车床主轴箱齿轮的选材与热处理

1、 J I A N G S U U N I V E R S I T Y 题目：表面工程课程设计所属学院： 材料科学与工程学院 专业班级： 金属1002 姓 名： 陈浩 学 号： 3100702039 指导教师姓名： 邵红红、纪嘉明 2013年1月车床主轴箱齿轮的选材与热处理1. 车床主轴箱齿轮图如下2.车床主轴箱齿轮的服役条件车床主轴箱是一变速装置，通常将主动轴的一种转换为从动轴的一种或多种转速，而这种转速的改变主要是通过一系列相互啮合的不同齿数的齿轮来实现的。因此主动齿轮会对与其啮合的从动轮轮齿施加推动力，从而带动从动轮的旋转。所以齿轮会受到外力的影响，从而导致齿轮自身会产生相应的应力。虽然齿

2、轮所承受的应力远低于材料的屈服点，但长时间工作也有可能导致齿轮产生裂纹而断裂。齿轮在转动过程中，接触面的齿面会产生滑动摩擦，从而磨损齿面而导致轮齿的断裂。齿轮在传动过程中，会由于换挡、启动或啮合不良而使齿轮受到冲击载荷的作用，从而使齿轮变形甚至断裂。以上均是齿轮的工作环境，为了能使齿轮在上述环境下能正常工作，就得要求齿轮的自身条件能符合上述条件。2.1受力分析及失效形式 齿轮在工作过程中， 由于轮齿受到外力的作用，会产生相应的应力。该应力是由零逐渐增加到最大值，又由最大值逐渐减小到零，即应力随时间作周期性的变化，这种应力称为交变应力（也称循环应力）。在交变应力作用下，虽然齿轮所承受的应力远远低

3、于材料的屈服点（材料发生永久变形即塑性变形时对应的应力），但经过较长时间工作后有可能会产生疲劳裂纹导致断裂，这种现象称为疲劳，疲劳是导致齿轮失效甚至造成重大事故的主要原因。齿轮传动过程中， 接触的两齿面会产生一定的相互滑动，发生滑动摩擦，导致齿面发生磨损。磨损严重时，会加大齿侧间隙而引起传动不平稳和冲击，甚至会因齿厚被过度磨损，在受载时发生轮齿折断现象。齿轮在传动过程中，由于换档、起动或啮合不良，轮齿可能会受到冲击载荷的作用， 当冲击载荷较大时，有可能导致齿轮变形甚至断裂。3.车床主轴箱齿轮材料的性能力学性能要求；为了满足齿轮的工作的条件，防止出现疲劳、磨损以及断裂等情况的出现，需要求齿轮必须

4、有较高的硬度及好的耐磨性，齿面有较高的疲劳强度，齿轮心部要有足够的强度和韧度，通常情况下要求齿轮心部的硬度达170-217HB齿面硬度达45-50HRC。根据齿轮的受力情况和失效分析可知,齿轮一般都需经过适当的热处理,以提高承载能力和延长使用寿命，齿轮在热处理后应满足下列性能要求: 1）高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度(抗疲劳点蚀)。 2）齿面具有较高的硬度和耐磨性。3）齿轮心部具有足够的强度和韧性。4.车床主轴箱齿轮材料的选择4.1选材原则 1） 材料的使用性能应满足零件的使用要求。使用性能是指零件在正常使用状态下， 材料应具备的性能，包括力学性能、物理性能和化学性能。使用性能是保证零件工作安

5、全可靠、经久耐用的必要条件。不同机械零件要求材料的使用性能是不一样的。选材时，首先要根据零件的工作条件和失效形式，正确地判断所要求的主要性能，然后根据主要的使用性能指标来选择较为合理的材料；有时还需要进行一定的模拟试验来最后确定零件的材料。对于一般的机械零件，则主要以其力学性能作为选材依据。在对零件的工作条件、失效形式进行全面分析，并根据零件的几何形状和尺寸、工作中所受的载荷及使用寿命，通过力学计算确定出零件应具有的主要力学性能指标及其数值后，即可利用手册选材。 2） 材料的工艺性应满足加工要求。材料的工艺性是指材料适应某种加工的能力。在选材中，与使用性能相比，材料的工艺性能常处于次要地位。但

