陈晓松0740602108课程设计

1、 专业课程设计报告题目：常用金属材料加工工艺设计及质量控制变速箱二轴齿轮 学 院 ： 材料学院 专 业： 金属材料 姓 名： 陈 晓 松 学 号： 0740602108指导教师 ： 谢春生 日 期：2011.3.19目 录1.齿轮的使用条件与性能要求1.1齿轮的使用条件1.2齿轮的性能要求和失效形式2.热加工工艺的总体设计 2.1材料的选择 2.2工艺的制定3.热加工工艺的详细设计 3.1原材料的下料 3.2锻造及锻后的热处理3.3齿轮的粗加工 3.3渗碳及渗碳后的热处理 3.5喷丸 3.6精加工与装配4.总结与讨论 参考文献 常用金属材料加工工艺设计及质量控制变速箱二轴齿轮摘要：长期以来，我

2、国载货汽车齿轮使用最普遍的钢种是20CrMnTi。这是上世纪50年代我国从原苏联引进的中型的汽车齿轮18XTr钢种(即20CrMnTi钢)，用20CrMnTi制造齿轮的工艺应经趋于成熟。但是在加工工艺中存在的缺陷还是很多，导致齿轮的工作效率和使用寿命受到限制。本课题针对齿轮加工的热处理工艺进行探究，已达到减少由于工艺的不佳导致的缺陷。关键词： 二轴齿轮 20CrMnTi 热加工工艺 1.齿轮的使用条件与性能要求 齿轮在机械传动中占有重要的地位，广泛应用在机床、汽车、拖拉机中，调节运动速度和方向、传递功率，齿轮应按照使用时的工作条件选用合适的材料，齿轮材料的选择对齿轮的加工性能和使用寿命都有直接

3、的影响。1.1齿轮使用条件： 齿轮在工作时的一般受力情况是：齿轮通过齿面接触传递动力，造成两齿面在相对滑动和滚动中产生剧烈摩擦，并使齿面承受交变接触应力，齿根承受交变弯曲应力；在齿轮启动换档和啮合不均匀时承受冲击载荷。1.2齿轮材料的性能要求和实效形式：1.2.1齿轮材料的性能要求： 为了保证齿轮的正常工作，齿轮应具备以下主要性能：高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。除材料本身性能外，还可依靠齿轮的表面强化处理来实现。齿面具有高的硬度和耐磨性，以防止粘着磨损和磨粒磨损，耐磨性的提高，主要依靠提高表面硬度和降低摩擦因数来实现。齿轮心部具有足够的强度和韧性，以提高齿轮的承载能力。此外，还要求齿轮具有高

4、的传动精度，材料具有较好的切削加工性及热处理工艺性等。1.2.2齿轮主要的失效形式及解决方法：齿面磨损：减少齿面磨损的方法主要是提高齿面硬度，采用中硬齿面，表面硬化，其中可用渗碳、碳氮共渗、渗氮等，也可以采用提高基体组织硬度、表面软层的方法，如经渗碳、渗氮后表面镀铜或镍钴合金。齿面接触疲劳：齿面接触疲劳是由于作用于齿面上的接触应力超过材料的疲劳极限而产生的。主要破坏形式有齿面出现麻点、浅层剥落、深层剥落等。主要通过提高齿面硬度改善麻点破坏的抗力。通过提高淬硬层深度避免深层剥落。齿根断裂：齿轮的弯曲疲劳破坏时齿根部受到最大振幅的脉动或交弯曲应力超过齿轮材料的弯曲疲劳极限时齿根断裂。提高齿轮弯曲强

5、度的根本途径是提高齿根处材料的强度及改善应力状态。 2.热加工工艺的总体设计2.1材料的选择载重汽车变速箱齿轮：工作较为繁重，负荷较大，冲击和磨损较强，要求具有比机床齿轮更高的疲劳强度，耐磨性及冲击韧度等。因而，必须选用渗碳钢制造，并经渗碳热处理后方可满足各方面的使用性能要求。制造重载汽车变速箱齿轮用渗碳钢20CrMnTi ，该钢晶粒细，渗碳时晶粒长大倾向小，具有良好的渗碳淬火性能，渗碳后可直接淬火。经渗碳淬火及低温回火后，表面硬度可达5862HRC，心部硬度为 3045HRC。同时还具有良好的工艺性能。20CrMnTi的化学成分见表1。当然，20CrMnTi钢也存在不足。一般认为20CrMn

