二缸油泵凸輪軸材料課程設(shè)計

1、23無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計二缸油泵凸輪軸材料課程設(shè)計 機械技術(shù)學(xué)院 材料11332班 名字：范靈芝2015年9月30日23課  程  設(shè)  計  任  務(wù)  書  一、課程設(shè)計工作日 自2015年9月28日至2015年9月30日星期五 二、同組學(xué)生：陳豪杰、陳俊、范靈芝、費強、高悅、龔海燕、顧浩問、郭成東、郭志軍1、課程設(shè)計課題二缸油泵凸輪軸材料設(shè)計2、課程設(shè)計的主要項目和要求1）熟悉課題、查閱資料：要求充分熟悉本課題，并查閱大量有關(guān)

2、本課題內(nèi)容的資料。 2）對所屬零件進(jìn)行受力和失效分析，提出性能要求。 3）確定合金鋼材料：要求在滿足零件使用性能的前提下，兼顧經(jīng)濟(jì)型和工藝性，合理選擇材料。 4）確定熱處理工藝方法和設(shè)備：要求選定熱處理方法和熱處理設(shè)備。5)編寫說明書：明確本課題設(shè)計方案的內(nèi)容、確定原則和理由。6)編制熱處理工藝卡。3、上交資料1) 設(shè)計說明書一套2) 熱處理工藝卡一套 3) 課程設(shè)計小結(jié)一份  目 錄一、二缸凸輪軸的受力情況及工作環(huán)境、失效分析41.1 凸輪軸的受力情況及工作環(huán)境1.2 凸輪軸的失效分析二、二缸凸輪軸的性能要求7三、材料合金元素作用分析53.1

3、 材料合金元素的作用分析3.2 材料冷加工工藝分析3.3 材料熱處理工藝分析3.4 材料原材料價格的對比3.5 材料加工工藝經(jīng)濟(jì)性成本對比3.6 材料最終性能比較4、 熱處理工藝方案設(shè)計114.1 二缸凸輪軸選用的熱處理設(shè)備4.2 制定工藝流程4.3 制定熱處理工藝流程4.4 凸輪軸裝爐量選取五、結(jié)論18附錄1 熱處理工藝卡21附錄2參考文獻(xiàn)22課程設(shè)計小結(jié)23 二缸油泵凸輪軸材料設(shè)計一、凸輪軸的工作環(huán)境和失效分析1）凸輪軸的工作環(huán)境凸輪軸承受周期性的沖擊載荷。凸輪與挺柱之間的接觸應(yīng)力很大，相對滑動速度也很高，因此凸輪工作表面的磨損比較嚴(yán)重。針對這種情況，凸輪軸軸頸和凸輪工作表面除應(yīng)該有的較高

4、的尺寸精度、較小的表面粗糙度和足夠的剛度外，還應(yīng)有較高的耐磨性和良好的潤滑。凸輪軸的主體是一根與氣缸組長度近似相同的圓柱形棒體。上面套有若干個凸輪，用于驅(qū)動氣門。凸輪軸是通過凸輪軸軸頸支撐在凸輪軸軸承孔內(nèi)的，因此凸輪軸軸頸數(shù)目的多少是影響凸輪軸支撐剛度的重要因素。如果凸輪軸剛度不足，工作時將發(fā)生彎曲變形，影響配氣定時。凸輪軸是發(fā)動機配氣系統(tǒng)中重要的部件，凸輪軸的旋轉(zhuǎn)是依靠曲軸帶傳動的，用來保證各個氣缸內(nèi)進(jìn)，排氣門按一定的時間正常開啟和關(guān)閉，保證發(fā)動機充分換氣，使進(jìn)、排氣門持久地保燃燒室的密封性，確保發(fā)動機具有良好的可持續(xù)性和動力性。凸輪軸在工作過程中承受連桿擠壓應(yīng)力的作用，另外受到一定的彎曲載

