畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-40鋼車床主軸的熱處理工藝設(shè)計(jì)

1、攀枝花學(xué)院學(xué)生課程設(shè)計(jì)論文題 目： 40鋼車床主軸的熱處理工藝設(shè)計(jì)學(xué)生姓名： X X X 學(xué) 號(hào)： XXXXXXXXX 所在院(系)： 材料工程學(xué)院 專 業(yè)： 20XX級(jí)材料成型及控制工程 班 級(jí)： 材料成型及控制工程 指 導(dǎo) 教 師： X X X 職稱： 講 師 2021年12月16日攀枝花學(xué)院教務(wù)處制攀枝花學(xué)院本科學(xué)生課程設(shè)計(jì)任務(wù)書題目40鋼車床主軸的熱處理工藝設(shè)計(jì)1、課程設(shè)計(jì)的目的使學(xué)生了解、設(shè)計(jì)40鋼車床主軸的熱處理工藝，融會(huì)貫穿相關(guān)專業(yè)課程理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)、分析問題和解決問題的能力。2、課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容和要求包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等內(nèi)容 ：1明確設(shè)計(jì)任務(wù)包括

2、用途、服役條件及性能要求2繪出熱處理件零件圖3給出設(shè)計(jì)方案4寫出設(shè)計(jì)說明5設(shè)計(jì)質(zhì)量檢驗(yàn)工程6設(shè)計(jì)熱處理工藝卡片740鋼車床主軸的熱處理缺陷及預(yù)防或補(bǔ)救措施要求：1通過查找資料充實(shí)、完善各項(xiàng)給定的設(shè)計(jì)內(nèi)容。2分析熱處理過程中可能出現(xiàn)的缺陷，針對(duì)這些缺陷提出預(yù)防措施或補(bǔ)救措施。3提交設(shè)計(jì)說明書報(bào)告，2千字以上。報(bào)告格式請(qǐng)參照“畢業(yè)論文設(shè)計(jì)格式。3、主要參考文獻(xiàn)1 夏立芳主編. 金屬熱處理工藝學(xué). 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 20052 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)熱處理分會(huì)熱處理工程師手冊(cè)機(jī)械工業(yè)出版社2003第一版.3 張玉庭主編熱處理技師手冊(cè)機(jī)械工業(yè)出版社2006第一版4 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)熱處理學(xué)會(huì)

3、熱處理手冊(cè)機(jī)械工業(yè)出版社2003第三版.4、課程設(shè)計(jì)工作進(jìn)度方案第十四周：對(duì)給定的題目進(jìn)行認(rèn)真分析，查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，做好原始記錄。第十五周：撰寫課程設(shè)計(jì)說明書，并進(jìn)行修改、完善，提交設(shè)計(jì)說明書。指導(dǎo)教師簽字孫青竹日期2021年11 月 25 日教研室意見：年 月 日學(xué)生簽字： 接受任務(wù)時(shí)間： 年 月 日注：任務(wù)書由指導(dǎo)教師填寫。課程設(shè)計(jì)論文指導(dǎo)教師成績(jī)?cè)u(píng)定表題目名稱評(píng)分工程分值得分評(píng)價(jià)內(nèi)涵工作表現(xiàn)20%01學(xué)習(xí)態(tài)度6遵守各項(xiàng)紀(jì)律，工作刻苦努力，具有良好的科學(xué)工作態(tài)度。02科學(xué)實(shí)踐、調(diào)研7通過實(shí)驗(yàn)、試驗(yàn)、查閱文獻(xiàn)、深入生產(chǎn)實(shí)踐等渠道獲取與課程設(shè)計(jì)有關(guān)的材料。03課題工作量7按期圓滿完成規(guī)定的任

