1、組長：郁 哲組員：王 凡、湛艷紅、葉釗毅、劉曉梅指導(dǎo)老師：李紹宏、陶靜梅、段永華課程設(shè)計高速、中低載，有沖擊小齒輪外徑100mm，厚度30mm目錄Contents齒輪形狀設(shè)計第一章第一章力學(xué)性能計算第二章第二章齒輪選材過程第三章第三章齒輪加工路線第四章第四章熱處理過程第五章第五章第六節(jié) 熱處理設(shè)備形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線1.11.1 基本公式1分度圓直徑計算熱處理形狀設(shè)計2齒頂圓直徑計算3齒根圓直徑計算4基圓直徑計算5齒距計算6齒厚計算zmd)2(*aahzmd)22(*chzmdafcos ddbmpmb)126(模 數(shù)齒 數(shù)齒頂高系數(shù)，1.0頂隙系數(shù)，0.25壓力角，20所設(shè)計齒輪

2、用于高速，中低載按照齒輪設(shè)計一般原則高速齒輪齒數(shù)z=1720齒數(shù)選擇模數(shù)選擇齒輪外直徑為100mm，即 da=100按照公式da =m（z+2）模數(shù)按照國標(biāo)GB/T 1357-2008挑選形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線1.11.1 基本公式熱處理形狀設(shè)計1.1.2 2 模數(shù)齒數(shù)標(biāo) 準(zhǔn) 模 數(shù) 系 列第第 I 系列系列1 1.25 1.5 2 2.5 3 4 5 6 8 10 12 16 20 25 32 40 50第第 II 系列系列1.125 1.375 1.75 2.25 2.75 3.5 4.5 5.5 (6.5) 7 9 11 14 18 22 28 35 45m = 5，z = 1

3、8，da = 100形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線1.1.2 2 模數(shù)齒數(shù)熱處理形狀設(shè)計1.1.3 3 基本參數(shù)齒 輪 形 狀 基 本 參 數(shù) 模 數(shù)齒 數(shù)分 度 圓直 徑齒 頂 圓直 徑齒 根 圓直 徑基 圓 直 徑齒 距齒 厚內(nèi) 孔 直 徑5189010077.584.5715.713065按照先前基本公式計算齒輪得到如下表基本參數(shù)齒輪折斷一般發(fā)生在齒根部分，由過渡載荷和疲勞引起。齒面點蝕齒面接觸應(yīng)力為脈動循環(huán)變化，產(chǎn)生裂紋擴展致使金屬微粒剝落。齒面膠合多發(fā)生在高速重載傳動中，齒面金屬粘連，相互運動形成溝紋。形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線2.1 2.1 失效形式熱處理力學(xué)性能齒輪一般失

4、效形式齒面磨損分為磨粒磨損、跑合磨損，多出現(xiàn)在開式且齒輪工作環(huán)境惡劣的情況。齒面點蝕首要齒輪折斷次要高速中低載荷2應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)電機、傳動機、齒輪箱常用齒面閉式軟齒面齒輪（350HBS）硬度確定由此確定齒輪表面硬度要求為336HBS，即36HRC形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線2.1 2.1 失效形式熱處理力學(xué)性能2 2. .2 2 硬度要求13形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線2.2 2.2 硬度要求熱處理力學(xué)性能2 2. .3 3 接觸疲勞222121211111EEbFnH齒輪的接觸疲勞強度可以按照赫茲（H. Hertz）公式進行計算uubdKTZEH125 . 22其中下標(biāo)1為小齒輪、下標(biāo)2

5、為大齒輪，但大齒輪未知，取單向節(jié)點處的接觸應(yīng)力為計算依據(jù)進行簡化彈 性 系 數(shù)齒厚，分度圓轉(zhuǎn) 矩傳動比，1.3min/4800881055. 91066rnkWPnPPT載荷系數(shù)主要是考慮沖擊而加入的校核系數(shù)載 荷 系 數(shù) K原動機工作機械的載荷特性均勻中等沖擊較大沖擊電動機1.01.21.21.61.61.8多缸內(nèi)燃機1.21.61.61.81.82.2單杠內(nèi)燃機1.61.81.82.02.22.4 彈 性 系 數(shù) ZE （與大小齒輪材質(zhì)有關(guān)）灰口鑄鐵球墨鑄鐵鑄鋼鍛鋼鍛鋼162.0181.4188.9189.8鑄鋼161.4180.5188.0球磨鑄鐵156.6173.9灰口鑄鐵143.7M

