典型零件选材及工艺分析

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1、典型零件选材及工艺分析一，齿轮类机床、汽车、拖拉机中，速度的调节和功率的传递主要靠齿轮机床、汽车和拖 拉机中是一种十分重要、使用量很大的零件。齿轮工作时的一般受力情况如下：（1）齿部承受很大的交变弯曲应力；（2）换当、启动或啮合不均匀时承受击力；（3）齿面相互滚动、滑动、并承受接触压应力。所以，齿轮的损坏形式主要是齿的折断和齿面的剥落及过度磨损。据此，要求 齿材料具有以下主要性能：（1）高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度；（2）齿面有高的硬度和耐磨性；（3）齿轮心部有足够高的强度和韧性。此外，还要求有较好的热处理工艺性，如变形小，并要求变形有一定的规律 等。下面以机床和汽车、拖拉机两类齿轮为例进行

2、分析。（一）机床齿轮机床中的齿轮担负着传递动力、改变运动速度和运动方向的任务。一般机床中 的齿轮精度大部分是7级精度（GB179-83规定，精度分12级，用1、2、3、12表示，数字愈大者，精度愈低）。只是在他度传动机构中要求较高的精度。机床齿轮的工作条件比起矿山机械、动力机械中的齿轮来说还属于运转平稳、 负荷不大、条件较好的一类。实践证明，一般机床齿轮选用中碳钢制造，并经高频 感应热处理，所得到的硬度、耐磨性、强度及韧性能满足要求，而县市频淬火具有变形小、生产率高等优点。下面以C616机床中齿轮为例加以分析。1、高频淬火齿轮的工工艺线推孔（花讎孔或圆孔）f2、热处理工序的作用 正火处理对锻造

3、齿轮毛坯是必需的热处理工序，它可以使同批坯料具有相同的硬度，便于切削加工，并使组织均匀，消除锻造应力。对于一般齿轮，正火处理也可作为高频淬火前的最后热处理工序。调质处理可以使齿轮具有较高的综合机械性能，提高齿轮心部的强度和韧性， 使齿轮能承受较大的弯曲应力和冲击力。调质后的齿轮由于组织为回火索氏体，在 淬火时变形更小。高频淬火及低温回火是赋予齿轮表面性能的关键工序，通过高频淬火提高了齿 轮表面硬度和耐磨性，并使齿轮表面有压应力存在而增强了抗疲劳破坏的能力。为 了消除淬火应力，高频淬火后应进行低温回火（或自行回火），这对防止研磨裂纹 的产生和提高抗冲击能力极为有利。3、齿轮高频淬火后的变形情况

4、齿轮高频淬火后，其变形一般表现为内孔缩小，外径不变或减小。齿轮外径与内径之比小于1.5时，内径略胀大；当齿轮有键槽时，内径向键槽方向胀大，形成椭圆形，齿间椭圆形，齿间亦稍有变形，齿形变 化较小，一般表现为中间凹0.0020.0005伽。这些微小的变形对生产影响不大，因 为一般机床用的7级精度齿轮，淬火回火后，均要经过滚光和推孔才成为成品。高频淬火齿轮通常用含碳量为 0.400.50%的碳钢或低合金钢（40、45、 40Cr、45Mn2、405MnB等）制造。批量生产时，一般要求精选含碳量以保证质 量。45钢限制在0.420.47%C, 40Cr钢限制在0.370.42%G经高频淬火交低温回 火

5、后，淬硬层应为中碳回火马氏体，而心部则为毛坯热处理（正火或调质）后的组 织。（二）汽车、拖拉机齿轮汽车、拖拉机齿轮主要分装在变速箱和差速器中，在变速箱中，通过它来改变 发动机、典轴和主轴齿轮的速比；在差速器中，通过齿轮来增加扭转力钜并调节左 右两车轮的转速，通过齿轮将发动机的动力传到主动轮，驱汽车、拖拉机运行。汽 车、拖拉机齿轮的工作条件比机床齿轮要繁重得多，困此在耐磨性、疲劳强度、心 部强度和冲击韧性等方面的要求均比机床齿轮为高。实践证明，汽车、拖拉机齿轮 选用渗碳钢制造并经渗碳热处理后使用是较为合合适。下面以JN-150型载重汽车（载重量为8000 kg）变速箱中第二轴的二、三档齿 轮（如

