汽车后桥锥齿轮热处理工艺设计文档

1前言热处理工艺是金属材料工程的重要组成部分。通过热处理可以改变材料的加工工艺性能，充分发挥材料的潜力，提高工件的使用寿命。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。热处理工艺是整个机械加工过程种的一个重要环节，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。2目录1.课程设计的原则……………………………………………41.1热处理零件结构形状设计………………………………‥41.1.1结构形状设计应避免应力集中…………………………‥41.1.2结构形状设计应尽量简单、均衡、规则、对称………‥41.1.3设计中实际措施…………………………………………‥51.2热处理零件的选材原则……………………………………51.2.1使用性原则…………………………………………………51.2.2工艺性原则…………………………………………………51.2.3经济性原则…………………………………………………61.2.4选材时应注意的几个问题…………………………………61.3热处理工艺设计……………………………………………71.3.1热处理在加工工艺路线中的位置…………………………71.3.2热处理工艺选择时应重点考虑的因素……………………81.3.3热处理工艺规程的拟定……………………………………81.4本课程设计任务……………………………………………92.汽车后桥螺旋锥齿轮的热处理工艺设计………………102.1汽车后桥螺旋锥齿轮的服役条件…………………………102.2汽车后桥螺旋锥齿轮齿轮常见的失效形式………………102.3汽车后桥螺旋锥齿轮的性能要求…………………………112.4汽车后桥螺旋锥齿轮的材料的选择……………………1132.4.1汽车后桥螺旋螺旋齿轮备选材料分析…………………‥122.5汽车后桥螺旋锥齿轮的加工工艺路线…………………132.6热加工及热处理工艺规程………………………………142.7各热处理工艺后的金相组织分析………………………162.8热处理工艺过程中的质量检验项目……………………192.8.1渗碳淬火后齿轮的检验项目、内容和要求……………192.8.2渗碳齿轮的常见缺陷及防止措施………………………213.心得体会………………………………………………‥234．参考文献………………………………………………‥2441.课程设计的原则1.1热处理零件结构形状设计需要热处理的工件，在设计时，除了应考虑服役条件、承受载荷的大小和机械加工工艺外，还要要考虑热处理的变形、开裂所造成的产品报废。因此，对热处理件结构形状有一定的设计要求。1.1.1结构形状设计应避免应力集中截面急剧变化的工件，淬火时易引起过量变形或开裂，一般应采用平滑过渡或圆弧过渡；外形的尖锐棱边，尖角和凹腔角处会产生应力集中，因此，也常用圆弧代替尖角，为防止工件上的孔或模具型腔成为裂纹的策源地，孔与孔之间应有一定的距离，冲模型腔与模边之间的距离也应足够大。1.1.2结构形状设计应尽量简单、均衡、规则、对称结构件的形状应尽量使工件各部位的质量均匀分布，以减少淬火时可能引起的过量变形和开裂。理想的结构形状可遵循以下的基本原则：a.球形优于立方体，更优于长方体；b.圆柱体优于圆锥体；c.圆形截面优于椭圆形截面，方形截面优于矩形截面；d.在可能的条件下，应尽量使功能孔的尺寸与位置均衡、对称、分布，也可以通过加开工艺孔或工艺槽来解决质量均衡问题；e.辅助孔应位于交叉刃口的延长线上，尤其不能靠近小锐角，5以免成为裂纹的策源地。1.1.3设计中实际措施机械构件中工作的轮廓、形状和尺寸是各式各样的，往往不能遵循上述设计原则，对此可根据实际情况采取措施加以补救。a.设计成合理形状，淬火后再磨去不必要的部分；b.开切必要的孔槽使质量均衡；c.一个不平衡的工件，为了平衡质量、改善散热条件，可加开工艺孔；d.大型复杂工件可采用拼镶结构，以解决加工和热处理的困难；e.刻字、印痕的位置应远离应力集中程度高的孔。为减少损失，避免事故，充分估计各种因素的影响，可采用设计、热加工和热处理几方面共同商讨，协同设计，避免因设计不当造成加工、热处理和使用上的问题。1.2热处理零件的选材原则1.2.1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。61.2.2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：1.2.3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，以最好的消耗量得到最大的效益，这就是经济性原则。1.2.4选材时应注意的几个问题零件选材原则的实质是所选材料要耐用，易加工且费用低。同时，应注意以下几点：a.在大多数情况下优先考虑使用性能，工艺性能和经济性原则次之;b.有些力学性能指标（如σb、σ0.2、σ-1、K1c）可直接用于设计计算;δ、Ψ、Ak等不能直接用于计算，而是用于提高零件的抗过载能力，以保证零件工作安全性;7c.在对零件的力学性能要求转化为材料力学性能指标时，要注意手册上给出的组织状态。