車(chē)床主軸箱齒輪的選材與熱處理

1、 J I A N G S U U N I V E R S I T Y 題目：表面工程課程設(shè)計(jì)所屬學(xué)院： 材料科學(xué)與工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 金屬1002 姓 名： 陳浩 學(xué) 號(hào)： 3100702039 指導(dǎo)教師姓名： 邵紅紅、紀(jì)嘉明 2013年1月車(chē)床主軸箱齒輪的選材與熱處理1. 車(chē)床主軸箱齒輪圖如下2.車(chē)床主軸箱齒輪的服役條件車(chē)床主軸箱是一變速裝置，通常將主動(dòng)軸的一種轉(zhuǎn)換為從動(dòng)軸的一種或多種轉(zhuǎn)速，而這種轉(zhuǎn)速的改變主要是通過(guò)一系列相互嚙合的不同齒數(shù)的齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此主動(dòng)齒輪會(huì)對(duì)與其嚙合的從動(dòng)輪輪齒施加推動(dòng)力，從而帶動(dòng)從動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)。所以齒輪會(huì)受到外力的影響，從而導(dǎo)致齒輪自身會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力。雖然齒

2、輪所承受的應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的屈服點(diǎn)，但長(zhǎng)時(shí)間工作也有可能導(dǎo)致齒輪產(chǎn)生裂紋而斷裂。齒輪在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，接觸面的齒面會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，從而磨損齒面而導(dǎo)致輪齒的斷裂。齒輪在傳動(dòng)過(guò)程中，會(huì)由于換擋、啟動(dòng)或嚙合不良而使齒輪受到?jīng)_擊載荷的作用，從而使齒輪變形甚至斷裂。以上均是齒輪的工作環(huán)境，為了能使齒輪在上述環(huán)境下能正常工作，就得要求齒輪的自身?xiàng)l件能符合上述條件。2.1受力分析及失效形式 齒輪在工作過(guò)程中， 由于輪齒受到外力的作用，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力。該應(yīng)力是由零逐漸增加到最大值，又由最大值逐漸減小到零，即應(yīng)力隨時(shí)間作周期性的變化，這種應(yīng)力稱(chēng)為交變應(yīng)力（也稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力）。在交變應(yīng)力作用下，雖然齒輪所承受的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低

3、于材料的屈服點(diǎn)（材料發(fā)生永久變形即塑性變形時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力），但經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間工作后有可能會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋導(dǎo)致斷裂，這種現(xiàn)象稱(chēng)為疲勞，疲勞是導(dǎo)致齒輪失效甚至造成重大事故的主要原因。齒輪傳動(dòng)過(guò)程中， 接觸的兩齒面會(huì)產(chǎn)生一定的相互滑動(dòng)，發(fā)生滑動(dòng)摩擦，導(dǎo)致齒面發(fā)生磨損。磨損嚴(yán)重時(shí)，會(huì)加大齒側(cè)間隙而引起傳動(dòng)不平穩(wěn)和沖擊，甚至?xí)螨X厚被過(guò)度磨損，在受載時(shí)發(fā)生輪齒折斷現(xiàn)象。齒輪在傳動(dòng)過(guò)程中，由于換檔、起動(dòng)或嚙合不良，輪齒可能會(huì)受到?jīng)_擊載荷的作用， 當(dāng)沖擊載荷較大時(shí)，有可能導(dǎo)致齒輪變形甚至斷裂。3.車(chē)床主軸箱齒輪材料的性能力學(xué)性能要求；為了滿(mǎn)足齒輪的工作的條件，防止出現(xiàn)疲勞、磨損以及斷裂等情況的出現(xiàn)，需要求齒輪必須

4、有較高的硬度及好的耐磨性，齒面有較高的疲勞強(qiáng)度，齒輪心部要有足夠的強(qiáng)度和韌度，通常情況下要求齒輪心部的硬度達(dá)170-217HB齒面硬度達(dá)45-50HRC。根據(jù)齒輪的受力情況和失效分析可知,齒輪一般都需經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚?以提高承載能力和延長(zhǎng)使用壽命，齒輪在熱處理后應(yīng)滿(mǎn)足下列性能要求: 1）高的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度(抗疲勞點(diǎn)蝕)。 2）齒面具有較高的硬度和耐磨性。3）齒輪心部具有足夠的強(qiáng)度和韌性。4.車(chē)床主軸箱齒輪材料的選擇4.1選材原則 1） 材料的使用性能應(yīng)滿(mǎn)足零件的使用要求。使用性能是指零件在正常使用狀態(tài)下， 材料應(yīng)具備的性能，包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。使用性能是保證零件工作安

