典型零件選材及工藝分析

1、典型零件選材及工藝分析一，齒輪類機(jī)床、汽車、拖拉機(jī)中，速度的調(diào)節(jié)和功率的傳遞主要靠齒輪機(jī)床、汽車和拖拉機(jī)中是一種十分重要、使用量很大的零件。齒輪工作時(shí)的一般受力情況如下：（1） 齒部承受很大的交變彎曲應(yīng)力；（2） 換當(dāng)、啟動(dòng)或嚙合不均勻時(shí)承受擊力；（3） 齒面相互滾動(dòng)、滑動(dòng)、并承受接觸壓應(yīng)力。所以，齒輪的損壞形式主要是齒的折斷和齒面的剝落及過度磨損。據(jù)此，要求齒材料具有以下主要性能：（1） 高的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度；（2） 齒面有高的硬度和耐磨性；（3） 齒輪心部有足夠高的強(qiáng)度和韌性。此外，還要求有較好的熱處理工藝性，如變形小，并要求變形有一定的規(guī)律等。 下面以機(jī)床和汽車、拖拉機(jī)兩類齒輪

2、為例進(jìn)行分析。（一）機(jī)床齒輪機(jī)床中的齒輪擔(dān)負(fù)著傳遞動(dòng)力、改變運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向的任務(wù)。一般機(jī)床中的齒輪精度大部分是7級(jí)精度（GB179-83規(guī)定，精度分12級(jí)，用1、2、3、12表示，數(shù)字愈大者，精度愈低）。只是在他度傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中要求較高的精度。機(jī)床齒輪的工作條件比起礦山機(jī)械、動(dòng)力機(jī)械中的齒輪來說還屬于運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、負(fù)荷不大、條件較好的一類。實(shí)踐證明，一般機(jī)床齒輪選用中碳鋼制造，并經(jīng)高頻感應(yīng)熱處理，所得到的硬度、耐磨性、強(qiáng)度及韌性能滿足要求，而縣市 頻淬火具有變形小、生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)。下面以C616機(jī)床中齒輪為例加以分析。1、高頻淬火齒輪的工工藝線 2、熱處理工序的作用 正火處理對(duì)鍛造齒輪毛坯是必需的

3、熱處理工序，它可以使同批坯料具有相同的硬度，便于切削加工，并使組織均勻，消除鍛造應(yīng)力。 對(duì)于一般齒輪，正火處理也可作為高頻淬火前的最后熱處理工序。調(diào)質(zhì)處理可以使齒輪具有較高的綜合機(jī)械性能，提高齒輪心部的強(qiáng)度和韌性，使齒輪能承受較大的彎曲應(yīng)力和沖擊力。調(diào)質(zhì)后的齒輪由于組織為回火索氏體，在淬火時(shí)變形更小。高頻淬火及低溫回火是賦予齒輪表面性能的關(guān)鍵工序，通過高頻淬火提高了齒輪表面硬度和耐磨性，并使齒輪表面有壓應(yīng)力存在而增強(qiáng)了抗疲勞破壞的能力。為了消除淬火應(yīng)力，高頻淬火后應(yīng)進(jìn)行低溫回火（或自行回火），這對(duì)防止研磨裂紋的產(chǎn)生和提高抗沖擊能力極為有利。3、齒輪高頻淬火后的變形情況 齒輪高頻淬火后，其變形一

4、般表現(xiàn)為內(nèi)孔縮小，外徑不變或減小。齒輪外徑與內(nèi)徑之比小于1.5時(shí)，內(nèi)徑略脹大；當(dāng)齒輪有鍵槽時(shí)，內(nèi)徑向鍵槽方向脹大，形成橢圓形，齒間橢圓形，齒間亦稍有變形，齒形變化較小，一般表現(xiàn)為中間凹0.0020.0005。這些微小的變形對(duì)生產(chǎn)影響不大，因?yàn)橐话銠C(jī)床用的7級(jí)精度齒輪，淬火回火后，均要經(jīng)過滾光和推孔才成為成品。高頻淬火齒輪通常用含碳量為0.400.50%的碳鋼或低合金鋼（40、45、40Cr、45Mn2、405MnB 等）制造。批量生產(chǎn)時(shí)，一般要求精選含碳量以保證質(zhì)量。45鋼限制在0.420.47%C，40Cr鋼限制在0.370.42%C。經(jīng)高頻淬火交低溫回火后，淬硬層應(yīng)為中碳回火馬氏體，而心部