6、Pa3893 . 113 . 190301075. 14 . 128 .1895 . 225HMPaH35.44715. 1389安全系數(shù)考慮材料使用1.4形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線2.3 2.3 接觸疲勞熱處理力學(xué)性能2 2. .4 4 彎曲強度齒輪的抗彎曲強度可以按照經(jīng)驗修正公式進行計算zbmYKTYSaFaF22YFa和YSa分別為齒形系數(shù)和應(yīng)力修正系數(shù)，其只與齒形中的尺寸比例有關(guān)而與模數(shù)無關(guān)?？筛鶕?jù)相應(yīng)圖表，按照標(biāo)準(zhǔn)齒輪x=0對應(yīng)查找。YFa = 3.0YSa = 1.55MPaF2411853055. 10 . 31075. 14 . 1243. 125安全系數(shù)考慮材料使用材

7、料 力 學(xué) 性 能 基 本 要 求表面硬度/HBS接觸疲勞強度/MPa抗彎曲強度/MPa3364502501. 1. 使用性原使用性原則則 使用性原則是零件在使用中應(yīng)該具有的性能，這是保證零件完成規(guī)定功能的必要條件。形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線3.1 3.1 選材原則熱處理選材過程2. 2. 工藝性原工藝性原則則3. 3. 經(jīng)濟性原經(jīng)濟性原則則 經(jīng)濟性是指最小的耗費取得最大的經(jīng)濟效益。在滿足使用性能的前提下，選用齒輪材料還應(yīng)注意盡量降低零件的總成本。 工藝性能是指材料本身能夠適應(yīng)各種加工工藝要求的能力，包括鑄造性、切削加工性和熱處理等。形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線3.1 3.1 選材原

8、則熱處理選材過程3.2 3.2 實際選材常 見 齒 輪 材 料 熱 處 理 后 力 學(xué) 性 能 以 及 市 場 價 格熱處理硬度接觸疲勞強度MPa抗彎曲強度MPa價格RMB/t表層心部20鋼淬火回火143156HBS44017029003700滲碳+淬火回火3846HRC185196HBS640260表面淬火3044HRC214228HBS103027020Cr淬火回火3446HRC84032042005900滲碳+淬火回火5662HRC220260HBS1500850表面淬火3648HRC240260HBS109028045鋼正火156217HBS38031062008600調(diào)質(zhì)197286

9、HBS580440表面淬火4050HRC220250HBS1120680HT300去應(yīng)力退火187255HBS360130800011,000表面淬火4348HRC207286HBS670180使用性原則經(jīng)濟性原則工藝性原則形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線3.2 3.2 實際選材熱處理選材過程3.3 3.3 20鋼性能經(jīng)上述從材料使用性、工藝性以及經(jīng)濟性等原則綜合考慮選用20鋼。其經(jīng)過表面熱處理（滲碳、表淬）硬度、解除疲勞強度、抗彎曲強度都達到所需力學(xué)性能要求，同時其切削加工性、熱處理性能較好，價格較為低廉，是制作本次所設(shè)計齒輪的較為優(yōu)異的材料。 20 鋼 化 學(xué) 成 分元素CSiMnCrNi

10、CuPS質(zhì)量分數(shù)（%）0.170.230.170.370.350.650.250.300.250.0350.03520 鋼 臨 界 溫 度溫度符號Ac1Ac3Ar1Ar3MsMf溫度值/735854682835形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線4.1 4.1 知識回顧熱處理加工路線齒 輪 形 狀 基 本 參 數(shù) 模 數(shù)齒 數(shù)分 度 圓 直 徑齒 頂 圓 直 徑齒 根 圓直 徑基 圓 直 徑齒 距齒 厚內(nèi) 孔 直 徑加 工 精 度5189010077.584.5715.7130655材 料 力 學(xué) 性 能 基 本 要 求表面硬度/HBS接觸疲勞強度/MPa抗彎曲強度/MPa33645025020

