【正文】 件設(shè)計(jì)：試樣為外徑 100mm 的小齒輪。 按照工作條件的不同，齒輪的失效形式主要有以下幾種： ：主要從根部發(fā)生，齒輪最嚴(yán)重的失效形式，常常因?yàn)橐积X斷裂引起數(shù)齒或所有齒斷裂； ：由于齒面相互接觸摩擦，使齒厚變??； ：交變應(yīng)力作用下，齒面產(chǎn)生微裂紋，微裂紋的發(fā)展，引起點(diǎn)狀剝落； ：主要是沖 擊載荷過大造成的斷齒。 材料基本參數(shù) 20鋼材料簡(jiǎn)介 材料名稱：優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 牌號(hào)： 20 鋼 標(biāo)準(zhǔn)： GB/T 6991999 20 代表這種鋼的含碳量在 左右。冷變形塑性高、一般供彎曲、壓延、彎邊和錘拱等加工，電弧焊和接觸焊的焊接性能好，氣焊時(shí)厚度小，外 形要求嚴(yán)格或形狀復(fù)雜的制件上易發(fā)生裂紋。 該鋼屬于優(yōu)質(zhì)低碳碳素鋼，冷擠壓、滲碳淬硬鋼?？估瓘?qiáng)度為 355~500MPa，伸長(zhǎng)率≥ 24%。 8 表 1 20 鋼材料化學(xué)成分 牌號(hào) 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） % C Si Mn Cr Ni Cu ≤ 20 ~ ~ ~ 表 2 20 鋼材料力學(xué)性能 機(jī)械性質(zhì) 硬度 （ HB） 抗拉強(qiáng)度 Mpa 屈服強(qiáng)度 Mpa 伸長(zhǎng)率 % 面積縮減 % 沖擊功 （ J） 156 ≥ 420 ≥ 250 ≥ 25 ≥ 55 無 第三章工藝設(shè)計(jì) 加工 工藝 設(shè)計(jì) 材料的加工工藝路線是比較復(fù)雜的，根據(jù)對(duì)工件性能要求的不同，熱處理在加工工藝路線中的位置通常有以下三種情況： ⑴ 毛坯→正火（退火）→機(jī)械加工→工件成品（一般工件） ⑵ 毛坯 →預(yù)先熱處理（正火、退火或調(diào)質(zhì)）→粗加工→最終熱處理（淬火、回火、化學(xué)熱處理等）→精加工（要求較高的工件） ⑶ 毛坯→預(yù)先熱處理→粗加工→淬火、回火或化學(xué)熱處理→半精加工→穩(wěn)定化處理或化學(xué)熱處理→精加工→穩(wěn)定化處理→工件成品（精密工件） 根據(jù) 所選 20 鋼材料 的 特點(diǎn) 及性能要求 ， 該材料 的 加工工藝路線為： 毛坯→預(yù)先熱處理（正火、退火或調(diào)質(zhì)）→粗加工→最終熱處理（淬火、回火、化學(xué)熱處理等）→精加工（要求較高的工件） 9 零件加工工藝具體步驟： 鑄造制坯 → 預(yù)先熱處理（ 正火） → 車削加工 →滾、插齒 → 剃齒 → 熱處理 → 磨削加工 → 修整。 車削加工： 了滿足高精度齒輪加工的定位要求，齒坯的加工全部采用數(shù)控車床，既保證了內(nèi)孔與端面的垂直度要求，又保證了大批量齒坯生產(chǎn)的尺寸離散小。數(shù)控車床加工的高效率還大大減少了設(shè)備數(shù)量，經(jīng)濟(jì)性好。 剃齒： 剃齒加工是根據(jù)一對(duì)螺旋角不等的螺旋齒輪嚙合的 原理，剃齒刀與被切齒輪的軸線空間交叉一個(gè)角度，它們的嚙合為無側(cè)隙雙面嚙合的自由展成運(yùn)動(dòng)。 磨削加工： 主要是對(duì)經(jīng)過熱處理的齒輪內(nèi)孔、端面、軸的外徑等部分進(jìn)行精加工，以提高尺寸精度和減小形位公差。通過單對(duì)嚙合聽聲音或在綜合檢查儀上觀察嚙合偏差來完 成。 從該材料 CCT 圖可 看出，隨著過冷奧氏體冷卻 方式的不同，得到的最終組織產(chǎn)生很大差異。正火的主要目的是細(xì)化組織，改善鋼的性能，獲得接近平衡 狀態(tài)的組織，為后續(xù)機(jī)加工做準(zhǔn)備。 正火 鋼號(hào) 加熱溫度/℃ 保溫時(shí)間 /h 冷卻方法 硬度 /HB 20 880~920 1~3 靜止空氣中 冷卻 ≤ 156 20 鋼正火工藝曲線 ? 加熱速度 加熱速度主要與鋼的成分、工件的尺寸和形狀等因素有關(guān)。碳鋼和低合金鋼的中、小件的加熱速度一般控制在100～ 200℃ /h；中、高合金鋼形狀復(fù)雜的或截面大的工件一般應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱或采用低溫入爐進(jìn)行隨爐升溫的加熱方式，在溫度低于 600～ 700℃是的加熱速度為30～ 70℃ /h，高于此溫度后控制在 80～ 100℃ /h。 ? 