毕业设计（论文）-40MnB车床主轴热处理工艺设计

1、 攀枝花学院 学生课程设计论文题 目: 40MnB车床主轴热处理工艺设计 学生姓名： X X X 学 号： 20211110XXXX 所在院(系)： 材料工程学院 专 业： 20XX级材料成型及控制工程 班 级： 材料成型及控制工程1班 指 导 教 师： X X X 职称： 讲 师 2021年12月14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40MnB车床主轴的热处理工艺设计1、课程设计的目的使学生了解、设计40MnB车床主轴的热处理工艺，融会贯穿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

2、内容 ：1明确设计任务包括用途、服役条件及性能要求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设计质量检验工程6设计热处理工艺卡片740MnB车床主轴的热处理缺陷及预防或补救措施要求：1通过查找资料充实、完善各项给定的设计内容。2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。3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, 20052 中国机械工程学会热处理分会热处理工程师手册机械工业出版社2003第一版.3 张玉庭主编热处理技师手册机械工业出版社2006第一版

3、4 中国机械工程学会热处理学会热处理手册机械工业出版社2003第三版.4、课程设计工作进度方案第十六周：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。指导教师签字孙青竹日期2021年11 月 25 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工程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

4、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

5、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、设计论文标准化程度5符合本专业相关标准或规定要求；标准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对前人工作有改良或突破，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 本课设计了40MnB车床主轴热处理工艺设计。在实际生产中遇到需要用 40MnB钢替代 40Cr或 45钢的情况。40MnB具有较高的强度、硬度、耐磨性及良好的韧性，正火可促进组织球化，改良硬度小于160HBS毛坯的切削性

6、能。在温度550570进行回火，该钢具有最正确的综合力学性能。该钢的淬透性高于40Cr钢，适合于高频淬火，火焰淬火等外表硬化处理等。 HYPERLINK :/baike.baidu /picview/2408062/2408062/0/d66b7e59d7d69e772934f0fe.html t _blank HYPERLINK :/baike.baidu /picview/2408062/2408062/0/d66b7e59d7d69e772934f0fe.html t _blank 用作汽车上的转向臂、转向节、转向轴、半轴、蜗杆、花键轴、刹车调整臂等，也可代替40Cr钢制造较大截面的零件

7、。 车床主轴指的是 HYPERLINK :/baike.baidu /view/9884.htm t _blank 机床上带动 HYPERLINK :/baike.baidu /view/53669.htm t _blank 工件或 HYPERLINK :/baike.baidu /view/26232.htm t _blank 刀具旋转的 HYPERLINK :/baike.baidu /view/111087.htm t _blank 轴。通常由主轴、 HYPERLINK :/baike.baidu /view/5545.htm t _blank 轴承和传动件 HYPERLINK :/ba

8、ike.baidu /view/25045.htm t _blank 齿轮或带轮等组成主轴部件。主轴是机床上传递动力的零件，常需承受弯曲、扭转、疲劳、冲击载荷的作用，同时在滑动与转动部位还受到摩擦力的作用。因此，要求主轴具有高强度、硬度、足够的韧性及疲劳强度、变形小等性能。而45号钢为优质碳素结构用钢，硬度不高且容易切削加工，直接用在车床主轴上不太适宜，所以需要对40MnB进行适当的热处理。关键词：40MnB，车床主轴，热处理工艺，二次调质，淬火。 目 录摘TOC o 1-3 h u 要1、设计任务2、设计方案2.1 车床主轴设计的分析2.2 40MnB的化学成分及分析3、设计说明工艺流程3.

9、3 花键高频淬火3.3.1 淬火方式3.3.2 花键高频淬火工艺参数3.3.3 花键回火工艺参数4、设计质量检验工程5、40MnB车床主轴的热处理缺陷及预防或补救措施6、分析与讨论7、结束语8、热处理工艺卡片参 考 文 献1 设计任务40MnB车床主轴的热处理工艺设计 40MnB具有较高的强度、硬度、耐磨性及良好的韧性，经过二次淬火，回火等一系列处理后 ,40MnB钢的各项热处理性能指标均能满足生产实际中的要求 ,实践证明该材质的替代性能非常好，在锥孔进行局部淬火使键槽部位不淬硬，提高耐磨性；在花键局部可采用高频淬火减少变形并到达外表淬硬。车床主轴经过适当的热处理工艺，可以到达良好的工作性能，