5、則為毛坯熱處理（正火或調(diào)質(zhì)）后的組織。（二）汽車、拖拉機(jī)齒輪汽車、拖拉機(jī)齒輪主要分裝在變速箱和差速器中，在變速箱中，通過它來改變發(fā)動(dòng)機(jī)、典軸和主軸齒輪的速比；在差速器中，通過齒輪來增加扭轉(zhuǎn)力鉅并調(diào)節(jié)左右兩車輪的轉(zhuǎn)速，通過齒輪將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳到主動(dòng)輪，驅(qū)汽車、拖拉機(jī)運(yùn)行。汽車、拖拉機(jī)齒輪的工作條件比機(jī)床齒輪要繁重得多，困此在耐磨性、疲勞強(qiáng)度、心部強(qiáng)度和沖擊韌性等方面的要求均比機(jī)床齒輪為高。實(shí)踐證明，汽車、拖拉機(jī)齒輪選用滲碳鋼制造并經(jīng)滲碳熱處理后使用是較為合合適。下面以JN-150型載重汽車（載重量為8000）變速箱中第二軸的二、三檔齒輪（如圖9-26所示）為例進(jìn)行分析。 1、選用鋼；汽車、拖拉機(jī)

6、齒輪的生產(chǎn)特點(diǎn)是批量大、產(chǎn)量高，因此在選擇用鋼時(shí)，在滿足機(jī)械性能的前提下，對(duì)工藝性必須給以足夠的重視。20CrMnTi 鋼具有較高的機(jī)械性能，見第六章表6-4所示。該鋼在滲碳淬火低溫回火后，表面硬度為HRC5862，心部硬度為HRC3045。20CrMnTi 的工藝性能尚好。鍛造后一般以正火改善其切削加工性。20CrMnTi 鋼的熱處理工藝性較好，有較好的淬透性。由于合金元素鈦的影響，對(duì)過熱不敏感，故在滲碳后可直接降溫淬火。此外尚有滲碳速度較快，過渡層較均勻，滲碳淬火后變形小等優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)制造形狀復(fù)雜、要求變形小的齒輪零件來說是十分有利的。20CrMnTi 鋼可制造截面在30以下，承受高速中等載

7、荷以及沖擊、摩擦的重要零件，如齒輪、齒輪軸等各種滲碳零件。當(dāng)含碳量在上限時(shí)，也可用于制造截面在40以下，模數(shù)大于10的20CrMnTi 齒輪等。根據(jù)JN-150G 型載重汽車變速箱中第二軸的二、三檔齒輪的規(guī)格和工作條件，選用20CrMnTi 鋼制造是比較合適的。2、二軸齒輪的工藝路線。下料鍛造正火機(jī)械加工滲碳、淬火及低溫回火噴丸磨內(nèi)孔及換檔槽裝配3、熱處理工序的作用；在第六章的“滲碳鋼的熱處理特點(diǎn)”實(shí)例中對(duì)此已有敘述，這里不再重復(fù)。4、熱處理技術(shù)條件和熱處理工藝熱處理技術(shù)條件：滲碳層表面含碳量：0.81.05%C;滲碳層厚度：0.81.3;淬火后硬度：HRC59；回火后表面硬度：HRC5864

8、；回火后心部硬度：HRC3348。齒輪主要尺寸：齒數(shù)（Z）=32；模數(shù)（m）=5.5；-0.16-0.09 公法線長度（L）=74.88 +0.24 ；鍵寬 =10 +0.03 。變形要求：齒部公法線擺動(dòng)量小于0.055；鍵寬的變形不超過0.005；齒向的變形不超過0.017。熱處理工藝：滲碳是在JT-75井式爐內(nèi)進(jìn)行。滲碳溫度為920940，滲碳時(shí)間可查第五章表5-10，確定為5小，滲碳后預(yù)冷至840860直接淬火（油冷），淬火后再經(jīng)200低溫回火。二軸齒輪經(jīng)滲碳、淬火及低溫回火后得到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果臺(tái)下：表層含碳量不超過1.05% HRC6263HRC40430.020.040.050.10.0

9、5 表面硬度（回火后） 心部硬度（回火后） 公法線長度脹大 內(nèi)孔縮小 鍵寬縮小根據(jù)上述變形規(guī)律，生產(chǎn)上進(jìn)一步采用冷熱加工配合的方法，使變形控制在要求的技條件范圍之內(nèi)。除高頻淬火齒輪與滲碳齒輪外，尚有碳氮共滲齒輪；根據(jù)受力情況和性能要求不同，齒輪還可采用中碳合金進(jìn)行調(diào)質(zhì)并經(jīng)氮化處理后使用；以及采用鑄鐵、鑄鋼制造齒輪。二、 軸 類在機(jī)床、汽車、拖拉機(jī)等制造工業(yè)中，軸類零件是另一類用量很大，且占有相當(dāng)重要地位的結(jié)構(gòu)件。軸類零件的主要作用是支承傳動(dòng)零件并傳遞動(dòng)和動(dòng)力，它們?cè)诠ぷ鲿r(shí)受多種應(yīng)力的作用，因此從選材角度看，材料應(yīng)有較高的綜合機(jī)械性能.局部承受摩擦的部位如車床主軸的花鍵、曲軸軸頸等處，要求有一定

