什么是无心圆棒？解释设计中使用的材料、公差和标准。

在这里，通常向公众出售的圆棒有　无心圆棒说明：

每当我自己设计轴等圆棒零件时，都会遇到材料选择的难题（是购买外购材料、研磨材料还是无心材料）。　　特别是，我不止一次地为需要精确公差的零件的材料选择而苦恼，不知道在图纸上指定哪种材料标准才能避免在后续加工中出现问题。

在这些产品中，"无心圆棒 "给人一种高精度的模糊印象，但人们对其真正的本质并不了解。

许多网站都介绍了无心圆棒的基本优点，但很少有信息深入探讨为何能达到这种精度的制造原理、与拉挤材料精度的具体数值比较，甚至设计人员面临的实际风险，如残余应力。可获得的信息并不多。

本文首先概述了无心圆棒的基本特征，以及产生高精度的制造方法。　然后，文章解释了具体的材料选择和标准，最后介绍了使用无心圆棒的成本优势以及经常被忽视的实际考虑因素，目的是帮助确保设计决策的准确性。

什么是无心圆棒？基础知识和精度解释。

加工方法称为无心磨削。

无心圆棒的出色精度是通过独特的加工方法 "无心磨削 "实现的。　它是通过以下方式产生的。　　这是一种在不固定工件中心的情况下磨削工件外径的技术，也称为 "无心磨削"。

这种工艺的原理是，工件由三点支撑：砂轮、调节轮和刀片。　　高速旋转的砂轮对工件进行切削，同方向低速旋转的调节轮在控制工件旋转速度的同时对工件进行进给，而刀片则从下方对工件进行支撑。这种三点支撑可确保工件稳定旋转，并在整个长度范围内实现均匀磨削。

无心磨削最重要的特点是 "造圆动作"。即使工件在加工开始时有一些变形，在旋转过程中也会优先从外径最大的部分削除。随着加工的进行，这一动作会自动纠正变形，最终加工出非常接近完美圆的形状。　的。

这种方法还具有简化加工过程的优点，因为它不需要在工件两端钻中心孔，还能有效利用材料的整个长度。　　特别是，工件的整个长度都有支撑，可以防止 "偏移 "并保持稳定的精度，即使加工长材料和直径较细的工件也不例外，这是与其他磨削方法相比的一大优势。

拉挤材料与拉挤成型材料的决定性区别是什么？

经常与无心圆棒比较的材料包括拉伸材料（拉丝棒材）但在制造方法和精度方面，它们之间存在着重大差异。　做。

拉伸材料是通过冷加工制造的，在冷加工过程中，材料被拉伸通过一个称为模具的模子。　通过这一工艺热轧黑皮材料　相比之下，尺寸精度更高，表面更光滑。一般来说，拉挤材料的尺寸公差通常由 JIS "h9 "等级控制。是

另一方面，无心圆棒也是如此、该术语指的是使用无心磨床进一步磨削外径的拉挤材料。　最大的区别在于，除了拉拔工艺外，还需要进行称为研磨的精加工工艺。　　与拉挤材料相比，这一附加工序大大提高了几何公差，如尺寸精度、表面光滑度（表面粗糙度）和圆度。

下表总结了常见圆棒表面处理类型之间的差异。

因此，简单的 "圆棒 "的精度会因表面处理的不同而有很大差异。　　设计人员需要确定哪种表面处理材料最适合零件所需的精度水平。

由 h7 控制的高尺寸公差

无心圆棒的技术价值最明显的体现就是其尺寸公差。市场上大多数无心圆棒都符合 JIS B 0401 标准。轴的尺寸公差等级 "h7管理人：　　如果需要更高的精度，有时会使用 "h6 "等等级。

这里，字母 "h "表示公差范围相对于参考尺寸为负值。　　具体来说，这是一种最大允许尺寸与参考尺寸（公称直径）相同，而最小尺寸较小的设置。　这种方法广泛用于轴和其他轴部件，因为与孔结合时更容易确保间隙。

后面的数字 "7 "和 "6 "代表 IT 等级，表示公差的宽度；数字越小，公差越小，精度越高。作为参考，"h9 "是上述拉拔材料的常用数字，这表明 "h7 "和 "h6 "的公差有多小。

