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1、1 前言零件设计是一个工程技术人员应该具备的最基本的专业技能。零件分析是认识零件的过程，是确定零件表达方案的前提，一个好的视图表达方案离不开对零件的全面、透彻、正确分析。零件分析也是确定零件的尺寸标注以及确定零件的技术要求的前提，因此，零件分析是绘制零件图的依据。零件的工艺结构分析就是要求设计者从零件的材料、铸造工艺、机械加工工艺乃至于装配工艺等各个方面对零件进行分析，以便在零件的视图选择过程中，考虑这些工艺结构的标准化等特殊要求和规定，使零件视图表达更趋完整、合理。课程设计可以培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题的能力，是锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体
2、训练和考察过程。热处理生产工艺过程设计是金属材料工程专业课程教学的一个重要环节。通过这一环节，可以使我们初步掌握典型零部件生产工艺过程；掌握典型零件的选材、热处理原则和工艺制定原理；理论联系实际，综合运用基础课及专业课程多方面的知识去认识和分析零部件热处理生产过程的实际问题，培养解决问题的能力。热处理工艺是整个机器零件和工模具制造的一部分，热处理是通过改变钢的内部组织结构，以改善钢的性能，通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。热处理工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料性能潜力、降低结构重量、节省和能源，而且能够提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命。任何一
3、种热处理工艺都不是绝对的完美，所以经热处理后的材料会有不同程度的缺陷，对零件的缺陷进行分析也也是零件设计必不可少的步骤。合理选择检验设备以及正确的检验方法是做好检验的必要条件。通过课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，我们才能从中获得真正的知识，有了真正的知识，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。2 零件图分析 图1 零部件图技术参数：端面模数m=12，齿轮齿数Z=41，节圆直径D=192mm，压力角为20度，齿全高h=14，螺旋角=30度，端面弧齿厚s=17mm。技术要求：总渗碳层深度为1.82
4、.3mm，渗层表面碳浓度w（c）为0.85%1%，渗碳淬火回火后表面硬度为5862HRC，心部硬度为36HRC，有效渗碳硬化层深度测至50HRC处不小于1.2mm。2.1 零件的服役条件、失效形式及性能要求（1）服役条件：螺旋锥齿轮是石油钻机中的主要传动零件，是一种可以按稳定传动比平稳、低噪音传动的传动零件。有较高的传动速度（空载最高的线速度为30m/s，加载线速度为25m/s），受重载和冲击。（2）失效形式：主要失效形式为磨损、点蚀和断裂。螺旋锥齿轮因为摩擦或使用而造成磨损；随工作时间越来越长在齿轮表面部地区出现纵深发展的腐蚀小孔，其余地区不腐蚀或腐蚀轻微，这种腐蚀形态叫点蚀；随工作时间的增
5、长齿轮产生断裂失效。（3）性能要求：为了防止螺旋锥齿轮失效以及保证传动比稳定所用材料应具备以下性能要求：a、良好的力学性能；b、良好的渗碳淬火性能；c、良好的抗冲击性能；d、良好的心部硬度；e、良好的热变形性能。3 材料的选择 3.1 初步选材根据螺旋锥齿轮的技术要求：总渗碳层深度为1.82.3mm，渗层表面碳浓度w（c）为0.85%1%，渗碳淬火回火后表面硬度为5862HRC，心部硬度为36HRC，有效渗碳硬化层深度测至50HRC处不小于1.2mm。选定的材料应该具有高强度、高韧性以及良好的淬透性。又根据螺旋锥齿轮的性能要求：a、良好的力学性能；b、良好的渗碳淬火性能；c、良好的抗冲击性能；
