熱處理課程設(shè)計(jì)答辯PPT

1、組長(zhǎng)：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(jì) 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(jì)第一章第一章 力學(xué)性能計(jì)算第二章第二章 齒輪選材過(guò)程第三章第三章 齒輪加工路線第四章第四章 熱處理過(guò)程第五章第五章 第六節(jié) 熱處理設(shè)備 形狀設(shè)計(jì)選材過(guò)程力學(xué)性能加工路線1.11.1 基本公式 1 分度圓直徑計(jì)算 熱處理形狀設(shè)計(jì) 2齒頂圓直徑計(jì)算 3齒根圓直徑計(jì)算 4基圓直徑計(jì)算 5齒距計(jì)算 6齒厚計(jì)算 zmd )2( * aa hzmd )22( * chzmd af cos ddb mp mb)126(

2、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(jì)齒輪用于高速，中低載 按照齒輪設(shè)計(jì)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(guó)標(biāo)GB/T 1357-2008挑選 形狀設(shè)計(jì)選材過(guò)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(jì)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.

3、5 4.5 5.5 (6.5) 7 9 11 14 18 22 28 35 45 m = 5，z = 18，da = 100 形狀設(shè)計(jì)選材過(guò)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(jì)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(jì)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(guò)渡載荷和疲勞引起。 齒面點(diǎn)蝕 齒面接觸應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變化，產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展致使金屬微粒剝落。 齒

4、面膠合 多發(fā)生在高速重載傳動(dòng)中，齒面金屬粘連，相互運(yùn)動(dòng)形成溝紋。 形狀設(shè)計(jì)選材過(guò)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 齒輪一般失效形式 齒面磨損 分為磨粒磨損、跑合磨損，多出現(xiàn)在開(kāi)式且齒輪工作環(huán)境惡劣的情況。 齒面點(diǎn)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(jī)、傳動(dòng)機(jī)、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(jì)選材過(guò)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 1 3 形狀設(shè)計(jì)選材過(guò)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

5、2. .3 3 接觸疲勞 2 2 2 1 2 1 21 11 11 EE b Fn H 齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度 可以按照赫茲（H. Hertz）公式進(jìn)行計(jì)算 u u bd KT Z EH 12 5 . 2 2 其中下標(biāo)1為小齒輪、下標(biāo)2為大 齒輪，但大齒輪未知，取單向節(jié)點(diǎn) 處的接觸應(yīng)力為計(jì)算依據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化 彈 性 系 數(shù) 齒厚，分度圓 轉(zhuǎn) 矩 傳動(dòng)比，1.3 min/4800 88 1055. 910 66 rn kWP n PP T 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(dòng)機(jī) 工作機(jī)械的載荷特性 均勻中等沖擊較大沖擊 電動(dòng)機(jī)1.01.21.21.61.61.8 多缸內(nèi)燃機(jī)

6、1.21.61.61.81.82.2 單杠內(nèi)燃機(jī)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143.7 MPa389 3 . 1 13 . 1 9030 1075. 14 . 12 8 .1895 . 2 2 5 H MPa H 35.44715. 1389 安全系數(shù) 考慮材料使用 1.4 形狀設(shè)計(jì)選材過(guò)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(qiáng)度 齒輪的抗彎曲強(qiáng)度 可以

7、按照經(jīng)驗(yàn)修正公式進(jìn)行計(jì)算 zbm YKTY SaFa F 2 2 YFa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(wú)關(guān)。可 根據(jù)相應(yīng)圖表，按照標(biāo)準(zhǔn)齒輪x=0 對(duì)應(yīng)查找。 YFa = 3.0 YSa = 1.55 MPa F 241 18530 55. 10 . 31075. 14 . 12 43. 1 2 5 安全系數(shù) 考慮材料使用 材 料 力 學(xué) 性 能 基 本 要 求 表面硬度/HBS接觸疲勞強(qiáng)度/MPa抗彎曲強(qiáng)度/MPa 336450250 1. 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。

