20CrMnTi螺旋锥齿轮加工工艺.docx
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20CrMnTi螺旋锥齿轮加工工艺
专业课程设计任务书
学生姓名班级：
设计题目：
装载机从动螺旋锥齿轮材料的选择及工艺设计
设计内容：
1、根据零件工作原理，服役条件，提出机械性能要求和技术要求。
2、选材，并分析选材依据。
3、制订零件加工工艺路线，分析各热加工工序的作用。
4、制订热处理工艺卡，画出热处理工艺曲线，对各种热处理工艺进行分析，并分析所得到的组织，说明组织及性能的检测方法与使用的仪器设备。
5、分析热处理过程中可能产生的缺陷及补救措施。
6、分析零件在使用过程中可能出现的失效方式及修复措施。
装载机从动螺旋锥齿轮材料的选择及工艺设计
1前言
装载机是一种广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等建设工程的土石方施工机械，它主要用于铲装土壤、砂石、石灰、煤炭等散状物料，也可对矿石、硬土等作轻度铲挖作业。
换装不同的辅助工作装置还可进行推土、起重和其他物料如木材的装卸作业。
在道路、特别是在高等级公路施工中，装载机用于路基工程的填挖、沥青混合料和水泥混凝土料场的集料与装料等作业。
此外还可进行推运土壤、刮平地面和牵引其他机械等作业。
由于装载机具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点，因此它成为工程建设中土石方施工的主要机种之一。
装载机的铲掘和装卸物料作业是通过其工作装置的运动来实现的。
装载机工作装置由铲斗、动臂、连杆、摇臂和转斗油缸、动臂油缸等组成。
整个工作装置铰接在车架上。
铲斗通过连杆和摇臂与转斗油缸铰接，用以装卸物料。
动臂与车架、动臂油缸铰接，用以升降铲斗。
铲斗的翻转和动臂的升降采用液压操纵。
装载机作业时工作装置应能保证：
当转斗油缸闭锁、动臂油缸举升或降落时，连杆机构使铲斗上下平动或接近平动，以免铲斗倾斜而撒落物料；当动臂处于任何位置、铲斗绕动臂铰点转动进行卸料时，铲斗倾斜角不小于45°，卸料后动臂下降时又能使铲斗自动放平。
目前国产装载机正在从低水平、低质量、低价位、满足功能型向高水平、高质量、中价位、经济实用型过渡。
从仿制仿造向自主开发过渡，各主要厂家不断进行技术投入，采用不同的技术路线，在关键部件及系统上技术创新，摆脱目前产品设计雷同，无自己特色和优势的现状，从低水平的无序竞争的怪圈中脱颖而出，成为装载机行业的领先者。
齿轮在装载机工作过程中起着重要的作用，本文着重介绍装载机螺旋锥齿轮材料的选择以及其制作工艺。
2从动螺旋锥齿轮的工作条件及性能要求
2.1齿轮零件的工作条件
齿轮在装载机工作过程中起着传递动力和改变速度的作用，啮合齿面间既有滚动、又有滑动，轮齿根部还受到脉动或交变弯曲的作用。
在由此而引起的各种应力的作用下，齿轮将发生轮齿折断、齿面胶合、齿面疲劳及齿面磨损等失效情况。
引起齿轮失效的主要应力有：
摩擦力、接触应力和弯曲应力。
根据齿轮失效的形式和原因，在选择齿轮材料及热处理方法是应从以下几个方面考虑：
齿轮表面有足够的硬度。
齿面存在实际上的凹凸不平，因而局部会产生很大的压强，引起金属塑性变形或嵌入相对表面，导致金属直接接触和粘着，当啮合齿面相对滑动是，产生了摩擦力。
齿面磨损就是由于相互摩擦的结果。
减少这类磨损的关键是提高轮齿表面的塑变抗力，即提高齿面硬度。
提高齿面硬度还可以改善齿面接触状态，从而提高齿面的抗疲劳能力。
轮齿芯部要有足够的强度和韧性，以保证在变载或冲击载荷作用下，轮齿有足够的抗冲击能力。
大小齿轮应有一定的硬度差，以提高其抗胶合能力。
考虑材料加工性和经济性。