6、d、良好的心部硬度；e、良好的热变形性能。为满足以上条件初步确定符合要求的材料为渗碳轴承钢【1】。3.2 确定材料42CrMo、12CrNi3和20Cr2Ni4A都属于渗碳轴承钢，通过对各个材料的性能进行分析对比选出最佳材料。（1）42CrMo属于超高强度钢，具有高强度和韧性，淬透性也较好，无明显的回火脆性。调制处理后有较高的疲劳极限个抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好。适宜制造要求一定强度和韧性的大、中型塑料模具。强度、淬透性高，韧性好，淬火时变形小，高温时有高的蠕变强度和持久强度。用于制造要求较35CrMo钢强度更高和调质截面更大的锻件，如机车牵引引用的大齿轮、增压器传动齿轮、压力容器齿轮、
7、后轴、受载荷极大地连杆及弹簧夹，也可用于2000m以下石油深井钻杆接头与打捞工具，并且可以用于折弯机的模具等。（2）12CrNi3钢属于合金渗碳钢有高淬透性。该钢淬火低温回火或高温回火后都具有良好的综合力学性能，钢的低温韧性好，缺口敏感性小，切削加工性能良好，当硬度为HB260320时，相对切削加工性为60%70%。此钢退火后硬度低、塑性好。为提高模具型腔的耐磨性，模具成型后需要进行渗碳处理，然后再进行淬火和低温回火，从而保证模具表面具有高硬度、高耐磨性而心部具有很好的韧性，该钢适宜制造大、中型塑料模具。（3）20Cr2Ni4A是优质合金钢有良好的力学性能，强度高有良好的心部硬度，韧性好有有良
8、好的抗冲击性能及热变形性能，淬透性好有良好的渗碳淬火性能。渗碳后不能直接淬火，以减少表层参与奥氏体。切削性及冷变形塑性一般。用于大截面渗碳件，如大型齿轮、轴类以及要求强度高、韧性好的调质零部件等。此轴承钢是特大型轴承用的低碳高合金渗碳轴承钢，不管是在工艺性上还是经济性上都是很符合我们的要求，因此综合分析20Cr2Ni4A是最佳材料。3.3 20Cr2Ni4A的化学成分、相变点及合金元素作用3.3.1 钢的化学成分表1 20Cr2Ni4A的化学成分【2】牌号化学成分（%）CSiMnSPCrNi20Cr2Ni4A0.170.230.170.370.300.600.030.031.251.653.2
9、53.653.3.2 20Cr2Ni4A的相变点表2 20Cr2Ni4A的相变点【3】相变点Ac1Ac3Ar1温度/7207805753.3.3 化学元素作用C元素：提高屈服点和抗拉强度，增加钢的冷脆性和时效敏感性，降低塑性、冲击性以及耐大气腐蚀能力。Si元素：提高钢的回火稳定性、提高钢的抗氧化性、提高钢的淬透性和淬透温度。Mn元素：提高钢的淬透性，从基体组织中扩散到析出的渗碳体中，形成合金渗碳体,改善其硬度。S元素:使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，改善切削加工性。P元素：增加钢的冷脆性，使焊接性变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。Cr元素: 提高钢的淬透性,固溶强化基体组织，并改善基体组织
10、的回火性和硬度。Ni元素：提高钢的淬透性，有助于改善钢的韧性。4 确定加工路线确定零件加工路线加工工艺主要包括机加工和热处理工艺。机加工是指通过加工机械精确去除材料的加工工艺。它直接改变毛坯的形状、尺寸和表面质量等，使其成为零件的过程称为机械加工工艺过程。 热处理工艺是将金属材料放在一定的介质内加热、保温、冷却，通过改变材料表面或内部的金相组织结构,来控制其性能的一种金属热加工工艺。4.1 初步确定加工路线根据20Cr2Ni4A材料的性能以及技术要求，可初步确定其加工路线为：下料锻坯预备热处理高温回火车齿坯粗、精铣齿渗碳高温回火淬火+低温回火喷丸磨端面及孔磨齿成品。4.2 每个步骤的作用 （1
