Til de fleste industrielle kraftoverførsel og lineære bevægelsesapplikationer, en 1045 medium kulstofstål skaft med induktionshærdet overfladehårdhed på 55 HRC og en h6 diameter tolerance leverer den optimale balance mellem styrke, slidstyrke og omkostninger. En 25 mm aksel fremstillet efter denne specifikation overfører et kontinuerligt drejningsmoment på 210 Nm , bevarer en ligehed af 0,05 mm pr meter , og kører typisk i kuglelejer i over 20.000 timer før diameterslidningen overstiger 0,01 mm.
Materialeevalg og mekaniske egenskaber
Grundmaterialet bestemmer skaftets styrke, bearbejdelighed og respons på varmebehandling. Tabellen nedenfeller sammenligner de tre mest specificerede rund stålaksel materialer i de leverede og varmebehandlede forhold.
| Material | Yield Strength (MPa) | Trækstyrke (MPa) | Typisk overfladehårdhed |
|---|---|---|---|
| AISI 1045 (quenched & tempered) | 530 | 630 | 55-60 HRC (induktionshærdet) |
| AISI 4140 (hærdet og hærdet) | 800 | 1000 | 58-62 HRC (nitreret) |
| AISI 304 rustfri | 205 | 520 | 85 HRB (kun arbejdshærder) |
1045 giver den bedste kombination af styrke og pris for standardmotor- og pumpeaksler. 4140 vælges, når der kræves højere kernestyrke eller nitrering ved kraftige stødbelastninger. 304 rustfrit er begrænset til fødevaregodkendte eller korrosive miljøer, hvor en ikke-magnetisk aksel med en flydespænding under 250 MPa er acceptabelt.
Diameter og rethedstolerancer
Tolerancegraden på akseldiameteren styrer direkte lejepasning og udløb. De mest almindelige tolerancegrader for roterende aksler og deres faktiske grænser for en nominel diameter på 20 mm er som følger.
- h6 : diameterområde 20.000 mm til 19.987 mm. Denne præcisionskvalitet sikrer en let prespasning med en P6-leje indvendig ring og opretholder en kørenøjagtighed på 0,005 mm TIR .
- h7 : diameterområde 20.000 mm til 19.979 mm. Anvendes, hvor en glidepasning med en lille radial frigang er acceptabel, som f.eks. på ruller med transportbånd.
- f7 : diameterområde 19.980 mm til 19.959 mm. Giver en garanteret frigang på 0,020 mm til 0,041 mm til applikationer, der kræver aksial glidning eller termisk ekspansionskompensation.
Ligehed er lige så kritisk. En standard rund stålaksel op til 1 meter lang leveres typisk med en rethed på 0,05 mm pr meter . Ved 2 meter fordobles den samlede tilladte runout til 0,10 mm . Et skaft med en rethedsfejl ud over 0,15 mm pr meter inducerer vibrationsniveauer, der reducerer L10-lejets levetid med en faktor på 40 % .
Varmebehandling og hærdet kassedybde
Varmebehandling bygger en hård, slidstærk overflade, samtidig med at den bevarer en sej kerne. Induktionshærdning er den dominerende proces for medium-carbon aksler.
Induktionshærdningsparametre
En 1045-aksel opvarmes af en højfrekvent spole og slukkes straks. Den opnåede sagsdybde er en funktion af frekvens og tid. En frekvens på 10 kHz og en scanningshastighed på 3 mm i sekundet frembringe et hærdet lag 1,5 til 2,0 mm dyb med en overfladehårdhed på 55 til 60 HRC . Kernen forbliver kl 25 til 30 HRC , hvilket giver høj duktilitet og modstand mod udmattelsesrevneudbredelse.
Gennemhærdning versus kassehærdning
Gennemhærdede 4140 aksler er hærdet og hærdet til en ensartet hårdhed på 28-32 HRC . Dette giver en flydespænding ovenfor 700 MPa i hele tværsnittet. Til ekstremt slid opkulles aksler, der er hærdet i lavkulstofstål (f.eks. 20MnCr5) til et kulstofindhold på overfladen på 0,8 % og hærdet til 60-62 HRC med en sagsdybde på 0,8-1,2 mm .
Overfladebehandling og korrosionsbeskyttelse
Akslens overfladefinish påvirker direkte tætningens levetid og friktion. En jordafslutning af Ra 0,4 til 0,8 µm er standard for lejesæder. Til roterende akseltætninger, en finish på Ra 0,2 til 0,4 µm med en lægning vinkelret på omdrejningsretningen forhindrer lækage. En enkelt dyk-slebet aksel, der mødte Ra 0,2 µm, forlængede tætningens levetid fra 3.000 timer til over 8.000 timer i en gearkassetest.
Korrosionsbeskyttelse tilføjes, når aksler udsættes for fugt eller kemikalier. De mest effektive muligheder er:
- Hård forkromning med en tykkelse på 20-50 µm og en hårdhed på 850-1000 HV. Den modstår 96 timers saltspray uden rød rust og er genslibbar.
- Elektrofri fornikling giver en uniform 10-25 µm belægning, der ikke ændrer udmattelsesstyrken. Den foretrækkes til komplekse skafter på grund af dens jævne aflejringsprofil.
- Sort oxid tilbyder minimal korrosionsbeskyttelse (mindre end 24 timer saltspraybestandighed), men giver en dekorativ finish og bevarer olien til korttidsopbevaring.
Belastningskapacitet og applikationsspecifikt design
Drejningsmomentkapaciteten af en rund stålaksel beregnes ud fra forskydningsflydespændingen. Til en 1045 aksel med en flydespænding på 530 MPa og en diameter på 30 mm er den fuldt reversible drejningsmomentkapacitet i henhold til teorien om maksimal forskydningsspænding 450 Nm . Når en kilegang tilføjes, falder drejningsmomentkapaciteten med ca 25 % på grund af spændingskoncentrationsfaktoren på 2,5 ved kilesporshjørnet.
For lineære bevægelsesaksler i kuglebøsningssystemer skal overfladehårdheden være mindst 58 HRC for at forhindre brinelling under kuglens kontaktspænding, som kan overstige 2.500 MPa . En induktionshærdet 1045 aksel med en minimumskassedybde på 1,5 mm opfylder dette krav, hvorimod en uhærdet aksel vil have en slidspor indeni 1.000 km rejse .
Installation passer til og lejesamling
Den korrekte aksel-til-leje-pasning forhindrer slitagekorrosion og opretholder den indvendige lejespalte. De anbefalede pasformer til standardapplikationer er som følger.
- Til roterende aksel med stationært hus: akseltolerance j6 til lette belastninger, k6 til normale belastninger, og m6 til tunge stødbelastninger. En m6 pasform på en 25 mm aksel giver en interferens på 0,008 mm til 0,025 mm .
- For en stationær aksel med roterende hus: akseltolerance g6 or h6 bruges til at tillade aksial justering, mens radial placering bevares.
- Opvarm altid lejets inderring til 80-100 grader C ved hjælp af en induktionsvarmer, før den skubbes på skaftet. Koldpresning uden opvarmning kan skære akseltappen og reducere interferensgrebet med 15 % .
