航空齿轮生产工艺课程设计

中北大学课程设计说明书第1页共28页11前言零件设计是一个工程技术人员应该具备的最基本的专业技能。零件分析是认识零件的过程，是确定零件表达方案的前提，一个好的视图表达方案离不开对零件的全面、透彻、正确分析。零件分析也是确定零件的尺寸标注以及确定零件的技术要求的前提，因此，零件分析是绘制零件图的依据。零件的工艺结构分析就是要求设计者从零件的材料、铸造工艺、机械加工工艺乃至于装配工艺等各个方面对零件进行分析，以便在零件的视图选择过程中，考虑这些工艺结构的标准化等特殊要求和规定，使零件视图表达更趋完整、合理。课程设计可以培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题的能力，是锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。热处理生产工艺过程设计是金属材料工程专业课程教学的一个重要环节。通过这一环节，可以使我们初步掌握典型零部件生产工艺过程；掌握典型零件的选材、热处理原则和工艺制定原理；理论联系实际，综合运用基础课及专业课程多方面的知识去认识和分析零部件热处理生产过程的实际问题，培养解决问题的能力。热处理工艺是整个机器零件和工模具制造的一部分，热处理是通过改变钢的内部组织结构，以改善钢的性能，通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。热处理工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料性能潜力、降低结构重量、节省能源，而且能够提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命。任何一种热处理工艺都不是绝对的完美，所以经热处理后的材料会有不同程度的缺陷，对零件的缺陷进行分析也是零件设计必不可少的步骤。合理选择检验设备以及正确的检验方法是做好检验的必要条件。通过课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，我们才能从中获得真正的知识，有了真正的知识，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。中北大学课程设计说明书第2页共28页22零件图分析图1零部件图技术要求：1）氮化处理氮化层深度：0.5mm2）表面硬度：550-700HV服役条件：航空齿轮使用来传递动力和改变运行速度的，因此在功率传递机构如减速器中，使用各种形式的齿轮，有较高的传动速度，受重载和冲击。齿轮工作时，一对啮合的齿轮面之间相互滑动，从而产生很大的摩擦力，而且轮齿根部还受到脉动和交变弯曲应力作用。失效形式：①由摩擦力造成的齿面磨损；②齿轮间的接触，产生了接触应力，一旦超过材料疲劳极限，就会造成齿轮的接触疲劳破坏，如；表面麻点和疲劳剥落；③齿轮根部还承受交变的弯曲应力，易造成弯曲疲劳破坏，如齿根折断。性能要求：①良好的力学性能：a、高的齿面塑变抗力，即高的齿面硬度；b、高接触疲劳强度；c、高弯曲疲劳强度；d、良好的抗冲击性能，即良好的心部韧性。②良好的工艺性能：a、良好的淬透性；b、良好的切削加工性能3材料选择中北大学课程设计说明书第3页共28页33.1初步选材根据航空齿轮的性能和技术要求，选定的材料应该具有高强度、高韧性以及良好的淬透性。铸铁容易铸成复杂的形状，容易切削，成本低，但其抗弯强度、耐冲击和耐磨性能差，故常用于受力不大、无冲击、低速的齿轮；有色金属亦强度低、承受轻载，故均不宜制造航空齿轮。此外，中碳钢虽然调质处理后有较好的综合力学性能，但淬透性差，工艺性能差，切削加工性能较差，且淬火后变脆，变形也大，故不适宜制造精度要求高的航空齿轮。故初步确定符合要求的材料为含碳量范围w(C)为0.1%-0.2%的高淬透性钢，渗碳后进行淬火、低温回火使用。3.2确定材料铸铁容易铸成复杂的形状，容易切削，成本低，但其抗弯强度、耐冲击和耐磨性能差，故常用于受力不大、无冲击、低速的齿轮；有色金属亦强度低、承受轻载，故均不宜制造航空齿轮。