主动螺旋锥齿轮材料选择及工艺设计讲解

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1、目录0 前言 11 装载机主动螺旋锥齿轮的服役条件及性能要求 11.1 主动螺旋锥齿轮零件的服役条件 21.2 主动螺旋锥齿轮的性能要求 21.3 主动螺旋锥齿轮的技术要求 62 主动螺旋锥齿轮材料的选择 32.1 齿轮材料选择的基本原则 32.2 主动螺旋锥齿轮常用材料 42.3 选出主动螺旋锥齿轮材料 53 20CrMnTi 螺旋锥齿轮加工工艺制定及分析 63.1 锻造 63.2 正火 63.3 高温回火 73.4 渗碳 73.5 淬火及低温回火 93.6 喷丸处理 103.7 磨齿 104 锥齿轮热处理过程可能产生的缺陷及预防措施 .115 锥齿轮使用中可能出现的失效形式及分析 136

2、心得体会 15装载机主动螺旋锥齿轮材料的选择及工艺设计 0 前言 装载机是一种广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿 山等建设工程的土石方施工机械，它主要用于铲装土壤、砂石、 石灰、煤炭等散状物料，也可对矿石、硬土等作轻度铲挖作业。 换装不同的辅助工作装置还可进行推土、 起重和其他物料如木材 的装卸作业。在道路、特别是在高等级公路施工中，装载机用于 路基工程的填挖、 沥青混合料和水泥混凝土料场的集料与装料等 作业。此外还可进行推运土壤、 刮平地面和牵引其他机械等作业。 由于装载机具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优 点，因此它成为工程建设中土石方施工的主要机种之一。装载机的铲掘和装

3、卸物料作业是通过其工作装置的运动来 实现的。装载机工作装置由铲斗、 动臂、连杆、摇臂和转斗油缸、 动臂油缸等组成。 整个工作装置铰接在车架上。 铲斗通过连杆和 摇臂与转斗油缸铰接，用以装卸物料。动臂与车架、动臂油缸铰 接，用以升降铲斗。铲斗的翻转和动臂的升降采用液压操纵。装载机作业时工作装置应能保证： 当转斗油缸闭锁、 动臂油 缸举升或降落时， 连杆机构使铲斗上下平动或接近平动， 以免铲 斗倾斜而撒落物料； 当动臂处于任何位置、 铲斗绕动臂铰点转动 进行卸料时，铲斗倾斜角不小于 45，卸料后动臂下降时又能 使铲斗自动放平。目前国产装载机正在从低水平、低质量、低价位、满足功能 型向高水平、高质量

4、、中价位、经济实用型过渡。从仿制仿造向 自主开发过渡， 各主要厂家不断进行技术投入， 采用不同的技术 路线，在关键部件及系统上技术创新，摆脱目前产品设计雷同， 无自己特色和优势的现状， 从低水平的无序竞争的怪圈中脱颖而 出，成为装载机行业的领先者。 齿轮在装载机工作过程中起着重要的作用，本文着重介绍装载机螺旋锥齿轮材料的选择以及其制 作工艺。1 装载机主动螺旋锥齿轮的服役条件及性能要求1.1 主动螺旋锥齿轮零件的服役条件 齿轮在装载机工作过程中起着传递动力和改变速度的作用， 啮合齿面间既有滚动、 又有滑动， 轮齿根部还受到脉动或交变弯 曲的作用。 在由此而引起的各种应力的作用下， 齿轮将发生轮

5、齿 折断、齿面胶合、齿面疲劳及齿面磨损等失效情况。引起齿轮失 效的主要应力有：摩擦力、接触应力和弯曲应力。根据齿轮失效 的形式和原因， 在选择齿轮材料及热处理方法是应从以下几个方 面考虑：(1)齿轮表面有足够的硬度。 齿面存在实际上的凹凸不平， 因而局部会产生很大的压强，引起金属塑性变形或嵌入相对表 面，导致金属直接接触和粘着，当啮合齿面相对滑动是，产生了 摩擦力。 齿面磨损就是由于相互摩擦的结果。 减少这类磨损的关 键是提高轮齿表面的塑变抗力， 即提高齿面硬度。 提高齿面硬度 还可以改善齿面接触状态， 从而提高齿面的抗疲劳能力。 (2)轮齿 芯部要有足够的强度和韧性，以保证在变载或冲击载荷作