11、鋼 熱 處 理 后 力 學(xué) 性 能 以 及 市 場 價 格熱處理硬度接觸疲勞強度MPa抗彎曲強度MPa價格RMB/t表層心部20鋼淬火回火143156HBS44017029003700滲碳+淬火回火3846HRC185196HBS640260表面淬火3044HRC214228HBS1030270形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線4.1 4.1 知識回顧熱處理加工路線4.2 4.2 基本路線 根據(jù)先前力學(xué)性能要求分析，以20鋼作為材料制作所設(shè)計的小齒輪，必須經(jīng)過表面熱處理以提高表面硬度，由此可分兩種加工工藝：以滲碳處理為基礎(chǔ)的加工工藝、以表面淬火為基礎(chǔ)的加工工藝。 第一條加工路線鍛造制坯鍛造制坯下

12、 料下 料預(yù)先熱處理預(yù)先熱處理粗 加 工粗 加 工滲碳處理滲碳處理精 加 工精 加 工磨削包裝磨削包裝最終熱處理最終熱處理 第二條加工路線鍛造制坯鍛造制坯下 料下 料預(yù)先熱處理預(yù)先熱處理粗 加 工粗 加 工調(diào)質(zhì)處理精 加 工精 加 工磨削包裝磨削包裝表面淬火+回火形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線4.2 4.2 基本路線加工路線加工路線4.3 4.3 滲碳處理鍛造制坯鍛造制坯下 料下 料預(yù)先熱處理預(yù)先熱處理粗 加 工粗 加 工滲碳處理滲碳處理精 加 工精 加 工磨削包裝磨削包裝最終熱處理最終熱處理 下料是指從整個或整批材料中取下一定形狀、數(shù)量或質(zhì)量的材料的操作過程。此處主要為切取適量質(zhì)量的原料，

13、用于下一工序鍛造制坯。 鍛造制坯是指形成零件毛坯并得到合理的加工流線，可分為自由鍛造、模鍛。自由鍛造用于單件小批量生產(chǎn)，模鍛主要用于大批量生產(chǎn)，此處采用自由鍛造。 預(yù)先熱處理的目的是改善材料組織性能，為后序加工做準(zhǔn)備。一般預(yù)先熱處理方法為退火或正火。退火和正火相似，而正火冷卻速度快，組織相對偏移平衡組織。但由于20鋼的切削加工性能較好，因此選用正火處理以縮短生產(chǎn)周期。齒輪的粗加工主要為基準(zhǔn)選擇、切料以及齒坯加工?；鶞?zhǔn) 內(nèi)孔-端面定位方法確保精度切料 切除多余的余料齒坯 端面、內(nèi)孔、外圓的車削加工研磨拉屑滾齒齒 輪 外 圓 加 工 工 序 選 擇加工工序加工精度生產(chǎn)率齒面光潔度適用范圍滾齒通常加

14、工610，最高能達到4級較高較差直齒、斜齒的外嚙合圓柱齒輪和蝸桿插齒通常加工79，最高能達到6級較高較好內(nèi)嚙合齒輪、扇形齒輪、齒條等滲 碳 工 藝 種 類 與 特 點固 體 滲 碳 優(yōu)點：設(shè)備簡單，滲劑易配，多元熱滲。 缺點：滲層難控，耗能較大，效率低下。液 體 滲 碳 優(yōu)點：操作方便，硬度較高，重復(fù)處理。 缺點：滲層較薄，不宜加工，鹽浴有毒。氣 體 滲 碳 優(yōu)點：大量生產(chǎn)，濃度可調(diào)， 易自動化。 缺點：設(shè)備費貴，處理量少，則成本高。此階段主要是進行齒形加工，常用的方法有剃齒、珩齒、磨齒。齒 輪 齒 形 加 工 工 序 選 擇加工工序加工精度生產(chǎn)率齒面光潔度適用范圍剃齒57級精度高810滾插預(yù)