加熱溫度 淬火是將工件加熱至 Ac3 或 Acm 以上 40~60℃，保溫一段時(shí)間后，從爐中取溫 度 ℃ 加熱 保溫 空冷 11 出在空氣中或噴水、噴霧或吹風(fēng)冷卻的金屬熱處理工藝。 20 鋼屬于低碳鋼，正火后硬度略高于退火，韌性也較好，可作為切削加工熱處理。所以確定加熱溫度為 900℃。 ? 保溫時(shí)間 工件在爐內(nèi)要進(jìn)行一段時(shí)間的保溫，一方面是為了使工件能夠很好地透熱，另一方面使工件內(nèi)部各部分的溫度分布均勻一致，組織狀態(tài)均勻一致。由于合金鋼中碳化物內(nèi)存在大量的合金元素，提高了碳化物的穩(wěn)定性， 使得合金碳化物即使在高溫下也很難溶解，所以要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的保溫，通過查閱合金鋼手冊(cè) 20 鋼材料的正火曲線取保溫時(shí)間為 2h。 20 鋼正火后組織 放大倍 數(shù)： 100 浸蝕劑： 4%硝酸酒精 材料及狀態(tài)： 20 鋼 處理： 900℃加熱后正火處理 12 組織及說明：白色基體為鐵素體等軸晶，黑色塊狀為片狀珠光體。 ? 最終熱處理工藝制度的制訂 由于齒輪零件的工作環(huán)境要求零件具有一定的耐磨性、表面硬度，具有一定的韌度，所以在精加工之前必須對(duì)零件表面進(jìn)行表面滲碳處理，以改善表面硬度和耐磨性，然后進(jìn)行淬火 +低溫回火處理?；鼗饻囟确秶鸀?150250 攝氏度，回火后的組織為回火馬氏體。經(jīng)滲碳和表面淬火的零件，回火后的硬度一般為5864HRC。 低碳鋼在滲碳后在緩慢冷卻的條件下，滲碳層的組織基本上與 Fe— Fe3C 狀態(tài)圖上各相區(qū)相對(duì)應(yīng)，即由表面到中心依次為過共析區(qū)（滲碳體成網(wǎng)狀、粒狀或塊狀），共析區(qū)，亞共析區(qū)（即過渡層），中心組織即為原始組織。 13 氣體滲碳法由分解、吸收與擴(kuò)散三個(gè)基本過組成。 選擇液滴式氣體滲碳的原因：生產(chǎn)效率高，操作方便，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)，滲層質(zhì)量好，廢氣有污染，但是現(xiàn)在絕大多數(shù)都有了廢氣凈化設(shè)備。在經(jīng)濟(jì)性上，也是比較合適的。 ? 滲碳后的淬火 淬火的目的是使過冷奧氏體進(jìn)行馬氏體或貝氏體轉(zhuǎn)變，得到馬氏體 或貝氏體組織，然后配合以不同溫度的回火，以大幅提高鋼的強(qiáng)度、硬度、 耐磨性、疲勞強(qiáng)度以及韌性等，從而滿足各種機(jī)械零件和工具的不同使用要求。 ? 淬火工藝制度的制定 ? ?CHCH ?? 24 2? ?CCOCO ?? 22? ?COHHCO ??? 22 14 加熱速度 加熱速度與退火時(shí)的加熱速度相同，加熱速度選擇為 90～ 100℃ /h。 加熱溫度 鋼的淬火加熱溫度與鋼的含碳量有關(guān)，亞共析鋼的加熱溫度為 Ac3+（ 30～50）℃；共析鋼和過共析鋼的淬火加熱溫度為 Ac1+（ 30～ 50）℃。 加熱時(shí)間與保溫時(shí)間 爐中的工件應(yīng)在規(guī)定的加熱溫度范圍內(nèi)保持適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，以保證必要的組織轉(zhuǎn)變和擴(kuò)散。 鋼的加熱時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)公式 τ =KW 式中 τ —— 加熱時(shí)間， Min 或 s； K—— 綜合物理因素； F—— 工件的表面積。 保溫時(shí)間 保溫時(shí)間可以由經(jīng)驗(yàn)公式τ =α KD來加以確定。根據(jù)本設(shè)計(jì)中零件的相關(guān)尺寸計(jì)算，其中 k 取 1，所以保溫時(shí)間為： τ =α KD= 1 30=36min。冷卻時(shí)應(yīng)使冷卻速度大于臨界冷卻速度，以保證獲得馬氏體組織；在這個(gè)前提下又應(yīng)盡量緩慢冷卻，以減少鋼中的內(nèi)應(yīng)力，防止變形和開裂。 冷卻介質(zhì) 水冷，冷卻速度較快，是奧 氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的馬氏體，試樣的硬度對(duì)比與其他兩種冷卻方式也較高，而油冷的方式較空冷速度較快，所以試樣的硬度比空冷的要大。 低碳鋼淬火后可得到板條狀馬氏體組織，它的特征是 :尺寸大致相同的條狀馬氏體定向平行排列，組成馬氏體束或馬氏體區(qū)域， 16 在區(qū)域與區(qū)域之間位向差較大，一顆原始的奧氏體晶粒內(nèi)可以形成幾個(gè)不同取向的區(qū)域。 20鋼的低溫回火處理 鋼的回火是