1、j i a n g s uu n i v e r s i t y題目：表面工程課程設(shè)計所屬學(xué)院：材料科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)班級：金屬 1002姓名：陳浩學(xué)號：3100702039指導(dǎo)教師姓名：邵紅紅、紀(jì)嘉明2013 年 1 月車床主軸箱齒輪的選材與熱處理1. 車床主軸箱齒輪圖如下2. 車床主軸箱齒輪的服役條件車床主軸箱是一變速裝置， 通常將主動軸的一種轉(zhuǎn)換為從動軸的一種或多種轉(zhuǎn)速，而這種轉(zhuǎn)速的改變主要是通過一系列相互嚙合的不同齒數(shù)的齒輪來實(shí)現(xiàn)的。 因此主動齒輪會對與其嚙合的從動輪輪齒施加推動力，從而帶動從動輪的旋轉(zhuǎn)。所以齒輪會受到外力的影響，從而導(dǎo)致齒輪自身會產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力。 雖然齒輪所承受的應(yīng)力

2、遠(yuǎn)低于材料的屈服點(diǎn)，但長時間工作也有可能導(dǎo)致齒輪產(chǎn)生裂紋而斷裂。 齒輪在轉(zhuǎn)動過程中， 接觸面的齒面會產(chǎn)生滑動摩擦， 從而磨損齒面而導(dǎo)致輪齒的斷裂。齒輪在傳動過程中，會由于換擋、啟動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程中，由于輪齒受到外力的作用，會產(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)力隨時間作周期性的變化，這種應(yīng)力稱為交變應(yīng)力 （也稱循環(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)低于

3、材料的屈服點(diǎn)（材料發(fā)生永久變形即塑性變形時對應(yīng)的應(yīng)力），但經(jīng)過較長時間工作后有可能會產(chǎn)生疲勞裂紋導(dǎo)致斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞， 疲勞是導(dǎo)致齒輪失效甚至造成重大事故的主要原因。齒輪傳動過程中， 接觸的兩齒面會產(chǎn)生一定的相互滑動，發(fā)生滑動摩擦， 導(dǎo)致齒面發(fā)生磨損。磨損嚴(yán)重時， 會加大齒側(cè)間隙而引起傳動不平穩(wěn)和沖擊，甚至?xí)螨X厚被過度磨損，在受載時發(fā)生輪齒折斷現(xiàn)象。 齒輪在傳動過程中，由于換檔、起動或嚙合不良，輪齒可能會受到?jīng)_擊載荷的作用，當(dāng)沖擊載荷較大時，有可能導(dǎo)致齒輪變形甚至斷裂。3. 車床主軸箱齒輪材料的性能力學(xué)性能要求；為了滿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

4、輪必須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)過適當(dāng)?shù)臒崽幚? 以提高承載能力和延長使用壽命，齒輪在熱處理后應(yīng)滿足下列性能要求: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。

5、使用性能是保證零件工作安全可靠、 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，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)來選擇較為合理的材料； 有時還需要進(jìn)行一定的模擬試驗(yàn)來最后確定零件的材料。 對于一般的機(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，通過力學(xué)計算確定出零件應(yīng)具有的主要力學(xué)性能指標(biāo)及其數(shù)值后，即可利用手冊選材。2 ） 材料的工藝性應(yīng)滿足加工要求。 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

6、能相比，材料的工藝性能常處于次要地位。但在某些特殊情況下， 工藝性能也會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（這可通過熱處理來調(diào)整其組織和性能）。3 ）選材時應(yīng)充分考慮經(jīng)濟(jì)性。 選材時應(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，在一般的工業(yè)部門中，材料的價格要占產(chǎn)品價格的 30%70%。因此，在保證使用性能的前提下

7、，應(yīng)盡可能選用價廉、貨源充足、加工方便、總成本低的材料，以取得最大的經(jīng)濟(jì)效益，提高產(chǎn)品在市場上的競爭力。4.2齒輪的選材根據(jù)對齒輪力學(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，價格相對便宜，對于一些低速、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，不能滿足齒輪的性能要求。高碳鋼含碳量高，因此有較高

