高速高载荷机床齿轮的热处理工艺设计.docx
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高速高载荷机床齿轮的热处理工艺设计.docx
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高速高载荷机床齿轮的热处理工艺设计
攀枝花学院
学生课程设计(论文)
题目:
高速高载荷机床齿轮的热处理工艺设计
学生姓名:
学号:
所在院(系):
材料工程学院
专业:
级材料成型及控制工程
班级:
材料成型及控制工程
指导教师:
职称:
讲师
2013年12月16日
攀枝花学院教务处制
攀枝花学院本科学生课程设计任务书
题 目
高速高载荷机床齿轮的热处理工艺设计
1、课程设计的目的
使学生了解、设计高速高载荷机床齿轮的热处理工艺,融会贯通相关专业课程理论知识,培养学生综合运用所学知识、分析问题和解决问题的能力。
2、课程设计的内容和要求(包括原始数据、技术要求、工作要求等)
内容:
(1)明确设计任务(主要包括选择材料)
(2)绘出热处理件零件图
(3)给出设计方案
(4)写出设计说明
(5)设计质量检验项目
(6)设计热处理工艺卡片
(7)高速高载荷机床齿轮的热处理缺陷及预防或补救措施
要求:
(1)要求齿表面有一定的硬度(52--58HRC)和轮齿的心部硬度(25—28HRC)及韧性(aK=40~60J/cm2),整体强度σb=760~800MPa。
变形要求:
齿部公法线摆动量小于0.055毫米;齿宽变形不超过0.05毫米;齿向变形不超过0.017毫米。
(2)通过查找资料充实、完善各项给定的设计内容。
(3)分析热处理过程中可能出现的缺陷,针对这些缺陷提出预防措施或补救措施。
(4)提交设计说明书(报告),2千字以上。
报告格式请参照“毕业论文(设计)”格式。
3、主要参考文献
[1]夏立芳主编.金属热处理工艺学.哈尔滨:
哈尔滨工业大学出版社,2005
[2]中国机械工程学会热处理分会.热处理工程师手册[M].机械工业出版社.2003.第一版.
[3]张玉庭主编.热处理技师手册[M].机械工业出版社.2006.第一版
[4]中国机械工程学会热处理学会.热处理手册[M].机械工业出版社.2003.第三版.
4、课程设计工作进度计划
第十六周:
对给定的题目进行认真分析,查阅相关文献资料,做好原始记录。
第十七周:
撰写课程设计说明书,并进行修改、完善,提交设计说明书。
指导教师(签字)
日期
年月日
教研室意见:
年月日
学生(签字):
接受任务时间:
年月日
注:
任务书由指导教师填写。
课程设计(论文)指导教师成绩评定表
题目名称
评分项目
分值
得分
评价内涵
工作
表现
20%
01
学习态度
6
遵守各项纪律,工作刻苦努力,具有良好的科学工作态度。
02
科学实践、调研
7
通过实验、试验、查阅文献、深入生产实践等渠道获取与课程设计有关的材料。
03
课题工作量
7
按期圆满完成规定的任务,工作量饱满。
能力
水平
35%
04
综合运用知识的能力
10
能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题,能正确处理实验数据,能对课题进行理论分析,得出有价值的结论。
05
应用文献的能力
5
能独立查阅相关文献和从事其他调研;能提出并较好地论述课题的实施方案;有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。
06
设计(实验)能力,方案的设计能力
5
能正确设计实验方案,独立进行装置安装、调试、操作等实验工作,数据正确、可靠;研究思路清晰、完整。
07
计算及计算机应用能力
5
具有较强的数据运算与处理能力;能运用计算机进行资料搜集、加工、处理和辅助设计等。
08
对计算或实验结果的分析能力(综合分析能力、技术经济分析能力)
10
具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能力。
成果
质量
45%
09
插图(或图纸)质量、篇幅、设计(论文)规范化程度
5
符合本专业相关规范或规定要求;规范化符合本文件第五条要求。
10
设计说明书(论文)质量
30
