, mài mòn quá mức hoặc không tương thích về kích thước với các bộ phận đối tiếp.

Mặt cắt tròn không tùy ý. Nó cho phép truyền mô-men xoắn mà không tập trung ứng suất ở các góc, điều chỉnh các lỗ ổ trục tiêu chuẩn với độ khít có thể dự đoán được và cho phép các nguyên công gia công đối xứng như tiện, mài và mài không tâm tạo ra hình học nhất quán dọc theo toàn bộ chiều dài. Độ thẳng, độ tròn và độ bóng bề mặt là ba thông số hình học quyết định trực tiếp nhất đến hiệu suất của trục trong các ứng dụng trượt hoặc hỗ trợ ổ trục, thường cao hơn độ bền kéo thô.

Các loại thép thông thường và tính chất cơ học của chúng

Lựa chọn vật liệu thúc đẩy cả hiệu suất và khả năng gia công. Các lớp dưới đây bao gồm phần lớn trục thép tròn ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp, ô tô và kỹ thuật chính xác.

Thép Carbon thấp (ví dụ: AISI 1018, S20C)

Với hàm lượng cacbon khoảng 0,15–0,20%, các loại này có khả năng hàn tốt, độ bền kéo vừa phải (thường là 400–520 MPa) và khả năng gia công tuyệt vời. Chúng được sử dụng cho các trục chịu tải nhẹ, các chốt liên kết và các bộ phận cơ khí nói chung trong đó việc làm cứng vỏ có thể chấp nhận được nhưng không cần phải làm cứng hoàn toàn. Thanh 1018 được kéo nguội có bề mặt hoàn thiện tốt hơn và dung sai kích thước chặt chẽ hơn so với thanh tương đương được cán nóng, khiến nó được ưa chuộng hơn khi không có kế hoạch mài thêm.

Thép cacbon trung bình (ví dụ: AISI 1045, C45)

Loại được sử dụng rộng rãi nhất cho trục thông dụng. Ở mức 0,42–0,50% carbon, nó đạt được độ bền kéo 570–700 MPa trong điều kiện bình thường và lên tới 900 MPa sau khi xử lý tôi và tôi. AISI 1045 mang lại sự cân bằng thực tế về sức mạnh, độ dẻo dai và khả năng gia công phù hợp với phần lớn các ứng dụng trục truyền lực bao gồm trục động cơ, trục đầu vào và đầu ra hộp số và trục dẫn động băng tải. Nó phản ứng tốt với quá trình làm cứng cảm ứng để cải thiện khả năng chống mài mòn bề mặt mà không cần xử lý nhiệt số lượng lớn cho toàn bộ bộ phận.

Thép hợp kim (ví dụ: AISI 4140, 42CrMo4)

Việc bổ sung crom và molypden giúp cải thiện đáng kể độ cứng, độ bền mỏi và độ bền so với các loại carbon thông thường. 4140 được làm nguội và tôi luyện thường đạt độ bền kéo 850–1.000 MPa với khả năng chống va đập tốt. Nó được chỉ định cho các trục hoạt động dưới tải trọng xoắn và uốn kết hợp, nhiệt độ cao hoặc điều kiện ứng suất theo chu kỳ—các ứng dụng như trục tời cần cẩu, trục bơm hạng nặng và đường truyền động của thiết bị nông nghiệp. Sự đánh đổi là giảm khả năng gia công so với 1045 và yêu cầu xử lý nhiệt có kiểm soát để đạt được các đặc tính nhất quán.

Thép làm cứng vỏ (ví dụ: AISI 8620, 20CrMnTi)

Các loại hợp kim thấp này được thiết kế để xử lý cacbon hóa hoặc thấm cacbon, tạo ra vỏ ngoài cứng, chống mài mòn (thường là 58–62 HRC) trong khi vẫn giữ được lõi dẻo, dẻo. Chúng được sử dụng khi độ cứng bề mặt để chống mài mòn phải cùng tồn tại với khả năng chống va đập—trục cam, trục xoay trong bộ truyền động và trục bánh răng xoắn chịu tải nặng là những ví dụ điển hình. Độ sâu vỏ là một thông số kỹ thuật quan trọng, thường là 0,5–2,0 mm tùy thuộc vào yêu cầu về ứng suất tiếp xúc.

Thép không gỉ (ví dụ: AISI 303, 304, 440C)

Trục tròn không gỉ được chỉ định khi khả năng chống ăn mòn là yêu cầu chính. Lớp 303 cung cấp khả năng gia công tốt nhất trong số các lớp không gỉ austenit; 304 cung cấp khả năng chống ăn mòn tốt hơn với khả năng gia công giảm nhẹ; 440C là loại martensitic có thể được làm cứng đến khoảng 58 HRC cho các ứng dụng trục ổ trục trong môi trường ẩm ướt hoặc ăn mòn. Trục không gỉ là tiêu chuẩn trong chế biến thực phẩm, dược phẩm và thiết bị hàng hải. Lưu ý rằng các loại austenit (303, 304) không thể được làm cứng hoàn toàn —trong trường hợp yêu cầu cả khả năng chống ăn mòn và độ cứng bề mặt, phải đánh giá 440C hoặc trục bằng thép cacbon được phủ.