5、荷和扭矩的作用，同時又要承受周期性變化的擠壓應(yīng)力以及與挺桿相接觸產(chǎn)生的滑動帶滾動摩擦的作用，也受到周期性的沖擊載荷和磨損。凸輪軸的損壞形式多為接觸疲勞破壞、凸輪磨損、表面麻點和塊狀剝落等。 凸輪軸的結(jié)構(gòu)簡圖2）凸輪軸的失效分析凸輪軸在工作過程中除承受一定的彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷外，主要是凸輪部分承受周期變化的擠壓應(yīng)力以及與挺桿體相接處產(chǎn)生的滑動帶滾動的摩擦。凸輪軸的主要失效方式是凸輪的粘著磨損和凸輪表面因擠壓應(yīng)力的反復(fù)作用而造成的麻點或表面脫落，以及凸輪尖的磨損，所以要求凸輪軸除具有相應(yīng)的強度和硬度外，還應(yīng)具有良好的抗擦傷性，抗接觸疲勞能力和耐磨性。其中彎曲應(yīng)力按下式計算：公式中： p-凸輪上的作用力

6、（kgf），p=ps+pj+pg； Ps-換算到挺柱端的氣門彈簧力（kgf）；pj-換算到挺柱端的配氣機構(gòu)； pg-換算到挺柱端的氣缸中氣體壓力與進(jìn)、排氣管中氣體的壓力差與氣門頭部面積的乘積（kgf）； l-兩支點到凸輪之間的距離（mm）； l1，l2-由支點到凸輪之間的距離（mm）； db-凸輪軸最小直徑（mm）； dn-空心凸輪軸的內(nèi)徑（mm）；扭曲應(yīng)力按下式計算： (kgf/mm2) 公式中： ; -驅(qū)動其他組件的力矩（kgf/mm）; -各個凸輪上的力矩和（kgf/mm）；撓度按下列公式計算： (mm)公式中：E-凸輪軸材料的彈性模量二、凸輪軸零件性能要求1.要求凸輪軸具有相應(yīng)的強度和

7、硬度外，還應(yīng)具有良好的抗擦性，抗接觸疲勞能力和耐磨性。2. 凸輪軸要有一定的抗彎強度和足夠的韌性，能承受一定的抗扭轉(zhuǎn)載荷，保證受力后無明顯變形。3. 軸在工作過程中產(chǎn)生磨損，刮傷，斷裂等缺陷。4. 凸輪軸需要較好的耐磨性能和切削加工性能。凸輪軸需要具有準(zhǔn)確的尺寸，軸頸要有中等的抗彎強度和抗扭轉(zhuǎn)載荷以及中等的韌性和耐磨性。三、材料合金元素作用分析凸輪軸的材料選項主要取決于在發(fā)動機的工作條件，使用工況；凸輪-挺桿間的最大接觸力，相對滑動速潤滑條件，潤滑油的品種，匹配挺桿的材料，硬度，表面狀況和凸輪軸表面要有較高的粗糙度，中等強度和硬度以及一定的耐磨性，防止凸輪工作載荷。目前制造凸輪的材料，工藝種類

8、較多，可分為鋼和鑄鐵兩大類。根據(jù)二缸油泵凸輪軸的服役條件，受力和失效的情況，一般凸輪軸選用滲碳鋼和中碳鋼，對于大馬力的高速發(fā)動機凸輪軸采用鎳鉻鉬合金鑄鐵，故初步選取45#和QT700-2兩種材料。1、合金元素的作用分析45鋼的合金元素作用分析C：鋼中含碳量增加，屈服點和抗拉強度升高，但塑性和沖擊性降低；含碳量還會降低鋼的耐大氣腐蝕能力。45鋼是含碳量在0.45%的優(yōu)質(zhì)鋼。強度較高，塑性和韌性尚好，用于制作承受負(fù)荷較大的小截面調(diào)制件和應(yīng)力較小的大型正火零件QT700-2的合金元素作用分析C：碳是球磨鑄鐵的基本元素，碳有助于石墨化。球墨鑄鐵的碳當(dāng)量通?？刂圃诠簿С煞只蛏愿哂诠簿С煞郑?.3%4.6