具体尺寸公差见下表。

例如，在设计直径为 20 毫米的轴时，h9 拉伸材料的直径范围为 19.948 毫米至 20.000 毫米，而 h7 无心材料的直径范围较窄，为 19.979 毫米至 20.000 毫米。　　这种微米级精度是实现与轴承精确 "配合 "的关键。

滑动部件表面粗糙度极佳

无心圆棒的另一个重要特性是其出色的表面质量，即表面粗糙度小。　与车削和拉伸等其他加工方法相比，磨削加工的表面更加光滑和均匀。

在显微镜下观察，无心磨削获得的表面光亮，并有均匀的磨削痕迹。就是这样。　　这种光滑表面具有显著的功能优势。　　例如，在油封和 O 形圈接触的滑动表面上，粗糙的表面会加速密封磨损并导致漏油。无心圆棒的光滑表面延长了密封件的使用寿命，有助于长期保持较高的密封性能。

表面粗糙度还直接影响零件相互滑动区域的摩擦系数，例如精密导轴和衬套。　　表面越光滑，摩擦阻力就越小，运动就越平稳，能量损失就越小。特定的表面粗糙度值，如 Ra（算术平均粗糙度）可达到 0.4 µm，这是一般切削操作难以达到的水平。　因此，当滑动特性与部件的性能和寿命有关时，无心圆棒出色的表面粗糙度是一种极为有效的选择。

圆度高，支持高速旋转

除尺寸公差和表面粗糙度外，圆度是决定无心圆棒质量的另一个重要因素。　　圆度是衡量某一截面形状与几何精确圆的接近程度的指标，无心圆棒的特点是圆度极高。

如上所述，这种高圆度源于无心磨削本身的加工原理，即无心磨削的 "造圆作用"。　　由于工件在三点支撑下旋转，随着加工的进行，工件的变形会自然消除，从而接近完美的圆。　　因此在材料阶段就已保证高圆度　的。

高圆度对于高速旋转的部件尤为重要，例如电机轴和涡轮机轴。　　如果轴的圆度较低，即横截面呈轻微的椭圆形或多边形，则在旋转过程中重心会发生晃动，从而引起振动和噪音。　　这种振动会损坏轴承和其他外围部件，缩短整个设备的使用寿命。

无心圆杆的使用最大程度地减少了高速运转时的振动，确保了安静、稳定的运行。　　精确的直线运动直线导轨轴　例如，高圆度是保证运动平稳、无响声的关键。　　因此对于部件运动的精确性和安静性对性能至关重要的设计，使用无心圆棒是一种非常有效的解决方案。情况将会如此。

可按设计选择的无心圆棒的材料和标准。

通用钢 S45C 和高硬度 SUJ2

作为无心圆棒销售的两种主要碳钢基材料是 S45C 和 SUJ2。　　由于这两种材料的特性截然不同，因此在不同的应用中合理使用这两种材料非常重要。

S45C（机械结构用碳钢）

S45C 含碳量约为 0.451 TP3T，是最常用的机械结构用碳素钢。　　它在强度和韧性之间具有极佳的平衡，其硬度和抗拉强度可通过热处理（淬火和回火）得到改善。　　正因为这种多功能性，它的应用范围非常广泛，包括一般工业机械的轴、齿轮和螺栓。　　此外，无心圆棒的分布也非常广泛，这也是它的一大优势。　　在需要强度、成本和可用性都很重要的部件中，它是首选。

SUJ2（高碳铬轴承钢）

顾名思义，SUJ2 是一种为球轴承和其他轴承（轴承）开发的特殊钢材料。　　其主要特点是含碳量（约 1.01 TP3T）和含铬量高，热处理后硬度可达 HRC 60 或更高。　　正因为这种极高的硬度和出色的耐磨性，除了用于轴承滚珠和滚道外、直线轴和精密导杆　SUJ2 无心圆棒具有高滑动性能和尺寸稳定性，广泛用于要求高滑动性能和尺寸稳定性的零件。　　在需要精确定位和平滑线性运动的设备中，SUJ2 无心圆棒将其性能发挥得淋漓尽致。

典型不锈钢 SUS 304

不锈钢　其中，SUS 304 是最常见的无心圆棒。　　这是一种奥氏体不锈钢，也称为 "18-8 不锈钢"，具有许多优异的性能。

其最大的特点是具有出色的耐腐蚀性。　　其主要成分是铬和镍，可在表面形成一层坚固的被动膜，防止生锈。　　因此，它被广泛应用于与水和化学品接触的环境中，例如食品机械、化工厂和医疗设备。