Dung sai kích thước và tiêu chuẩn hoàn thiện bề mặt

Thông số kỹ thuật về dung sai và độ hoàn thiện là điểm mà các sản phẩm trục thép tròn có sự khác biệt đáng kể nhất về giá cả và khả năng ứng dụng. Việc hiểu rõ các tiêu chuẩn hiện có sẽ ngăn chặn việc chỉ định quá mức—và trả quá nhiều tiền—cho độ chính xác mà ứng dụng không yêu cầu.

Cán nóng so với kéo nguội so với thanh mặt đất

Thanh tròn cán nóng là dạng có chi phí thấp nhất và có dung sai rộng nhất—điển hình là biến thiên đường kính từ ±0,5% đến ±1% và độ hoàn thiện bề mặt (Ra) thường là 6,3–12,5 µm. Nó thích hợp làm nguyên liệu thô để gia công thêm nhưng không phù hợp để sử dụng trực tiếp trong lỗ ổ trục hoặc dẫn hướng tuyến tính. Thanh kéo nguội cải thiện đáng kể dung sai kích thước (thường là h9 hoặc h11 theo ISO 286) và giảm độ nhám bề mặt xuống khoảng 1,6–3,2 µm Ra, giúp nó có thể chấp nhận được đối với nhiều ứng dụng trục đa năng mà không cần mài thêm. Trục được mài chính xác đạt được dung sai h6 hoặc chặt hơn và độ hoàn thiện bề mặt là 0,2–0,8 µm Ra , cần thiết cho các khớp gây nhiễu với vòng bi lăn, ống lót bi tuyến tính và thanh xi lanh thủy lực.

Cấp độ dung sai trục và hệ thống ISO Fit

Theo ISO 286, dung sai đường kính trục được biểu thị bằng một chữ cái (biểu thị độ lệch so với danh nghĩa) và một số (biểu thị cấp dung sai). Đối với trục thép tròn, ký hiệu thường gặp nhất là h6 dành cho khớp chính xác với vòng bi và bộ phận trượt, h8 dành cho khớp nối thông dụng và h11 cho các ứng dụng khe hở không khí. Độ lệch cơ bản của dòng h bằng 0 ở giới hạn trên, nghĩa là đường kính trục luôn ở mức hoặc dưới danh nghĩa—điều này đảm bảo khe hở phù hợp với dung sai lỗ ISO là H6, H7 và H8 mà không bị nhiễu. Việc chỉ định cấp dung sai ISO chính xác đặc biệt quan trọng khi đặt hàng trục được mài trước để lắp đặt trực tiếp mà không cần gia công thêm.

Độ thẳng và độ tròn

Chỉ riêng việc hoàn thiện bề mặt không đảm bảo hiệu suất của trục nếu hình dạng hình học kém. Dung sai độ thẳng cho trục chuyển động tuyến tính chính xác thường được xác định ở mức 0,05–0,2 mm trên mét; độ tròn (độ tròn) ở mức 0,005–0,02 mm đối với trục chất lượng vòng bi. Các giá trị này phải được duy trì trên toàn bộ chiều dài trục chứ không chỉ ở các điểm đo. Trục vượt quá 1,5 m đặc biệt dễ bị lệch độ thẳng do võng gây ra trong quá trình mài—các nhà cung cấp có uy tín kiểm tra độ thẳng sau khi xử lý và các giá trị chứng nhận chỉ có ý nghĩa khi truy nguyên được thanh được cung cấp.

Những cân nhắc về thiết kế đối với tải trọng trục và tuổi thọ mỏi

Các hư hỏng trục trong quá trình sử dụng chủ yếu là các hư hỏng do mỏi bắt đầu ở mức độ tập trung ứng suất - vai, rãnh then, lỗ chéo và các khuyết tật bề mặt - chứ không phải là các hư hỏng do quá tải tĩnh. Các quyết định thiết kế làm giảm hệ số tập trung ứng suất (Kt) tại các đặc điểm này có ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ mỏi một cách không tương xứng.

Khi chuyển tiếp đường kính, bán kính góc lượn là biến số chính. Việc tăng bán kính phi lê từ 1 mm lên 3 mm ở vai trục có thể giảm Kt từ khoảng 2,0 xuống 1,4 , gần như giảm một nửa biên độ ứng suất tại vị trí đó với cùng một mômen uốn tác dụng. Trong trường hợp vai sắc được yêu cầu về mặt chức năng cho vị trí ổ trục, rãnh giảm bớt hoặc rãnh cắt có thể phục vụ cùng mục đích hình học với mức độ tập trung ứng suất được kiểm soát.