4、務(wù)，工作量飽滿。能力水平35%04綜合運(yùn)用知識(shí)的能力10能運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和技能去發(fā)現(xiàn)與解決實(shí)際問題，能正確處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，能對(duì)課題進(jìn)行理論分析，得出有價(jià)值的結(jié)論。05應(yīng)用文獻(xiàn)的能力5能獨(dú)立查閱相關(guān)文獻(xiàn)和從事其他調(diào)研；能提出并較好地論述課題的實(shí)施方案；有收集、加工各種信息及獲取新知識(shí)的能力。06設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，方案的設(shè)計(jì)能力5能正確設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，獨(dú)立進(jìn)行裝置安裝、調(diào)試、操作等實(shí)驗(yàn)工作，數(shù)據(jù)正確、可靠；研究思路清晰、完整。07計(jì)算及計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力5具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理能力；能運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行資料搜集、加工、處理和輔助設(shè)計(jì)等。08對(duì)計(jì)算或?qū)嶒?yàn)結(jié)果的分析能力綜合分析能力、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析能力10具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)

5、收集、分析、處理、綜合的能力。成果質(zhì)量45%09插圖或圖紙質(zhì)量、篇幅、設(shè)計(jì)論文標(biāo)準(zhǔn)化程度5符合本專業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)定要求；標(biāo)準(zhǔn)化符合本文件第五條要求。10設(shè)計(jì)說明書論文質(zhì)量30綜述簡(jiǎn)練完整，有見解；立論正確，論述充分，結(jié)論嚴(yán)謹(jǐn)合理；實(shí)驗(yàn)正確，分析處理科學(xué)。11創(chuàng)新10對(duì)前人工作有改良或突破，或有獨(dú)特見解。成績(jī)指導(dǎo)教師評(píng)語指導(dǎo)教師簽名： 年月日目錄摘要 .11 引言.22 設(shè)計(jì)分析.32.2 40號(hào)鋼的成分及性能點(diǎn).32.2.1 40號(hào)鋼的元素成分及其作用.32.2.2 40號(hào)鋼的性能.32.3 熱處理技術(shù)條件.43 熱處理工藝分析3.1 鍛坯正火.5.53.1.2 熱處理工藝.53.1.3 操作

6、技巧.5調(diào)質(zhì).53.2.1 調(diào)質(zhì)目的53.2.2 熱處理工藝.53.2.3 操作技巧.63.3 錐孔及外錐體的局部淬火63.3.1 局部淬火方式.63.3.2 熱處理工藝.63.3.3 操作技巧.63.4 花鍵高頻淬火73.4.1 淬火方式73.4.2 花鍵高頻淬火工藝參數(shù)73.4.3 花鍵回火工藝參數(shù).73.4.4 操作技巧.83.5 40鋼選擇及加工路線和熱處理 .8 3.5.1 材料選擇 .8 結(jié)語9參考文獻(xiàn).9摘要主軸是機(jī)床上傳遞動(dòng)力的零件，常需承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、疲勞、沖擊載荷的作用，同時(shí)在滑動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)部位還受到摩擦力的作用。因此，要求主軸具有高強(qiáng)度、硬度、足夠的韌性及疲勞強(qiáng)度、變形小等性

7、能。而45號(hào)鋼為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)用鋼，硬度不高且容易切削加工，直接用在車床主軸上不太適宜，所以需要對(duì)45號(hào)鋼進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?。在主軸大端上需要使用鍛坯正火，消除毛坯的鍛造應(yīng)力，降低硬度以改善切削加工性能，然后再進(jìn)行調(diào)質(zhì)，使主軸具有良好的綜合力學(xué)性能，最后經(jīng)過淬火后高溫回火，其硬度可達(dá)220250 HBS，提高主軸的硬度，使主軸能到達(dá)良好的工作性能。在錐孔進(jìn)行局部淬火使鍵槽部位不淬硬，提高耐磨性；在花鍵局部可采用高頻淬火減少變形并到達(dá)外表淬硬。車床主軸經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，可以到達(dá)良好的工作性能，使主軸能在正常的工作中有足夠的硬度，且在花鍵等局部有良好的耐磨性。引言通過對(duì)車床主軸的工作條件及性能要求