9、%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)），以利于球化和避免白口組織，含碳量較高時，鐵液的石墨化能力強，形成的石墨核心多，細(xì)化是石墨球，提高石墨球的圓整度，鐵液流動性也較好，有利于提高鑄件減震性和減磨性。但是，碳含量過高，會引起石墨漂浮。QT700-2含碳量為3.08-3.30，為珠光體型球磨鑄鐵，具有較高強度，耐磨性，低韌性。適于對強度要求較高的零件，如柴油機和汽油機的曲軸，凸輪軸，部分磨床，銑床，車床的主軸，球磨機齒軸，小型水輪機主軸等。2、材料冷加工工藝分析1） 以45#為凸輪抽材料加工工藝流程為鍛造調(diào)質(zhì)（850870攝氏度加熱)-空冷至室溫，此時硬度217HBW-淬火（溫度840攝氏度），介質(zhì)水，此時硬度55HR

10、C。2） QT700-2為珠光體球墨鑄鐵，常規(guī)采用鑄態(tài)或正火熱處理。這是一種材料。但這種材料加工后再通過其它熱處理可以達(dá)到55HRC：(1)、等溫淬火的球鐵（ADI）抗拉強度一般也就在13001600MPa，折算后約50HRC。但這時已不是QT700-2了。(2)、如對QT700-2做感應(yīng)淬火（高頻/中頻-視硬化層深度要求）表面可以達(dá)到50HRC以上。但心部仍為QT700-2。3、材料熱處理工藝分析1）45鋼作為凸輪軸的預(yù)先熱處理為正火，以使其得到良好的力學(xué)性能； 最終熱處理為淬火+低溫回火，以降低淬火應(yīng)力，獲得良好的強度、硬度。45鋼凸輪軸的技術(shù)要求為凸輪、支承軸徑和偏心輪的表面硬度為556

11、3HRC，硬化層深度為25mm。對于材料為中碳鋼的凸輪軸來說，由于感應(yīng)淬火是易控制、節(jié)能、生產(chǎn)率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、便于實現(xiàn)機械化自動化的熱處理工藝，因此在實際熱處理過程中得到了極為廣泛的應(yīng)用，它避免了使用等時工件必須完全加熱的弊端。考慮到發(fā)動機凸輪軸要求的硬化層深。2） 球墨鑄鐵的預(yù)先熱處理為：去應(yīng)力退火 目的是增加基體組織中珠光體的含量，并使其細(xì)化，提高鑄鐵的強度、硬度和耐磨性，如發(fā)動機的缸套、滑座和軸套等鑄件均要進(jìn)行正火。此外，還能將鑄態(tài)珠光體球鐵進(jìn)行調(diào)質(zhì)和等溫淬火，以獲得高的強度和硬度； 球墨鑄鐵的最終熱處理為：回火 其組織由P+少量F變?yōu)榛鼗鹚魇象w?；鼗鹚魇象w是馬氏體于高溫回火（5006

12、00）時形成的，具有良好的韌性和塑性，同時具有較高的強度，因此具有良好的綜合力學(xué)性能。鑄鐵凸輪軸的技術(shù)要求為凸輪、支承軸徑和偏心輪的表面硬度為4858HRC，硬化層深度為25mm。感應(yīng)加熱可提高凸輪軸的強度和耐磨性，確保其在工作過程中具有高得疲勞強度和使用壽命。4.材料原材料價格的對比材料45#QT700-2市場價格3500/t15800元/t5、 材料加工工藝經(jīng)濟(jì)性成本對比45鋼是中碳鋼，表面硬度低，不耐磨，如果需要較高的表面硬度，可以對45鋼進(jìn)行調(diào)質(zhì)和表面淬火來使工件的表面硬度得到提高，對心部強度要求不高的表面淬火零件常見的有曲軸，傳動軸，齒輪，蝸桿，鍵，銷等。但在水淬時有形成裂紋的傾向，