SUS 304 还具有出色的可焊性和可加工性，因此比较容易加工成复杂的结构。　由于它在正常状态下无磁性，因此也可用作精密仪器和电子设备中不希望受磁性影响的部件。

就机械性能而言，它兼具中等强度和韧性，可用作一般的轴或销。　　与 S45C 等碳钢相比，SUS 304 无法通过热处理显著提高硬度，但在需要耐腐蚀的环境中，SUS 304 是最佳选择。　　在设计方面对于容易生锈的部件或需要清洁环境的设备部件，标准做法是首先考虑使用 SUS 304 无心圆棒。可以说

易切削钢 SUS 303 具有出色的机加工性能。

与 SUS 304 一样，SUS 303 也被广泛用作不锈钢无心圆棒。　　这种材料被归类为基于 SUS 304 的易切削不锈钢，机加工性能（易切削性）大大提高。

其中的奥秘在于特意在成分中添加了硫（S）和磷（P）。这些元素的作用是在切削过程中将切屑分解成更小的碎片，从而减轻刀具的负荷，提高加工速度，延长刀具寿命。　　这些特性使得 SUS 303 特别适合使用数控车床等自动化机器批量生产零件。

例如，对于几何形状复杂的轴、精密螺钉零件和小型连接器等切削工序较多的零件，选择 SUS 303 作为材料可以降低制造成本，提高生产率。

不过，它也并非全是优点。　　由于硫和其他为提高机械加工性能而添加的物质的影响，SUS 304 的耐腐蚀性和可焊性略逊于 SUS 304，这是一个缺点。　　因此，SUS 304 适用于需要极高耐腐蚀性的恶劣环境，或需要焊接接头的部件。　　设计者必须考虑到零件所需的加工复杂程度与操作环境的恶劣程度之间的平衡，并适当使用 SUS304 和 SUS303。

现成的固定尺寸清单

在设计中使用无心圆棒时，必须了解标准化和分布的 "固定长度尺寸"，以优化成本和交货时间。　　材料制造商和经销商将特定的直径和长度组合作为 "固定长度 "储存起来，这是获取材料最快捷、最便宜的方法。

相反，如果指定的半径或长度没有标准库存，则可能需要定制打磨或切割，这可能会大大增加成本并延长交货时间。　　因此，在设计过程的早期阶段，最好先了解有哪些尺寸是现成的。

以下是典型材料的常用直径和标准长度示例。

NB：粗体字的尺寸被认为供应量特别大是。　各经销商的供货情况各不相同，必须在实际设计时进行确认。

从表中可以看出，采购直径为 18.5 毫米的轴，例如，根据 18 毫米或 20 毫米的标准产品审查设计，比设计直径为 18.5 毫米的轴要容易得多。从这一角度出发，产品开发就会更加顺利。

无心圆棒的成本和实际考虑因素

轴接头的重要公差

无心圆棒 h7 的高尺寸公差在与轴承和衬套等配合件的 "配合 "中尤为重要。　　配合是指轴和孔的尺寸之间的关系，它们的组合决定了部件的功能。

装配（如螺母和螺栓）　主要有三类

配件类型

• 偷窥：. 轴与孔之间始终保持间隙的组合。适用于轴平稳旋转或滑动的场合。
• 攀登者：. 轴始终大于孔，并通过压配合固定的组合。例如，用于将齿轮或滑轮牢固固定在轴上。
• 中级黑人、亚裔和少数族裔：. 由于尺寸变化而产生轻微间隙或挤压的组合。用于拆卸和组装时的定位。

无心圆棒的 "h "公差（负公差）设计用于与轴承内圈和市售衬套（通常用 "H "公差（正公差）控制）组合时提供理想的 "间隙配合"。　适当的间隙可确保运动顺畅，同时保留一层润滑油膜，防止卡死。

如果使用公差松散的材料，间隙过大，轴就会发出响声，引起振动。　　反之，如果间隙过小，轴可能会因热膨胀或其他因素而卡住，从而导致严重故障。因此、在设计需要精确运动的部件时，为确保可靠性，选择公差为 h7 的无心圆棒是一个非常合理的决定。可以这样说。(不过，如果考虑到磨损问题，也应考虑镀硬铬或硬化）。这并不意味着必须始终选择无心材料）。