11、）下料的作用：提供原料；（2）锻坯的作用：获得原料；（3）预备热处理的作用：为随后的机加或最终热处理提供一个良好的机加性能或良好的组织形态；（4）高温回火的作用：（1）消除淬火时产生的残留内应力，提高材料的塑性和韧性（2）获得良好的综合力学性能（3）稳定工件尺寸，使钢的组织在工件使用过程中不发生变化。（5）车齿坯与粗、精铣齿的作：对材料进行机械粗加工，是以快速切除毛坯余量。（6）渗碳的作用：使机器零件获得高的表面硬度、耐磨性及高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，渗碳后淬火、回火，心部保持良好韧性的同时提高工件的表面强度、耐磨性和硬度。（7）高温回火的作用：由于渗碳后表层组织为马氏体和大量残余奥氏体
12、，对这种组织不能直接重新加热淬火，否则容易恢复渗碳时所形成的较粗大的奥氏体晶粒，即生成二次织构。因此在淬火加热之前，需先进行一次高温回火，使马氏体和残余奥氏体分解为回火索氏体，降低基体中碳、铬的含量。这样重新加热淬火时，由于奥氏体中融入的碳和铬等元素的含量减少，淬火后不仅残余奥氏体量减少，马氏体也细小。（8）淬火+低温回火的作用：通过淬火与不同温度的回火配合，可以大幅度提高金属的强度、韧性及疲劳强度，并可获得这些性能之间的配合（综合机械性能）以满足不同的使用要求。（9）喷丸、磨端面及孔和磨齿的作用：完成各主要表面的最终加工,使零件的加工精度和加工表面质量达到图样规定的要求。5 热处理工艺方法选
13、择5.1 预备热处理工艺【4】的选择 一般预备热处理有这几种：1、调质处理：一航后面要进行表面淬火处理，其预备热处理的目的是为了使工件表面淬火前得到强韧性结合优良的心部性能，降低使用过程中的心部疲劳开裂。2、正火处理：一般后面进行的是化学热处理（渗碳+淬火）或者调质热处理，其预备热处理的目的就是细化晶粒、消除机加应力、均匀不平衡组织等，为后面的最终热处理奠定良好的组织基础。3、退火处理：后面最终热处理一般都是调质处理，其作为预备热处理的目的就是为了消除应力以及降低表面硬度。正火与退火工艺相比，其主要区别是正火的冷却速度稍快，所以正火热处理的生产周期短。故退火与正火同样能达到零件性能要求时，尽可
14、能选用正火。大部分中、低碳钢的坯料一般都采用正火热处理。一般合金钢坯料常采用退火，若用正火，由于冷却速度较快，使其正火后硬度较高，不利于切削加工。所以在此选用正火对钢进行预备热处理。5.2 渗碳工艺【5】的选择齿轮渗碳过程温度较低，时间较长，容易造成较粗大和严重热处理变形等缺陷。对其改进主要从两个方面入手。一是利用催渗方法催渗以降低温变和缩短时间。二是利用高温渗碳缩短时间。稀土渗碳方法是主要的一种催渗方法，应用的比较多，工艺成熟，高温渗碳一般情况下很少采用。因为高温下晶粒长大趋势严重且对设备有危害，如果能够排除这两项不利因素，则它也是可行的。利用高温渗碳原理改进的高温渗碳方法既具有渗速快的优点
15、，上述两项不利因素也不明显，在生产被采用的越来越多。一些新型渗碳方法在简化热处理工艺的同时也改善了齿轮的质量。5.3 最终热处理【6】的选择20Cr2Ni4A钢的热处理工艺的复杂主要体现在多次高温回火上，渗碳后冷却时以及淬火加热时在630650均温均能达到高温回火的目的。但在这方面仍需要进一步研究。进行合理的渗碳工艺的选择，改善渗碳质量以达到直接淬火的目的是一个值得探索的方向。此外，为了消除过多的残余奥氏体，深冷处理也是一种经常考虑的方法。通过淬火与不同温度的回火配合，可以大幅度提高金属的强度、韧性及疲劳强度，并可获得这些性能之间的配合（综合机械性能）以满足不同的使用要求。在此我们选择高温回火、淬火与低温回火。6 制定热处理工艺的制度6.1 正火工艺的制定 正火加热温度正火是将钢加热到Ac3以上30-50，保温后在空气中冷却的热处理工艺，由于该钢Ac3为780，所以其正火温度一般在910930之间，但在实际生产中，正火的加热温度一般要高于其理论正火温度，所以设定正火的加热温度在950。 正火加热时间金属材料和铁制品加热所需时间包括从室温到炉温仪表指示达到所需温度的升温时间、炉料表面和心部温度均匀所需的均热时间以及内外达到温度后为了完成相变所需的保温时间三个部分。加热时间的计算公式：t=akD式中t加热时间（min或s）、a加热系数（m