13、所以用來制作形式負(fù)責(zé)的零件時應(yīng)在熱水或油中淬火。QT700-2是球墨鑄鐵，硬度為4251HRC需要等溫淬火，具有良好的鑄造性能，好的減震性，良好的耐磨性能，良好的切削加工性能淬火后可達(dá)到58HRC.6、材料最終性能比較材料最終熱處理工藝性能HRCs/Mpab/Mpa(%)45淬火60-6438066035低溫回火58-620.2/Mpab/Mpa(%)QT700-2等溫淬火62-654207003回火60-620.2/Mpab/Mpa(%)綜上所述材料的熱處理以及各自的性能，可得出：QT700-2通過球化和孕育處理，顯著地提高了鑄鐵的機械性能，完全符合凸輪軸的各項性能要求；而45鋼通過特定的熱

14、處理工藝，使得其組織B下少量M少量殘余A，再結(jié)合二缸柴油機馬力和功率較小的特點，45鋼也能滿足柴油機上凸輪軸的性能的要求。因此，在兩種材料都能滿足機器使用的前提下，選擇經(jīng)濟(jì)性稍好的45鋼來作為凸輪軸的材料。五、熱處理工藝方案1、二缸凸輪軸選用的熱處理設(shè)備 按工藝要求、工件的形狀和重量選擇合適加工的熱處理設(shè)備，現(xiàn)選取RX3-45-9箱式電阻爐、BJ2-65-9井式電阻爐和RX5-35-3箱式回火爐三種熱處理設(shè)備。此外，熱處理中所用到的工夾具應(yīng)能保證工件均勻加熱、冷卻。 熱處理工藝熱處理設(shè)備設(shè)備成本正火RX3-45-9箱式電阻爐24000淬火B(yǎng)J2-65-9井式電阻爐25000

15、低溫回火RX5-35-3箱式電阻爐180002、制定熱處理工藝流程 預(yù)先熱處理：正火最終熱處理：淬火+低溫回火1） 正火：45#作為凸輪軸的預(yù)先熱處理為正火，消除鍛造過程中的過熱缺陷、細(xì)化組織、消除鍛造應(yīng)力，并為作為淬火前的預(yù)先熱處理，同時改善其力學(xué)性能和可加工性能，為接下來的機械加工做好準(zhǔn)備。45鋼的最佳正火溫度為+3050，所以選擇正火溫度為860；正火的保溫時間t=×D （min） -加熱系數(shù)(min/mm)； D-工件有效尺寸（mm)； 碳鋼和合金鋼在空氣電阻爐與鹽浴爐中的加熱系數(shù)（)鋼材(空氣電阻爐）/(min/mm)(鹽浴爐）/(s/mm）碳鋼0.91.1253

16、0合金鋼1.31.65060取=1.0,則t為30min。 溫度(）    保溫時間（min)HRC880302186030258403019 正火溫度不同對45鋼力學(xué)性能的影響1保溫時間（min)溫度（）HRC458602330860252586020 正火保溫時間的不同對45鋼力學(xué)性能的影響I溫度（）保溫時間（min)HRC880452086045218404518 正火溫度不同對45鋼力學(xué)性能的影響2溫度（）保溫時間（min)HRC880251886025208402517正火溫度不同對45鋼力學(xué)性能的影響3溫度（）保溫時間（min)HRC8402