10、的硬度，以提高其抗磨損能力。要求以綜合機(jī)械性能為主的一類結(jié)構(gòu)零件的選材，還需根據(jù)其應(yīng)力狀態(tài)和負(fù)荷種類考慮材料的淬透性和抗疲勞性能。實(shí)踐證明，受交變應(yīng)力的軸類零件、連桿螺栓等結(jié)構(gòu)件，其損環(huán)形式不少是由于疲勞裂紋引起的。下面以車床主軸、汽車半軸、內(nèi)燃機(jī)曲軸、鏜桿、大型人字齒輪軸等典型零件為例進(jìn)行分析。（一）機(jī)床主軸在選選用機(jī)床主軸的材料和熱處理工藝時(shí)，必須考慮以下幾點(diǎn)： 受力的大小。不同類型的機(jī)床，工作條件有很大差別，如高速機(jī)床和精密機(jī)床主軸的工作條件與重型機(jī)床主軸的工作條件相比，無論在彎曲或扭轉(zhuǎn)疲勞特性方面差別都很大。 軸承類型。如在滑動(dòng)軸承上工作時(shí)，軸頸需要有高的耐磨性。 主軸的形狀及其可能引

11、起的熱處理缺陷。結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的主軸在熱處理時(shí)易變形甚至于開裂，因此在選材上應(yīng)給予重視。主軸是機(jī)床中主要進(jìn)零件之一，其質(zhì)量好壞直接影響機(jī)床的精度和壽命。因此必須根據(jù)主軸的工作條件和性能要求，選擇用鋼和制定合理的冷熱加工工藝。1、機(jī)床主軸的工作條件和性能要求C616-416車床主軸如圖1-2所示。該主軸的工作條件如下： 承受交變的彎曲應(yīng)力與扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，有時(shí)受到?jīng)_擊載荷的作用； 主軸大端內(nèi)錐孔和錐度外圓，經(jīng)常與卡盤、頂針有相對(duì)摩擦； 花健部分經(jīng)常有磕或相對(duì)滑動(dòng)?？傊撝鬏S是在滾動(dòng)軸承中動(dòng)轉(zhuǎn)，承受中等負(fù)荷，轉(zhuǎn)速中等，有裝配精度要求，且受到一定的沖擊力作用。由此確定熱處理技術(shù)條件如下： 整體調(diào)質(zhì)后硬度應(yīng)

12、為HB200230，金相組織為回火索氏體； 內(nèi)錐孔和外圓錐面處硬度為HRC4550，表面35內(nèi)金相組織為回火屈氏體和少量回火馬氏體； 花鍵部分的硬度為HRC4853，金相組同上。2、選擇用鋼 C616車床屬于中速、中負(fù)荷、在滾動(dòng)軸承中工作的機(jī)床，因此選用45鋼是可以的。過去此主軸曾采用45鋼經(jīng)正火處理后使用；后來為了提高其強(qiáng)度和韌性，在粗車后又增加了調(diào)質(zhì)工序。而且調(diào)質(zhì)狀態(tài)的疲勞強(qiáng)度比正火為高，這對(duì)提高主軸抗疲勞性能也是很重要的。表1-1為45鋼正火和調(diào)質(zhì)后的機(jī)械性能比較。 表1-1 45鋼正火和調(diào)質(zhì)后的機(jī)械性能熱 處 理 b (MN/ s (MN/ -1(MN/調(diào) 質(zhì) 682 490 338正

13、 火 600 340 2603、主軸的工藝路線下料鍛造正火粗加工（外圓留余45）調(diào)質(zhì)半精車外圓（留余2.53.5），鉆中心孔，精車外圓(留余0.60.7，錐孔留余0.60.7，銑鍵槽局部淬火（錐孔及外錐體）車定刀槽，粗磨外圓(留余0.40.5，滾精磨。4、熱處理工序的作用 正火處理是為了得到合適和硬度（HB170230），以便于機(jī)械加工，同時(shí)改善鍛造組織，為調(diào)質(zhì)處理作準(zhǔn)備。調(diào)質(zhì)處理是為了使主軸得到高的綜合機(jī)械性能和疲勞強(qiáng)度。調(diào)質(zhì)后硬度后硬度為HB200230，組織為回火索氏體。為了更好的發(fā)揮調(diào)質(zhì)效果，將調(diào)質(zhì)安排在粗加工后進(jìn)行。內(nèi)錐孔和外圓錐面部分經(jīng)鹽浴局部淬火和回火后得到所要求的硬度，以保證裝