15、加工后淬火前的精加工珩齒68級精度低79剃齒和高頻淬火后的齒形加工磨齒37級精較低79齒形淬硬后精密加工 低碳鋼的最終熱處理多采用淬火+低溫回火，淬火加熱溫度不宜過高。亞溫淬火表層組織：M回 + 顆粒狀碳化物 + 少量A心部組織：M回 + 先共析F 主要是進行精修，去除齒面的毛刺污物以及氧化層，最后進行防銹處理以及相應(yīng)檢測后包裝入庫。精 度 檢 測幾 何 檢 測缺 陷 檢 測產(chǎn) 品 檢 測形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線4.3 4.3 滲碳處理加工路線加工路線4.4 4.4 表面淬火鍛造制坯鍛造制坯下 料下 料預(yù)先熱處理預(yù)先熱處理粗 加 工粗 加 工調(diào)質(zhì)處理精 加 工精 加 工磨削包裝磨削包裝

16、表面淬火+回火 調(diào)質(zhì)處理是指淬火+高溫回火，得到S回組織，其綜合力學(xué)性能良好，且調(diào)制處理后組織細小，提高表面淬火的質(zhì)量，又確保心部組織有良好的韌性。 此處也可采用正火處理，但調(diào)制可提高抗膠合能力，故此處采用調(diào)制作為過度熱處理。 表面淬火其按照加熱方式可分為感應(yīng)加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火、電接觸加熱表面淬火、激光加熱表面淬火。利用電磁感應(yīng)原理，使零件切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電流，又根據(jù)交集膚效應(yīng)，快速加熱而后急冷。 淬火后大量A有內(nèi)應(yīng)力，塑性差脆性大，易變形開裂，組織不穩(wěn)定，必須回火。 目的：（1）減少淬火應(yīng)力；（2）穩(wěn)定尺寸組織； （3）降低脆性、獲得所需要的力學(xué)性能。 鍛造制坯鍛造制坯下 料下

17、 料預(yù)先熱處理預(yù)先熱處理粗 加 工粗 加 工滲碳處理滲碳處理精 加 工精 加 工磨削包裝磨削包裝最終熱處理最終熱處理 第一條加工路線鍛造制坯鍛造制坯下 料下 料預(yù)先熱處理預(yù)先熱處理粗 加 工粗 加 工滲碳處理滲碳處理精 加 工精 加 工磨削包裝磨削包裝最終熱處理最終熱處理 第二條加工路線鍛造制坯鍛造制坯下 料下 料預(yù)先熱處理預(yù)先熱處理粗 加 工粗 加 工調(diào)質(zhì)處理精 加 工精 加 工磨削包裝磨削包裝表面淬火+回火形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線5 5.1.1 相關(guān)回顧熱處理熱處理20 鋼 熱 處 理 工 藝 規(guī) 范工藝名稱退火正火高溫回火中溫回火低溫回火滲碳滲碳后淬火淬火加熱溫度/8809008

18、90920650680180200140180900920780800910930冷卻方式爐冷空冷空冷空冷空冷空冷水冷水、鹽水冷形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線5.1 5.1 相關(guān)回顧加工路線熱處理5.2 5.2 第一條工藝加熱溫度 20鋼的正火加熱溫度范圍為890920。若加熱溫度較高會使A長大，最終組織粗大切削加工性差，因此選取較低的正火加熱溫度為890。正火加熱速度 當(dāng)加熱速度較快，奧氏體的起始晶粒度細小。但Ac3向高溫區(qū)偏移，使得A逐漸長大。因此在無相變區(qū)快速加熱，在相變區(qū)適當(dāng)降低速度，即將加熱過程分為升溫、燒透。時 間Ac1Ac3升溫?zé)窪Ka升加熱系數(shù)100200/h裝爐量修正系數(shù)

19、加熱系數(shù)常 用 鋼 中 的 加 熱 系 數(shù) a工件材料工件直徑升溫保溫箱式爐井式爐鹽浴爐箱式爐井式爐鹽浴爐普通碳鋼501.01.20.30.42.02.2501.21.50.40.52.22.4合金鋼500.450.50500.500.551.51.8高合金鋼0.300.400.170.200.800.850.650.75高速鋼0.160.180.650.851.22.2稍后保溫有用S0.5SS2SK=1.0K=1.0K=2.0K=1.4K=1.30.5SSSSK=1.0K=1.4K=4.0K=2.2K=2.0K值的 選取min/13min4 .50504 . 12 . 1升升升Tvhv/15