6、图9-26所示）为例进行分析。1、选用钢；汽车、拖拉机齿轮的生产特点是批量大、产量高，因此在选择用 钢时，在满足机械性能的前提下，对工艺性必须给以足够的重视。20CrM nTi钢具有较高的机械性能，见第六章表6-4所示。该钢在渗碳淬火低温回火后，表面硬度为HRC5862，心部硬度为HRC3045。20CrMnTi的工艺性能尚好。锻造后一般以正火改善其切削加工性。20CrM nTi钢的热处理工艺性较好，有较好的淬透性。由于合金元素钛的影响，对过热不敏感，故在渗碳后 可直接降温淬火。此外尚有渗碳速度较快，过渡层较均匀，渗碳淬火后变形小等优 点，这对制造形状复杂、要求变形小的齿轮零件来说是十分有利的

7、。20CrMnTi钢可制造截面在30伽以下，承受高速中等载荷以及冲击、摩擦的重 要零件，如齿轮、齿轮轴等各种渗碳零件。当含碳量在上限时，也可用于制造截面 在40伽以下，模数大于10的20CrMnTi齿轮等。根据JN-150G型载重汽车变速箱中第二轴的二、三档齿轮的规格和工作条件，选用20CrMnTi钢制造是比较合适的。2、二轴齿轮的工艺路线。下料一锻造一正火一机械加工一渗碳、淬火及低温回火 -喷丸一磨内孔及换档 槽装配3、热处理工序的作用；在第六章的 渗碳钢的热处理特点”实例中对此已有叙 述，这里不再重复。4、热处理技术条件和热处理工艺热处理技术条件：渗碳层表面含碳量：0.81.05%C;渗碳

8、层厚度：0.81.3伽；淬火后硬度：HRC 59;回火后表面硬度：HRC5864;回火后心部硬度：HRC3348。齿轮主要尺寸：齿数（Z） =32;模数（m） =5.5;-0.16-0.09 公法线长度（L） =74.88 +0.24 ;键宽=10 +0.03。变形要求：齿部公法线摆动量小于0.055伽；键宽的变形不超过0.005伽；齿向的变形不超过0.017伽。热处理工艺：渗碳是在JT-75井式炉内进行。渗碳温度为 920940E，渗碳 时间可查第五章表5-10,确定为5小，渗碳后预冷至840860E直接淬火（油 冷），淬火后再经200E低温回火。二轴齿轮经渗碳、淬火及低温回火后得到的统计结

9、果台下:表层含碳量不超过1.05% HRC6263HRC40 430.02 0.04 mm0.05 0.1 m0.05伽表面硬度（回火后） 心部硬度（回火后） 公法线长度胀大 内孔缩小 键宽缩小根据上述变形规律，生产上进一步采用冷热加工配合的方法，使变形控制在要 求的技条件范围之内。除高频淬火齿轮与渗碳齿轮外，尚有碳氮共渗齿轮；根据受力情况和性能要求 不同，齿轮还可采用中碳合金进行调质并经氮化处理后使用；以及采用铸铁、铸钢 制造齿轮。二、轴类在机床、汽车、拖拉机等制造工业中，轴类零件是另一类用量很大，且占有相 当重要地位的结构件。轴类零件的主要作用是支承传动零件并传递动和动力，它们在工作时受多

10、种应力的作用，因此从选材角度看，材料应有较高的综合机械性能.局部承受摩擦的部位如车床主轴的花键、曲轴轴颈等处，要求有一定的硬度，以提高其抗磨损能力。要求以综合机械性能为主的一类结构零件的选材，还需根据其应力状态和负荷 种类考虑材料的淬透性和抗疲劳性能。实践证明，受交变应力的轴类零件、连杆螺 栓等结构件，其损环形式不少是由于疲劳裂纹引起的。下面以车床主轴、汽车半轴、内燃机曲轴、镗杆、大型人字齿轮轴等典型零件 为例进行分析。（一）机床主轴在选选用机床主轴的材料和热处理工艺时，必须考虑以下几点：受力的大小。不同类型的机床，工作条件有很大差别，如高速机床和精密 机床主轴的工作条件与重型机床主轴的工作条