5、全可靠、經(jīng)久耐用的必要條件。不同機(jī)械零件要求材料的使用性能是不一樣的。選材時(shí)，首先要根據(jù)零件的工作條件和失效形式，正確地判斷所要求的主要性能，然后根據(jù)主要的使用性能指標(biāo)來(lái)選擇較為合理的材料；有時(shí)還需要進(jìn)行一定的模擬試驗(yàn)來(lái)最后確定零件的材料。對(duì)于一般的機(jī)械零件，則主要以其力學(xué)性能作為選材依據(jù)。在對(duì)零件的工作條件、失效形式進(jìn)行全面分析，并根據(jù)零件的幾何形狀和尺寸、工作中所受的載荷及使用壽命，通過(guò)力學(xué)計(jì)算確定出零件應(yīng)具有的主要力學(xué)性能指標(biāo)及其數(shù)值后，即可利用手冊(cè)選材。 2） 材料的工藝性應(yīng)滿(mǎn)足加工要求。材料的工藝性是指材料適應(yīng)某種加工的能力。在選材中，與使用性能相比，材料的工藝性能常處于次要地位。但

6、在某些特殊情況下，工藝性能也會(huì)成為選材的主要依據(jù)。金屬材料如果用鑄造成形，最好選擇共晶成分或接近共晶成分的合金；如果用鍛造成形，最好選用組織呈固溶體的合金；如果是焊接成形，最適宜的材料是低碳鋼或低碳合金鋼；為了便于切削加工，一般希望鋼鐵材料的硬度控制在170230 HB（這可通過(guò)熱處理來(lái)調(diào)整其組織和性能）。 3） 選材時(shí)應(yīng)充分考慮經(jīng)濟(jì)性。選材時(shí)應(yīng)注意降低零件的總成本。零件的總成本包括材料本身的價(jià)格、加工費(fèi)、管理費(fèi)及其它附加費(fèi)用（如零件的維修費(fèi)等）。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，在一般的工業(yè)部門(mén)中，材料的價(jià)格要占產(chǎn)品價(jià)格的30%70%。因此，在保證使用性能的前提下，應(yīng)盡可能選用價(jià)廉、貨源充足、加工方便、總成本低的

7、材料，以取得最大的經(jīng)濟(jì)效益，提高產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。4.2 齒輪的選材 根據(jù)對(duì)齒輪力學(xué)性能的要求，應(yīng)從具有好的綜合力學(xué)性能指標(biāo)這個(gè)要素選擇材料 工業(yè)生產(chǎn)中常用的金屬材料主要是鋼、鑄鐵及合金。鑄鐵的含碳量比較高（C2.11%），因此有高的硬度和好的耐磨性，但塑性、韌性差，價(jià)格相對(duì)便宜，對(duì)于一些低速、低沖擊載荷條件下工作的齒輪，可選用鑄鐵。鋼按含碳量分為低碳鋼C0.25% ； 中碳鋼0.25%C0.60%；高碳鋼0.60%C2.11%。低碳鋼含碳量低，所以塑性、韌性好，但強(qiáng)度、硬度低，易變形，不能滿(mǎn)足齒輪的性能要求。高碳鋼含碳量高，因此有較高的強(qiáng)度、硬度和好的耐磨性。但塑性、韌性差，易斷裂，也不

8、太適合。中碳鋼的含碳量在低碳鋼和高碳鋼之間，兼具有低碳鋼和高碳鋼的性能，有較好的綜合力學(xué)性能，能滿(mǎn)足齒輪的性能要求，因此選用中碳鋼比較合適，價(jià)格相對(duì)于合金鋼便宜。生產(chǎn)中通常選用45#鋼。此外，在生產(chǎn)中也常常選用40Cr 合金鋼制造齒輪，但合金鋼相對(duì)碳鋼而言?xún)r(jià)格要貴。5.車(chē)床主軸箱齒輪毛坯的選擇毛坯的選擇一定要滿(mǎn)足以下原則： （1）滿(mǎn)足齒輪的使用要求，防止出現(xiàn)選用的毛坯的性能不符合齒輪的工作要求。 （2）降低生產(chǎn)成本，它包括本身的材料費(fèi)用、損耗的燃料和動(dòng)力費(fèi)用、工資、設(shè)備的折舊費(fèi)等 （3）要結(jié)合具體的生產(chǎn)條件，也就是本企業(yè)的設(shè)備條件和技術(shù)水平。生產(chǎn)中齒輪的毛坯類(lèi)型通常是模鍛件，這種模鍛件的尺寸和