6、用下， 轮齿有足够的抗冲击能力。 (3)大小齿轮应有一定的硬度差， 以提 高其抗胶合能力。 (4)考虑材料加工性和经济性。1.2 主动螺旋锥齿轮的性能要求 螺旋锥齿轮是装载机的主要传动零件， 主动螺旋锥齿轮是将 汽车变速器传过来的动力传递给从动锥齿轮， 从动锥齿轮再将动 力传递给差速器。因此，零件结构上主动螺旋锥齿轮是齿轮轴， 一端是花键，与变速器动力输出轴相连，另一端是螺旋锥齿轮； 从动锥齿轮是盘状齿轮， 直径大于主动螺旋锥齿轮， 起到减速作 用，同时沿圆周均布一些螺栓孔， 使从动锥齿轮通过螺栓固定在 差速器壳上， 将减速后的动力传递给差速器。 主动锥齿轮既有高 的传动速度， 同时又传递较大

7、的扭矩， 而且在装载和刹车时承受 冲击载荷。这类齿轮的主要失效方式有磨损、点蚀和断裂。故主 动螺旋锥齿轮应满足如下性能要求： 良好的力学性能； 良好 的渗碳淬火性能；良好的抗冲击性能；良好的心部硬度； 良好的热变形性能。1.3 主动螺旋锥齿轮的技术要求 综合上述主动螺旋锥齿轮的服役条件及性能要求， 提出如下 技术要求：锻件不得有任何锻造缺陷。 正火处理 HB179-217。 表面渗碳硬度为 HRC58-62，心部硬度为 HRC32-45，过渡层 硬度变化应该缓慢直到基体低碳，渗碳深度为 1.0 1.4mm，含 碳量为 0.8% 1.05%。金相检验标准应符合汽车渗碳齿轮金 相检验标准 （JB1

8、673-75）规定。低温回火做喷丸处理。 2 主动螺旋锥齿轮材料的选择2.1 齿轮材料选择的基本原则 齿轮材料的种类很多， 在选择时应考虑以下几点因素， 以选 择出适合的材料：（1）齿轮材料必须满足工作条件的要求。例如，用于飞行器上 的齿轮，要满足质量小、传递功率大和可靠性高的要求，因此必 须选择机械性能高的合金钢； 矿山机械中的齿轮传动， 一般功率 很大、工作速度较低、周围环境中粉尘含量极高，因此往往选择 铸钢或铸铁等材料； 家用及办公用机械的功率很小， 但要求传动 平稳、低噪声或无噪声、以及能在少润滑状态下正常工作，因此 常选用工程塑料作为齿轮材料。 总之，工作条件的要求是选择齿 轮材料时

9、首先应考虑的因素。（2）应考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成型方法及热处理和制造工 艺。大尺寸的齿轮一般采用铸造毛坯， 可选用铸钢或铸铁作为齿 轮材料。中等或中等以下尺寸要求较高的齿轮常选用锻造毛坯。 可选择锻钢制作。 尺寸较小而又要求不高时， 可选用圆钢作毛坯。 齿轮表面硬化的方法有：渗碳、氮化和表面淬火。采用渗碳工艺 时，应选用低碳钢或低碳合金钢作齿轮材料； 氮化钢和调质钢能 采用氮化工艺；采用表面淬火时，对材料没有特别的要求。（3）正火碳钢，不论毛坯的制作方法如何，只能用于制作在载 荷平稳和轻度冲击下工作的齿轮， 不能承受大的冲击载荷； 调质 碳钢可用于制作在中等冲击载荷下工作的齿轮。（ 4）合

10、金钢常用于制作高速、 重载并在冲击载荷下工作的齿轮。 （5）飞行器中的齿轮传动，要求齿轮尺寸尽可能小，应采用表 面硬化处理的高强度合金钢。（ 6）金属制的软齿面齿轮，配对两轮齿面的硬度差应保持为 3050HBS 或更多。当小齿轮与大齿轮的齿面具有较大的硬度 差（如小齿轮齿面为淬火并磨制，大齿轮齿面为正火或调质） ， 且速度又较高时， 较硬的小齿轮齿面对较软的大齿轮齿面会起较 显著的冷作硬化效应， 从而提高了大齿轮齿面的疲劳极限。 因此， 当配对的两齿轮齿面具有较大的硬度差时， 大齿轮的接触疲劳许 用应力可提高约 20，但应注意硬度高的齿面，粗糙度值也要 相应地减小。2.2 主动螺旋锥齿轮常用材

11、料 目前国内重载螺旋锥齿轮用材大致有 20CrMo、20CrMnTi 、 20CrMoH 、20CrNi3 等。上述材料可应用于装载机螺旋锥齿轮。（ 1） 20CrMnTi 是渗碳钢，渗碳钢通常为含碳量为 0.17%-0.24%的低碳钢。汽车上多用其制造传动齿轮，是中淬透 性渗碳钢中 Cr Mn Ti 钢，其淬透性较高，在保证淬透情况下， 具有较高的强度和韧性，特别是具有较高的低温冲击韧性。 20CrMnTi 表面渗碳硬化处理用钢。良好的加工性，加工变形微 小，抗疲劳性能相当好。主要用途有：用于齿轮，轴类，活塞类 零配件以及汽车，飞机各种特殊零件部位。（2）20CrNi3 调质或淬火低温回火后

