C620车床主轴的热处理工艺设计.docx
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C620车床主轴的热处理工艺设计
攀枝花学院
学生课程设计（论文）
题目：
C620车床主轴的热处理工艺设计
学生姓名：
学号：
所在院（系）：
材料工程学院
专业：
级材料成型及控制工程
班级：
材料成型及控制工程
指导教师：
职称：
讲师
2013年12月15日
攀枝花学院教务处制
攀枝花学院本科学生课程设计任务书
题 目
A钢制造机床B热处理工艺设计
1、课程设计的目的
使学生了解、设计15钢制造机床B热处理生产工艺，主要目的：
（1）培养学生综合运用所学的热处理课程的知识去解决工程问题的能力，并使其所学知识得到巩固和发展。
（2）学习热处理工艺设计的一般方法、热处理设备选用和装夹具设计等。
（3）进行热处理设计的基本技能训练，如计算、工艺图绘制和学习使用设计资料、手册、标准和规范。
2、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）
内容：
进行零件的加工路线中有关热处理工序和热处理辅助工序的设计。
根据零件的技术要求，选定能实现技术要求的热处理方法，制定工艺参数，画出热处理工艺曲线图，选择热处理设备，设计或选定装夹具，作出热处理工艺卡。
最后，写出设计说明书，说明书中要求对各热处理工序的工艺参数的选择依据和各热处理后的显微组织作出说明。
要求：
（1）分析生产加工及热处理过程中可能出现的缺陷，针对这些缺陷提出预防措施或补救措施。
（2）提交设计说明书（或设计报告），3～5千字，提交设计说明书。
3、主要参考文献
[1]崔明择主编.工程材料及其热处理[M].北京：
机械工业出版社，2009.7.
[2]崔忠析主编.金属学与热处理（第二版）[M].北京：
机械工业出版社，2007.5
[3]王建安.金属学与热处理[M].北京：
机械工业出版社，1980
[4]中国机械工程学会.热处理手册[M].北京：
机械工业出版社，2006.7
[5]范逸明.简明金属热处理工手册[M].北京：
国防工业出版社，2006.3
4、课程设计工作进度计划
第16周：
对给定题目进行认真分析，查阅相关文献资料，做好原始记录。
第17周：
撰写课程设计说明书，并进行修改、完善，提交设计说明书。
指导教师（签字）
日期
年月日
教研室意见：
年月日
学生（签字）：
接受任务时间：
年月日
注：
任务书由指导教师填写。
课程设计（论文）指导教师成绩评定表
题目名称
评分项目
分值
得分
评价内涵
工作
表现
20%
01
学习态度
6
遵守各项纪律，工作刻苦努力，具有良好的科学工作态度。
02
科学实践、调研
7
通过实验、试验、查阅文献、深入生产实践等渠道获取与课程设计有关的材料。
03
课题工作量
7
按期圆满完成规定的任务，工作量饱满。
能力
水平
35%
04
综合运用知识的能力
10
能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题，能正确处理实验数据，能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。
05
应用文献的能力
5
能独立查阅相关文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。
06
设计（实验）能力，方案的设计能力
5
能正确设计实验方案，独立进行装置安装、调试、操作等实验工作，数据正确、可靠；研究思路清晰、完整。
07
计算及计算机应用能力
5
具有较强的数据运算与处理能力；能运用计算机进行资料搜集、加工、处理和辅助设计等。
08
对计算或实验结果的分析能力（综合分析能力、技术经济分析能力）
10
具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能力。
成果
质量
45%
09
插图（或图纸）质量、篇幅、设计（论文）规范化程度
5
符合本专业相关规范或规定要求；规范化符合本文件第五条要求。
10
设计说明书（论文）质量
30
综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；实验正确，分析处理科学。
11
创新
10
对前人工作有改进或突破，或有独特见解。
成绩
指导教师评语
指导教师签名：
年 月 日
摘要
本课是C620车床主轴的热处理工艺设计。
主轴是机床上传递动力的零件，常需承受弯曲、扭转、疲劳、冲击载荷的作用，同时在滑动与转动部位还受到摩擦力的作用。
因此，要求主轴具有高强度、硬度、足够的韧性及疲劳强度、变形小等性能。
所以采用40Cr钢来进行加工。
而40Cr钢是调质钢硬度较高，在经过热加工后，必须经过预备热处理以降低其硬度，便于加工。
主要的工艺过程包括锻造、预备热处理（正火）、淬火+高温回火等过程。
提高主轴的硬度，使主轴能达到良好的工作性能。
