【正文】 中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 第 1 頁(yè) 共 291 前言 零件設(shè)計(jì)是一個(gè)工程技術(shù)人員應(yīng)該具備的最基本的專業(yè)技能。零件分析是認(rèn)識(shí)零件的過程，是確定零件表達(dá)方案的前提，一個(gè)好的視圖表 達(dá)方案離不開對(duì)零件的全面、透徹、正確分析。零件分析也是確定零件的尺寸標(biāo)注以及確定零件的技術(shù)要求的前提，因此，零件分析是繪制零件圖的依據(jù)。零件的工藝結(jié)構(gòu)分析就是要求設(shè)計(jì)者從零件的材料、鑄造工藝、機(jī)械加工工藝乃至于裝配工藝等各個(gè)方面對(duì)零件進(jìn)行分析，以便在零件的視圖選擇過程中，考慮這些工藝結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化等特殊要求和規(guī)定，使零件視圖表達(dá)更趨完整、合理。 課程設(shè)計(jì) 可以 培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí) ， 發(fā)現(xiàn) 、 提出 、 分析和解決實(shí)際問題的能力 ， 是鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。熱處理生產(chǎn)工藝過程設(shè)計(jì) 是金屬材料工程專業(yè)課程教學(xué)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。通過這一環(huán)節(jié) ， 可以使我們初步掌握典型零部件生產(chǎn)工藝過程；掌握典型零件的選材、熱處理原則和工藝制定原理；理論聯(lián)系實(shí)際，綜合運(yùn)用基礎(chǔ)課及專業(yè)課程多方面的知識(shí)去認(rèn)識(shí)和分析零部件熱處理生產(chǎn)過程的實(shí)際問題，培養(yǎng)解決問題的能力。 熱處理工藝是整個(gè)機(jī)器零件和工模具制造的一部分， 熱處理是 通過 改變鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，以改善鋼的性能，通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢燥@著提高鋼的機(jī)械性能，延長(zhǎng)機(jī)器零件的使用壽命。熱處理工藝不但可以強(qiáng)化金屬材料、充分挖掘材料性能潛力、降低結(jié)構(gòu)重量、節(jié)省和能源，而且能夠提 高機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量、大幅度延長(zhǎng)機(jī)器零件的使用壽命。 任何一種熱處理工藝都不是絕對(duì)的完美，所以經(jīng)熱處理后的材料會(huì)有不同程度的缺陷，對(duì)零件的缺陷進(jìn)行分析也也是零件設(shè)計(jì)必不可少的步驟。合理選擇檢驗(yàn)設(shè)備以及正確的檢驗(yàn)方法是做好檢驗(yàn)的必要條件。 通過課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論， 我們才能從中獲得真正的知識(shí)，有了 真正的知識(shí)，才能提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。 2 零件圖分析 中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 第 2 頁(yè) 共 29 頁(yè) 圖 1 零部件圖 技術(shù)參數(shù)：端面模數(shù) m=12，齒輪齒數(shù) Z=41，節(jié)圓直徑 D=192mm，壓力角 為 20 度，齒全高 h=14，螺旋角 =30 度，端面弧齒厚 s=17mm。 