11、件相比，无论在弯曲或扭转疲劳特性 方面差别都很大。轴承类型。如在滑动轴承上工作时，轴颈需要有高的耐磨性。主轴的形状及其可能引起的热处理缺陷。结构形状复杂的主轴在热处理时 易变形甚至于开裂，因此在选材上应给予重视。主轴是机床中主要进零件之一，其质量好坏直接影响机床的精度和寿命。因此 必须根据主轴的工作条件和性能要求，选择用钢和制定合理的冷热加工工艺。1、机床主轴的工作条件和性能要求 C616-416车床主轴如图1-2所示。该主轴 的工作条件如下： 承受交变的弯曲应力与扭转应力，有时受到冲击载荷的作用； 主轴大端内锥孔和锥度外圆，经常与卡盘、顶针有相对摩擦； 花健部分经常有磕或相对滑动。总之，该主

12、轴是在滚动轴承中动转，承受中等负荷，转速中等，有装配精度要 求，且受到一定的冲击力作用。由此确定热处理技术条件如下： 整体调质后硬度应为HB200230,金相组织为回火索氏体; 内锥孔和外圆锥面处硬度为 HRC4550,表面35伽内金相组织为回火屈 氏体和少量回火马氏体； 花键部分的硬度为HRC4853,金相组同上。2、选择用钢C616车床属于中速、中负荷、在滚动轴承中工作的机床，因此选用45钢是可以的。过去此主轴曾采用 45钢经正火处理后使用；后来为了提高其 强度和韧性，在粗车后又增加了调质工序。而且调质状态的疲劳强度比正火为高， 这对提高主轴抗疲劳性能也是很重要的。表1-1为45钢正火和调

13、质后的机械性能比较。表1-1 45钢正火和调质后的机械性能热处理（T b （MN 血（T s （MN 血 od（MN/ m2调 质 682 490 338正 火 600 340 2603、主轴的工艺路线下料f锻造f正火f粗加工（外圆留余45mm） f调质f半精车外圆（留余2.53.5伽），钻中心孔，精车外圆（留余0.60.7锥孔留余0.60.7铣键槽f局部淬火（锥孔及外锥体） f车定刀槽，粗磨外圆（留余0.40.5m，滚f精磨。4、热处理工序的作用正火处理是为了得到合适和硬度（HB170230），以便 于机械加工，同时改善锻造组织，为调质处理作准备。调质处理是为了使主轴得到高的综合机械性能和疲

14、劳强度。调质后硬度后硬度为HB200230,组织为回火索氏体。为了更好的发挥调质效果，将调质安排在粗 加工后进行。内锥孔和外圆锥面部分经盐浴局部淬火和回火后得到所要求的硬度，以保证装 配精度和不易磨损。5、热处理工艺 调质淬火时由于主轴各部分的直径不同，应注意谈天问题。调 质后的变形虽然可以通过校直来修正，但校直时的附加应力对主轴精加工后的尺寸 稳定性是不利的。为减小变形，应注意淬火操作方法。可采取预冷淬火和控制水中 冷水机却时间来减小变形。花键部分可用高频淬火以减小变形和达到硬度要求。经淬火后的内锥孔和外圆锥面部分需经 260300C回火，花键部分需经 240260C回火，以消除淬火应力并达

15、到规定的硬度值。也有用球墨铸铁制造机床主轴的，如某厂用球墨铸铁的主轴淬火后硬度为 HRC5258,且变形量比45钢为小.（二汽车半轴汽车半轴是驱动车轮转动的直接驱动件。半轴材料与其工作条件有关，中型载 重汽车目前选用40Cr钢，而重型载汽车则选用性能更高的 40CrMnMo钢。1、汽车半轴的工作条件和性能在求的半轴为例。半轴的简图如图9-28所示。汽车半轴是传递扭矩的一个重要部件。汽车运行时，发动机输出的扭矩，经过 多级以跃进型载重汽车（载重量为 2500kg）铣花键一花键淬火变速和主动器传递给半轴，再由半轴传动车轮。在上坡或启动时，扭矩很大， 特别在紧急制动或行驶在不平坦的道路上，工作条件更为繁重。因此半轴在工作时承受冲击、反复弯曲疲劳和扭转应力的作用，要求材料有足够的抗弯强度和较好的韧性。热处理技术条件： 硬度：杆部HRC3744;盘部外圆HRC2434。金 相组织：回火索氏体或回火屈氏体。弯曲度：杆中部1.8伽，盘都跳动2.00伽。2、选择用钢 根据JB529-64汽车半轴技术条件规定，半轴材料可选用 40Cr、 40Cr