8、 形狀設(shè)計(jì)選材過(guò)程力學(xué)性能加工路線3.1 3.1 選材原則熱處理選材過(guò)程 2. 2. 工藝性原工藝性原 則則 3. 3. 經(jīng)濟(jì)性原經(jīng)濟(jì)性原 則則 經(jīng)濟(jì)性是指最小的耗費(fèi)取得最大的經(jīng)濟(jì)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(jì)選材過(guò)程力學(xué)性能加工路線3.1 3.1 選材原則熱處理選材過(guò)程3.2 3.2 實(shí)際選材 常 見(jiàn) 齒 輪 材 料 熱 處 理 后 力 學(xué) 性 能 以 及 市 場(chǎng) 價(jià) 格 熱處理 硬度 接觸疲勞強(qiáng)度 MPa 抗彎曲強(qiáng)度 MPa 價(jià)格 RMB/t表層心

9、部 20鋼 淬火回火143156HBS440170 29003700滲碳+淬火回火3846HRC185196HBS640260 表面淬火3044HRC214228HBS1030270 20Cr 淬火回火3446HRC840320 42005900滲碳+淬火回火5662HRC220260HBS1500850 表面淬火3648HRC240260HBS1090280 45鋼 正火156217HBS380310 62008600調(diào)質(zhì)197286HBS580440 表面淬火4050HRC220250HBS1120680 HT300 去應(yīng)力退火187255HBS360130 800011,000 表面淬火

10、4348HRC207286HBS670180 使用性原則 經(jīng)濟(jì)性原則 工藝性原則 形狀設(shè)計(jì)選材過(guò)程力學(xué)性能加工路線3.2 3.2 實(shí)際選材熱處理選材過(guò)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(jì)性等原則綜合考慮選用20鋼。其經(jīng)過(guò)表面熱處理（滲 碳、表淬）硬度、解除疲勞強(qiáng)度、抗彎曲強(qiáng)度都達(dá)到所需力學(xué)性能要求，同時(shí)其切削加工性、熱處 理性能較好，價(jià)格較為低廉，是制作本次所設(shè)計(jì)齒輪的較為優(yōu)異的材料。 20 鋼 化 學(xué) 成 分 元素CSiMnCrNiCuPS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）0.170.230.170.370.350.650.250.300.250.0350.035 20 鋼 臨 界

11、 溫 度 溫度符號(hào)Ac1Ac3Ar1Ar3MsMf 溫度值/735854682835 形狀設(shè)計(jì)選材過(guò)程力學(xué)性能加工路線4.1 4.1 知識(shí)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(qiáng)度/MPa抗彎曲強(qiáng)度/MPa 336450250 20 鋼 熱 處 理 后 力 學(xué) 性 能 以 及 市 場(chǎng) 價(jià) 格 熱處理 硬度 接觸疲勞強(qiáng)度 MPa

12、抗彎曲強(qiáng)度 MPa 價(jià)格 RMB/t表層心部 20鋼 淬火回火143156HBS440170 29003700滲碳+淬火回火3846HRC185196HBS640260 表面淬火3044HRC214228HBS1030270 形狀設(shè)計(jì)選材過(guò)程力學(xué)性能加工路線4.1 4.1 知識(shí)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(jì)的小齒輪，必須經(jīng)過(guò)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 料下 料 預(yù)先 熱處理 預(yù)先 熱處理 粗 加 工粗 加 工 滲

13、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(jì)選材過(guò)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(gè)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(guò)程。此 處主要為切取適量質(zhì)量的原料，

14、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(duì)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。 基準(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(chē)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

15、度適用范圍 滾齒 通常加工610， 最高能達(dá)到4級(jí) 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(dá)到6級(jí) 較高較好 內(nèi)嚙合齒輪、 扇形齒輪、齒 條等 滲 碳 工 藝 種 類(lèi) 與 特 點(diǎn) 固 體 滲 碳 優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，滲劑易配，多元熱滲。 缺點(diǎn)：滲層難控，耗能較大，效率低下。 液 體 滲 碳 優(yōu)點(diǎn)：操作方便，硬度較高，重復(fù)處理。 缺點(diǎn)：滲層較薄，不宜加工，鹽浴有毒。 氣 體 滲 碳 優(yōu)點(diǎn)：大量生產(chǎn)，濃度可調(diào)， 易自動(dòng)化。 缺點(diǎn)：設(shè)備費(fèi)貴，處理量少，則成本高。 此階段主要是進(jìn)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