9、精度都比較高，機(jī)械加工的余地較小，節(jié)省加工工時(shí)并且材料的利用率也較高，更重要的是這種材料的晶粒細(xì)小、組織致密，綜合性能最符合齒輪的工作要求。6.車(chē)床主軸箱齒輪的加工工藝過(guò)程分析6.1.基準(zhǔn)的選擇為了減少定位誤差，提高齒輪加工精度，在加工時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：（1）應(yīng)選擇基準(zhǔn)重合、統(tǒng)一的定位方式；（2）內(nèi)孔定位時(shí)，配合間隙應(yīng)盡可能減少；（3）定位端面與定位孔或外圓應(yīng)在一次裝夾中加工出來(lái)，以保證垂直度要求。6.2齒輪毛坯的加工齒面加工前的齒輪毛坯加工，在整個(gè)齒輪加工過(guò)程中占有很重要的地位。因?yàn)辇X面加工和檢測(cè)所用的基準(zhǔn)必須在此階段加工出來(lái)，同時(shí)齒坯加工所占工時(shí)的比例較大，無(wú)論從提高生產(chǎn)率，還是從保證齒輪

10、的加工質(zhì)量，都必須重視齒輪毛坯的加工。在齒輪圖樣的技術(shù)部要求中，如果規(guī)定以分度圓選齒厚的減薄量來(lái)測(cè)定齒側(cè)間隙時(shí)，應(yīng)注意齒頂圓的精度要求，因?yàn)辇X厚的檢測(cè)是以齒頂圓為測(cè)量基準(zhǔn)的。齒頂圓精度太低，必然使測(cè)量出的齒厚無(wú)法正確反映出齒側(cè)間隙的大小，所以在加工過(guò)程中應(yīng)注意以下問(wèn)題： 1）當(dāng)以齒頂圓作為測(cè)量基準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制齒頂圓的尺寸精度；2）保證定位端面和定位孔或外圓間的垂直度；3）提高齒輪內(nèi)孔的制造精度，減少與夾具心軸的配合間隙；6.3齒形及齒端加工齒形加工是齒輪加工的關(guān)鍵，其方案的選擇取決于多方面的因素，如設(shè)備條件、齒輪精度等級(jí)、表面粗糙度、硬度等。齒輪的齒端加工有倒圓、倒尖、倒棱和去毛刺等方式如下

11、圖：經(jīng)倒圓、倒尖后的齒輪在換檔時(shí)容易進(jìn)入嚙合狀態(tài)，減少撞擊現(xiàn)象。倒棱可除去齒端尖角和毛刺。用銑刀對(duì)齒端進(jìn)行倒圓時(shí)，銑刀高速旋轉(zhuǎn)，沿圓弧做擺動(dòng)，加工完一個(gè)齒后，工件退離銑刀，經(jīng)分度再快速向銑刀靠近加工下一個(gè)齒的齒端。7.車(chē)床主軸箱齒輪加工的熱處理工藝齒輪的加工工藝路線：下料 鍛造 正火 機(jī)加工 表面淬火+回火 精磨8.各工序的作用分析8.1鍛造 齒輪通常是鍛造成形。通過(guò)鍛造能消除齒輪在冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的鑄態(tài)疏松等缺陷，齒輪經(jīng)過(guò)鍛造加工后能改善其組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。鑄造組織經(jīng)過(guò)鍛造方法熱加工變形后由于金屬的變形和再結(jié)晶，使原來(lái)的粗大枝晶和柱狀晶粒變?yōu)榫Я］^細(xì)、大小均勻的等軸再結(jié)晶組織，使鋼錠內(nèi)原有的

12、偏析、疏松、氣孔、夾渣等壓實(shí)和焊合，其組織變得更加緊密，提高了金屬的塑性和力學(xué)性能。8.2正火 將齒輪放入爐中加熱到840880oC，保溫約3h，出爐在空氣中分散冷卻。目的是充分消除鍛造引起的內(nèi)應(yīng)力，細(xì)化晶粒，適當(dāng)提高齒輪的硬度，防止“粘刀”，改善齒輪性能，為以后的機(jī)加工做性能準(zhǔn)備，同時(shí)為后序的熱處理做準(zhǔn)備工作。選擇正火可以細(xì)化晶粒，提高鋼的硬度，改善低碳鋼的切削加工性能。正火與退火的不同點(diǎn)是正火冷卻速度比退火冷卻速度稍快，因而正火組織要比退火組織更細(xì)一些，其機(jī)械性能也有所提高。另外，正火爐外冷卻不占用設(shè)備，生產(chǎn)率較高，因此生產(chǎn)中盡可能采用正火來(lái)代替退火。由于正火后工件比退火狀態(tài)具有更好的綜合

