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1、金属热处理工艺与设备课程设计题目： 高速、轻载或高速、中载，有冲击的小齿轮 齿轮外径100mm，厚度30mm 院系： 材料科学与工程 班级： 材料 2013年 7月 12日目 录前 言3第一章 金属热处理课程设计简介41.1课程设计的任务与性质41.2课程设计的目的41.3设计内容与基本要求41.4设计步骤51.5设计材料及零件要求5第二章 材料选择及基本参数62.1 热处理零件的选材原则62.2材料选择：72.3材料基本参数7第三章工艺设计83.1加工工艺设计83.2热处理工艺设计93.2.1材料的CCT及TTT图93.2.2热处理工艺制度的制定93.3热处理设备选择153.3.1预备热处理
2、设备的选择153.3.2最终热处理设备的选择16第四章 结束语19参考文献19前 言金属材料的热处理工艺设计及实验操作是一种重要的教学环节，通过金属材料热处理工艺的金相组织分析、性能检测等实验，可以培养学生掌握热处理实验方法、原理及相关设备，应用热处理的基本原理和一般规律对实验结果进行分析讨论，有助于学生解决问题、分析问题的能力。本课程设计是在材料科学基础金属热处理工艺学失效分析金属力学性能等课程学习的基础上开设的，是理论与实践相结合的重要教学环节。通过该课程设计，可使学生在综合运用所学专业基础理论和专业知识能力方面得到训练，学会独立分析问题和解决问题的方法，提高工程意识和工程设计能力。热处理
3、工艺是整个金属材料工程的一个重要环节，它与工件设计及其它加工工艺之间存在密切关系。如何实现工件设计时提出的几何形状和加工精度，满足设计时所要求的多种性能指标，热处理工艺制定的合理与否，有着至关重要的作用。现代工业的飞速发展对机械零部件工模具等提出的要求愈来愈高。热处理不仅对锻造机械加工的顺利进行和保证加工效果起着重要作用，而且在改善或消除加工后缺陷，提高工件的使用寿命等方面起着重要作用。为获得理想的组织与性能，保证零件在生产过程中的质量稳定性和使用寿命，就必须从工件的特点要求和技术条件，认真分析产品在使用过程中的受力状况和可能失效形式，正确选择材料；再根据生产规模现场条件热处理设备提出几种可行
4、的热处理方案，最后根据其经济性方便性质量稳定性和便于管理降低成本等因素，确定出一种最佳方案。第一章 金属热处理工艺与设备课程设计简介1.1课程设计的任务与性质金属材料热处理工艺与设备课程设计是学生对热处理工艺的基础知识、原理及方法的综合应用及全面训练，进一步提高学生技能，达到本学科基本要求的重要教学环节。通过课程设计，可以培养学生初步的设计思想、分析问题和解决问题的能力，根据实际需要和要求，掌握金属材料（零件）的选材、加工、热处理设计、确定最终的工艺路线、热处理设备选用及热处理缺陷分析等流程的一般方法和步骤；初步培养学生的设计基本技能和对工程技术问题的严肃认真、负责的态度。进一步理解常用材料的
5、组织的转变过程及热处理方法，通过课程设计能够更好地理解材料成分、组织、结构和性能相互之间的内在联系；通过本课程设计，使学生对所学习过的知识有一个系统的、健全的结构把握，能够有效地训练学生的逻辑思维能力，分析问题和解决问题的能力；通过课程设计，使学生了解从材料使用性能、成本要求、加工工艺性能等多方面考虑一个零件的热处理工艺。1.2课程设计的目的1、课程设计属于金属热处理原理与工艺课程的延续，通过设计实践，进一步学习掌握金属热处理工艺设计的一般规律和方法。2、培养综合运用金属学、材料性能学、金属工艺学、金属材料热处理及结构工艺等相关知识，进行工程设计的能力。3.培养使用手册、图册、有关资料及设计标