8、分析，根據(jù)要求選用適當(dāng)?shù)牟牧?，通過對(duì)40號(hào)鋼的材料成分特點(diǎn)及性能特點(diǎn)，確定車床主軸的熱處理工藝。首先，分析零件的使用工況及性能，根據(jù)要求選用材料；然后，確定加工工藝流程，針對(duì)流程中的具體熱處理工藝查看熱處理手冊(cè)查找鋼種的方法、參數(shù)等做出設(shè)計(jì)。最后，根據(jù)鋼種設(shè)計(jì)寫出總結(jié)。關(guān)鍵詞：40號(hào)鋼，車床主軸，熱處理工藝。2 設(shè)計(jì)分析圖1為C6132臥式車床主軸零件簡(jiǎn)圖。該軸承受交變彎曲應(yīng)力與扭應(yīng)力，但由于承受的載荷與轉(zhuǎn)速均不高，沖擊作用也不大，故具有一般綜合力學(xué)性能即可。但在主軸大端的內(nèi)錐孔和外錐體，因常與卡盤、頂尖有相對(duì)摩擦；花鍵部位與齒輪有相對(duì)滑動(dòng)，故這些部位要求較高的硬度與耐磨性；主軸在滾動(dòng)軸承中運(yùn)

9、轉(zhuǎn)，工作時(shí)因軸頸與軸承不發(fā)生摩擦，故軸頸無耐磨性要求。圖1 C6132臥式車床主軸零件圖2.2 40號(hào)鋼的成分及性能特點(diǎn)2.2.1 40號(hào)鋼的元素成分及其作用45號(hào)鋼的元素成分及作用如下表：表2.1 45號(hào)鋼的元素成分及作用1元素CSiMnCr含量0.50%0.37%0.80%=0.25%作用固溶強(qiáng)化提高淬透性提高回火穩(wěn)定性2.2.2 40號(hào)鋼的性能為了了解40號(hào)鋼的性能我們查熱處理手冊(cè)得到的標(biāo)準(zhǔn)性能如下：按照GB/T699-1999標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的40鋼推薦熱處理制度為850正火、840淬火、600回火，到達(dá)的性能為屈服強(qiáng)度355MPa。而標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗拉強(qiáng)度為600MPa，屈服強(qiáng)度為355MPa，

10、伸長(zhǎng)率為16，斷面收縮率為40，沖擊功為39J 2。所以需要我們根據(jù)40號(hào)鋼的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定根據(jù)要求進(jìn)行熱處理。 熱處理技術(shù)條件車床主軸適合一般力學(xué)性能，根據(jù)對(duì)該軸工作條件的分析，以及結(jié)合選材情況，熱處理技術(shù)條件如下：體調(diào)質(zhì)后硬度為220250 HBW；錐孔和外錐體硬度為455O HRC；鍵局部硬度為4853 HRC3。 在進(jìn)行熱處理前，我們結(jié)合車床主軸的力學(xué)性能以及45號(hào)鋼的特點(diǎn)，我們做出了熱處理技術(shù)的條件，所以在熱處理中，我們必須根據(jù)條件選擇適合的熱處理方式來到達(dá)車床主軸的性能要求。3 熱處理工藝分析31 鍛坯正火3.1.1 鍛坯正火的作用在進(jìn)行熱處理過程中，鍛坯正火可以消除毛坯的鍛造應(yīng)力，降低