并在锥孔进行局部淬火，提高花键耐磨性；车床主轴经过适当的热处理工艺，可以达到良好的工作性能，使主轴能在正常的工作中有足够的硬度，且在花键等部分有良好的耐磨性。
关键词：
40Cr钢，正火，淬火，高温回火，机床主轴
目录
摘要Ⅰ
1、设计任务1
1.1设计任务1
1.2设计的技术要求1
2、设计方案2
2.1机床主轴设计的分析2
2.1.1工作条件2
2.1.2失效形式2
2.1.3性能要求2
2.2钢种材料3
3、设计说明4
3.1加工工艺流程4
3.2具体热处理工艺4
3.2.1预备热处理工艺5
3.2.2机械加工5
3.2.3淬火和高温回火热处理工艺5
4、分析与讨论8
5、结束语9
6、热处理工艺卡片10
参考文献11
1设计任务
1.1设计任务
C620车床主轴的热处理工艺设计
1.2设计的技术要求
从铁碳合金相图来看，40Cr钢属于亚共析钢，缓冷到室温后的组织为铁素体+珠光体；从钢的分类来看，40Cr钢属于低淬透性调质钢，具有很高的强度，良好的塑性和韧性，即具有良好的综合机械性能。
由于它的硬度较高，所以必须经过预备热处理以降低硬度，便于切削加工，消除热加工时造成的组织缺陷、细化晶粒、改善组织，为最终的热处理做好准备。
对于40Cr钢，正火处理后可能得到马氏体组织，尚需再在Ac1以下进行高温回火，使其组织转变为粒状珠光体来降低其硬度,便于加工。
在最终热处理环节，须对工件进行淬火后高温回火，提高主轴的硬度，使主轴能达到良好的工作性能。
在锥孔进行局部淬火使键槽部位淬硬，提高耐磨性；在花键部分可采用高频淬火减少变形并达到表面淬硬。
车床主轴经过适当的热处理工艺，可以达到良好的工作性能，使主轴能在正常的工作中有足够的硬度，且在花键等部分有良好的耐磨性。
2设计方案
2.1车床主轴设计的分析
2.1.1工作条件及性能要求
图1C6132卧式车床主轴零件图
该轴承在工作中受交变弯曲应力与扭应力，但由于承受的载荷与转速均不高，冲击作用也不大，故具有一般综合力学性能即可。
但在主轴大端的内锥孔和外锥体，因常与卡盘、顶尖有相对摩擦；花键部位与齿轮有相对滑动，故这些部位要求较高的硬度与耐磨性；主轴在滚动轴承中运转，工作时因轴颈与轴承不发生摩擦，故轴颈无耐磨性要求。
2.1.2失效形式
主要失效形式为主轴断裂和花键、键槽处过度磨损。
2.3热处理技术条件
车床主轴适合一般力学性能，根据对该轴工作条件的分析，以及结合选材情况，热处理技术条件如下：
1）整体调质后硬度为220～250HBW；
2）内锥孔和外锥体硬度为45～5OHRC；
3）花键部分硬度为48～53HRC[3]。
在进行热处理前，我们结合车床主轴的力学性能以及40Cr钢的特点，我们做出了热处理技术的条件，所以在热处理中，我们必须根据条件选择适合的热处理方式来达到车床主轴的性能要求。
2.2钢种材料
40Cr钢的元素成分及作用如下表
表1.40Cr钢的元素成分及作用[
元素
C
Si
Mn
Cr
含量
0.37～0.44%
0.17～0.37%
0.50～0.80%
0.8～1.10%
作用
固溶强化
提高淬透性
提高回火稳定性
3设计说明
3.1.1锻坯正火的作用
在进行热处理过程中，锻坯正火可以消除毛坯的锻造应力，降低材料的硬度以改善切削加工性能，同时也均匀组织、细化晶粒，以利于切削加工，并为下一步的热处理作组织准备。
这一步是热处理的前奏，所以在热处理工艺中有着至关重要的作用
3.1.2热处理工艺
经过锻坯正火后，材料的组织达到了良好的热处理效果，所以需要我们再做出适当的热处理来达到材料需要的硬度，热处理工艺如下：
1）锻坯正火的温度应该保持在850±10℃。
2）在锻坯正火过程中应该保温1．5h，空冷。
3）使用的设备为井式炉或箱式炉（额定温度950℃）。
4）检测时的硬度应小于或者等于217HBW[3]。
3.2.1预备热处理工艺
退火是将偏离平衡状态的金属坯料或零件加热至较高温度，保持一定的时间后通常以相当缓慢的速度冷却，以得到接近于平衡状态组织的各种工艺方法。
退火的目的是：
a消除钢锭的成分偏析，使成分均匀化。
b消除因铸、锻、焊引起的组织缺陷。
c降低硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工。
d细化晶粒，均匀组织，为后续热处理做组织准备。
e消除钢中的内应力，以防止变形与开裂[5]。
Ac3
Ac1
图3.2A钢完全退火工艺曲线
加热温度：
Ac3+30~50℃；加热速度：
小于200℃/h；保温时间：
2min/mm[8]
3.2.4淬火+低温回火热处理工艺
①淬火
淬火是将钢加热至临界温度点Ac3或Ac1以上一定的度，保温后以大于临界冷却速度的速度冷却得到马氏体（或下贝氏体）的热处理工艺叫做淬火。
其目的是使奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体，然后配以不同温度回火获得各种需要的性能。
钢的理想淬火冷却曲线如图3.4[7]所示
Ac3
Ac1
A
A→P
A→
B
Ms
图3.4
②高温回火
回火是将淬火钢加热到A1以下某一温度，经过保温，然后以一定的冷却方法冷至室温的热处理操作。