14、配精度和不易磨損。5、熱處理工藝 調(diào)質(zhì)淬火時(shí)由于主軸各部分的直徑不同，應(yīng)注意談天問題。調(diào)質(zhì)后的變形雖然可以通過校直來修正，但校直時(shí)的附加應(yīng)力對(duì)主軸精加工后的尺寸穩(wěn)定性是不利的。為減小變形，應(yīng)注意淬火操作方法?？刹扇☆A(yù)冷淬火和控制水中冷水機(jī)卻時(shí)間來減小變形?；ㄦI部分可用高頻淬火以減小變形和達(dá)到硬度要求。經(jīng)淬火后的內(nèi)錐孔和外圓錐面部分需經(jīng)260300回火，花鍵部分需經(jīng)240260回火，以消除淬火應(yīng)力并達(dá)到規(guī)定的硬度值。也有用球墨鑄鐵制造機(jī)床主軸的，如某廠用球墨鑄鐵的主軸淬火后硬度為HRC5258,且變形量比45鋼為小.(二 汽車半軸汽車半軸是驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的直接驅(qū)動(dòng)件。半軸材料與其工作條件有關(guān)，中型

15、載重汽車目前選用40Cr 鋼，而重型載汽車則選用性能更高的40CrMnMo 鋼。1、汽車半軸的工作條件和性能在求的半軸為例。半軸的簡圖如圖9-28所示。汽車半軸是傳遞扭矩的一個(gè)重要部件。汽車運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的扭矩，經(jīng)過多級(jí) 以躍進(jìn)型載重汽車（載重量為2500kg）銑花鍵花鍵淬火變速和主動(dòng)器傳遞給半軸，再由半軸傳動(dòng)車輪。在上坡或啟動(dòng)時(shí)，扭矩很大，特別在緊 急制動(dòng)或行駛在不平坦的道路上，工作條件更為繁重。 因此半軸在工作時(shí)承受沖擊、反復(fù)彎曲疲勞和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用，要求材料有足夠的 抗彎強(qiáng)度和較好的韌性。 熱處理技術(shù)條件： 硬 度：桿部 HRC3744； 盤部外圓 HRC2434。 金相組織：回火索

16、氏體或回火屈氏體。 彎曲度：桿中部1.8 ，盤都跳動(dòng)2.00 。 2、選擇用鋼 根據(jù) JB529-64 汽車半軸技術(shù)條件規(guī)定，半軸材料可選用 40Cr、 40CrMo、40CrMnMo 鋼。同時(shí)規(guī)定調(diào)質(zhì)后的半軸其金相組織淬透層應(yīng)呈回火索氏體或回火 屈氏體，心部（從中心到花鍵底半徑四分之三范圍內(nèi)）允許有鐵素體存在。 根據(jù)上述技術(shù)條件， 選用 40Cr 鋼能滿足要求。 同時(shí)應(yīng)指出， 從汽車的整體性能來看， 設(shè)計(jì)半軸時(shí)所采取的安全系數(shù)是比較小的。這是考慮到汽車超載運(yùn)行而發(fā)生事故時(shí)，半 軸首先破壞對(duì)保護(hù)后橋內(nèi)的主動(dòng)齒輪不受損壞是有利的。從這一點(diǎn)出發(fā)，半軸又是一個(gè) 易損件。 3、半軸的工藝路線 下料鍛造正火機(jī)械加工調(diào)質(zhì)盤部鉆孔磨花鍵 4、熱處理工藝分析 的綜合機(jī)械性能。 淬火后的回火溫度，根據(jù)桿部要求硬度 HRC3744，選用 42010回火?；鼗鸷笤?水中冷卻，以防止產(chǎn)生回火脆性。同時(shí)水冷有利于增加半軸表面的壓應(yīng)力，提高其疲勞 強(qiáng)度。 （三）內(nèi)燃機(jī)曲軸 曲軸是內(nèi)燃機(jī)中形狀復(fù)雜而又重要的零件之一。它在工作時(shí)受到內(nèi)燃機(jī)周期性變化 著的氣體壓力、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的