20、0透80735735900正火加熱速度13/min150/h，即2.5/min5.2 5.2 第一條工藝形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線加工路線熱處理冷卻速度 根據(jù)20鋼的連續(xù)冷卻圖，正火冷卻起始冷卻速度應(yīng)在42/s。由于20鋼含碳量較低，冷速過低會中存在較多鐵素體，使得切削性變差（粘刀），因此正火起始空冷速度控制在6/s。正火5.2 5.2 第一條工藝形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線加工路線熱處理保溫時間 一般20鋼正火保溫時間通常時間為13小時，具體的可按照經(jīng)驗公式計算。正火bDa保附加時間附 件 時 間 b 值 選 取 /min退/正火淬火回火低溫中溫高溫亞共析鋼45301204015h

21、85. 1min11145302 . 2保5.2 5.2 第一條工藝形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線加工路線熱處理滲碳滲碳劑 氣體滲碳的滲碳劑有兩類，一類為有機液體，如煤油、苯、丙酮，另一類為滲碳氣體，如丙烷、丁烷。一般滲碳氣體消耗量要比有機液體大，且購買不方便，因此采用有機液體作為滲碳劑。常 用 有 機 溶 劑 的 碳 氧 比 與 碳 當(dāng) 量名稱分子式高溫下熱分解反應(yīng)式碳氧比碳當(dāng)量煤油C16H34C16H3416C+17H228.25甲醇CH3OHCH3OHCO十2H2164乙醇C2H5OHC2H5OHCCO+3H2246丙醇CH3COCH3H3COCH32C十CO3H2329乙醚C2H5O

22、C2H5C2H5OC2H53C十CO5H2424.75.2 5.2 第一條工藝形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線加工路線熱處理滲碳方式 通常采用滴注式方法進行滲碳。煤油一般加熱到800時，開始少量滴入，直到強滲階段時以2040滴/min滴入速度滴注，達到所需高碳勢。滲碳碳勢分布 在滲碳保溫分為排氣階段、強滲階段、擴散階段，按照常規(guī)20鋼氣體滲碳時碳勢分布要求，排氣階、擴散段碳勢較低僅維持在0.10.02%，而強滲碳階段碳勢較高為0.751.05%。因此選取排氣、擴散碳勢均為0.09%，強滲階段為0.80%。5.2 5.2 第一條工藝形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線加工路線熱處理滲碳滲層厚度 表面

23、至有效硬化層的硬度緩慢連續(xù)變化，而后硬度急劇降低，因此將硬化層深度作為滲層厚度要求依據(jù)。根據(jù)下表，當(dāng)m=5時硬化層深度為0.80.3mm，所以齒輪滲碳層1.1mm。齒 輪 有 效 硬 化 層 控 制 值齒輪模數(shù)1.62.252.53.54.05.56.010.011.012.014.018.0硬化層深度/mm0.30.10.50.20.80.31.20.31.50.41.80.5滲碳溫度 滲碳溫度要求高于Ac3，溫度越高有利于活性炭擴散，但受到爐子的使用壽命的限制，一般不超過950。由先前相關(guān)回顧可知20鋼滲碳溫度為900920，因此確定為900。5.2 5.2 第一條工藝形狀設(shè)計選材過程力學(xué)

24、性能加工路線加工路線熱處理滲碳滲碳時間 按照哈里斯公式（F.E.Harris）計算所需滲碳保溫時間。)/3720(10/6 .802Ttd 滲碳溫度，K滲碳時間，h滲層厚度，mmht14. 46 .802101 . 121173/3720保溫時間中約2h為強滲階段考慮到加熱時間，則滲碳總時間約為5h。冷卻方式 滲碳的冷卻方式有空冷和水冷，由于經(jīng)滲碳后還需要進行機加工不適宜水冷，因此采用空冷。5.2 5.2 第一條工藝形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線加工路線熱處理滲層碳濃度分布 氣體滲碳過程中，碳原子在鋼中的擴散服從Fick第二定律，并且認為是一維平表面的擴散問題，因此可以按照初始條件和邊界條件