技術(shù)要求 ： 總滲碳層深度為 ～ ，滲層表面碳濃度 w（ c）為 %～ 1%，滲碳淬火回火后表面硬度為 58～ 62HRC，心部硬度為 36HRC，有效滲碳硬化層深度測(cè)至 50HRC 處不小于 。 零件 的服役條件 、失效形式及性能要求 （ 1）服役條件： 螺旋錐齒輪是石油鉆機(jī)中的主要傳動(dòng)零件，是一種可以按穩(wěn)定傳動(dòng)比平穩(wěn)、 低噪音傳動(dòng)的傳動(dòng)零件。有較高的傳動(dòng)速度（空載最高的線速度為30m/s，加載線速度為 25m/s），受重載和沖擊。 （ 2）失效形式： 主要失效形式為磨損、點(diǎn)蝕和斷裂。螺旋錐齒輪 因?yàn)槟Σ粱蚴褂枚斐?磨損 ； 隨工作時(shí)間越來越長(zhǎng) 在 齒輪 表面部地區(qū)出現(xiàn)縱深發(fā)展的腐蝕小孔，其余地區(qū)不腐蝕或腐蝕輕微，這種腐蝕形態(tài)叫點(diǎn)蝕 ； 隨工作時(shí)間的增長(zhǎng)齒輪產(chǎn)生斷裂失效。 （ 3）性能要求：為了防止 螺旋錐齒輪失效以及保證傳動(dòng)比穩(wěn)定所用材料應(yīng)具備以下性能要求： a、良好的力學(xué)性能； b、良好的滲碳淬火性能； c、良好的抗沖擊性能； d、良好的心部硬度； e、良好的 熱變形性能。 3 材料的選擇 初步選材 根據(jù)螺旋錐齒輪的 技術(shù)要求：總滲碳層深度為 ～ ，滲層表面碳濃度 w（ c）為 %～ 1%，滲碳淬火回火后表面硬度為 58～ 62HRC，心部硬度為 36HRC，有效滲碳硬化層深度測(cè)至 50HRC 處不小于 。 選定的材料應(yīng)該具有高強(qiáng)度、高韌性以及良好的淬透性。 又根據(jù)螺旋錐齒輪的性能要求： a、良好的力學(xué)性能； b、中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 第 3 頁(yè) 共 29 頁(yè) 良好的滲碳淬火性能； c、良好的抗沖擊性能； d、良好的心部硬度； e、良好的熱變形性能。 為滿足以上 條件 初步確定符合要求的 材料為滲碳軸承鋼 【 1】 。 確定材料 42CrMo、 12CrNi3 和 20Cr2Ni4A 都屬于滲碳軸承鋼，通過 對(duì)各個(gè)材料的性能進(jìn)行分析對(duì)比選出最佳材料。 （ 1） 42CrMo 屬于超高強(qiáng)度鋼，具有高強(qiáng)度和韌性，淬透性也較好，無明顯的回火脆性。調(diào)制處理后有較高的疲勞極限個(gè)抗多次沖擊能力，低溫沖擊韌性良好。適宜制造要求一定強(qiáng)度和韌性的大、中型塑料模具。強(qiáng)度、淬透性高，韌性好，淬火時(shí)變形小，高溫時(shí)有高的蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng)度。用于制造要求較 35CrMo 鋼強(qiáng)度更高和調(diào)質(zhì)截面更大的鍛件，如機(jī)車牽引引用的大齒輪、增壓器傳動(dòng)齒輪、壓力容器齒輪、后軸、 受載荷極大地連桿及彈簧夾，也可用于 2020m 以下石油深井鉆桿接頭與打撈工具，并且可以用于折彎?rùn)C(jī)的模具等。 （ 2） 12CrNi3 鋼屬于合金滲碳鋼 有 高淬透性。該鋼淬火低溫回火或高溫回火后都具有良好的綜合力學(xué)性能，鋼的低溫韌性好，缺口敏感性小，切削加工性能良好，當(dāng)硬度為 HB260～ 320 時(shí)，相對(duì)切削加工性為 60%～ 70%。 此鋼退火后硬度低、塑性好。