其目的在于：
a.降低脆性，消除内应力。
工件淬火后存在着很大的内应力和脆性，若不及时回火，零件会产生变形或开裂。
b.得到对工件所要求的力学性能。
工件淬火后，硬度高，脆性大，为了了获得对工件要求的性能，可以用回火温度调整硬度，减小脆性，得到所需要的塑性、强度和硬度。
c.稳定工件尺寸。
淬火后的组织是马氏体和残余奥氏体，这两种组织都是不稳定的，会自发地逐渐地发生组织转变，因而引起工件尺寸和形状的改变。
通过回火，可以促使这些组织转变。
达到较稳定状态，以便在以后的使用过程中不发生变形[8]。
回火规范如表3.2[9]。
表3.5A回火规范表
方案
淬火温度/℃
回火
用途
加热温度/℃
介质
硬度HRC
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
1020~1040
消除应力
去除应力，降低硬度
去除应力，降低硬度
150~170
200~275
400~425
油或硝盐
—
—
61~63
57~59
55~57
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
1115~1130
去除应力及形成二次硬化
去除应力及形成二次硬化
去除应力及形成二次硬化
510~520℃多次回火
-78℃冷处理加510~520℃一次回火
-78℃冷处理加一次510~520℃回火，再-78℃冷处理
—
—
—
60~61
60~61
61~62
3.2.5物理性能
经过上述各种热处理后40Gr钢的韧性、硬度、耐磨性都有所甚至很大的提升。
4分析与讨论
用40Gr钢生产C620车床主轴的热处理工艺设计已经在前面展示，单就其性能以及热处理的过程想必是没多大问题，若放入实际生产中有很多不可预知的问题，因此，不能纸上谈兵须得到工厂或者实验室中反复的通过实验数据进行分析，然后在得出最重要的结论用于实践中，从而在生产中减低成本、提高效率并且减少工时，降低能源消耗。
5结束语
总之，由于轴较长，且锥孔与外锥体对两轴颈的同心度要求高，故锥部淬火应与花键淬火分开进行，这样可减少淬火变形，并且锥部淬火及回火后，需用粗磨来纠正淬火变形。
然后再进行花键的加工与淬火。
最后用精磨来消除总的变形，从而保证主轴的装配质量。
这次40Gr钢生产C620车床主轴的热处理工艺设计的完成，让我不仅通过自己的努力大致了解了40Gr钢生产C620车床主轴的热处理工艺设计的制作流程，还学会了把自己书本上学到的知识运用到实际物体上去。
金属学都是理论上的成型工艺，在实际生产中肯定还有许多细节问题需要我们去解决和改进。
在这次的课程设计中，发挥出了自己单独设计40Gr钢生产C620车床主轴的热处理工艺设计能力和综合运用书本知识，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，尤其是热处理加工工艺，是自己很有成就感。
同时各科相关的课程都有了全面的复习与运用，独立思考的能力也有所提高，更为重要的是：
在这次40Gr钢生产C620车床主轴的热处理工艺设计中，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，进而加以弥补。
6热处理工艺卡片
零件名称：
制造机床B
热处理工艺卡
处理要求：
下料、锻造、预备热处理（正火）、机械加工、淬火+高温回火、平磨、组装
热处理技术要求：
恰当控制温度和时间
硬度：
大于等于170HBW
材料：
A钢
工序号
名称
设备
工具
装料
工艺规范
冷却
备注
工具数量
一工具装数量/
件
温度/℃
加热时间
保温时/h间
合计
介质
温度/℃
1
锻造加热
1000~1050
--
--
--
炉冷
2
正火
850
5min
1
1h
空气
3
淬火
850
1h
1.5h
2.5h
油
4
高温回火
500～650
2h
1
3h
空气
5
6
7
8
9
10
更改
单号
更改
标准
更改
标准
更改者
参考文献
[1]中国机械工程学会.热处理手册[M].北京：
机械工业出版社，2006.7
[2]黎正科.机床变速箱的结构特性分析[J].2009,5
[3]张熹,崔京玉,章军.浅析齿轮钢及热处理工艺对汽车用齿轮性能的影响[J].北京,首钢技术研究.2009,10.
[4]吴晓峰,马坤.模具钢应用的主要问题与热处理研究进展[J].2009,35（9）:
55-62.
[5]樊新民.热处理工实用技术手册（第2版）[M].江苏,江苏科学技术出版社,2010,1.
[6]王忠诚,齐宝森,李杨等.典型零件热处理技术[M].北京,化学工业出版社.2010,7.
[7]崔中圻,谭耀春.金属学与热处理（第2版）[M].北京,机械工业出版社.2012,1.
[8]林约利,程芝苏.简明金属热处理手册（第二版）[M].上海,上海科技出版社.2003,3.
[9]
[10]范逸明.简明金属热处理工手册[M].北京：
国防工业出版社，2006.3
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