6、Ti等渗碳钢是本质细晶粒钢，渗碳后晶粒不会租化，可直接淬火。但实际上由于钢材冶炼质量的影响，常常在正常条件下发生晶粒粗化现象。对多批材料的实际晶粒度试验，发现相当部分实际晶粒度只有23级(930保温3h条件下)。文献认为，20CrMnTi由于Ti含量较高，钢中TiN夹杂物多，尤其是大块的TiN夹杂是齿轮疲劳时的疲劳源，它的存在会降低齿轮的接触疲劳性能。这种夹杂物呈立方结构，受力时易发生解理开裂，导致齿轮早期失效。另一个问题是该钢的淬透性能有限，不能满足大直径大模数齿轮的要求，渗碳有效硬化层深度和心部硬度均不能满足重型齿轮的要求。此外，在热处理过程中20CrMnTi钢易产生内氧化和非马氏体组织而

7、降低齿轮的疲劳寿命。但目前在我国齿轮渗碳钢中还没有哪一种钢在渗碳工艺上有20CrMnTi钢这样成熟和可靠。所以，它仍是目前国内使用最普遍的渗碳钢种 表1：20CrMnTi的化学成分牌号 化学成分（质量分数）（%）CSiMnCr其他20CrMnTi0.17-0.230.17-0.370.80-0.101.00-1.30Ti0.04-0.102.2工艺的制定 下料锻造正火机械加工渗碳淬火回火喷丸精加工装配 3.热加工工艺的详细设计3.1原材料的下料下料是指确定制作某个设备或产品所需的材料形状、数量或质量后，从整个或整批材料中取下一定形状、数量或质量的材料的操作过程。坯料直径或边长坯料长度度100&

8、gt;100 -160>160-250>250-400>400-630>630-1000>100030±1±1+2-1± 2 1±2±2+3-231-50±1+2-1+2-1±2±2+3-2±352-80 +21+2-1±2±2+3-2±3+4-385-125±2±2+3-2±3+4-3+5-3>125±2+3-2±3+4-3+5-3+5-4 表2： 剪床、冲床下料坯料长度偏差锻件毛坯下料质

9、量要求：锯床下料按长度验收的坯料，其长度以两端面之间的短边为准。长度偏差不大于±2mm,端面倾斜角度小于3度。下料坯料不得有因切断而产生的裂纹。3.2锻造及锻后的热处理 锻造时一种利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形一获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法。通过锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化组织结构，同时由于保存了完整的金属流线，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。 3.2.1 锻前要检验锻压原材料：锻坯表面的结疤、折迭和表面裂纹等缺陷，都应在锻制锻件以前用机械加工方式予以去除。锻坯内部存在缩孔、气孔、裂纹、白点、过烧组织、断层和夹层缺

10、陷时，锻坯应作报废处理；存在石状断口组织而又不能用锻造和热处理方法矫正时，也做报废处理。锻坯显微组织中的非金属夹杂，在继续锻造时只能改变其形状、大小和分布状态，不能去除它应按有关标准作出评估以判断合格或报废。锻造过程中，因锻造和热处理温度控制不当，或锻造时变形量控制不当而引起的晶粒度不合格，如无法用热处理方法加以矫正时，应予以报废。3.2.2锻前预热守则：重量小于2-2.5吨、直径小于500-550mm的小型结构钢坯料，一般可直接装炉加热至始锻温度而不进行预热或分段加热。重量大于2-2.5吨、直径大于500-550mm的大型结构钢坯料和导热性差的中高合金钢锭料，一般需要小心进行分段加热。装炉前