12、有良好的综合力学性 能，低温冲击韧性也较好。此钢有白点敏感倾向，高温回火有回 火脆性倾向。 淬火到半马氏体硬度， 油淬时可淬透 50 70mm。 可切削加工性良好， 焊接性中等。 多用于制造高载荷条件下工作 的齿轮、轴、蜗杆及螺钉、双头螺栓、销钉等。（3）20CrMoH 是广泛采用的一种结构钢， 20CrMoH 圆钢， 20CrMoH 合结钢， 20CrMoH 钢材找通丰实业，冶炼工艺稳定， 淬透性好，碳氮共渗工艺性能良好，热处理后的变形量小，无回 火脆性，加工制造性能和焊接性能均良好。 20CrMoH 宜制造中、 小模数齿轮、 轴类等，还可用于中压以下汽轮机处在过热蒸气区 压力级工作的叶片。

13、（4）20CrMo 的淬透性较高，无回火脆性，焊接性相当好， 形成冷裂的倾向很小，可切削性及冷应变塑性良好。 20CrMo 一 般在调质或渗碳淬火状态下使用， 具有较好的耐磨性、 承载能力 较高。用于制造在非腐蚀性介质及工作温度低于 250、含有氮 氢混合物的介质中工作的高压管及各种紧固件、 较高级的渗碳零 件，如齿轮、轴等。2.3 选出主动螺旋锥齿轮材料20CrMnTi 是性能良好的渗碳钢，其淬透性较高，在保证淬 透情况下， 具有较高的强度和韧性， 特别是具有较高的低温冲击 韧性。具有良好的加工性， 特加工变形微小， 抗疲劳性能相当好。 经渗碳淬火后具有硬而耐磨的表面与坚韧的心部， 具有较高

14、的低 温冲击韧性，焊接性中等，正火后可切削性良好。用于制造截面 30 mm 的承受高速、中等或重载荷、冲击及摩擦的重要零件， 如齿轮、齿圈、齿轮轴十字等。因此，选用 20CrMnTi 做为装载 机主动螺旋锥齿轮的材料。3 20CrMnTi 主动螺旋锥齿轮加工工艺制定及分析根据上面零件技术要求，现对 20CrMnTi 齿轮制定出如下工 艺路线：下料锻造正火粗加工高温回火渗碳 +淬火 + 低温回火喷丸处理磨齿。3.1 锻造锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力， 使其产生塑 性变形以获得具有一定机械性能、 一定形状和尺寸锻件的加工方 法，锻压(锻造与冲压)的两大组成部分之一。通过锻造能消除 金属

15、在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构， 同时由于保存了完整的金属流线， 锻件的机械性能一般优于同样 材料的铸件。3.2 正火根据合金相图，对于 20CrMnTi 这种低碳合金钢来说，应加 热到 950 970，保温 34 小时左右，使该零件的成分转变 为均匀的奥氏体组织， 然后在空气中冷却获得较多的索氏体和少 量的铁素体组织。这样既获得了合适的硬度 (HB179-217)，同时 残余的内应力也在保温、 空冷过程中消除掉， 既满足技术要求 和两条， 又便于下道工序的切削加工。 本工序之所以选用正火 热处理方法，是因为 20CrMnTi 合金钢含碳量过低，退火钢中含 有大量的柔软的铁

16、素体， 钢的延展性非常好， 切削时易粘着刀刃 而形成刀瘤，而且切屑是撕裂断裂，以至使表面粗糙度变差，刀 具寿命也受到影响，不利于切削加工。接着进行粗加工，粗加工 后进行探伤。在技术要求中，锻件不得有任何锻造缺陷，所以随 其后的工序要进行探伤， 避免在下道工序中出现缺陷， 浪费所发 生的加工费。3.3 高温回火高温回火是把零件淬火后，再加热到 500650，一般是加 热到 psk 线（临界点 Ac1）的某一温度，保温一段时间后， 以适当 的速度冷却。高温回火得到铁素体 +细粒状渗碳体的混合物，即 回火索氏体组织。 具有优良的综合力学性能， 多用于结构零件淬 火后的回火，如连杆、螺栓、齿轮及轴。淬火 +高温回火称为调 质。20CrMnTi 钢在 920渗碳后预冷到 860