10、使主轴能在正常的工作中有足够的硬度，且在花键等局部有良好的耐磨性。因此，在实际生产中遇到需要用 40MnB钢替代 40Cr或 45钢的情况。2 设计方案传递扭矩，承受交变扭转载荷，往往还受有交变弯曲应力。有时还承受拉-压轴向载荷作用。轴颈处及花键等滑动外表处，承受着较大的摩擦和磨损。主轴还承受着一定的冲击载荷的作用。主要失效形式为承受摩擦与磨损失效。由于轴相对运动的外表如轴颈处过度磨损或润滑不良等导致磨损失效。例如带内锥孔或外锥孔的主轴，工作时配合件虽无相对滑动，但频繁装拆，易于使锥面拉毛磨损；特别是主轴和滑动轴承相配的轴颈，由于润滑不良，轴承材料选择不当、结构设计不合理、加工精度不够、装配不

11、良，间隙不均或嵌入杂质微粒等都有可能发生咬死即抱轴，使轴颈工作面咬伤，这是机床主轴正常情况下常见的失效形式。疲劳断裂疲劳断裂是机械零件再循环变应力作用下，将会出现的疲劳断裂。所有机械零件在工作过程中的实效疲劳断裂与断裂失效的50%90%，疲劳断裂一般会发生突然，危害性大，疲劳断裂是发生在零件的局部应力区，某些晶粒在变应力作用下形成微裂纹，随着循环数的增加，裂纹继续扩展，导致最终疲劳断裂。真对疲劳断裂的特点，可以采用各种强化方法来提高零件的抗疲劳力。变形失效变形失效主要有弹性和塑形变形失效弹性变形失效是零件因过量弹性变形产生的失效。主要是指失去弹性的能力，属于功能失效。引起弹性变形的原因是零件的

12、刚度不够，零件的刚度，除结构因素外，。还取决与材料的弹性模量，因此要预防弹性变形失效，因选择弹性模量高的材料制作零件。塑形变形失效是零件因过量塑形变形产生的失效，主要由于应力过大造成的。；零件产生的塑形变形，是由于实际工作应力超过了这种材料的屈服强度。再设计装配使用正常情况下，应考虑选用高屈服强度的材料。高的疲劳强度，防止轴疲劳断裂。良好的综合力学性能，即强度和塑形，韧性有良好的配合，以防止过载和冲击断裂。高的硬度、热硬性、热强度和良好的耐磨性，以增强抗咬死能力，防止轴颈、花键等局部承受摩擦的部位过度磨损或咬死。2.2 40MnB的化学成分及分析40MnB的化学成分：成分分析：Mn是良好的脱氧

13、剂和脱硫剂。它能消除或减弱由于硫所引起的钢的热脆性，从而改善钢的热加工性能。Mn和Fe形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，经固溶处理后有良好的韧性，当受到冲击而变形时，外表层将因变形而强化，具有高的耐磨性；同时又是碳化物形成元素，进入渗碳体中取代一局部铁原子。Si能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度。硅能提高钢的弹性极限、屈服强度和屈服比(s/b),以及疲劳强度和疲劳比(-1/b)等。 硅能促使铁素体晶粒粗化，降低矫顽力。3 设计说明40MnB车床主轴的热处理工艺设计的热加工工艺流程如下: 下料锻造正火粗加工调制半精加工双重淬火+低温回火粗磨低温人工时效精磨检验成品。A钢属于低

14、碳钢，其成分如下表1.表1 40MnB钢的化学成分质量分数，%CMnPSCrNiCuSi0.340.440.300.300.30热处理件零件图图1 CM6140车床主轴图40MnB车床主轴的热处理包括初期的锻造，以减少坯料的硬度为方便后面的机加工，也为后续淬火、回火提供优良的原始组织。40MnB车床主轴的热处理工艺分析：在普通碳结构钢的根底上，冶炼时参加锰(Mn)和微量硼(B)元素，可提高钢的透性、降低钢的冷、热变形抗力。用40MnB钢代替含稀有贵重Cr、Ni、Mo等元素40CrNiMo、40CrNi、40Cr等调质钢制造车床主轴有显著技术经济效益。但硼钢缺乏之处是B元素参加后钢的韧性不够稳定

15、，B的含量和热加工工艺对B相的变学性能及组织成分变化十分敏感。为此，冶炼时应严格控制B元素含量。经多年研究发现，40MnB钢双重淬火新工艺能有效解决韧性不够稳定等问题。钢中B元素可溶于Fe(铁)，形成间隙式和置换式固溶体，同时与Fe、C、N、O等元素形成化合 。40MnB结构钢中有Fe3(CB)、Fez(CB)6等F CB化合物。还能形Fe (BOz)2、Fe Fe2 BO5、Fe B06等FeOB型化合物。FeC-B为脆性相复合化合物。上述化合物均称“B相。B相随着钢中B元素含量、奥氏体化温度和热处理工艺的变化而形态各异，呈点状、粒状、条状、网状、空心状和角状等形态分布。试验研究说明，40M