2.2螺旋锥齿轮的性能要求
螺旋锥齿轮是装载机的主要传动零件，主动螺旋锥齿轮是将汽车变速器传过来的动力传递给从动锥齿轮，从动锥齿轮再将动力传递给差速器。
因此，零件结构上主动螺旋锥齿轮是齿轮轴，一端是花键，与变速器动力输出轴相连，另一端是螺旋锥齿轮；从动锥齿轮是盘状齿轮，直径大于主动螺旋锥齿轮，起到减速作用，同时沿圆周均布一些螺栓孔，使从动锥齿轮通过螺栓固定在差速器壳上，将减速后的动力传递给差速器。
从动锥齿轮既有高的传动速度，同时又传递较大的扭矩，而且在装载和刹车时承受冲击载荷。
这类齿轮的主要失效方式有磨损、点蚀和断裂。
故从动螺旋锥齿轮应满足如下性能要求：
良好的力学性能；
良好的渗碳淬火性能；
良好的抗冲击性能；
良好的心部硬度；
良好的热变形性能。
3材料的选择及技术要求
目前国内重载螺旋锥齿轮用材大致有20CrMnTi、22CrMoH、20CrNiMoH、20CrNi3等。
上述材料应用于装载机螺旋锥齿轮，因为后三者均含有Mo、Ni等稀有贵金属元素、导致成本过高，并且20CrNiMoH、20CrNi3还存在热处理技术不易掌握的问题。
而20CrMnTi工艺性能优良，广泛用于截面小于30mm承受高速、中等或重载及受冲击载荷和摩擦的重要渗碳零件，如汽车、拖拉机中的变速齿轮、凸轮、矿山机械使用的重载齿轮等，且材料成本相对低廉，符合上述螺旋锥齿轮对钢材的要求。
故可选用20CrMnTi钢材制作螺旋锥齿轮。
20CrMnTi的含碳量为0.20％属于低碳钢，渗碳时保证了碳元素的正常渗入。
淬火热处理后心部获得低碳马氏体，以保证心部具有足够的塑性和韧性，抵抗冲击载荷。
钢中合金元素为Cr<1.5％、Mn<1.5％、Ti<1.5％。
Cr、Mn合金元素能提高钢铁索体的强度，同时提高钢的淬透性。
Ti元素能阻止钢的奥氏体晶粒的长大，提高钢的回火稳定性。
综合上述从动螺旋锥齿轮的服役条件及性能要求，提出如下技术要求：
锻件不得有任何锻造缺陷。
正火处理HB180-217。
表面渗碳硬度为HRC58-64，心部硬度为HRC33-48，过渡层硬度变化应该缓慢直到基体低碳，渗碳深度为1.0～1.4mm，含碳量为0.8%～1.05%。
金相检验标准应符合《汽车渗碳齿轮金相检验标准》（JB1673-75）规定。
低温回火做喷丸处理。
420CrMnTi螺旋锥齿轮加工工艺
根据上述零件技术要求，现拟定如下工艺路线：
下料→锻造→正火处理→粗加工→探伤→铣齿→高温回火→渗碳→淬火+低温回火→喷丸处理。
之所以拟定这样的工艺路线，其根据如下：
4.1锻造和正火
在下料锻造成齿轮毛坯后，由于锻造使毛坯内部组织不均匀，存在残余内应力，而且部分有偏析等缺陷。
这样的钢件机械性能低劣，不利于切削加工。
所以根据合金相图，对于20CrMnTi这种低碳合金钢来说，应加热到950℃～970℃，保温3～4小时左右，使该零件的成分转变为均匀的奥氏体组织，然后在空气中冷却获得较多的索氏体和少量的铁素体组织。
这样既获得了合适的硬度（HB180-217），同时残余的内应力也在保温、空冷过程中消除掉。
既满足技术要求
和
两条，又便于下道工序的切削加工。
本工序之所以选用正火热处理方法，是因为20CrMnTi合金钢含碳量过低，退火钢中含有大量的柔软的铁素体，钢的延展性非常好，切削时易粘着刀刃而形成刀瘤，而且切屑是撕裂断裂，以至使表面粗糙度变差，刀具寿命也受到影响，不利于切削加工。
接着进行粗加工，粗加工后进行探伤。
在技术要求中，锻件不得有任何锻造缺陷，所以随其后的工序要进行探伤，避免在下道工序中出现缺陷，浪费所发生的加工费。
对于探伤后确认无缺陷，再进行铣齿。
4.2高温回火
20CrMnTi钢在920℃渗碳后预冷到860℃直接淬火后，渗碳层将存在大量残余奥氏体。