為提高模具型腔的耐磨性，模具成型后需要進(jìn)行滲碳處理，然后再進(jìn)行淬火和低溫回火，從而保證模具表面具有高硬度、高耐磨性而心部具有很好的韌性，該鋼適宜制造大、中型塑料模具。 （ 3） 20Cr2Ni4A 是優(yōu)質(zhì)合金鋼 有良好的力學(xué)性能 ，強(qiáng)度高 有良好的心部硬度 ，韌性 好有有良好的抗沖擊性能及熱變形性能， 淬透性好 有良好的滲碳淬火性能 。滲碳后不能直接淬火，以減少表層參與奧氏體。切削性及冷變形塑性一般。用于大截面滲碳件，如大型齒輪、軸類以及要求強(qiáng)度高、韌性好的調(diào)質(zhì)零部件等。此軸承鋼是特大型軸承用的低碳高合金滲碳軸承鋼， 不管是在工藝性上還是經(jīng)濟(jì)性上都是很符合我們的要求，因此綜合分析 20Cr2Ni4A 是最佳材料。 20Cr2Ni4A 的化學(xué)成分 、相變點(diǎn) 及合金元素作用 鋼 的化學(xué)成分 中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 第 4 頁(yè) 共 29 頁(yè) 表 1 20Cr2Ni4A 的化學(xué)成分 【 2】 牌號(hào) 化學(xué)成分（ %） C Si Mn S P Cr Ni 20Cr2Ni4A ～ ～ ～ ≤ ≤ ～ ～ 20Cr2Ni4A 的相變點(diǎn) 表 2 20Cr2Ni4A 的相變點(diǎn) 【 3】 相變點(diǎn) Ac1 Ac3 Ar1 溫度 /℃ 720 780 575 化學(xué)元素作用 C元素：提高屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度，增加鋼的冷脆性和時(shí)效敏感性，降低塑性、沖擊性以及耐大氣腐蝕 能力。 Si 元素：提高鋼的回火穩(wěn)定性、提高鋼的抗氧化性、提高鋼的淬透性和淬透溫度。 Mn 元素：提高鋼的淬透性，從基體組織中擴(kuò)散到析出的滲碳體中，形成合金滲碳體 ,改善其硬度。 S元素 :使鋼產(chǎn)生熱脆性，降低鋼的延展性和韌性，改善切削加工性。 P元素：增加鋼的冷脆性，使焊接性變壞，降低塑性，使冷彎性能變壞。 Cr 元素 : 提高鋼的淬透性 ,固溶強(qiáng)化基體組織，并改善基體組織的回火性和硬度。 Ni 元素： 提高鋼的淬透性，有助于改善鋼的韌性。 4 確定加工路線 確定零件加工路線加工工藝主要包括機(jī)加工和熱處理工藝。機(jī)加工是指通 過加工機(jī)械精確去除材料的加工工藝。它直接改變毛坯的形狀、尺寸和表面質(zhì)量等，使其成為零件的過程稱為機(jī)械加工工藝過程。 熱處理工藝是將金屬材料放在一定的介質(zhì)內(nèi)加熱、保溫、冷卻，通過改變材料表面或內(nèi)部的金相組織結(jié)構(gòu) ,來控制其性中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 第 5 頁(yè) 共 29 頁(yè) 能的一種金屬熱加工工藝。 初步確定加工路線 根據(jù) 20Cr2Ni4A 材料的性能以及技術(shù)要求，可初步確定其加工路線為： 下料→鍛坯→ 預(yù)備熱處理 →高溫回火→車齒坯→粗、精銑齒→滲碳→高溫回火→淬火 +低溫回火 → 噴丸→磨端面及孔→磨齒→成品。 每個(gè)步驟 的作用 （ 1） 下料 的作用： 提供原料 ； （ 2）鍛坯 的作用： 獲得原料； （ 3）預(yù)備熱處理 的作用： 為隨后的機(jī)加或最終熱處理提供一個(gè)良好的機(jī)加性能或良好的組織形態(tài) ； （ 4）高溫回火 的作用 ： （ 1）消除淬火時(shí)產(chǎn)生的殘留內(nèi)應(yīng)力，提高材料的塑性和韌性（ 2）獲得良好的綜合力學(xué)性能（ 3）穩(wěn)定工件尺寸，使鋼的組織在工件使用過程中不發(fā)生變化。 （ 5）車齒坯與粗、