Rãnh then làm giảm tiết diện hiệu dụng và tạo ra sự tập trung ứng suất ở các đầu rãnh then. Rãnh then được phay cuối tiêu chuẩn tạo ra giá trị Kt là 2,0–2,5 khi uốn; rãnh then dành cho người chạy xe trượt tuyết (xuyên qua) giảm con số này xuống còn khoảng 1,6. Khi các yêu cầu truyền mô-men xoắn cho phép, các kết nối vừa khít hoặc có khớp nối sẽ loại bỏ hoàn toàn sự tập trung ứng suất của rãnh then và được ưu tiên trong các ứng dụng mỏi chu kỳ cao.

Bề mặt hoàn thiện ở đường kính ngoài của trục cũng ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền mỏi. Giới hạn độ bền của mẫu phòng thí nghiệm được đánh bóng không đạt được trong quá trình sử dụng—bề mặt được gia công có Ra 1,6 µm mang hệ số bề mặt xấp xỉ 0,85 so với tham chiếu được đánh bóng; bề mặt đất ở Ra 0,4 µm tiến tới 0,95. Quá trình mài nhẵn sau lần gia công cuối cùng tạo ra ứng suất dư nén có thể tăng độ bền mỏi hiệu quả lên 20–30% trong các ứng dụng chịu ứng suất cao và là thông lệ tiêu chuẩn cho các trục máy móc hạng nặng và hàng không vũ trụ quan trọng.

Danh sách kiểm tra mua sắm: Chỉ định trục thép tròn

Thông số kỹ thuật trục hoàn chỉnh sẽ tránh được sự mơ hồ giữa người mua và nhà cung cấp, đồng thời ngăn chặn việc nhận vật liệu có tiêu chuẩn chung về mặt kỹ thuật nhưng không phù hợp với mục đích sử dụng. Các thông số sau phải được xác định rõ ràng trong bất kỳ đơn đặt hàng hoặc lệnh gọi bản vẽ nào.

• Cấp vật liệu và tiêu chuẩn: Chỉ định theo cả chỉ định chung (ví dụ: AISI 4140) và tiêu chuẩn quốc gia hoặc quốc tế hiện hành (ví dụ: ASTM A434, EN 10083-3). Chứng nhận kép có sẵn cho hầu hết các lớp phổ biến.
• Điều kiện xử lý nhiệt: Nêu rõ trục có được yêu cầu ở điều kiện cán, chuẩn hóa, ủ hay tôi và ram hay không và chỉ định phạm vi độ cứng mục tiêu (HRC hoặc HB) nếu được xử lý nhiệt.
• Dung sai đường kính và chiều dài: Nêu rõ ký hiệu dung sai ISO (ví dụ: h6, h8) hoặc dung sai hai bên tính bằng milimét. Đối với chiều dài, hãy chỉ định dung sai khi cắt theo chiều dài là ±1 mm, ±0,5 mm hoặc như đã xẻ.
• Bề mặt hoàn thiện: Chỉ định giá trị Ra tính bằng µm và phương pháp đo (máy đo cấu hình tiếp xúc theo tiêu chuẩn ISO 4288 là tiêu chuẩn). Nêu rõ việc hoàn thiện chỉ áp dụng cho toàn bộ chiều dài hay các vùng được chỉ định.
• Độ thẳng: Xác định cung tối đa tính bằng mm trên mét chiều dài, đặc biệt đối với trục trên 500 mm.
• Giấy chứng nhận nhà máy: Yêu cầu báo cáo thử nghiệm vật liệu (MTR) theo EN 10204 3.1 hoặc 3.2 xác nhận thành phần hóa học, tính chất cơ học và khả năng truy xuất nguồn gốc nhiệt lượng. Đối với các ứng dụng quan trọng về an toàn, cần chỉ định kiểm tra của bên thứ ba.

Đối với trục chính xác tiêu chuẩn sẵn có—chẳng hạn như trục được sử dụng trong các hệ thống chuyển động tuyến tính—nhiều nhà cung cấp dự trữ thanh mài và thanh đánh bóng có dung sai h6, độ hoàn thiện Ra 0,4–0,8 µm và độ thẳng trong khoảng 0,05 mm/m ở các đường kính thông thường từ 6 mm đến 80 mm. Những sản phẩm dự trữ này có tính kinh tế khi sản xuất nguyên mẫu và sản xuất số lượng ít; trục nối đất tùy chỉnh trở nên tiết kiệm chi phí ở khối lượng lớn hơn hoặc đường kính không chuẩn.