如果零件的最终状态与手册上给出的相同，可直接使用，否则，还得查阅其它手册、文献资料或进行针对性的力学性能试验；d.手册或标准给出的力学性能数据是在试验室条件下对小试样的试验结果，引用这些数据时要注意尺寸效应；e.由于材料成分是一个范围，试样毛坯的供应状态可以有多种，因此，即使是同一牌号的材料，性能也不完全相同。国际标准或原冶金部标准给出的热轧或退火状态的力学性能范围或最低值，其数据可靠；而技术资料、论文中给出的数据一般是特定条件下的平均值，使用时要加以注意；f.同一材料的不同供应状态（如铸造、锻造、冷变形等）对数据影响很大；g.选材时要注意同时考虑所选材料的成型加工方法。1.3热处理工艺设计热处理工艺设计包括热处理工艺在整个工件加工制造过程中的位置，热处理工艺选择和热处理工艺规程拟定。1.3.1热处理在加工工艺路线中的位置材料的加工工艺路线是比较复杂的，根据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：a．毛坯→正火（退火）→机械加工→工件成品（一般工件）b．毛坯→预先热处理（正火、退火或调质）→粗加工→最终热8处理（淬火、回火、化学热处理等）→精加工（要求较高的工件）c．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）1.3.2热处理工艺选择时应重点考虑的因素a)工件设计中热处理技术条件如材料（包括规格、钢种、晶粒度等）、金相组织、硬化层及渗层厚度、强度、冲击韧性及硬度要求；b)热处理的工艺性确定热处理工艺时，应根据每种工件的技术,尽量做到工艺上的先进性，技术上的可靠性和经济上的合理性;c)工厂生产条件及批量确定热处理工艺时还应考虑工厂的现场特点、现有设备、生产批量等因素。在保证技术要求和质量稳定的前提下，可选用周期作业炉、连续作业炉或设计新标准设备。1.3.3热处理工艺规程的拟定a.分析所有可能的热处理工艺方案，比较后选择其中保证工件高质量而有最经济的方案；b.需要热处理的工件应按材料、形状、尺寸、重量和性能要求等选择合适的热处理工艺；c.根据现场加热和冷却设备选择工件的加热和冷却方法；9d.热处理工艺过程各工序顺序应力求优化，避免在工艺传递过程中的重复。1.4本课程设计任务1.根据所给零件，分析服役条件和可能的失效形式；2.根据失效形式，确定零件的性能特点；3.根据性能特点，选择材料，分析含碳量及合金元素的作用；4.根据零件的材料，确定该零件的加工工艺路线以及热处理在加工工艺路线中的位置；5.拟定热处理工艺规程，画出热处理工艺曲线示意图；说明各热处理工艺曲线中加热温度、保温时间、冷却介质的选择理由，分析各热处理工艺后的力学性能；6.画出各热处理工艺后的金相组织示意图，分析显微组织特点，说明相组成物、组织组成物的名称;7.编写热处理工艺过程中的质量检测项目。102．汽车后桥螺旋锥齿轮的热处理工艺设计2.1汽车后桥螺旋锥齿轮的服役条件齿轮是机械工业中应用最广泛的重要零件之一。其主要作用是传递动力，改变运动速度和方向。是主要零件。其服役条件如下：1)齿轮工作时，通过齿面的接触来传递动力。两齿轮在相对运动过程中，既有滚动，又有滑动。因此，齿轮表面受到很大的接触疲劳应力和摩擦力的作用。在齿根部位受到很大的弯曲应力作用；2)在运转过程中的过载产生振动，承受一定的冲击力或过载；3)变速齿轮在换档时，端部受冲击，承受一定冲击力；4)在一些特殊环境下，受介质环境的影响而承受其它特殊的力的作用。2.2汽车后桥锥齿轮常见的失效形式根据其服役条件，常见的失效形式为：1)疲劳断裂齿轮在交变应力和摩擦力的长期作用下，导致齿轮点面接疲劳断裂。其产生是由于当齿轮受到弯曲应力超过其持久极限就出现疲劳破坏而超过材料抗弯强度时，就造成断裂失效；2)表面损伤a)点蚀：是闭式齿轮传动中最常见的损坏形式，点蚀进一步发展，表现为蚀坑至断裂;11b)硬化层剥落：由于硬化层以下的过渡区金属在高接触应力作用下产生塑性变形，使表面压应力降低，形成裂纹造成碳化层剥落；3)磨损失效b)摩擦磨损：汽车、拖拉机上后桥螺旋锥齿轮属于主载荷齿轮，受力比较大，摩擦产生热量较大，齿面因软化而造成塑性变形，在齿轮运转时粘结而后又被撕裂，造成齿面摩擦磨损失效b)磨粒磨损：外来质点进入相互啮合的齿面间，使齿面产生机械擦伤和磨损，比正常磨损的速度来得更快。另外，齿轮除上述失效形式外，还有在换档时，齿端相互撞击，而造成的齿端磨损，或因换档过猛或过载造成断裂以及齿面塑性变形，崩角等失效形式。2.3汽车后桥螺旋锥齿轮的性能要求根据后桥螺旋锥齿轮服役条件及失效形式，对齿轮的性能作如下要求：1)有较高的弯曲疲劳强度；2)表面有高的硬度和耐磨性；3)具有高接触疲劳抗力；4)足够的塑性和韧性；5)高的淬透性。2.4汽车后桥螺旋锥齿轮的材料的选择12螺旋锥齿轮是属于一种可以按稳定传动比平稳、低噪音传动的传动零件，传动效率高，传动比稳定，圆弧重叠系数大，承载能力高，传动平稳平顺，工作可靠，结构紧凑，节能省料，节省空间，耐磨损，寿命长，噪音小。在各种机械传动中，以螺旋锥齿轮的传动效率为最高，对各类传动尤其是大功率传动具有很大的经济效益；传递同等扭矩时需要的传动件传动副最省空间，比皮带、链传动所需的空间