25、進行解析。由此計算當(dāng)20鋼在900碳勢為0.80%滲碳保溫2h后滲碳層中碳濃度分布曲線滲碳20)exp(2)(),(xeDtfCtxCsb200022)exp(2)(),(0; )()0 ,(),(),(xeDtfCtxCxCCCUxCDCxCxtxCttxCFicksbexpx邊界條件：起始條件：第二定律5.2 5.2 第一條工藝形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線加工路線熱處理淬火+低溫回火淬火 先前相關(guān)回顧已列出滲碳后淬火加熱溫度為780800。其加熱速度與正火相似，保溫時間計算約為1.5h。冷卻方式為水冷，速度為150/s。最終滲碳后20鋼經(jīng)淬火表面硬度為5362HRC。低溫回火 先前相關(guān)

26、回顧已列出，低溫回火加熱溫度為140180。因為回火溫度沒經(jīng)過相變點，因此以13/min快速加熱到140180。保溫時間算得為186min，即3.1h。冷卻速度與正火一致。最終低溫回火后，表面硬度基本不變?yōu)?060HRC。形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線5.2 5.2 第一條工藝加工路線熱處理5.3 5.3 第二條工藝正火 與先前第一條工藝中的正火熱處理一致，不進行過多累述。20 鋼 正 火 熱 處 理 參 數(shù)加熱溫度加熱速度保溫時間冷卻方式初始冷速低溫區(qū)相變區(qū)89013/min150/h1.85h空冷6/s5.3 5.3 第二條工藝形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線加工路線熱處理淬火 加熱溫度

27、、加熱速度、保溫時間以及冷卻速度與先前的方法相似，具體熱處理參數(shù)如下表。調(diào)制20 鋼 調(diào) 制 時 淬 火 熱 處 理 參 數(shù)加熱溫度加熱速度保溫時間冷卻方式初始冷速低溫區(qū)相變區(qū)91013/min150/h1.6h水冷150/s水冷的原因：根據(jù)20鋼連續(xù)轉(zhuǎn)變圖可以看出，避開“鼻尖”處的冷卻速度約為150180 /s。由于此處的淬火是作為過渡熱處理調(diào)質(zhì)的一部分，組織性能上要求并不苛刻，且水冷可達到150/s，價格低廉價，因此選用水冷，不必采用鹽水冷卻或其他昂貴的特殊冷卻介質(zhì)。5.3 5.3 第二條工藝形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線加工路線熱處理高溫回火 高溫回火與先前的低溫回火相似，加熱溫度為6

28、50680，由于20鋼不存在第二類回火脆性，因此加熱速度依舊為13/min，保溫時間為1.35h，冷卻方式為空冷。調(diào)制5.3 5.3 第二條工藝形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線加工路線熱處理淬硬層深度、感應(yīng)加熱頻率表面淬火感 應(yīng) 加 熱 的 頻 率 選 擇 及 應(yīng) 用電流頻率淬硬層深度/mm應(yīng)用高頻200KHz300KHz0.52.0小齒輪，中小直徑軸類零件中頻2500Hz8000Hz25大齒輪，大直徑軸類零件工頻50Hz1015軋輥，火車車輪等大件 根據(jù)上表，此次需要熱處理的是厚度為30mm，外徑為100mm的小齒輪，采用高頻感應(yīng)加熱，淬硬層深度選取為1.5mm。 具體的電流頻率用右式計算f

29、600500感應(yīng)加熱深度，mm電源頻率，Hz 當(dāng)=1.5mm時，計算得到f=110130kHz，因此確定高頻感應(yīng)加熱表面淬火的交流頻率為120kHz。5.3 5.3 第二條工藝形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線加工路線熱處理加熱溫度、加熱速度 由于感應(yīng)加熱極快導(dǎo)致Ac3向高溫區(qū)偏移，偏移量隨加熱速度升高而增大，會使得組織粗化，最終在相同的冷卻條件下得到室溫組織硬度偏低，如右邊兩張圖所示。因此選擇加熱速度即為重要。表面淬火 根據(jù)右邊兩圖，加熱速度100/s時，20鋼的Ac3約950，且在此溫度淬火得到的硬度約為47HRC，基本達到齒輪的硬度要求，因此確定加熱溫度為960，加熱速度為100/s，則加