6、准规范的能力。4.提高技术总结及编制技术文件的能力。5.是金属材料工程专业毕业设计教学环节实施的技术准备。1.3设计内容与基本要求1.3.1设计内容根据使用性能要求完成某机器零件或工模具的选材、加工工艺流程、热处理工艺设计及缺陷检验等项目。包括选材依据、加工工艺流程及方法、热处理工艺路线及参数的确定、热处理设备的选择及操作、材料性能检测及缺陷检验与分析等。1.3.2基本要求1.课程设计必须独立的进行，每人必须完成不同的某一种钢材热处理工艺设计，能够较清楚地表达所采用热处理工艺的基本原理和一般规律。2.合理地确定工艺方法、路线、参数，合理选择热处理设备并正确操作。3.正确利用TTT、CCT图等设
7、计工具，认真进行方案分析。4.正确运用现代材料性能检测手段，进行金相组织分析和材料性能检测等。5.课程设计说明书力求用工程术语，文字通顺简练，字迹工整，图表清晰。1.4设计步骤1.根据零件服役条件合理选择材料及提出技术要求。2.零件按材料、形状、尺寸、重量和性能要求等确定其热处理工艺方法、路线及相关参数。3.选择热处理设备及温度控制方式、冷却介质。4.热处理工艺实例。5.热处理后材料性能检测。6.缺陷检验与分析。一般根据零件使用性能及技术要求，提出所可能实施的几种热处理工艺方案，首先从其所可能达到的性能要求，工艺操作的繁简及质量可靠性等进行分析比较，再根据生产批量的大小，现有设备条件及国内外热
8、处理技术发展趋势，进行综合技术经济分析，确定最佳热处理工艺方案。1.5设计材料及零件要求 零件：高速、轻载或高速、中载，有冲击的小齿轮； 要求：渗碳,淬火,低温回火,HRC5662； 大小：外径100mm； 材料：20钢。第二章 材料选择及基本参数2.1 热处理零件的选材原则2.1.1使用性原则使用性原则是零件在使用中应该具有的性能，这是保证零件完成规定功能的必要条件。在选材之前必须了解零件承受的负载类型及大小，所处工作环境和介质温度等服役条件。服役条件不同，性能要求也不一样。如：螺栓、拉杆等承受拉伸载荷的工件要求有较高的屈服强度和抗拉强度；承受交变载荷的半轴、曲轴等除了应具备良好的综合机械性
9、能外，还应有高的疲劳强度；而冲模、齿轮、铣刀等则要求有高的表面硬度。2.1.2工艺性原则 零件毛坯主要有铸件、锻件、焊接件和型材四种，熟悉材料的加工工艺过程和材料的工艺性能，使所选材料比较容易加工成工件，在选材时必须考虑材料的加工工艺性能。从原材料到成品件，不同的工作经过了不同的冷、热加工工艺，从工艺性出发，选材可按下列技术路线进行：综合比较初选材料提出对材料工艺性能的要求制造加工工艺路线 不合格初选材料重选或修改合格确定材料2.1.3经济性原则选材要讲经济效益，即应计算所得与所费、投入与产出、有用效果与、劳动消耗，要对它们进行评价和比较，从中选择最合适的不一定是最好的或单价最贵的材料，以最好
10、的消耗量得到最大的效益，这就是经济性原则。2.2材料选择选择20钢材料。零件设计：试样为外径100mm的小齿轮。齿轮主要用于传递扭矩和调节速度，其工作时的受力情况是：1.由于传递扭矩，齿根承受很大的交变弯曲应力；2.换挡，启动或啮合不均时，齿根承受一定冲击载荷；3.齿面相互滚动或滑动接触，承受很大的接触压应力及摩擦力的作用。按照工作条件的不同，齿轮的失效形式主要有以下几种：1.疲劳段裂：主要从根部发生，齿轮最严重的失效形式，常常因为一齿断裂引起数齿或所有齿断裂；2.齿面磨损：由于齿面相互接触摩擦，使齿厚变薄；3.齿面接触疲劳破坏：交变应力作用下，齿面产生微裂纹，微裂纹的发展，引起点状剥落；4.