16、工工序加工精度生產(chǎn)率齒面光潔度適用范圍 剃齒57級(jí)精度高810 滾插預(yù)加工后 淬火前的精加工 珩齒68級(jí)精度低79 剃齒和高頻淬火 后的齒形加工 磨齒37級(jí)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(guò)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(jìn)行精修，去除齒面的毛刺污物以及氧化層，最后進(jìn)行防銹處理以及相應(yīng)檢 測(cè)后包裝入庫(kù)。 精 度 檢 測(cè) 幾 何 檢 測(cè) 缺 陷 檢 測(cè) 產(chǎn) 品 檢 測(cè) 形狀設(shè)計(jì)選材過(guò)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

17、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 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(xì)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(guò)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(kāi)裂，組

18、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 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

19、火+回火 形狀設(shè)計(jì)選材過(guò)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(chēng)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/880900890920650680180200140180900920780800910930 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(jì)選材過(guò)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(huì)使A長(zhǎng)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

20、熱速度較快，奧氏體的起始晶粒度細(xì)小。但Ac3向高溫區(qū)偏移， 使得A逐漸長(zhǎng)大。因此在無(wú)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(guò)程分為升溫、燒透。 時(shí) 間 Ac1 Ac3 升溫?zé)?DKa 升 加熱系數(shù) 100200/h 裝爐量 修正系數(shù) 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 501.01.20.30.42.02.2 50 1.21.5 0.40.5 2.22.4 合金鋼 500.450.50 500.500.551.51.8 高合金鋼0.300.400.170.200.800.850.650.75

21、高速鋼0.160.180.650.85 1.2 2.2 稍后保溫有用 S 0.5S S 2S K=1.0 K=1.0 K=2.0 K=1.4 K=1.3 0.5S S S S K=1.0 K=1.4 K=4.0 K=2.2 K=2.0 K 值 的 選 取 min/13 min4 .50504 . 12 . 1 升 升 升 T v hv/150 透 80735735900 正火加熱速度13/min 150/h，即 2.5/min 5.2 5.2 第一條工藝形狀設(shè)計(jì)選材過(guò)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

22、速過(guò)低會(huì) 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(jì)選材過(guò)程力學(xué)性能加工路線加工路線熱處理 保溫時(shí)間 一般20鋼正火保溫時(shí)間通常時(shí)間為13小時(shí)，具體的可按照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。 正火 bDa 保 附加時(shí)間 附 件 時(shí) 間 b 值 選 取 /min 退/正火淬火 回火 低溫中溫高溫 亞共析鋼45301204015 h85. 1min11145302 . 2 保 5.2 5.2 第一條工藝形狀設(shè)計(jì)選材過(guò)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(lèi)，一類(lèi)為有機(jī)液體，如煤油、苯、丙酮，另一類(lèi)為滲碳?xì)怏w，如

23、丙 烷、丁烷。一般滲碳?xì)怏w消耗量要比有機(jī)液體大，且購(gòu)買(mǎi)不方便，因此采用有機(jī)液體作為滲碳劑。 常 用 有 機(jī) 溶 劑 的 碳 氧 比 與 碳 當(dāng) 量 名稱(chēng)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C2H5OC2H5C2H5OC2H53C十CO5H2424.7 5.2 5.2 第一條工藝形狀設(shè)計(jì)選材過(guò)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(jìn)行滲碳。煤油一般加熱到800時(shí)

24、，開(kāi)始少量滴入，直到強(qiáng)滲階段時(shí) 以2040滴/min滴入速度滴注，達(dá)到所需高碳勢(shì)。 滲碳 碳勢(shì)分布 在滲碳保溫分為排氣階段、強(qiáng)滲階段、擴(kuò)散階段，按照常規(guī)20鋼氣體滲碳時(shí)碳勢(shì)分布要求， 排氣階、擴(kuò)散段碳勢(shì)較低僅維持在0.10.02%，而強(qiáng)滲碳階段碳勢(shì)較高為0.751.05%。因此選取 排氣、擴(kuò)散碳勢(shì)均為0.09%，強(qiáng)滲階段為0.80%。 5.2 5.2 第一條工藝形狀設(shè)計(jì)選材過(guò)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(shí)硬化層深度為0.80.3mm，所以齒輪滲碳層1.1mm。