30、熱時間約9s。5.3 5.3 第二條工藝形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線加工路線熱處理保溫時間、冷卻速度 表面淬火不能使表面溫度傳遞到心部，因此保溫時間為0s。表面淬火的冷卻方式為水冷，但是采用流水冷卻，為了防止表面溫度在冷卻過程中向心部傳遞。同時工件冷卻時需要旋轉(zhuǎn)，防止水蒸氣在工件表面形成氣膜，阻礙冷卻進行。表面淬火回火 此處回火選用低溫回火，熱處理參數(shù)與先前淬火后低溫回火基本一致，但經(jīng)回火后表面硬度略有降低為3844HRC。形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線5.3 5.3 第二條工藝加工路線熱處理5.4 5.4 工藝優(yōu)化第一條問題 滲碳后需要進行剃齒、磨削。從下表可知，當(dāng)m=5時，剃齒的加工

31、余量為0.6mm，通常磨削需預(yù)留0.30.4mm磨量，總共需要預(yù)留0.901.00mm，但是滲碳層厚度僅為1.1mm。剃 齒 的 齒 厚 加 工 余 量 /mm模數(shù)余量模數(shù)余量模數(shù)余量1.50.254.00.507.00.752.00.304.50.558.00.802.50.355.00.609.00.853.00.405.50.6510.00.903.50.406.00.70形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線加工路線熱處理5.4 5.4 工藝優(yōu)化第一條改良 滲碳處理與精加工工序?qū)Q，并將滲碳處理和最終熱處理合并，即滲碳后直接進行淬火+低溫回火。若齒輪為鑄造件時，粗加工與精加工間需添加去應(yīng)力退

32、火，此處無需考慮。滲碳+淬火+低溫回火：滲碳溫度較高，不能立馬將工件放入到水中淬火，需隨爐冷卻至原先淬火溫 度再進行水冷以及后續(xù)的回火。 下料 鍛造制坯 正火 粗加工（ 去應(yīng)力退火） 精加工 滲碳處理+淬火+低溫回火 磨削包裝形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線加工路線熱處理5.4 5.4 工藝優(yōu)化第二條問題 工件經(jīng)表面淬火+低溫回火后硬度僅為3844HRC，若需要磨削掉0.30.4mm，估計最終工件表面硬度無法達到要求。改良 對經(jīng)表面淬火+低溫回火后的工件進行噴丸處理，以提高表面硬度、強度，具體噴丸參數(shù)如下表。熱 處 理 后 噴 丸 處 理 參 數(shù)噴丸介質(zhì)噴丸尺寸噴射速度噴丸時間噴丸硬度鑄鋼丸0

33、.50.8mm15003000rpm30min5558HRC 下料 鍛造制坯 正火 粗加工 調(diào)制處理 精加工 面淬火+低溫回火 噴丸處理 磨削包裝形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線5.4 5.4 工藝優(yōu)化加工路線熱處理5.5 5.5 最佳工藝生產(chǎn)周期：第一條 第二條；能耗（所圍面積）：第一條 第二條；設(shè)備費用：第一條 第二條；綜合來看，第一條工藝路線優(yōu)于第二條工藝路線，因此第一條工藝路線為所設(shè)計齒輪加工的最佳方案。形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線5.5 5.5 最佳工藝加工路線熱處理5.6 5.6 熱處理設(shè)備正火設(shè)備基本選擇 正火所熱處理的為10030mm齒輪屬于中小型零件，基本確定選用中溫箱式