11、过载断裂：主要是冲击载荷过大造成的断齿。根据齿轮的工作条件及失效形式，对齿轮的性能要求如下：1.高的弯曲疲劳强度；2.高的接触疲劳强度和耐磨性；3.较高的强度和冲击韧度。2.3材料基本参数20钢材料简介 材料名称：优质碳素结构钢 牌号：20钢 标准：GB/T 699-1999 20 代表这种钢的含碳量在0.2左右。20钢材料的性能及用途 性能：强度比15号钢稍高，很少淬火，无回火脆性。冷变形塑性高、一般供弯曲、压延、弯边和锤拱等加工，电弧焊和接触焊的焊接性能好，气焊时厚度小，外形要求严格或形状复杂的制件上易发生裂纹。切削加工性冷拔或正火状态较退火状态好、一般用于制造受力不大而韧性要求高的。该钢
12、属于优质低碳碳素钢，冷挤压、渗碳淬硬钢。该钢强度低，韧性、塑性和焊接性均好。抗拉强度为355500MPa，伸长率24%。用途：常用于制造受力不大，韧度较高的结构件和零件以及制造强度要求不太高的渗碳受磨零件,如焊接容器、螺母、螺钉、凸轮、齿轮等。表1 20钢材料化学成分牌号化学成分（质量分数）%CSiMnCrNiCu 200.170.230.170.370.350.650.250.300.25表2 20钢材料力学性能机械性质硬度（HB）抗拉强度 Mpa屈服强度 Mpa伸长率 %面积缩减 %冲击功（J）1564202502555无第三章工艺设计3.1加工工艺设计材料的加工工艺路线是比较复杂的，根据
13、对工件性能要求的不同，热处理在加工工艺路线中的位置通常有以下三种情况： 毛坯正火（退火）机械加工工件成品（一般工件） 毛坯预先热处理（正火、退火或调质）粗加工最终热处理（淬火、回火、化学热处理等）精加工（要求较高的工件） 毛坯预先热处理粗加工淬火、回火或化学热处理半精加工稳定化处理或化学热处理精加工稳定化处理工件成品（精密工件）根据所选20钢材料的特点及性能要求，该材料的加工工艺路线为： 毛坯预先热处理（正火、退火或调质）粗加工最终热处理（淬火、回火、化学热处理等）精加工（要求较高的工件）零件加工工艺具体步骤：铸造制坯预先热处理（正火）车削加工滚、插齿剃齿热处理磨削加工修整。铸造制坯预先热处理
14、（正火）:正火的目的是获得适合后序齿轮切削加工的硬度,防止机加工发黏和为最终热处理做组织预备，以有效减少热处理变形。车削加工：了满足高精度齿轮加工的定位要求，齿坯的加工全部采用数控车床，既保证了内孔与端面的垂直度要求，又保证了大批量齿坯生产的尺寸离散小。从而提高了齿坯精度，确保了后序齿轮的加工质量。数控车床加工的高效率还大大减少了设备数量，经济性好。滚、插齿：加工齿部所用设备采用普通滚齿机和插齿机，调整维护方便 。剃齿：剃齿加工是根据一对螺旋角不等的螺旋齿轮啮合的原理，剃齿刀与被切齿轮的轴线空间交叉一个角度，它们的啮合为无侧隙双面啮合的自由展成运动。 热处理：精加工之前的最终热处理，按照零件所需达到的性能，最终热处理工艺为表面渗碳以获得一定得表面硬度，然后淬火加低温回火，使零件具备必须的韧度，以及稳定合理的心部组织。磨削加工：主要是对经过热处理的齿轮内孔、端面、轴的外径等部分进行精加工，以提高尺寸精度和减小形位公差。修整：这是变速器、驱动桥齿轮装