16、nB钢的组织、性能、质量和寿命均与钢中B相数量和B相在奥氏体晶界析出物形态及分布密切相关，4OMnB原材料及退火态中B相数量在奥氏体晶界上的分布随着钢中B含量的提高而增加且粗化(表1)。表l说明，40MnB钢在相同的工艺条件下，B相随着钢中B含量的增加而增多，B相化合物在晶内和晶界的分布明显粗化，降低韧性。表2为40MnB钢不同B含量与奥氏体化温度及B相形貌关系。由表2可知，随着淬火温度的升高，B化物逐渐固溶于奥氏体中，B相逐渐减少，由粗变细，由大变小，由密集堆集状变为分散分布。但当淬火温度超过ll0。c【=时，晶粒明显粗化，对机械力学性能造成不利影响。在相同奥氏体化条件下，随着钢中B含量增加

17、，B相变粗且较难溶解，为此，应将B在钢中含量限制在00ol0一0o0l5B之间为宜。金相观察说明，即使在1050(3一l 100C的高温下，B相虽未全部溶解，但仅有少量呈细小匀分布的B相，大大降低了B化物对钢基体的切割作用，增加了室温机械力学性能。预备热处理工艺40MnB钢一般不做退火处理，一是长时间退火造成铁素体聚集，组织不均匀，二是周期长，生产效率低，长采用高温回火或者正火。正火的温度在870以下所以没有重结晶过程；不能钢化的晶粒和组织，但是可以消除或降低因锻轧而存在的内应力，降低硬度，便于切削加工，而且，高温回火时间短，本钱低，工艺曲线如图：图2 正火工艺曲线3.2.2双重淬火+低温回炽

18、热处理工艺双重淬火+低温回火40MnB钢制1O9级高强度双头螺栓技术条件：crb1000MPa、 02 800MPa、8s10 、 45 、&K70Jcmz、HRC3538o工艺流程：原材料 切断下料 加热至1050t2l150(3 热挤成形毛坯后1050t2-1 100T：高温余热淬CL-1有机淬火冷却介质，接着在60010Cx2h高温回火一车外圆 精磨螺纹局部外圆，磨削量不小于05mm，去除脱碳层 搓丝或滚丝_探伤 外表处理 检验 成品。最终淬火 第一次热挤压成形螺栓毛坯高温余热淬火目的使B相充分固溶于奥氏体中，但晶粒较粗。第二次淬火即最终淬火主要目的是细化晶粒，经高温回火后获得细密回火索

19、氏体组织，具有优良综合机械力学性能，到达技术条件和使用要求。表4工艺实验数据说明，热挤压成形毛坯高温余热1050C1 100C淬火+60010Ex2h调质预处理+86o 一870C盐浴炉加热，保温05minmm，CL一1淬火剂冷却+51OE520，保温23h，CL1有机冷却剂冷却，到达最正确力学性能和使用性能，合格率100，工艺见图l。高温余热淬火空冷、砂冷均达不到技术条件。图3 40MnB车床主轴的热处理的双重淬火+低温回火图4 淬火工艺曲线表2 40MnB双重淬火、回火后的主要力学性能3.3 花键高频淬火3.3.1 淬火方式花键局部可采用高频淬火以减少变形并到达外表淬硬，经回火后，外表硬度

20、可达4853 HRC。3.3.2 花键高频淬火工艺参数 花键高频淬火工艺参数如下表：表4 花键高频淬火工艺参数4设备GP100一L3高频淬火机床加热频率25O kHz工件转速350 rmin灯丝电压33 V移动速度2 mins阳极电压12000 V加热温度85010阳极电流7 A冷却介质及冷却方式25清水(O3Mpa)喷淋冷却栅级电流槽路电压5 000 V感应器型号55 mm 10 mm(内径高度)3.3.3 花键回火工艺参数 花键回火工艺参数如下表：表4 花键回火工艺参数回火设备空气回火炉回火温度180保温时间6 h检测技术条件检验方法硬度4853 HRC洛氏硬度计机检允许变形量O30 mm