[补充资料] 注意表面划痕和残余应力。

虽然无心圆棒具有许多优点，但其精度意味着在设计和生产中需要注意许多要点。　　如果忽略了这些要点，不仅无法发挥这些优势，还可能导致意想不到的缺陷。

表面划痕风险

无心圆棒最注重的是对其精美表面的控制。　　无心圆棒在材料供应阶段就已达到最终产品的表面质量。　这一优势的另一面是，在后续工序中不再需要磨削，这意味着在验收后的所有工序中都必须非常小心，避免划伤。

例如，在车床上加工时卡盘（夹具）的夹爪造成的划痕，或在储存和运输过程中与其他部件接触造成的凹痕，都可能直接导致产品缺陷。　　特别是滑动部件和密封接触面上的划痕会直接导致功能故障。　　作为应对措施，在整个生产过程中必须注意 "保护成品表面"，例如在加工过程中包裹保护材料和使用软材料制成的夹钳（软夹钳）。

残余应力导致的变形

另一个需要注意的问题是材料内部存在的 "残余应力"。　　圆棒在轧制和拉拔等过程中，材料内部会产生应力。　　如果在这种状态下不对称地去除材料的一部分，如键槽加工、刨削或钻孔、应力会失去平衡并释放出来，导致原本笔直的钢筋变形（弯曲）。

在设计长轴时，应特别注意仅在一侧进行大型切削加工。　　在这种情况下，有必要选择事先经过去应力退火处理的材料，或考虑采用可预见加工变形的设计和工艺。*退火并不是无心材料的标准，有些圆棒在退火和抛光后作为无心圆棒出售，或者被策略性地使用。　如果这种残余应力对产品有影响，请向经销商咨询。

考虑到后端流程的总成本

与相同材料的拉拔或去皮材料相比，无心圆棒的单位材料成本价较高，这是因为需要额外的磨削工序。　　仅凭这一点，有些人可能就会将其视为增加成本的因素。　但是设计师不仅要根据材料的单位成本，还要根据成品的 "总成本 "来做出决定。

使用无心圆棒的最大成本优势在于可以省去单独的 "外径磨削工序"。　　如果当选择拉挤材料作为材料时，通常会在车床上对零件进行粗加工，然后在外圆磨床上进行精加工，以满足尺寸公差和表面粗糙度的要求。的确如此。　　磨削过程需要专门的机器、熟练的操作人员和加工时间，所有这些都会增加成本。

有了无心圆棒，就不再需要磨削工序，从而大大减少了相关的资本投资、劳动力成本和加工时间。　　特别是在每月生产数千或数万件的批量生产中、预计这一工序减少带来的成本效益将超过材料单位成本的增加，从而大大有助于降低总成本。

另一方面，在生产原型和一次性产品时，材料单价的高昂可能比磨削工艺的降低效果更能引起反响，从而导致某些情况下成本相对较高。　　因此，无心圆棒是否具有成本效益取决于生产量和生产的产品。　　合理选材的关键不仅在于眼前的材料成本，还在于对整个生产过程的综合成本评估。

如何选择最佳无心圆棒

根据上文所述的各种特点，现将在设计中选择最合适的无心圆棒的要点总结如下。

• 了解无心圆棒是一种外径高度精加工的半成品
• 认识到拉挤材料在尺寸精度、表面粗糙度和圆度方面的优越性
• 其高精度源于三点支撑的无心磨削加工原理。
• 质量的关键在于制圆动作，它能在加工过程中自动纠正变形。
• JIS h7 公差是与轴承等精密配合的必要条件。
• 适用于需要光滑表面的部位，如油封滑动部件。
• 典型的材料有通用的 S45C、耐腐蚀的 SUS304 和易切削钢 SUS303。
• 如果需要高耐磨性和高硬度，可选择 SUJ2 轴承钢。
• 考虑到成本和交货时间，从固定长度的标准尺寸中选择直径。
• 表面在材料供应时就已处理完毕，因此要格外小心，避免在后续工序中出现划痕。
• 不对称加工（如键槽加工）考虑到了残余应力导致的弯曲风险。
• 材料单位成本较高，但由于减少了后端工序，在总成本方面可能具有优势
• 图纸应清楚标明 "无心圆棒 "和 "外径公差 h7 "以及材料。
• 全面平衡所需功能、产量和成本
• 了解这些特性，为您的设计选择最合适的无心圆棒

上图