减少残余奥氏体量的方法有两种：
一是淬火后进行冷处理；一是在淬火前进行高温回火，使残余奥氏体分解。
生产上常用高温回火工艺。
故此处采用570摄氏度，保持3~3.5h高温回火工艺。
4.3渗碳
齿加工完以后，进行渗碳。
采用井式炉920℃渗碳，渗碳时间根据所要求的渗碳层厚度1.0～1.4mm查表《920℃渗碳时渗层厚度与时间的关系》，确定为6小时。
具体渗碳后该零件组织如图1所示，表层为珠光体与二次渗碳体混合的过共析组织，其中二次渗碳体呈网状，心部为珠光体与铁素体混合的亚共析原始组织，中间为过渡区，越靠近表面层铁素体越少。
这样渗碳以后，就为淬火+低温回火工序做好了准备。
图120CrMnTi螺旋锥齿轮渗碳缓冷后的金相组织
4.4淬火加低温回火
钢的淬火温度一般可根据Fe-Fe3C相图选择，亚共析钢淬火加热温度选择Ac3以上30℃～50℃，过共析钢淬火加热温度选择Ac1以上30℃～50℃。
根据渗碳后齿轮的表层含碳量的分布状况及实践经验从920℃预冷到860℃左右进行油冷可以得到好的效果。
加热温度过高或保温时间过长，会引起奥氏体的晶粒粗大引起过热或晶界氧化并部分熔化的过烧现象。
过热时奥氏体的晶粒粗大不仅降低齿轮力学性能，也容易引起齿轮的变形和开裂。
过烧后的工件只能报废。
加热温度过低、保温时间不足会引起硬度不足。
故可选择920℃温度渗碳，预冷860℃左右油冷淬火。
淬火冷却速度太快，奥氏体向马氏体组织转变剧烈、体积收缩，引起很大的内应力，容易造成齿轮的变形和开裂，由于20CrMnTi是合金钢，淬透性较好，故选择油冷减小冷却速度，防止淬火造成齿轮变形或开裂。
同时也能获得马氏体组织，达到较高的硬度。
淬火后的钢组织是马氏体及少量残余奥氏体，它们都是不稳定的组织，有向稳定组织转变的趋势，同时淬火时产生内应力。
为了减小或消除淬火内应力，稳定组织和尺寸，获得所需的力学性能，选择在200℃进行4小时低温回火工艺。
低温回火时马氏体中过饱和碳原子以碳化物的形式逐步析出，马氏体晶格畸变程度减弱，内应力有所降低。
此时的回火组织由马氏体和碳化物组成。
虽然马氏体的分解使α-Fe中碳的过饱和程度降低，钢的硬度相应下降，但析出的碳化物又对基体起强化作用，部分的残余奥氏体分解为回火马氏体，所以零件仍保持很高的硬度、耐磨性和一定的韧性。
经淬火+低温回火热处理后，零件最终组织为：
表面为细小的片状回火马氏体及少量的残余奥氏体和碳化物，硬度为HRC58-62左右，而心部是由回火低碳马氏体、铁素体和细小的珠光体组成，其硬度为HRC35-45，并且具有较高强度以及足够高韧性和塑性。
符合零件的技术要。
4.5喷丸
上述工序完成后进行喷丸处理，其目的之一：
是为了清除上道工序生成的氧化皮，使表面光洁；之二：
作为一种强化手段，使零件表面压应力进一步增大，有利于提高疲劳强度。
至此完成20CrMnTi从动螺旋锥齿轮的整个加工过程，其热处理工艺曲线如图2所示：
5
20CrMnTi螺旋锥齿轮的渗碳畸变及防护措施
5.1渗碳温度对20CrMnTi钢渗碳畸变的影响
根据彭朝晖等人的研究，渗碳温度对渗碳畸变有着显著的影响。
不
图3渗碳温度对渗碳畸变量的影响
渗碳温度/℃
870
900
930
25
35
30
畸变量/（×0.01）
同的渗碳温度对渗碳畸变的影响如图3所示：
可以看出，随渗碳温度的升高，渗碳过程中所产生的畸变也随之而升高。
分析认为，渗碳温度是影响渗碳过程中奥氏体晶粒度的关键因素，随着渗碳温度的升高，奥氏体晶粒变大，从而使渗碳畸变量增加，渗碳温度升高，也会造成材料高温强度的下降，因此合理控制20CrMnTi钢的渗碳温度，不但可以有效减少渗碳畸变，而且可以达到改善力学性能的目的。
5.2碳势对20CrMnTi钢渗碳畸变的影响