11、材料的硬度以改善切削加工性能，同時(shí)也均勻組織、細(xì)化晶粒，以利于切削加工，并為下一步的熱處理作組織準(zhǔn)備。這一步是熱處理的前奏，所以在熱處理工藝中有著至關(guān)重要的作用。3.1.2 熱處理工藝經(jīng)過鍛坯正火后，材料的組織到達(dá)了良好的熱處理效果，所以需要我們?cè)僮龀鲞m當(dāng)?shù)臒崽幚韥淼竭_(dá)材料需要的硬度，熱處理工藝如下：坯正火的溫度應(yīng)該保持在85010 。鍛坯正火過程中應(yīng)該保溫15 h，空冷。用的設(shè)備為井式爐或箱式爐(額定溫度950)。測(cè)時(shí)的硬度應(yīng)小于或者等于217 HBW3。3.1.3 操作技巧在這個(gè)過程中，材料可能會(huì)受到很多原因而不能滿足我們的要求，所以需要我們有很好的操作技巧來克服這些困難。在鍛坯正火的熱處

12、理工藝中我們多采用多件集中裝爐，出爐時(shí)工件必須相互間隔20 mm 以上空冷，也可用風(fēng)扇強(qiáng)制冷卻，以確保冷卻速度100h。3.2 調(diào)質(zhì)3.2.1 調(diào)質(zhì)目的在進(jìn)行調(diào)質(zhì)過程中我們的目的是獲得均勻細(xì)密的回火索氏體組織，細(xì)密的索氏體金相組織有利于零件精加工后獲得光潔的外表。同時(shí)，也使主軸具有良好的綜合力學(xué)性能，經(jīng)淬火后高溫回火，其硬度可達(dá)220250 HBS。3.2.2 熱處理工藝材料進(jìn)行調(diào)質(zhì)過后，硬度到達(dá)了220250 HBS，然后我們需要進(jìn)行熱處理工藝，其如下：淬火時(shí)的溫度應(yīng)該保持在84010 。淬火過程中應(yīng)該保溫15 h，水冷?；鼗饡r(shí)溫度應(yīng)該保持在580l0 ?；鼗饡r(shí)應(yīng)該保溫225 h，空冷。5調(diào)

13、質(zhì)使用的設(shè)備為井式爐(額定溫度950)。6檢測(cè)時(shí)硬度22025O HBS。33.2.3 操作技巧由于工件尺寸超過40鋼淬火水冷的臨界尺寸，因此淬火前主軸各部位需經(jīng)粗加工，留4 5 mm(包括內(nèi)孔)加工余量進(jìn)行調(diào)質(zhì)，確保調(diào)質(zhì)層的有效保存。調(diào)質(zhì)熱處理多件集中裝爐時(shí)，應(yīng)垂直吊掛且工件必須相互間隔20 mm以上，以確保工件加熱均勻、變形小。33 錐孔及外錐體的局部淬火3.3.1 局部淬火方式外錐體鍵槽部位不淬硬，應(yīng)用石棉繩等物填充加以保護(hù)，錐孔和外錐體局部可采用鹽浴快速加熱并水淬，經(jīng)回火后，其硬度應(yīng)達(dá)45 HRC。3.3.2 熱處理工藝熱處理工藝：淬火90010 ，保溫20 min，水冷。設(shè)備：鹽浴爐

14、(額定溫度950)?；鼗穑?80200 ，保溫225 h，空冷。設(shè)備：硝鹽回火爐(額定溫度600)。檢測(cè)：硬度4550 HRC3。3.3.3 操作技巧采用超過45鋼正常淬火溫度的900進(jìn)行快速加熱，使錐孔及外錐體的外表快速到達(dá)淬火溫度，進(jìn)行淬火冷卻，可以保證錐孔及外錐體外表的硬度和性能要求，又可減小錐孔及外錐體的局部加熱對(duì)軸頸部位的影響，減小熱處理變形量。34 花鍵高頻淬火3.4.1 淬火方式花鍵局部可采用高頻淬火以減少變形并到達(dá)外表淬硬，經(jīng)回火后，外表硬度可達(dá)4853 HRC。3.4.2 花鍵高頻淬火工藝參數(shù) 花鍵高頻淬火工藝參數(shù)如下表：表3.1 花鍵高頻淬火工藝參數(shù)4設(shè)備GP100一L3高