此外，中碳钢虽然调质处理后有较好的综合力学性能，但淬透性差，工艺性能差，切削加工性能较差，且淬火后变脆，变形也大，故不适宜制造精度要求高的航空齿轮。高速重载的齿轮用钢，通用的有以下几种：表1常见齿轮用钢性能对比材料比较项性能价格适用范围12Cr2Ni4A具有高的综合力学性能，是高淬透性渗碳钢，冲击韧度高，但有回火脆性和形成白点倾向，且工艺性能差较低适用于制造截面较大、且承受重载荷的渗碳零件，如高负荷齿轮18Cr2Ni4WA高淬透性，有较好的强韧性配合，缺口敏感性小，可进行渗碳和氮化处理，也可在其它热处理条件高适用于大截面、高强度又需要良好韧度和缺口敏感性中北大学课程设计说明书第4页共28页4下使用，渗碳后工件变形小，表面高硬度高耐磨，工艺性能比较差，如切削性、磨削性较差小的重要渗碳件，如齿轮续表常用齿轮性能对比38CrMoAlA经表面氮化处理后，有高表面硬度高耐磨，零件之间发生咬死和卡伤的倾向小，且有高的疲劳强度，小的缺口敏感性，还有抗水、油等介质腐蚀的能力，有一定的耐热性，在低于渗氮温度下受热可保持高硬度高工艺温度低，变形小，适用于精密机床主轴，高精度，高可靠性的齿轮，如航空齿轮航空齿轮承受剧烈的交变载荷和冲击载荷，所受应力复杂，工况恶劣，使得齿轮在精度、强度、耐久性和可靠性等方面有更高要求。38CrMoAlA的氮化处理虽然比12Cr2Ni4A和18Cr2Ni4WA的渗碳处理费用高，但对于空用齿轮来说，高性能占主导，故综合考虑选用38CrMoAlA作为航空齿轮材料更适合。3.320Cr2Ni4A的化学成分、相变点及合金元素作用3.3.1钢的化学成分表238CrMoAlA的化学成分】【1牌号化学成分（%）CSiMnCrMoAl38CrMoAlA0.35～0.420.20～0.450.30～0.601.35～1.650.15～0.253.25～3.653.3.238CrMoAlA的相变点表338CrMoAlA的相变点】【2中北大学课程设计说明书第5页共28页5相变点Ac1Ac3Ar1Ar3Ms温度/℃7608856757403603.3.3化学元素作用C元素：提高屈服点和抗拉强度，增加钢的冷脆性和时效敏感性，降低塑性、冲击性以及耐大气腐蚀能力。Si元素：提高钢的回火稳定性、提高钢的抗氧化性、提高钢的淬透性和淬透温度。Mn元素：提高钢的淬透性，从基体组织中扩散到析出的渗碳体中，形成合金渗碳体,改善其硬度。Cr元素:提高钢的淬透性,固溶强化基体组织，并改善基体组织的回火性和硬度，具有良好的抗腐蚀和抗氧化性。Mo元素：Mo铁素体基体有固溶强化作用，提高钢热强性，抗氢蚀的作用，提高钢的淬透性，抑制了第二类回火脆性，使心部具有一定的韧性。Al元素：能与空气中的O（氧）化合生成Al2O3，从而形成保护膜，既防腐又耐蚀。此外，Cr、Mo、Al、Si等元素对表面渗氮层深度、硬度都有一定影响。（具体可见特种热处理P80、P81）4确定加工路线（冷、热加工）确定零件加工路线加工工艺主要包括机加工和热处理工艺。机加工是指通过加工机械精确去除材料的加工工艺。它直接改变毛坯的形状、尺寸和表面质量等，使其成为零件的过程称为机械加工工艺过程。热处理工艺是将金属材料放在一定的介质内加热、保温、冷却，通过改变材料表面或内部的金相组织结构,来控制其性能的一种金属热加工工艺。4.1初步确定加工路线中北大学课程设计说明书第6页共28页6根据38CrMoAlA材料的性能以及技术要求，可初步确定其加工路线为：下料→锻坯→预备热处理（完全退火）→粗加工（车齿坯→粗铣齿）→中间热处理（调质→去应力退火）→精加工（精铣齿→磨端面及孔→磨齿）→最终热处理（氮化处理）→检查硬度和氮化层深度。4.2每个步骤的作用（1）下料的作用：提供原料；（2）锻坯的作用：获得原料；（3）预备热处理的作用：其目的在于消除其锻件常存在晶粒粗大或晶粒大小不均匀等组织缺陷及内应力，使钢的强度、塑性和韧性达到技术要求即均匀组织、细化晶粒、消除内应力、改善切削加工性能等，为最终热处理做好组织准备。