21、顶尖、百分表检查4、设计质量检验工程a.主轴的性能要求，如力学性能、外表特征等。b.可能产生的缺陷，如龟裂，裂纹等。c.易损零件的极限磨损及允许磨损标准。d.配合件的配合间隙标准。e.主轴的其他报废条件，如轴承合金与其体的结合强度、平衡性和弹性力消失。f.主轴外表的异常，工作外表的划伤、腐蚀、外表储油性能破坏。a.检视法 凭借个人的感觉耳听，目测或借助简单的工具，标准块等进行检测、比拟和判断主轴的失效形式。b.磁粉检验 利用铁磁材料作用下能够产生磁化，主轴在磁场的作用下，由于外表存在缺陷，从而显示缺陷的位置、形状和取向。c.超声波检测法 利用主轴内的压电效应产生的超声波在介质中传播时遇到裂纹，

22、夹渣或缩孔的界面会反射在检测仪的光频上，从而确定缺陷的位置、大小和性质。d.尺寸仅形位精度测量 用相应的测量工具盒仪器对尺寸，形状和位置精度进行检测。e.力学性能测定 使用专用仪器、设备对主轴的力学性能参数的测定。5、40MnB车床主轴的热处理缺陷及预防或补救措施氧化和脱碳：工件在加热过程中，由于周围的加热介质与钢外表所起的化学作用，会使钢发生氧化与脱碳，严重影响淬火工件的质量。氧化：是指钢的外表与加热介质中的氧、氧化性气体、氧化性杂质相互作用形成氧化铁的过程。由于氧化铁皮的形成，使工件的尺寸减小，外表光洁度降低，还会严重地影响到淬火时的冷却速度，致使工件外表产生软点和硬度缺乏。钢的氧化虽然是

23、化学反响，但是一旦在钢的外表出现一层氧化膜之后，氧化的速度主要取决于氧和铁原子通过氧化膜的扩散速度，如图2-53所示。由图可见，随着加热温度的升高，原子扩散速度增大，钢的氧化速度便急剧地增大，特别是在570度以上，所形成的氧化膜是以是FeO为主，它是不致密的，结构疏松的。因此，氧原子很容易透过已形成的外表氧化膜，继续与铁发生氧化反响，所以，当氧化膜中出现FeO时，钢的氧化速度大大增加，氧化层逐渐增厚。在570度以下氧化膜那么由比拟致密的Fe3O4所构成，由于处于工件外表的这种氧化膜结构致密，与基体结合牢固，氧原子难以继续渗入，故氧化的速度比拟缓慢。脱碳：是指钢表层中的碳被氧化，使钢的表层含碳量

24、降低，钢的加热温度越高，且钢的含碳量越多特别具有高含量的硅、钼、铝等元素时，钢越容易脱碳。由于碳的扩散速度较快，所以钢的脱碳速度总是大于其氧化速度。在钢的氧化层下面，通常总是存在着一定厚度的脱碳层，由于脱碳使钢的表层碳含量下降，从而导致钢件淬火后表层硬度缺乏，疲劳强度下降，而且使钢在淬火时，容易形成外表裂纹。为了防止氧化、脱碳，根据工件的技术要求和实际情况，可以采用保护气氛加热、真空加热，以及用工件外表涂料包装加热等方法。在盐浴中加热时，可以采用经常参加脱氧剂的方法，并要求建立严格的脱氧制度。此外，对普通箱式炉稍加改造后，采用滴入煤油的方法进行保护，可大大改善加热工件的外表质量。过热和过烧：钢

25、件进行奥氏体化加热时，如加热温度过高或加热时间过长，会引起奥氏体晶粒长大变粗，形成的马氏体也粗化，这种现象叫过热。过热的工件几乎不能防止淬火裂纹产生。因为在生成的马氏体中存在大量微裂纹，这种马氏体裂纹会开展为淬火裂纹。在加热温度更高的情况下，钢的奥氏体晶粒进一步粗化，并产生晶界氧化，严重时还会引起晶界熔化，这种现象叫过烧。产生过烧的工件，其性能急剧降低。有过热缺陷的工件，可先进行一次细化组织的正火或退火，然后再按正常标准重新淬火。有过烧缺陷的工件因无法挽救而只能报废。 软点：工件或钢材淬火硬化后，外表硬度偏低的小区域被称之为软点。当用水作冷却介质时，工件外表因被传热很差的蒸气膜包住而造成冷却缓

