【正文】 中北大學(xué)課程設(shè)計說明書 第 1 頁 共 291 前言 零件設(shè)計是一個工程技術(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)識零件的過程，是確定零件表達(dá)方案的前提，一個好的視圖表 達(dá)方案離不開對零件的全面、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)計者從零件的材料、鑄造工藝、機械加工工藝乃至于裝配工藝等各個方面對零件進(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 可以 培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識 ， 發(fā)現(xiàn) 、 提出 、 分析和解決實際問題的能力 ， 是鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對學(xué)生實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 是金屬材料工程專業(yè)課程教學(xué)的一個重要環(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)系實際，綜合運用基礎(chǔ)課及專業(yè)課程多方面的知識去認(rèn)識和分析零部件熱處理生產(chǎn)過程的實際問題，培養(yǎng)解決問題的能力。 熱處理工藝是整個機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@著提高鋼的機械性能，延長機器零件的使用壽命。熱處理工藝不但可以強化金屬材料、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 高機械產(chǎn)品質(zhì)量、大幅度延長機器零件的使用壽命。 任何一種熱處理工藝都不是絕對的完美，所以經(jīng)熱處理后的材料會有不同程度的缺陷，對零件的缺陷進(jìn)行分析也也是零件設(shè)計必不可少的步驟。合理選擇檢驗設(shè)備以及正確的檢驗方法是做好檢驗的必要條件。 通過課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(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，有了 真正的知識，才能提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。 2 零件圖分析 中北大學(xué)課程設(shè)計說明書 第 2 頁 共 29 頁 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中的主要傳動零件，是一種可以按穩(wěn)定傳動比平穩(wěn)、 低噪音傳動的傳動零件。有較高的傳動速度（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、點蝕和斷裂。螺旋錐齒輪 因為摩擦或使用而造成 磨損 ； 隨工作時間越來越長 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)叫點蝕 ； 隨工作時間的增長齒輪產(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至 50HRC 處不小于 。 選定的材料應(yīng)該具有高強度、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)計說明書 第 3 頁 共 29 頁 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 對各個材料的性能進(jìn)行分析對比選出最佳材料。 （ 1） 42CrMo 屬于超高強度鋼，具有高強度和韌性，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抗多次沖擊能力，低溫沖擊韌性良好。適宜制造要求一定強度和韌性的大、中型塑料模具。強度、淬透性高，韌性好，淬火時變形小，高溫時有高的蠕變強度和持久強度。用于制造要求較 35CrMo 鋼強度更高和調(diào)質(zhì)截面更大的鍛件，如機車牽引引用的大齒輪、增壓器傳動齒輪、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，并且可以用于折彎機的模具等。 （ 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，相對切削加工性為 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 及合金元素作用 鋼 的化學(xué)成分 中北大學(xué)課程設(shè)計說明書 第 4 頁 共 29 頁 表 1 20Cr2Ni4A 的化學(xué)成分 【 2】 牌號 化學(xué)成分（ %） C Si Mn S P Cr Ni 20Cr2Ni4A ～ ～ ～ ≤ ≤ ～ ～ 20Cr2Ni4A 的相變點 表 2 20Cr2Ni4A 的相變點 【 3】 相變點 Ac1 Ac3 Ar1 溫度 /℃ 720 780 575 化學(xué)元素作用 C元素：提高屈服點和抗拉強度，增加鋼的冷脆性和時效敏感性，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加工和熱處理工藝。機加工是指通 過加工機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)計說明書 第 5 頁 共 29 頁 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： 為隨后的機加或最終熱處理提供一個良好的機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、