6、在某些特殊情况下，工艺性能也会成为选材的主要依据。金属材料如果用铸造成形，最好选择共晶成分或接近共晶成分的合金；如果用锻造成形，最好选用组织呈固溶体的合金；如果是焊接成形，最适宜的材料是低碳钢或低碳合金钢；为了便于切削加工，一般希望钢铁材料的硬度控制在170230 HB（这可通过热处理来调整其组织和性能）。 3） 选材时应充分考虑经济性。选材时应注意降低零件的总成本。零件的总成本包括材料本身的价格、加工费、管理费及其它附加费用（如零件的维修费等）。据资料统计，在一般的工业部门中，材料的价格要占产品价格的30%70%。因此，在保证使用性能的前提下，应尽可能选用价廉、货源充足、加工方便、总成本低的

7、材料，以取得最大的经济效益，提高产品在市场上的竞争力。4.2 齿轮的选材 根据对齿轮力学性能的要求，应从具有好的综合力学性能指标这个要素选择材料 工业生产中常用的金属材料主要是钢、铸铁及合金。铸铁的含碳量比较高（C>2.11%），因此有高的硬度和好的耐磨性，但塑性、韧性差，价格相对便宜，对于一些低速、低冲击载荷条件下工作的齿轮，可选用铸铁。钢按含碳量分为低碳钢C0.25% ； 中碳钢0.25%C0.60%；高碳钢0.60%C2.11%。低碳钢含碳量低，所以塑性、韧性好，但强度、硬度低，易变形，不能满足齿轮的性能要求。高碳钢含碳量高，因此有较高的强度、硬度和好的耐磨性。但塑性、韧性差，易断

8、裂，也不太适合。中碳钢的含碳量在低碳钢和高碳钢之间，兼具有低碳钢和高碳钢的性能，有较好的综合力学性能，能满足齿轮的性能要求，因此选用中碳钢比较合适，价格相对于合金钢便宜。生产中通常选用45#钢。此外，在生产中也常常选用40Cr 合金钢制造齿轮，但合金钢相对碳钢而言价格要贵。5.车床主轴箱齿轮毛坯的选择毛坯的选择一定要满足以下原则： （1）满足齿轮的使用要求，防止出现选用的毛坯的性能不符合齿轮的工作要求。 （2）降低生产成本，它包括本身的材料费用、损耗的燃料和动力费用、工资、设备的折旧费等 （3）要结合具体的生产条件，也就是本企业的设备条件和技术水平。生产中齿轮的毛坯类型通常是模锻件，这种模锻件

9、的尺寸和精度都比较高，机械加工的余地较小，节省加工工时并且材料的利用率也较高，更重要的是这种材料的晶粒细小、组织致密，综合性能最符合齿轮的工作要求。6.车床主轴箱齿轮的加工工艺过程分析6.1.基准的选择为了减少定位误差，提高齿轮加工精度，在加工时应满足以下要求：（1）应选择基准重合、统一的定位方式；（2）内孔定位时，配合间隙应尽可能减少；（3）定位端面与定位孔或外圆应在一次装夹中加工出来，以保证垂直度要求。6.2齿轮毛坯的加工齿面加工前的齿轮毛坯加工，在整个齿轮加工过程中占有很重要的地位。因为齿面加工和检测所用的基准必须在此阶段加工出来，同时齿坯加工所占工时的比例较大，无论从提高生产率，还是从

10、保证齿轮的加工质量，都必须重视齿轮毛坯的加工。在齿轮图样的技术部要求中，如果规定以分度圆选齿厚的减薄量来测定齿侧间隙时，应注意齿顶圆的精度要求，因为齿厚的检测是以齿顶圆为测量基准的。齿顶圆精度太低，必然使测量出的齿厚无法正确反映出齿侧间隙的大小，所以在加工过程中应注意以下问题： 1）当以齿顶圆作为测量基准时，应严格控制齿顶圆的尺寸精度；2）保证定位端面和定位孔或外圆间的垂直度；3）提高齿轮内孔的制造精度，减少与夹具心轴的配合间隙；6.3齿形及齿端加工齿形加工是齿轮加工的关键，其方案的选择取决于多方面的因素，如设备条件、齿轮精度等级、表面粗糙度、硬度等。齿轮的齿端加工有倒圆、倒尖、倒棱和去毛刺等

11、方式如下图：经倒圆、倒尖后的齿轮在换档时容易进入啮合状态，减少撞击现象。倒棱可除去齿端尖角和毛刺。用铣刀对齿端进行倒圆时，铣刀高速旋转，沿圆弧做摆动，加工完一个齿后，工件退离铣刀，经分度再快速向铣刀靠近加工下一个齿的齿端。7.车床主轴箱齿轮加工的热处理工艺齿轮的加工工艺路线：下料 锻造 正火 机加工 表面淬火+回火 精磨8.各工序的作用分析8.1锻造 齿轮通常是锻造成形。通过锻造能消除齿轮在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，齿轮经过锻造加工后能改善其组织结构和力学性能。铸造组织经过锻造方法热加工变形后由于金属的变形和再结晶，使原来的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织，使钢锭