25、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(kuò)散，但受到爐子的使用壽命的限制，一般不 超過(guò)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(jì)選材過(guò)程力學(xué)性能加工路線加工路線熱處理 滲碳 滲碳時(shí)間 按照哈里斯公式（F.E.Harris）計(jì)算所需滲碳保溫時(shí)間。 )/3720( 10/6 .802 T td 滲

26、碳溫度，K 滲碳時(shí)間，h 滲層厚度，mm ht14. 4 6 .802 101 . 1 2 1173/3720 保溫時(shí)間中約2h為強(qiáng)滲階段 考慮到加熱時(shí)間，則滲碳總時(shí)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(jìn)行機(jī)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(jì)選材過(guò)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(guò)程中，碳原子在鋼中的擴(kuò)散服從Fick第二定律，并且認(rèn)為是一維平表面的擴(kuò)散問(wèn)題， 因此可以按照初始條件和邊界條件進(jìn)行解析。 由此計(jì)算當(dāng)20鋼在900碳勢(shì)為0.80%滲碳 保溫2h后滲碳層中碳濃度分布曲線 滲碳 2 0 )exp(

27、 2 )( ),(xe D tf CtxC s b 2 0 0 0 2 2 )exp( 2 )( ),( 0; )( )0 ,( ),(),( xe D tf CtxC x C CCU x C D CxC x txC t txC Fick s b expx 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(jì)選材過(guò)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(shí)間計(jì) 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)回顧已

28、列出，低溫回火加熱溫度為140180。因?yàn)榛鼗饻囟葲](méi)經(jīng)過(guò)相變點(diǎn)，因此以 13/min快速加熱到140180。保溫時(shí)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(jì)選材過(guò)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(jìn)行過(guò)多累述。 20 鋼 正 火 熱 處 理 參 數(shù) 加熱溫度 加熱速度 保溫時(shí)間冷卻方式初始冷速 低溫區(qū)相變區(qū) 89013/min150/h1.85h空冷6/s 5.3 5.3 第二條工藝形狀設(shè)計(jì)選材過(guò)程力學(xué)性能加工路線加工路線熱處

29、理 淬火 加熱溫度、加熱速度、保溫時(shí)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(shí) 淬 火 熱 處 理 參 數(shù) 加熱溫度 加熱速度 保溫時(shí)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(kāi)“鼻尖”處的冷卻速度約為150180 /s。由于此處的淬火是作為過(guò)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(dá)到150/s，價(jià)格低廉價(jià)，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(jì)選材過(guò)程力學(xué)性能加工路線加工路線熱處理 高溫回

30、火 高溫回火與先前的低溫回火相似，加熱溫度為650680，由于20鋼不存在第二類(lèi)回火 脆性，因此加熱速度依舊為13/min，保溫時(shí)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(jì)選材過(guò)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(lèi)零件 中頻2500Hz8000Hz25大齒輪，大直徑軸類(lèi)零件 工頻50Hz1015軋輥，火車(chē)車(chē)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

31、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(jì)算 f 600500 感應(yīng)加熱深度，mm 電源頻率，Hz 當(dāng)=1.5mm時(shí)，計(jì)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(jì)選材過(guò)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(huì)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(shí)， 20鋼的Ac3約950，且在此溫度淬火 得到

32、的硬度約為47HRC，基本達(dá)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 熱時(shí)間約9s。 5.3 5.3 第二條工藝形狀設(shè)計(jì)選材過(guò)程力學(xué)性能加工路線加工路線熱處理 保溫時(shí)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(shí)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(guò)程中向心部傳遞。同時(shí)工件冷卻時(shí)需要旋轉(zhuǎn)，防止水蒸氣在工 件表面形成氣膜，阻礙冷卻進(jìn)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(jì)選材過(guò)程力學(xué)性能加工路線5.3 5.3

33、 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(wèn)題 滲碳后需要進(jìn)行剃齒、磨削。從下表可知，當(dāng)m=5時(shí)，剃齒的加工余量為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 1.50.254.00.507.00.75 2.00.304.50.558.00.80 2.50.355.00.609.00.85 3.00.405.50.6510.00.90 3.50.406.00.70 形狀設(shè)計(jì)選材過(guò)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