13、力學(xué)性能，對(duì)于一些受力不大、性能要求不高的普通結(jié)構(gòu)零件可將正火作為最終熱處理，以減少工序、節(jié)約能源、提高生產(chǎn)效率。8.3機(jī)加工 主要是車(chē)外圓和滾齒。車(chē)外圓是指用車(chē)削方法加工工件的外圓表面，滾齒是指用齒輪滾刀或蝸輪滾刀按展成法加工齒輪或蝸輪等的齒面。在制訂機(jī)加工工藝規(guī)程的過(guò)程中，往往要對(duì)前面已初步確定的內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，以提高經(jīng)濟(jì)效益。在執(zhí)行工藝規(guī)程過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)前所未料的情況，如生產(chǎn)條件的變化，新技術(shù)、新工藝的引進(jìn)，新材料、先進(jìn)設(shè)備的應(yīng)用等，都要求及時(shí)對(duì)工藝規(guī)程進(jìn)行修訂和完善。8.4表面淬火+回火 表面淬火：通常利用感應(yīng)加熱淬火裝置，只對(duì)輪齒部位進(jìn)行局部感應(yīng)加熱表面淬火。其做法是將齒輪置于感應(yīng)

14、器內(nèi)，通入交流電，齒輪溫度達(dá)到860900后，隨后用水快速冷卻，淬火后表面不得有裂紋，淬火可以提高輪齒表面硬度和耐磨性，淬火后表面硬度可達(dá)到4853HRC，淬硬層可達(dá)34mm。表面淬火的目的在于獲得高硬度，高耐磨性的表面，而心部仍然保持原有的良好韌性。表面淬火采用的快速加熱方法有多種，如電感應(yīng)，火焰，電接觸，激光等，目前應(yīng)用最廣的是電感應(yīng)加熱法。 回火：將齒輪放入回火爐中加熱到200240oC，保溫約1h，出爐空氣中冷卻?；鼗鹨话憔o接著淬火進(jìn)行，其目的是消除在淬火時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，防止齒輪在工作中變形和開(kāi)裂；調(diào)整工件的硬度、強(qiáng)度、塑性和韌性，達(dá)到使用性能要求；獲得穩(wěn)定的組織，保證尺寸的穩(wěn)定性；改

15、善和提高加工性能；提高齒輪的韌性，調(diào)整齒輪的強(qiáng)度和硬度，獲得較好的綜合力學(xué)性能。8.5精磨主要是磨齒、推孔等處理：回火過(guò)程中輪齒、孔徑會(huì)發(fā)生微變形，因此要進(jìn)行精磨處理，保證齒輪尺 寸的精確，以滿(mǎn)足精度要求。經(jīng)過(guò)這樣的熱處理以后，齒輪的輪齒表面可以獲得高的硬度和耐磨性，而心部仍有較好的塑性和韌性，從而滿(mǎn)足齒輪的工作性能要求。9. 潤(rùn)滑油種類(lèi)的推薦和選擇滑油又直接影響減速器的運(yùn)行，因此，必須根據(jù)實(shí)際條件反復(fù)試驗(yàn)提出潤(rùn)滑油的技術(shù)要求，即適當(dāng)?shù)恼扯?，良好的抗磨性，一定的油膜?qiáng)度和穩(wěn)定性、無(wú)腐蝕作用等。根據(jù)齒輪的種類(lèi)和負(fù)荷條件來(lái)選擇9.1潤(rùn)滑油種類(lèi)的推薦和選擇 齒輪種類(lèi) 負(fù)荷 推薦使用的潤(rùn)滑油 直斜齒輪和錐齒輪 低負(fù)荷一般機(jī)械油，對(duì)于重要的傳動(dòng)可添加防銹劑的抗氧化劑 中等負(fù)荷汽缸油，齒輪油，中負(fù)荷工業(yè)齒輪油 高負(fù)荷重負(fù)荷齒輪油，重負(fù)荷蝸輪蝸桿油 蝸輪傳動(dòng) 復(fù)合型潤(rùn)滑油（即在礦物油中填加310的脂肪油），對(duì)通常的傳動(dòng)可用汽缸油、蝸桿油 雙曲線錐齒輪 高極壓型的雙曲線齒輪油9. 車(chē)間平面圖10.結(jié)束語(yǔ)對(duì)一些受力復(fù)雜、大型的重要齒輪而言，在正火之后還需進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理， 以滿(mǎn)足性能要求。所謂調(diào)質(zhì)處理即淬火+高溫回火。淬火