11、对表面进行检查，如发现裂纹应停止使用。为保证锭料受热均匀，锭料地步应垫以垫铁；锭料与炉底、炉壁的距离不可小于200mm；与火焰喷嘴的距离不可小于500mm。 3.2.3锻造温度： 按变形温度，锻造分为热锻：锻造温度高于坯料金属的再结晶温度 温锻：锻造温度低于金属的再结晶温度 冷锻：锻造温度为常温钢的再结晶温度为460，但是普遍采用800。作为划分线，高于800的热锻，300800之间的是温锻或半热锻。本工艺采用热锻：锻坯下料锻坯加热锻备坯模锻成形切边冲孔矫正检验。锻造温度如表3示。 表3.20CrMnTi的锻造温度和加热规范 钢的牌号始锻温度（）终锻温度（）加热温度（） +30 -10保温时间

12、（min/mm-1)20CrMnTi120080012000.30.83.2.4 锻后冷却 由于各种锻件的截面尺寸不同，其散热冷却的条件存在较大的差异。因此锻件的冷却规范还应按照相同的散热尺寸范围来选择。锭制锻件锻后冷却方法见表4。 表4.： 钢锻件锻后的冷却方法钢号 最大散热尺寸/mm20CrMnTi100101200201300301400401500501600坑冷坑冷灰砂冷炉冷炉冷炉冷 3.2.5 锻后的热处理 正火 正火是将钢材或钢件加热到Ac3或Ac m以上3050，保温适当时间后，在静止的空气中冷却得到珠光体类组织的热处理工艺。正火工艺的目的是为了消除冶金及冷热加工过程中产生的缺

13、陷，细化组织，并为以后的机械加工及热处理准备均匀良好的组织。表5列出了20CrMnTi锻后热处理规范 表5.中小型锻件锻后热处理规范 钢号临界点/工序工艺规范硬度 HBS20CrMnTiAc1 740Ac3 825Ar3 730Ar1 680 正火960980，空冷156207 等温退火加热温度920980，急冷至等温温度660680，等温空冷156207正火后的组织为:均匀分布的细小片状珠光体和铁素体。3.3齿轮的粗加工 粗加工是以快速切除毛坯余量为目的，在粗加工时应选用大的进给量和尽可能大的切削深度，以便在较短的时间内切除尽可能多的切屑。齿轮加工成形，粗加工对表面质量的要求不高。3.4 渗

14、碳及渗碳后的热处理渗碳的目的是提高工件齿面的含碳量，.渗碳工艺分为：固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳。可写各自优、缺点。现代工业多为气体渗碳。以气体渗碳分析 是对金属表面处理的一种，采用渗碳的多为低碳钢或低碳合金钢，具体方法是将工件置入具有活性渗碳介质中,加热到900-950摄氏度的单相奥氏体区,保温足够时间后,使渗碳介质中分解出的活性碳原子渗入钢件表层,从而获得表层高碳,心部仍保持原有成分. 相似的还有低温渗氮处理。这是金属材料常见的一种热处理工艺，它可以使渗过碳的工件表面获得很高的硬度，提高其耐磨程度。这里我们采用固体渗碳。 固体渗碳是将零件置于四周填满固体渗碳剂的箱内并加以密封，然后送入加热

15、炉中加热到渗碳温度（900930），保温一定时间使零件表面增碳的热处理工艺。表6列出了固体渗碳剂组成和组别划分： 表6： 固体渗碳剂组成和组别划分组成材料 作用供碳剂木炭在渗碳温度下，持续不断的提供足够数量活性碳原子催碳剂BaCO3提高供碳剂析出活性碳原子的能力，增加渗碳箱内CO和CO2的分压；在渗碳后的冷却过程中，催碳剂的金属氧化物与CO2反应而还原再生，减少损耗。填充剂CaCO3或焦炭小粒防止渗碳过程中渗碳剂烧结成块粘合剂糖浆或淀粉使渗碳剂与木炭颗粒较牢固粘结起来，混合均匀。杂质水分4%；硫0.04%；SiO20.2%；挥发物8%（质量分数）3.4.1 固体渗碳工艺操作固体渗碳工艺操作见表

