軸(Shaft)設計的3個陷阱 - 台階、鍵槽、應力集中

軸是機械的脊椎。但在 CAD 裡快速做出直徑階段跟鍵槽後，往往造成最糟的應力集中。旋轉機械大部分的疲勞破壞都發生在階段部跟鍵槽。CNS 4-1 對軸跟孔的公差有規定，精密軸製造業的內部準則普遍以此為基礎。

1. 直徑階段的應力集中

• 直徑比（D/d）：大徑跟小徑的比。比值越大應力集中越嚴重。目標：D/d ≤ 1.5。
• 圓角半徑（r）：階段處務必加圓角。建議：r/d ≥ 0.1。d=30 mm 時至少 R3。
• 避免研磨退刀槽：研磨退刀槽會造成極端的應力集中。不得已時用弧形退刀槽（R ≥ 1 mm）。

2. 鍵槽的應力集中

• 鍵槽會削弱截面積，應力集中係數（Kt）升到 1.6-3.0。
• 位置：鍵槽盡量遠離軸承支撐處跟階段部，最小距離一個軸徑。
• 端部形狀：鍵槽末端不可避免會有端銑刀圓角。較大的端部圓角（≥ 0.5 × 鍵槽寬）能降低應力集中。CNS B 1006 規範鍵槽尺寸。
• 替代方案：重負荷/反覆負荷的場合考慮用花鍵或鋸齒形配合取代鍵槽。工具機主軸常用 SAE J498 花鍵。

3. 軸承擋肩設計

• 最佳擋肩高度：軸承內徑的 3-5%。
• 太高：軸承拆卸困難、圓角半徑變小、應力集中增加。
• 太低：軸向力時擋肩會被壓潰。
• 關鍵原則：擋肩高度 h = 軸承倒角（r₁）+ 1 mm 以上。軸的圓角半徑必須小於軸承內徑倒角。各軸承型錄附有詳細對應表。

4. 材料選擇

• 一般動力傳動軸：S45C（熱處理 HRC 28-32）——市場流通量大，易於採購
• 高精密/高強度：SCM435, SCM440（可滲碳/氮化）——工具機主軸的標準材
• 耐蝕需求：SUS420J2（麻田散鐵系）、SUS316（非磁性）——半導體設備、食品機械常用