15、頻淬火機(jī)床加熱頻率25O kHz工件轉(zhuǎn)速350 rmin燈絲電壓33 V移動(dòng)速度2 mins陽極電壓12000 V加熱溫度85010陽極電流7 A冷卻介質(zhì)及冷卻方式25清水(O3Mpa)噴淋冷卻柵級(jí)電流槽路電壓5 000 V感應(yīng)器型號(hào)55 mm 10 mm(內(nèi)徑高度)3.4.3 花鍵回火工藝參數(shù) 花鍵回火工藝參數(shù)如下表：表3.2 花鍵回火工藝參數(shù)5回火設(shè)備空氣回火爐回火溫度180保溫時(shí)間6 h檢測(cè)技術(shù)條件檢驗(yàn)方法硬度4853 HRC洛氏硬度計(jì)機(jī)檢允許變形量O30 mm頂尖、百分表檢查3.4.4 操作技巧由于花鍵部位存在直角過渡，為防止淬硬層過深，應(yīng)力集中造成尖角開裂，一般采用高頻而不是中頻設(shè)備

16、進(jìn)行淬火，淬硬層深度可達(dá)12mm。同時(shí)，淬火后的及時(shí)回火，也能減緩尖角部位的開裂傾向。 另外由于采用立式高頻淬火機(jī)床，工件的重心應(yīng)偏下，所以應(yīng)將主軸的錐頭置于機(jī)床下方的旋轉(zhuǎn)卡盤或頂尖上(采用卡盤時(shí)，必須配置相應(yīng)的夾持工裝；采用頂尖時(shí)，必須配置與內(nèi)錐孔相配合的錐桿，以帶動(dòng)主軸均勻旋轉(zhuǎn))，主軸的上端采用頂尖頂持。鑒于花鍵高頻淬火的硬化層深，使用花鍵部位淬火后的加工余量一般為0506 mm，其余軸頸部位留加工余量115 mm。對(duì)于變形量超標(biāo)的產(chǎn)品，盡量采用磨削加工保證。材料的選擇主軸是車床上傳遞動(dòng)力的零件，傳遞著動(dòng)力和各種負(fù)荷，它的合理選材直接影響整臺(tái)車床的精度和使用壽命。其主要實(shí)效形式如下：1 受

17、橫向力并傳遞扭矩，承受交變彎曲應(yīng)力和扭應(yīng)力，常常發(fā)生疲勞斷裂。2、軸頸和花鍵等部位發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，承受較大的摩擦，軸頸外表產(chǎn)生過量的磨損。3、承受一定的過載和沖擊和載荷，產(chǎn)生過量彎曲變形，甚至發(fā)生折斷或扭斷。所以所選的材料應(yīng)滿足：良好的綜合力學(xué)性能，即具有較高的強(qiáng)度剛度、足夠的韌性、疲勞強(qiáng)度、變形小及對(duì)應(yīng)力集中的敏感性低等性能以防止過載和沖擊斷裂，還要有良好的切削加工性，高的外表硬度和良好的耐磨性，以防止軸頸摩損。在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮：1、主軸的工作特性和技術(shù)要求。主軸的摩檫和磨損情況;主軸的載荷大小和載荷性質(zhì)。2、主軸熱處理的要求。主軸的工作狀況;主軸精密度和光潔度;主軸彎曲載荷和扭轉(zhuǎn)力矩;主軸

18、轉(zhuǎn)速;主軸有無沖擊載荷。3、主軸熱處理加工工藝實(shí)行的可能性以及經(jīng)濟(jì)性。軸的常用材料為碳素鋼和合金鋼。合金鋼比碳素鋼具有更高的機(jī)械性能和更好的熱處理性能。含不同合金的鋼可獲得各種特殊性能。因此，對(duì)于載荷大并要求尺寸小，重量輕、耐高溫或耐磨性、抗腐蝕性能要求高的軸可采用合金鋼。合金鋼對(duì)應(yīng)力集中的敏感性高，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從結(jié)構(gòu)上防止或減小應(yīng)力集中，并降低其外表粗糙度的數(shù)值。由于在常溫下合金鋼的彈性模量與一般碳素鋼差不多，應(yīng)選合金鋼對(duì)提高軸的剛度沒有實(shí)效。而對(duì)形狀復(fù)雜的軸可采用球墨鑄鐵。球墨鑄鐵具有良好的吸振性和耐磨性，對(duì)應(yīng)力集中的敏感性低，且價(jià)格低廉，加工性好。但球墨鑄鐵的強(qiáng)度較低。我們一般主軸承受交