综述简练完整,有见解;立论正确,论述充分,结论严谨合理;实验正确,分析处理科学。
11
创新
10
对前人工作有改进或突破,或有独特见解。
成绩
指导教师评语
指导教师签名:
年 月 日
摘要
本文主要讲齿轮的热加工工艺过程。
齿轮是机械设备中的关键零件,齿轮质量的优劣直接关系到整个设备的使用寿命。
本文设计的是在高速高载情况下的齿轮的加工工艺,质量的要求更为严格。
而齿轮质量的好坏很大的程度下取决与齿轮的材料和它的热处理工艺。
而高速高载运转下的齿轮,材料的选择尤为重要。
本文选择20CrMnTi钢作为高速高载的设计材料,对于其的热处理工艺便是本次设计任务中的重中之重。
关键词:
齿轮,高速高载,热处理,工艺,20CrMnTi钢
目录
摘要Ⅰ
1、设计任务1
1.1设计任务1
1.2设计的技术要求1
2、热处理零件图及技术要求2
2.1齿轮零件图2
2.2技术要求2
3、设计方案3
3.1设计的分析3
3.1.1齿轮设计分析4
3.1.2失效分析4
3.1.3性能要求4
3.2钢种材料4
4、设计说明5
4.1加工工艺流程5
4.2具体热处理5
4.3热加工及热处理工艺规范6
4.4物理性能7
5、齿轮质量检验8
6、分析及讨论8
6.1常见渗碳缺陷及预防措施9
6.2常见淬火缺陷及预防措施10
6.3常见回火缺陷及预防措施11
7、结束语11
8、热处理工艺卡片12
参考文献13
1设计任务
1.1设计任务
高速高载荷机床齿轮的热处理工艺设计
1.2设计的技术要求
20CrMnTi钢是我国目前产最大的几个合金结构钢之一,用途非常广泛。
供货状态及硬度:
退火态,硬度≤179HBS
化学成分
质量分数(%):
C0.18-0.24、Si0.17-0.37、Mn0.5-0.8、Cr1.70-1.00\P≤0.03、S≤0.03
20CrMnTi钢硬度较高,韧性比15CrA差,该钢具有比较好的淬透性、中等的强度和韧性。
油淬到半马氏体硬度的淬透性为Φ20-Φ23mm。
该钢经渗碳淬火表面强化处理后,在模具表面会获得细针状回火马氏体,硬度为58-62HRC;心部获得低碳马氏体组织,硬度35-40HRC,基体强韧性高,可满足冷作模具高硬度、高强度、高韧性和适当的耐腐蚀性的使用性能要求。
正火可促进组织球化,细化大块状先共析铁素体,改进毛胚的切削性能。
加工
该钢淬火、低温回火后具有良好的综合力学性能,低温冲击韧性良好,回火脆性不明显。
渗碳时钢的晶粒有长大趋势,所以要求二次淬火,以提高心部韧性,不宜降温淬火。
当正火后硬度为170-217HB时,相对切屑加工性约为65%,焊接性中等,焊前应预热到100-150℃,冷变形时塑性中等。
为了提高模具型腔的耐磨性,模具成型后需要进行渗碳处理,然后再进行淬火和低温回火,从而保证模具表面具有很高硬度、高耐磨性而心部具有很好的韧性。
2热处理零件图及技术要求
2.1齿轮零件图
图1
2.2技术要求
20CrMnTi钢制成的高速高载技术要求如下:
齿表硬度:
52--58HRC
轮齿的心部硬度:
25—28HRC
韧性:
aK=40~60J/cm2
整体强度:
σb=760~800MPa
变形要求:
齿部公法线摆动量小于0.055毫米;齿宽变形不超过0.05毫米;齿向变形不超过0.017毫米。
3设计方案
3.1设计的分析
3.1.1工作条件
由于是制造高速高载机床齿轮,因此其工作环境较为恶劣,其次为齿轮啮合,并且周围环境中充满这润滑液体。
虽然Cr钢的强度和硬度很高,但是工作的环境大大限制了齿轮的使用寿命,因此在使用中需注意不要超过最大荷载,以免损伤齿轮。
3.1.2失效形式
根据其服役条件,常见的失效形式为以下四点:
疲劳断裂
齿轮在交变应力和摩擦力的长期作用下,导致齿轮点面接疲劳断裂。
其产生是由于当齿轮受到弯曲应力超过其持久极限就出现疲劳破坏而超过材料抗弯强度时,就造成断裂失效;
表面损伤
a.点蚀是闭式齿轮传动中最常见的损坏形式,点蚀进一步发展,表现为蚀坑至断裂。
b.硬化层剥落由于硬化层以下的过渡区金属在高接触应力作用下产生塑性变形,使表面压应力降低,形成裂纹造成碳化层剥落。
磨损失效
汽车、拖拉机上的主载荷齿轮,受力比较大,摩擦产生热量较大,齿面因软化而造成塑性变形,在齿轮运转时粘结而后又被撕裂,造成齿面摩擦磨损失效
磨粒磨损