17、51784030228404518 正火保溫時間的不同對45鋼力學(xué)性能的影響II溫度（）保溫時間（min)HRC880251888030238804520 正火保溫時間的不同對45鋼力學(xué)性能的影響III由上圖可知硬度達(dá)到峰值時，溫度選擇860，保溫時間為30min溫度：860保溫時間：30min冷卻介質(zhì)：空氣2）淬火：如下圖所示。45鋼的淬火溫度在820840度左右，在實際操作中，一般是取上限的。偏高的淬火溫度可以使工件加熱速度加快，表面氧化減少。為使工件的奧氏體均勻化，就需要足夠的保溫時間,一般為1min/mm,如果實際裝爐量大，就需適當(dāng)延長保溫時間。不然，可能會出現(xiàn)因加熱不均勻造成硬度不足

18、的現(xiàn)象。但保溫時間過長，也會也出現(xiàn)晶粒粗大，氧化脫碳嚴(yán)重的弊病，影響淬火質(zhì)量其中，在加熱階段，淬火前650保持一段時間，然后升到850±10保溫1-2小時。因為45鋼淬透性低，故應(yīng)采用冷卻速度大的10%鹽水溶液,45號鋼水淬容易有軟點的.。水溫要小于30°。工件入水后，應(yīng)該淬透，但不是冷透，如果工件在鹽水中冷透，就有可能使工件開裂，這是因為當(dāng)工件冷卻到180左右時，奧氏體迅速轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體造成過大的組織應(yīng)力所致。因此，當(dāng)淬火工件快冷到該溫度區(qū)域，就應(yīng)采取緩冷的方法。由于出水溫度難以掌握，須憑經(jīng)驗操作，當(dāng)水中的工件抖動停止，即可出水空冷（如能油冷更好）。另外，工件入水宜動不宜靜

19、，應(yīng)按照工件的幾何形狀，作規(guī)則運動。靜止的冷卻介質(zhì)加上靜止的工件，導(dǎo)致硬度不均勻，應(yīng)力不均勻而使工件變形大，甚至開裂。 45鋼調(diào)質(zhì)件淬火后的硬度應(yīng)該達(dá)到HRC5558，截面大的可能性低些，但不能低于HRC48，不然，就說明工件未得到完全淬火，組織中可能出現(xiàn)索氏體甚至鐵素體組織，這種組織通過回火，仍然保留在基體中。 溫度（）保溫時間（min)HRC820605484060588606052溫度：840保溫時間：1h冷卻介質(zhì)：水冷3） 回火：如下圖所示。 45鋼回火的目的： a.消除淬火應(yīng)力，降低脆性 b.穩(wěn)定工件尺寸，由于M，殘余A不穩(wěn)定

20、0;c.獲得要求的強度、硬度、塑性、韌性 因凸輪軸性能要求是較高的強度和硬度，還有一定的耐磨性。我們認(rèn)為，回火后的硬度取決于回火溫度，與回火的時間關(guān)系不大，但是必須回透，一般工件回火的保持溫度時間總在1小時以上  45鋼回火溫度與回火時間對硬度的影響得出低溫回火的溫度為200，保溫時間為1h溫度： 200保溫時間：1h介質(zhì)：空氣硬度：5560HRC使其表面獲得回火索氏體，已達(dá)到足夠的硬度和耐磨性。 3、熱處理的工藝分析與實施要點 凸輪軸進(jìn)行感應(yīng)淬火硬化處理后，其奧氏體晶粒得到了細(xì)化，使表面硬度高，耐磨性以及疲勞性得到改善，另外具有變形小、效率高、節(jié)能、自

21、動化和機械化操作程度高。其流程為：選用感應(yīng)圈淬火（900930）水淬油冷回火等?；鼗鸷罂上M織應(yīng)力。 1）感應(yīng)加熱的感應(yīng)器應(yīng)根據(jù)要求制作設(shè)計，其形狀可制成仿形或圓形，其高度比凸輪軸高48mm，內(nèi)徑與軸徑間隙在34mm之間，避免出現(xiàn)因間隙不等而造成硬度的明顯差異，同時要觀察感應(yīng)器和凸輪軸彼此的位置相對固定。 2）感應(yīng)上的1.52mm的噴射孔，確保無堵塞，水壓符合設(shè)計要求，凸輪軸可旋轉(zhuǎn)或靜止不動。大批生產(chǎn)時候，所有的凸輪軸上各淬火部位應(yīng)是一次同時加熱完成的，如分段加熱則容易出現(xiàn)軟帶，直接影響到凸輪軸表面的耐磨性等，對其使用壽命等有直接的影響。 4、凸輪軸裝爐量選取&