19、變彎曲應(yīng)力和扭應(yīng)力，在輕度或中等載荷、轉(zhuǎn)速不太高，精度不很高，沖擊、交變載荷不大的情況下，具有普通力學(xué)性能就能滿足要求，一般采用40鋼制造。這類材料強(qiáng)度和塑形、韌性等綜合機(jī)械性能較好，一般經(jīng)正火、調(diào)質(zhì)處理，而且材料來源方便，加工性、經(jīng)濟(jì)性好。在主軸大端的內(nèi)錐孔和外錐體,因常與卡盤、頂尖有相對(duì)摩擦;花鍵部位與齒輪有相對(duì)滑動(dòng),故這些部位要求較高的硬度與耐磨性;主軸在滾動(dòng)軸承中運(yùn)轉(zhuǎn),工作時(shí)因軸頸與軸承不發(fā)生摩擦,故軸頸無耐磨性要求。鋼軸的毛坯多數(shù)用軋制的圓鋼和鍛件。鍛件的內(nèi)部組織比擬均勻，強(qiáng)度較好，故重要的軸及大尺寸的軸或階梯尺寸變化大的軸，應(yīng)采用鍛件。綜上，無其他特殊要求一般的車床主軸采用45 鋼

20、鍛件毛坯制造即可。二、加工工藝路線下料備鍛造毛坯正火機(jī)械粗加工調(diào)質(zhì)機(jī)械半精加工車外圓+鉆中心孔+銑鍵槽錐孔及外錐體的局部淬火、回火車各空刀槽+粗磨(外圓、錐孔、外錐體)+滾銑花鍵花鍵高頻淬火、回火精磨(外圓、錐孔、外錐體)。三、熱處理工藝分析鋼的熱處理工藝主要分為：淬火、回火、正火、退火。鋼的淬火是將鋼加熱到臨界溫度Ac3或Ac1以上，保溫一定時(shí)間使之奧氏體化后，以大于臨街冷卻速度進(jìn)行冷卻，過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或貝氏體組織的一種工藝過程?；鼗鸸に囀歉鶕?jù)零件材料的化學(xué)成分，淬火組織、零件的幾何形狀、保溫時(shí)間和冷卻方式等。一般來說，淬火后還必須進(jìn)行相應(yīng)的回火處理，以實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)方面：1提高硬度和耐磨性2提高強(qiáng)韌性3提高硬磁性4提高彈性5提高耐蝕性和耐熱性將金屬及合金加熱、保暖和冷卻，使其組織結(jié)構(gòu)到達(dá)或接近平衡狀態(tài)的熱處理工藝稱為退火或正火。退火一般在爐內(nèi)緩冷，正火一般是空冷，主要應(yīng)用于各類鑄鍛焊工件的毛坯或半成品以消除冶金及熱加工過程中產(chǎn)生的缺陷，并為以后的機(jī)械加工及熱處理準(zhǔn)備良好的組織狀態(tài)。 鍛造毛坯正火目的：鍛造可成軸的毛坯和獲得適宜的加工流線。而對(duì)于大鍛件，截面較大的鋼材、鑄件，用正火來細(xì)化晶粒，均勻組織或消除魏氏組織，如果用退火，硬度太低，切削容易粘刀。所以采用正火提高強(qiáng)度，消除毛坯的鍛造應(yīng)力,降低硬度以改善切削加工性能,