（4）车齿坯与粗铣齿的作用：对材料进行机械粗加工，是以快速切除毛坯余量。（5）中间热处理：一般是为了消除工件因冷加工或切削加工以及热加工后快冷而引起的残余应力，以避免其随后可能产生的变形、开裂或后续热处理的困难。（6）精加工（磨端面及孔和磨齿）的作用：完成各主要表面的最终加工,使零件的加工精度和加工表面质量基本达到图样规定的要求。（7）最终热处理的作用：获得适当的组织，进而获得所需的力学性能。（8）检查硬度和氮化层深度的作用：验收产品。5热处理工艺方法选择5.1预备热处理工艺的选择一般预备热处理有这几种：1、调质处理：一般后面要进行表面淬火处理，其预备热处理的目的是为了使工件表面淬火前得到强韧性结合优良的心部性能，降低使用过程中的心部疲劳开裂。2、正火处理：一般后面进行的是化学热处理（渗碳+淬火）或者调质热处理，其预备热处理的目的就是细化晶粒、消除机加应力、均匀不平衡组织等，为后面的最终热处理奠定良好的组织基础。3、退火处理：后面最中北大学课程设计说明书第7页共28页7终热处理一般都是调质处理，其作为预备热处理的目的就是为了消除应力以及降低表面硬度。正火与退火工艺相比，其主要区别是正火的冷却速度稍快，所以正火热处理的生产周期短。故退火与正火同样能达到零件性能要求时，尽可能选用正火。大部分中、低碳钢的坯料一般都采用正火热处理。一般合金钢坯料常采用退火，若用正火，由于冷却速度较快，使其正火后硬度较高，不利于切削加工。此外，完全退火主要用于含碳量质量分数为0.3%～0.6%的中碳钢铸、锻件，因为38CrMnAl含碳量为0.38%，且是锻件，故在此选用完全退火对其进行预备热处理。5.2中间热处理（调质和去应力退火工艺）的选择对要进行氮化处理的工件，要求其氮化前有均匀而又细致的组织（即回火索氏体），以保证工件心部有较高的强度和良好的韧性，不允许存在游离铁素体，表面不能有脱碳层，氮化前的表面粗糙度应小于Ra1.6μｍ，从而提高其综合性能，为氮化做好必要的组织准备，故而采用调质处理。去应力退火则是为了去除切削加工过程中产生的残余内应力，降低硬度，为进一步机加工做准备。5.3最终热处理（氮化工艺）的选择渗氮能使钢铁零件得到比渗碳淬火硬度、耐磨性、抗咬合能力、红硬性和良好疲劳强度的氮化层。由于渗氮温度低和渗氮后的渗氮层有高硬度，因而零件渗氮后不进行渗氮工艺，故渗氮零件的变形很小。渗氮后工件还具有抵抗大气、水分及某些介质的腐蚀能力。6制订热处理工艺制度金属材料和铁制品退火、正火和淬火保温时间由设备加热方式、零件尺寸、钢的成分、装炉量和设备功率等多种因素确定。加热所需时间包括从室温到炉温仪表指示达到所需温度的升温时间、炉料表面和心部温度均匀所需的均热时间以及内外达到温度后为了完成相变所需的保温时间三个部分。但在实际生产中，只有大型工件或装炉量很多情况下，才把升温时间和保温时间分别进行考虑，一般情况下把升温时间和保温时间统称为加热时间。在具体生产条件下，加热时间常用经验公式计中北大学课程设计说明书第8页共28页8算，通过实验最终确定，常用经验公式为：t=a×k×D式中t——加热时间（min或s）、a——加热系数（min/mm或s/mm）、D——工件有效厚度（mm）、K——炉装方式修正系数。表4常用钢的加热系数】【3工件材料工件直径/mm＜600℃箱式炉中加热750-850℃盐炉中加热或预热800-900℃箱式炉或井式炉中加热1000-1300℃高温盐炉中加热碳钢≤50＞500.3-0.40.4-0.51.0-1.21.2-1.5合金钢≤50＞500.45-0.500.50-0.551.2-1.51.5-1.8表5各种截面的零件形状系数】【4形状形状系数球、正方体0.75圆棒、方棒1.0板（宽b、厚a）①b≤2a；1.50②2ab≤4a；1.75③b4a；2.0管①两端开口短管≤2.0②一端封闭管2-4③长管或两端封闭管4根据上表及齿轮尺寸，其有效厚度为D=32mm。中北大学课程设计说明书第9页共28页9表6炉装方式修正系数】【5由于航空齿轮为高精度、高要求的零件，故选择装炉量为一件，齿轮轴线与井式炉轴线方向一致装入，据表知