22、#160;裝爐量根據(jù)工件所需要的尺寸大小，電阻爐爐板尺寸規(guī)格來制定。針對不同形狀的工件，有合理的裝爐方式。裝爐量過大時，應(yīng)該延長保溫的時間，大約延長1/5。工件的尺寸在設(shè)計尺寸的基礎(chǔ)上增加5mm左右。裝爐量=體積/工件尺*寸重量5、 技術(shù)要求45鋼凸輪軸的技術(shù)要求為凸輪、支承軸徑和偏心輪的表面硬度為5563HRC，硬化層深度為25mm；齒輪的硬度為4558HRC，硬化層深度為25mm五、結(jié)論：綜合以上所述選擇45鋼材料，經(jīng)過調(diào)質(zhì)淬火低溫回火熱處理，達(dá)到了二缸油泵凸輪軸的材料設(shè)計要求。參考文獻(xiàn)1傅成昌，傅曉燕.柴油機構(gòu)造與使用M.北京.石油工業(yè)出版社.2012.52楊萬成.濰柴發(fā)動機M.北京.機

23、械工業(yè)出版社.2013.43梅爾·庫茲.材料選用手冊M美國.化學(xué)工業(yè)出版社2005.54中國機械工程學(xué)會熱處理學(xué)會.熱處理手冊.M北京.機械工業(yè)出版社.2013.75王中誠，王東. 汽車零件熱處理實用技術(shù) M. 北京：機械工業(yè)出版社，2013.6王忠誠，齊寶森，李楊. 典型零件熱處理技術(shù) M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.7王中誠. 零件整體熱處理與典型實例 M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.8樊新民. 熱處理工實用技術(shù)手冊 M. 2版. 南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2010.9李書常. 簡明典型金屬材料熱處理實用手冊 M. 北京：機械工業(yè)出版社，2010.10馬伯龍.熱處理工

24、操作質(zhì)量保證指南.M北京；機械工業(yè)出版社，2012.211王忠誠.熱處理操作卡簡明手冊M北京；化學(xué)工業(yè)出版社，2008.1附錄 熱處理工藝曲線熱處理工藝操作卡產(chǎn)品標(biāo)記材料批號數(shù)量零件號45#每車數(shù)量規(guī)格尺寸零件名稱二缸凸輪軸45化學(xué)成分/%力學(xué)性能CMnSiSPNiReMgb/mpas/mpa%45#0.420.500.170.370.500.800.030.0458029035技術(shù)要求:凸輪軸待加工表面不允許有氧化皮，折疊，夾層，裂紋，充不滿等缺陷凸輪軸加工表面不允許有擦傷，燒傷，劃痕，氣孔，縮送，裂紋，凹陷，斑點等缺陷正火后硬度170-190HBS,最終熱處理后表面硬度大于等于56HRC硬度（HRC）45#5558材料序號工序號工序名稱設(shè)備型號工具名稱裝爐加熱冷卻數(shù)量/件溫度/加熱溫度加熱時間保溫時間冷卻劑溫度/時間方式45#1正火RX3-45-9箱式電阻爐4583086033min30min空氣室溫空冷2淬火B(yǎng)J2-65-9井式電阻爐4581584033min60min水室溫水冷3低溫回火RX5-35-3箱式電阻爐4520020033min60min空氣室溫空冷課程小結(jié)這次合金鋼及熱處理工藝