外来质点进入相互啮合的齿面间,使齿面产生机械擦伤和磨损,比正常磨损的速度来得更快。
3.1.3性能要求
齿轮的表面有高的硬度和耐磨性,高接触疲劳强度,有较高的齿根抗弯强度,高的心部抗冲击能力。
3.2钢种材料
高速、高载、承受较大冲击载荷的齿轮,一般采用低碳合金渗碳钢或碳氮共渗钢,工作时表面承受很大的接触疲劳应力和摩擦力的作用,高速转动承受一定的冲击力或过载。
选用20CrMnTi钢,由于钢中含有Cr能够提高淬透性,Cr还是碳化物形成元素,提高回火稳定性;Mn能增加钢的强度和硬度,还有脱硫的功效,也能提高钢的淬透性;Ti是强碳化物形成元素,在钢中生成MC型碳化物,对提高钢的耐磨性和细化晶粒有一定的好处。
20CrMnTi钢采用渗碳+淬火+低温回火,齿轮表面可以获得55~63HRC的高硬度,因淬透性较高,齿心部具有较高的强度和韧性。
因而选用20CrMnTi钢。
20CrMnTi的含碳量为0.20%属于低碳钢,渗碳时保证了碳元素的正常渗入。
淬火热处理后心部获得低碳马氏体,以保证心部具有足够的塑性和韧性,抵抗冲击载荷。
钢中合金元素为Cr<1.5%、Mn<1.5%、Ti<1.5%。
Cr、Mn合金元素能提高钢铁索体的强度,同时提高钢的淬透性。
Ti元素能阻止钢的奥氏体晶粒的长大,提高钢的回火稳定性。
20CrMnTi齿轮根据使用性能要求表面耐磨,心部又要求有良好的强韧性,所以要对20CrMnTi钢进行表面渗碳处理,渗碳淬火后表面得到高碳马氏体,具有较高的硬度和耐磨性。
4设计说明
4.1加工工艺流程
20CrMnTi钢为材料的齿轮热处理设计加工工艺是:
下料、锻造、等温正火、粗加工、渗碳+淬火+回火、喷丸、磨削、检验
20CrMnTi钢属于低碳钢,其成分[1]如下表4.1.
表120CrMnT钢的化学成分(质量分数,%)
C
Mn
P
S
Cr
Ni
Cu
Si
0.17~0.23
0.80~1.10
≤0.035
≤0.035
1.00~1.30
≤0.30
≤0.30
0.17~0.37
C:
保证形成碳化物所需要的碳和保证淬火马氏体能够获得的硬度,
Mn:
主要作用是提高钢的淬透性,增加钢的强度和硬度,有脱氧及脱硫的功效(形成MnS),防止热脆。
还可以改善渗碳层,有利于渗碳层增厚,增加奥氏体冷却时的过冷度,细化珠光体组织以改善机械性能。
P:
P是钢中的有害杂质元素,能降低钢的强度和韧性。
S:
S是钢中的杂质元素,能明显降低钢的热塑性,但是S能改善钢的可切削性能。
Cr:
能够提高钢的淬透性并有二次硬化作用,还是碳化物形成元素,提高回火稳定性,增加钢的耐磨性。
Ni:
降低相变驱动力,使“C”曲线右移,Cr-Ni符合效果更好,提高钢的淬透性。
Cu:
铜元素比较稳定,不易被氧化,所以含有的铜元素能起到耐腐蚀作用。
Si:
硅能阻止碳化物形核长大,使“C”曲线右移,提高钢的淬透性,还能提高钢的抗回火性,提高对钢的综合机械性能。
4.2具体热处理
20CrMnTi齿轮钢要达到加工、使用所需性能必须进行热处理,目的是提高表面的硬度、耐磨性和疲劳强度,心部具有足够的强度和韧性。
20CrMnTi钢的热处理工艺分析:
①由于20CrMnTi钢的含碳量较低,对于齿轮这种要求刚强度和高耐磨的特性,那么20CrMnTi钢的最重要的就是提高其硬度和耐磨性。
4.3热加工及热处理工艺规程
等温正火
等温正火是为消除内应力,改善、细化组织,为后续加工做准备,便于切削加工。
渗碳+淬火+回火
渗碳:
使机械零件活的高的表面硬度,耐磨性和高的解除疲劳强度
渗碳温度:
920~950℃,保温时间按渗碳深度确定,取t=6h,渗碳深度:
1.8~1.9mm
20CrMnTi渗碳采用井式气体渗碳炉渗碳,渗碳气体使用碳氢化合物邮寄液体,如煤油、丙酮等直接滴入炉内气体而得,为提高渗碳速度,使表面打到合适的含碳量,将渗入过程分为2个过程进行,即渗入和扩散阶段。
淬火:
20CrMnTi经渗碳后直接进行淬火
齿轮渗碳后可预冷到870~880℃并保温一段时间,预冷过程中渗碳层析出二次渗碳体。
深层中残余奥氏体量少,预冷温度不应过低,以免心部游离铁素体增多,降低心部硬度,预冷应在炉内进行,并应防止表面脱碳,选择870℃,预冷2h。
渗碳后淬火工艺路线如图:
图3
回火:
淬火后,工件存在淬火应力,件内存在淬火应力,为消除应力,选择低温回火。
低温回火温度为180~200℃,渗碳件选择下限,回火后需经磨削火喷丸处理,故选择180℃,保温2h出炉空冷,其硬度HRC56~63。
显微组织为回火马氏体+残余奥氏体。
回火工艺路线如下图:
图4
喷丸处理:
喷丸处理不仅是一个清洁工序,而且对齿轮的使用性能也有很大的影响,但只有当喷丸时间足够长,才能得到有理的影响。
4.4物理性能
经过上述各种热处理后20CrMnTi钢的韧性、硬度、耐磨性都有所甚至很大的提升。
5齿轮质量检验
轮精加工后,最后还要检查齿轮的外观表面、渗层深度、硬度、金相
组织等是否达到设计的要求。
a.外观:
表面无损伤、烧伤、严重腐蚀等缺陷;使用测量工具测量,用
显微镜看表面是否有裂纹。
b.渗层深度:
1.0~1.2mm;磁粉检测。
c.硬度:
心部25~28HRC,齿面25~58HRC;洛氏硬度计打硬度。
d.金相组织:
回火马氏体+残余奥氏体。
用金相显微镜看金相组织。
6分析与讨论
6.1常见渗碳缺陷及预防措施
6.2常见淬火缺陷及预防措施
6.3常见回火缺陷及预防措施
7结束语
这次20CrMnTi钢制造机床B热处理工艺设计的完成,让我不仅通过自己的努力大致了解了A钢制造机床变速箱齿的制作流程,还学会了把自己书本上学到的知识运用到实际物体上去。
20CrMnTi钢制造高速高载机床是协助变速箱完成对机床的转动提供动力,所以20CrMnTi钢必须具有强的硬度和高的耐磨性。
前段时间在没有认真学习金属学时,我觉得这个课程设计很难很难,但现在经过我对金属学的充分认识,我重新把这套支撑辊的设计完成了一遍,也从中发现了很多原作者的问题,使我从中吸取了精华部分。
金属学都是理论上的成型工艺,在实际生产中肯定还有许多细节问题需要我们去解决和改进。
在这次的课程设计中,发挥出了自己单独设计20CrMnTi钢制造高速高载机床热处理工艺设计能力和综合运用书本知识,体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情,尤其是热处理加工工艺,是自己很有成就感。
同时各科相关的课程都有了全面的复习与运用,独立思考的能力也有所提高,更为重要的是:
在这次20CrMnTi钢制造高速高载机床热处理工艺设计中,从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节,进而加以弥补。
8热处理工艺卡片
零件名称:
机床齿轮
热处理工艺卡
处理要求:
下料、锻造、等温正火、粗加工、渗碳+淬火+回火、喷丸、磨削、检验
热处理技术要求:
恰当控制温度和时间
硬度:
大于等于170HBW
材料:
20CrMnTi钢
工序号
名称
设备
工具
装料
工艺规范
冷却
备注
工具数量
一工具装数量/
件
温度/℃
加热时间
保温时/h间
合计
介质
温度/℃
1
锻造加热
1000~1050
--
--
--
炉冷
2
等温正火
930~950
30min
2h
1.5h
油
3
渗碳
920~950
5min
6h
6h
渗碳气氛
4
淬火
10
1h
1-2
2-3h
空气
5
低温回火
170~180
2h
3-5
6
7
8
9
10
更该日期
更改
单号
更改
标准
更改者
参考文献
1.《材料科学基础》王章忠主编机械工业出版社2008.3.第一版
2.《金属组织控制原理》戴起勋主编化学工业出版社2009.1.第一版
3.《金属热处理工艺学》夏立芳主编哈尔滨工业大学出版社2008.5.第四版
4.《金属材料学》戴起勋主编化学工业出版社2005.8.第一版
5.《现代热处理手册》才鸿年、马建平主编化学工业出版社2010.1.第一版
6.《实用热处理技术手册》杨满主编机械工业出版社2010.6.第一版
7.《典型零件热处理技术》王忠诚、齐宝森、李杨主编化学工业出版社2010.7.第一版
8.《金属热处理原理与工业》王顺兴主编哈尔滨工业大学出版社2009.9.第一版
9.《结构钢及其热处理》董世柱、徐维良主编辽宁科技技术出版社2009.3.第一版
10.《钢套热处理基础》
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- 高速 载荷 机床 齿轮 热处理 工艺 设计