34、電阻爐。中溫箱式電阻爐有兩種系列：SX2、RX3，其中SX2系列用于小批量試驗生產(chǎn)，RX3為企業(yè)級設(shè)備。此次所設(shè)計的齒輪僅為小批量生產(chǎn)用于試驗，因此選用SX2。最高工作溫度 正火加熱溫度為890，考慮到設(shè)備壽命以及工作限度，一般設(shè)備實際使用最高溫度為其理論最高限度的0.9倍，則Tmax=989，因此設(shè)備最高工作溫度為1000。形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線加工路線熱處理5.6 5.6 熱處理設(shè)備正火設(shè)備爐膛尺寸 按照爐膛尺寸按照爐底強度指標(biāo)計算hPA 1爐底有效面積，m2爐底強度，kg/(m2h)生產(chǎn)率，kg/h假定生產(chǎn)率為10kg/h 爐底強度h可查右表，得到h=100 kg /(m2h)

35、，由此計算得到有效爐底面積A1=0.1m2。各 種 熱 處 理 爐 的 爐 底 強 度 h熱處理材料箱式臺車式坑式罩式井式退火鍛件406050704060100120鑄件35504060合金鋼20302530淬火/正火一般淬火1001209014010012080120鍛件正火100120120150鑄件正火80140100160合金淬火80100回火80110609080100形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線加工路線熱處理5.6 5.6 熱處理設(shè)備正火設(shè)備爐膛尺寸 爐底實際面積與有效面積有如下關(guān)系KAA1 K為爐底面積利用率，通常取值為0.8，因此A=0.125m2。按照根據(jù)常規(guī)爐形設(shè)計，長

36、寬比為3:2，可以計算實際長寬。 爐膛的高度沒有嚴格的計算方法，通常取H/B= 0.520.9。取值與爐子大小成反比，與工作周期成正比，因此比值取0.7。mHHBmABmAL202. 07 . 0289. 07 . 0289. 0125. 03232433. 0125. 02323(450300200)mm形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線加工路線熱處理5.6 5.6 熱處理設(shè)備正火設(shè)備功率要求 電阻加熱爐功率的確定方法有經(jīng)驗公式法、圖標(biāo)曲線法、類比法以及較為精準(zhǔn)的理論計算法，此處選用圖標(biāo)曲線法。V = 4.53.02.0 = 27 dm3，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線選取確定額定功率要求P9.5 kW。形狀設(shè)

37、計選材過程力學(xué)性能加工路線加工路線熱處理5.6 5.6 熱處理設(shè)備正火設(shè)備設(shè)備確定常 見 SX2 系 列 中 溫 箱 式 電 阻 爐 基 本 參 數(shù)電爐型號SX2-2.5-10SX2-4-10SX2-8-10SX2-12-10額定功率（KW）2.54812額定電壓（V）220220380380額定溫度（）1000100010001000相數(shù)1133空爐升溫時間（min）608090100空爐損耗（KW）1.21.82.83.6爐膛尺寸(mm)20012080300200120400250160500300200外形尺寸(mm)6003854007005205509005806509456407

38、65SX2-12-10系列中溫試驗箱式電阻爐形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線加工路線熱處理5.6 5.6 熱處理設(shè)備滲碳設(shè)備基本選擇與參數(shù) 滲碳爐有三種主要型式：井式、臥式和旋轉(zhuǎn)罐式。對小批量生產(chǎn)小零件進行滲碳處理時，通常采用井式滲碳爐，且可以把零件進行直接淬火。 井式滲碳爐的爐膛尺寸計算，與先前不一樣，按照一次裝料量計算，公式如下mHmDmnhHmdD45. 025. 0)(2 . 01 . 0)(2 . 01 . 0 按照正火時選取箱式爐計算方法，可以得到其他參數(shù)最高工作溫度為950，額電功率為23kW。形狀設(shè)計選材過程力學(xué)性能加工路線加工路線熱處理5.6 5.6 熱處理設(shè)備滲碳設(shè)備設(shè)備確定節(jié) 能 型 井 式 滲 碳 爐 的 型 號 與 技 術(shù) 規(guī) 格名稱單位型號與技術(shù)規(guī)格RQ-25-9RQ-35-9RQ-60-9RQ-75-9RQ-90-9RQ-105-9額定功率kW2535607590105額定電壓V380380380380380380相數(shù)333333加熱區(qū)數(shù)112222額定溫度950950950950950950裝料筐尺寸mm3004503006004506004509006009006001200空爐