16、7。 表7：固体渗碳及渗后热处理工艺参数 具体说明渗碳温度1：一般为900-950，渗碳层要求较浅的取温度下限。2：渗碳箱装炉后在800-850进行透烧，以保证渗碳箱内温度均匀：渗碳箱尺寸（直径*高）（mm)250*450350*450350*600450*450透烧时间2.5-33.5-44-4.54.5-5渗碳时间t(平均渗速可按0.10.15mm/h估算)1:渗碳时间与渗碳温度、渗碳层深度和材料有关。2：渗碳时间与渗碳温度、渗碳层深度的关系：渗碳温度（）t(h)渗层深度mm0.40.81.21.62.02.42.83.28703.57101316192225900368101214161

17、89302.7556.589.51112.514955245678.51111.59851.53456789101012345678冷却1：工件随渗碳箱一起出炉空冷至室温后出箱2：工件随渗碳箱一起降温至840860，保温一定时间后出炉空冷至室温出箱，以便降低表面碳浓度，加厚渗碳层或对细晶粒钢从箱中取出直接淬火。淬火回火淬火+低温回火3.4.2 渗碳后的组织由表面向里珠光体+碳化物珠光体珠光体+铁素体珠光体+铁素体（心部原始组织）。 × 渗碳层显微组织为细粒状弥散均匀分布碳化物+隐针马氏体+残余奥氏体，心部显微组织少量铁素体+板条马氏体。3.4.3 渗碳后的热处理：淬火+回火 工件渗碳

18、后需进行合理的热处理，目的是获得高的力学性能和应用性能。相应的渗碳层显微组织为细粒状弥散均匀分布碳化物+隐针马氏体+残余奥氏体，心部显微组织少量铁素体+板条马氏体。表8列出了20CrMnTi的渗碳温度及渗碳后的热处理工艺与参数 表8：20CrMnTi渗碳、淬火、回火热处理规范及性能钢号渗碳温度（） 淬火回火表面硬度HRC20CrMnTi920-940温度（）介质（）温度（）介质（）56-63810-870油180-200空气淬火回火后组织：表面碳化物+回火马氏体+残余奥氏体。3.5 喷丸： 喷丸处理是工厂广泛采用的一种表面强化工艺，喷丸可提高零件机械强度以及耐磨性、抗疲劳和耐腐蚀性等。还可用于

19、表面消光、去氧化皮和消除铸、锻、焊件的残余应力等。喷丸强化可显著提高渗碳齿轮表面的残余压应力，从而提高齿轮的疲劳寿命。但要对喷丸参数进行合理的选择，防止过度喷丸，以免产生表面缺陷，降低强化效果。喷丸参数 喷丸时间15S，并保持喷丸速度为2900r/min，丸粒硬度为57HRC。喷丸后的组织变化 马氏体的微观亚结构被细化，残留奥氏体诱发转变为马氏体，该马氏体针非常细小。喷丸细化了金属表面的微观亚结构，使金属表面位错密度增加，亚晶细化，晶格畸变加剧。3.6 齿轮的精加工与装配随着近几年齿轮加工技术的发展，齿轮材料、齿轮刀具制造和磨齿砂轮的工艺的改进、齿轮机床在精加工齿轮的精度及加工效率方面都有了很大的提高。硬质合金滚刀虽然特别适用于滚削汽车用齿轮。但是，硬质合金滚刀在欧洲的应用程度仍然不高,这是由于随着新型的高速钢材料及高性能刀具涂层技术的发展，硬质合金滚刀与高速钢滚刀在滚齿时间上的差距可被控制在15%左右；硬质合金滚刀价格较高，若齿轮工件数量不足够多，使用硬质合金滚刀的成本会很高；再者，使用硬质合金滚刀时要特别小心，而且滚切参数和相应滚齿程序要编制得很细致，只有现代滚齿机才能使用硬质合金滚刀正确滚齿，而若要更新滚齿设备,则需要巨大的投资。 对于齿轮精加工，剃齿和磨齿之间，哪一种齿轮精加工