34、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(jìn)行淬火+低溫回 火。若齒輪為鑄造件時(shí)，粗加工與精加工間需添加去應(yīng)力退火，此處無(wú)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(jìn)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(jì)選材過(guò)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(wèn)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(jì)最終工件 表面硬度無(wú)法達(dá)到要求。 改良 對(duì)經(jīng)表面

35、淬火+低溫回火后的工件進(jìn)行噴丸處理，以提高表面硬度、強(qiáng)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(shí)間噴丸硬度 鑄鋼丸0.50.8mm15003000rpm30min5558HRC 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(jì)選材過(guò)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(fèi)用：第一條 第二條； 綜合來(lái)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(jì) 齒輪加工的最佳方案

36、。 形狀設(shè)計(jì)選材過(guò)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(yàn)生產(chǎn)，RX3為企業(yè)級(jí)設(shè)備。 此次所設(shè)計(jì)的齒輪僅為小批量生產(chǎn)用于試驗(yàn)，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(shí)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(jì)選材過(guò)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)

37、備 正火設(shè)備 爐膛尺寸 按照爐膛尺寸按照爐底強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算 h P A 1 爐底有效面積，m2 爐底強(qiáng)度，kg/(m2h) 生產(chǎn)率，kg/h 假定生產(chǎn)率為10kg/h 爐底強(qiáng)度h可查右表，得到 h=100 kg /(m2h)，由此 計(jì)算得到有效爐底面積 A1=0.1m2。 各 種 熱 處 理 爐 的 爐 底 強(qiáng) 度 h 熱處理材料箱式臺(tái)車(chē)式坑式罩式井式 退火 鍛件40605070 4060100120鑄件35504060 合金鋼20302530 淬火/正火 一般淬火10012090140 10012080120 鍛件正火100120120150 鑄件正火80140100160 合金淬火80100

38、 回火80110609080100 形狀設(shè)計(jì)選材過(guò)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(shí)際面積與有效面積有如下關(guān)系 K A A 1 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(jì)，長(zhǎng)寬比為3:2，可以計(jì)算 實(shí)際長(zhǎng)寬。 爐膛的高度沒(méi)有嚴(yán)格的計(jì)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。 mH H B mAB mAL 202. 07 . 0289. 07 . 0 289. 0125. 0 3 2 3 2 433. 0125. 0 2 3 2 3 (4503

39、00200)mm 形狀設(shè)計(jì)選材過(guò)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(yàn)公式法、圖標(biāo)曲 線法、類(lèi)比法以及較為精準(zhǔn)的理論計(jì)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)計(jì)選材過(guò)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(jiàn) SX2 系 列 中 溫 箱 式 電 阻 爐 基 本 參 數(shù) 電爐型號(hào)SX2-2.5-10SX2-4-10SX2-8-10SX2-12-10 額定功率（KW）2.54812 額定電壓（

40、V）220220380380 額定溫度（）1000100010001000 相數(shù)1133 空爐升溫時(shí)間（min）608090100 空爐損耗（KW）1.21.82.83.6 爐膛尺寸(mm) 200120 80 3002001 20 40025016 0 50030020 0 外形尺寸(mm) 600385 400 7005205 50 90058065 0 94564076 5 SX2-12- 10系列中 溫試驗(yàn)箱式 電阻爐 形狀設(shè)計(jì)選材過(guò)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(duì)小批量生產(chǎn)小零件進(jìn)行滲

41、碳處理時(shí)，通常 采用井式滲碳爐，且可以把零件進(jìn)行直接淬火。 井式滲碳爐的爐膛尺寸計(jì)算，與先前不一樣，按照一 次裝料量計(jì)算，公式如下 mH mD mnhH mdD 45. 0 25. 0 )(2 . 01 . 0 )(2 . 01 . 0 按照正火時(shí)選取箱式爐計(jì)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(jì)選材過(guò)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(hào) 與 技 術(shù) 規(guī) 格 名稱(chēng)單位 型號(hào)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mm 30045 0 30060 0 45060 0 45090 0 60