8、的強(qiáng)度、硬度和好的耐磨性。但塑性、韌性差，易斷裂，也不太適合。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，能滿足齒輪的性能要求， 因此選用中碳鋼比較合適， 價格相對于合金鋼便宜。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，但合金鋼相對碳鋼而言價格要貴。5. 車床主軸箱齒輪毛坯的選擇毛坯的選擇一定要滿足以下原則：（1）滿足齒輪的使用要求，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

9、術(shù)水平。生產(chǎn)中齒輪的毛坯類型通常是模鍛件， 這種模鍛件的尺寸和精度都比較高，機(jī)械加工的余地較小， 節(jié)省加工工時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. 車床主軸箱齒輪的加工工藝過程分析6.1. 基準(zhǔn)的選擇為了減少定位誤差， 提高齒輪加工精度， 在加工時應(yīng)滿足以下要求：（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，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，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， 在整個齒輪加工過程中占有很重要的地位。因?yàn)辇X面加工和檢測所用的基準(zhǔn)必須在此階

10、段加工出來， 同時齒坯加工所占工時的比例較大， 無論從提高生產(chǎn)率， 還是從保證齒輪的加工質(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測定齒側(cè)間隙時， 應(yīng)注意齒頂圓的精度要求， 因?yàn)辇X厚的檢測是以齒頂圓為測量基準(zhǔn)的。 齒頂圓精度太低， 必然使測量出的齒厚無法正確反映出齒側(cè)間隙的大小，所以在加工過程中應(yīng)注意以下問題：1 ）當(dāng)以齒頂圓作為測量基準(zhǔn)時， 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，

11、如設(shè)備條件、齒輪精度等級、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圖：經(jīng)倒圓、倒尖后的齒輪在換檔時容易進(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。用銑刀對齒端進(jìn)行倒圓時，銑刀高速旋轉(zhuǎn)，沿圓弧做擺動，加工完一個齒后，工件退離銑刀，經(jīng)分度再快速向銑刀靠近加工下一個齒的齒端。7. 車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。 通過鍛造能消除齒輪在冶煉過程中產(chǎn)生的鑄態(tài)疏松等缺陷，齒輪經(jīng)過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)過鍛造方法熱加工變形后由于金屬的

12、變形和再結(jié)晶，使原來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

13、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代替退火。 由于正火后工件比退火狀態(tài)具有更好的綜合力學(xué)性能， 對于一些受力不大、 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)加工主要是車外圓和滾齒。 車外圓是指用車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)程的過程中， 往往要對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)程過程中，可能會出現(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，都要求及時對工藝規(guī)程進(jìn)行修訂和完善。8.4

14、 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)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?；鼗穑簩X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產(chǎn)生的

15、內(nèi)應(yīng)力，防止齒輪在工作中變形和開裂；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：回火過程中輪齒、 孔徑會發(fā)生微變形，因此要進(jìn)行精磨處理，保證齒輪尺寸的精確，以滿足精度要求。經(jīng)過這樣的熱處理以后，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，從而滿足齒輪的工作性能要求。9. 潤滑油種類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、 無腐蝕作用等。 根據(jù)齒輪的種類和負(fù)荷條件來選擇9.1 潤滑油種類的推薦和選擇齒輪種類負(fù)荷推薦使用的潤滑油低負(fù)荷一般機(jī)械油，對于重要的傳動可添加防銹劑的抗氧化直斜齒輪劑和錐齒輪中等負(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)荷蝸輪蝸桿油復(fù)合型潤滑油（即在礦物油中填加3 10的脂肪蝸輪傳動油），對通常的傳動可用汽缸油、蝸桿油雙曲線錐齒輪高極壓型的雙曲線齒輪油9. 車間平面圖10. 結(jié)束語對一些受力復(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， 以滿足性能要求。所謂調(diào)質(zhì)處理即淬火+高溫回火。淬火是將齒輪加熱到約 8