12、内原有的偏析、疏松、气孔、夹渣等压实和焊合，其组织变得更加紧密，提高了金属的塑性和力学性能。8.2正火 将齿轮放入炉中加热到840880oC，保温约3h，出炉在空气中分散冷却。目的是充分消除锻造引起的内应力，细化晶粒，适当提高齿轮的硬度，防止“粘刀”，改善齿轮性能，为以后的机加工做性能准备，同时为后序的热处理做准备工作。选择正火可以细化晶粒，提高钢的硬度，改善低碳钢的切削加工性能。正火与退火的不同点是正火冷却速度比退火冷却速度稍快，因而正火组织要比退火组织更细一些，其机械性能也有所提高。另外，正火炉外冷却不占用设备，生产率较高，因此生产中尽可能采用正火来代替退火。由于正火后工件比退火状态具有更

13、好的综合力学性能，对于一些受力不大、性能要求不高的普通结构零件可将正火作为最终热处理，以减少工序、节约能源、提高生产效率。8.3机加工 主要是车外圆和滚齿。车外圆是指用车削方法加工工件的外圆表面，滚齿是指用齿轮滚刀或蜗轮滚刀按展成法加工齿轮或蜗轮等的齿面。在制订机加工工艺规程的过程中，往往要对前面已初步确定的内容进行调整，以提高经济效益。在执行工艺规程过程中，可能会出现前所未料的情况，如生产条件的变化，新技术、新工艺的引进，新材料、先进设备的应用等，都要求及时对工艺规程进行修订和完善。8.4表面淬火+回火 表面淬火：通常利用感应加热淬火装置，只对轮齿部位进行局部感应加热表面淬火。其做法是将齿轮

14、置于感应器内，通入交流电，齿轮温度达到860900后，随后用水快速冷却，淬火后表面不得有裂纹，淬火可以提高轮齿表面硬度和耐磨性，淬火后表面硬度可达到4853HRC，淬硬层可达34mm。表面淬火的目的在于获得高硬度，高耐磨性的表面，而心部仍然保持原有的良好韧性。表面淬火采用的快速加热方法有多种，如电感应，火焰，电接触，激光等，目前应用最广的是电感应加热法。 回火：将齿轮放入回火炉中加热到200240oC，保温约1h，出炉空气中冷却。回火一般紧接着淬火进行，其目的是消除在淬火时产生的内应力，防止齿轮在工作中变形和开裂；调整工件的硬度、强度、塑性和韧性，达到使用性能要求；获得稳定的组织，保证尺寸的稳

15、定性；改善和提高加工性能；提高齿轮的韧性，调整齿轮的强度和硬度，获得较好的综合力学性能。8.5精磨主要是磨齿、推孔等处理：回火过程中轮齿、孔径会发生微变形，因此要进行精磨处理，保证齿轮尺 寸的精确，以满足精度要求。经过这样的热处理以后，齿轮的轮齿表面可以获得高的硬度和耐磨性，而心部仍有较好的塑性和韧性，从而满足齿轮的工作性能要求。9. 润滑油种类的推荐和选择滑油又直接影响减速器的运行，因此，必须根据实际条件反复试验提出润滑油的技术要求，即适当的粘度，良好的抗磨性，一定的油膜强度和稳定性、无腐蚀作用等。根据齿轮的种类和负荷条件来选择9.1润滑油种类的推荐和选择 齿轮种类 负荷 推荐使用的润滑油 直斜齿轮和锥齿轮 低负荷一般机械油，对于重要的传动可添加防锈剂的抗氧化剂 中等负荷汽缸油，齿轮油，中负荷工业齿轮油 高负荷重负荷齿轮油，重负荷蜗轮蜗杆油 蜗轮传动 复合型润滑油（即在矿物油中填加310的脂肪油），对通常的传动可用汽缸油、蜗杆油 双曲线锥齿轮 高极压型的双曲线齿轮油9. 车间平面图10.结束语对一些受力复杂、大型的重要齿轮而言，在正火之后还需进行调质处理， 以满足性能要求。所谓调质处理即淬火+高温回火。淬火