26、慢，所以淬火后工件的软点比拟严重，在存在氧化皮和脱碳的部位也会出现软点。软点可用锉刀检查，容易锉动的地方即是软点所在部位。为了防止软点，应该使工件在无氧化、无脱碳条件下加热；其次是加强淬火介质在淬火过程中的机械搅拌；也可采用清水中参加盐、碱，或采用聚乙烯醇等水溶性有机溶液做淬火介质，使钢件在淬火时形成蒸气膜迅速破坏，不至于出现淬火软点。淬火裂纹淬火裂纹是由于淬火内应力在工件表层的拉应力超过冷却时钢的断裂强度而引起的，这种裂纹是工件在进入冷却介质中不久之后，温度降至Ms点大约为250度以下时产生的。这是因为工件从奥氏体化温度急冷至Ms点以下的过程中，因马氏体转变使塑性急剧降低，而组织应力急剧增大

27、，所以容易形成裂纹。形成淬火裂纹的原因：a.导致淬火裂纹的原因很多，大体可归纳为三个方面。热处理工艺：如过热、脱碳、冷速过快、冷却操作不当、淬火后未及时回火等。b.原材料原因：如有大块或连续分布的非金属夹杂物、碳化物偏析、白点、气孔、锻造折叠等。c.工件结构设计或选材不当：如工件壁厚相差悬殊，具有形成应力集中的尖角、凹角等。在选材方面对形状复杂的零件选用淬透性较低的钢种，从而造成在剧烈的冷却过程中开裂。淬火裂纹的防止：淬火裂纹一旦产生便无法挽救，因此必须设法防止。为了防止淬火裂纹，首先应改善零件结构设计的工艺性，并正确选用钢材。在淬火技术方面，应特别注意在点以下Ms点以上快冷、在Ms慢冷，即遵

28、守“先快后慢的原那么，如双介质淬火和分级淬火能有效防止淬火裂纹。工件淬火后要注意立即回火，因为淬火工件中或多或少地存在一定量的剩余奥氏体，这些奥氏体在室温下的放置过程中会转变成马氏体，从而因发生体积膨胀而导致开裂。同时，淬火剩余应力的存在会助长裂纹产生。这种裂纹是延迟发生的淬火裂纹，其形状与淬火裂纹相同。回火缺陷回火缺陷主要指回火裂纹和回火硬度不合格。所谓回火裂纹，是指淬火状态钢进行回火时，因急热、急冷或组织变化而形成的裂纹。有回火硬化二次硬化现象的高合金钢，比拟容易产生回火裂纹。防止方法是在回火时缓慢加热，并使回火温度缓慢冷却。硬度过高一般是因回火温度不够造成的，补救方法是按正常回火标准重新

29、回火。回火后硬度缺乏主要是回火温度过高，补救方法是退火后重新淬火回火。出现硬度不合格时，首先要查找原因，检查是否发生混料，因为这也是引起淬火后硬度不合格的主要原因。回火脆性，是钢的一种热处理特性，而不是热处理缺陷。但如果不注意这种特性，有时就会成为回火缺陷的根源。回火脆性一般有两类，第一类是低温回火脆性，钢在250-400度范围内产生，生产过程中无法通过改变工艺操作来消除，只能尽量防止在此温度范围内回火，或改用等温淬火工艺来代替淬火加回火；第二类是高温回火脆性，某些合金钢在450-575度回火，或在稍高温度下回火后缓慢冷却，出现了冲击韧度下降的现象，这类已脆化的钢再次重新加热至预定的回火温度，

30、然后快冷至室温，脆性消失，所以也叫可逆回火脆性。 减少变形及防止裂纹的措施淬火的目的是为了获得马氏体，就要快速冷却，但这又会引起淬火内应力，淬火工件发生变形和开裂的根本原因是由于淬火内应力造成的。因此，除制定合理的淬火工艺外，同时还必须设法减小淬火内应力，防止变形和开裂。所以有必要对淬火过程中产生的内应力有所了解。内应力有热应力和组织应力两种，它们的成因和作用是不同的。6 分析与讨论 40MnB车床主轴的热处理工艺设计已经在前面展示，单就其性能以及热处理的过程想必是没多大问题，假设放入实际生产中有很多不可预知的问题，因此，不能纸上谈兵须得到工厂或者实验室中反复的通过实验数据进行分析，然后在得出最重要的结论用于实践中，从而在生产中减低本钱、提高效率并且减少工时，降低能源消耗。总之，由于轴较长，且锥孔与外锥体对两轴颈的同心度要求高，故锥部淬火应与花键淬火分开进行，这样可减少淬火变形，并且锥部淬火及回火后，需用粗磨来纠正淬