碳势对20CrMnTi钢渗碳畸变的影响如图4所示：
可以看出，随碳势的增加，20CrMnTi钢的渗碳畸变呈明显升高的趋势。
这是因为碳势会直接对表面的渗碳浓度产生显著影响。
渗碳钢表面的碳浓度随碳势的升高而升高，当渗碳钢表面渗碳量升高时，将会增加表面马氏体的含量，增加表面热应力和淬火组织转变应力，从而使渗碳畸变增加。
同时，随碳势的升高，会在20CrMnTi钢表面形成不良碳化物，这样也就进一步增加了渗碳畸变的产生。
因此，在对20CrMnTi钢进行渗碳处理过程中，必须合理控制碳势，防止表面碳浓度过高，以减少渗碳畸变的产生。
5.3淬火温度对20CrMnTi钢渗碳畸变的影响
淬火温度对20CrMnTi钢渗碳畸变的影响如图5所示：
淬火温度对渗碳变形的影响也十分显著，随着淬火温度的升高，由于淬火热应力和组织转变应力的增加，畸变量也随之升高。
11
25
1.05
0.95
0.80
碳势（%）
35
30
畸变量/（×0.01mm）
图4碳势对渗碳畸变量的影响
620CrMnTi螺旋锥齿轮在使用过程中可能的失效形式及分析
齿轮在交变弯曲应力作用下易产生疲劳断裂，齿根表面留下的加工刀痕，以及材料内部的非金属夹杂、残留奥氏体和成分偏析，会增大应力集中程度，降低材料的强度，是造成齿轮早期疲劳失效的主要原因。
为避免疲劳失效，机加工时注意齿面与齿槽之间的过渡，提高加工精度，避免留下刀痕；严格控制锻造工艺，增大毛坯的锻造比，改善夹杂物的分布状态，在晶粒度不超出合格范围的前提下，可适当提高正火温度，延长保温时间，以消除带状组织；在淬火后应及时回火，避免奥氏体热稳定化，在低温回火后应快冷，如有必要可在淬火后进行深冷处理。
7
心得体会
首先由衷的感谢老师提供给我们这样一个锻炼自己的机会，经过这几周的学习，自己感觉收获还是很大的。
回顾这几周的课程设计，从选题到自己开始做，从理论到时间，上网查资料，跟同学商量讨论，所有的一切我都感觉获益良多，不仅巩固了自己以前学习的知识，而且学到了很多在以前没有记住或者记得不清楚的地方，还在查资料和选资料的过程中知道了很多在实际生产中的方法。
从老师布置下来作业，我就开始忙碌了起来。
先是看那些题目自己比较感兴趣，最后确定了装载机从动螺旋锥齿轮，就是感觉装载机自己见过，比较熟悉它的工作环境，对自己以后分析齿轮的服役条件有些优势，就选了这个题目。
接下来就是上网查资料，确定材料和工艺流程了。
热处理本身就是一项复杂而庞大的工作，网上的各种资料更是浩瀚如海，如何在这么多的资料中选择自己需要的成了一个难题。
衡量再三我决定在中国知网和中国期刊全文数据库中搜索自己想要的材料，一方面因为这两个网站比较专业，提供的资料错误率较低；另一方面学校图书馆有这两个网站的链接，使用比较方便。
随后就是搜索过程了。
搜索的过程我按照先确定材料，再在选定的材料的基础上研究该材料的性能和工艺的思路，同时参考《热处理手册》等工具书，联系所找到的一系列专业期刊上的实际的热处理方法，最终确定了整个工艺流程，完成了课程设计。
回顾整个课程设计的过程，我感觉虽然辛苦了一点，但是确是苦中有甜，每当自己完成一个工艺环节，心中还是无比的兴奋，毕竟是自己独立设计完成的。
我相信这次课程设计会使我受益终生！
参考文献：
热处理工艺卡
编号
共1页
第1页
工艺路线
正火-机加工-高温回火
产品名称
装载机
技术要求
正火：
HB180-217
零件名称
从动螺旋锥齿轮
材料
20CrMnTi
操作说明
每台件数
1
工序
工序名称
设备
工夹具
装炉
加热规范
冷却规范
温度℃
时间
冷却剂
时间
1
正火
RT2-150-9
950~970
3-4h
散开空冷
2
检查
硬度
布氏硬度计
HB180-217
3
机加工
4
高温回火
RT2-150-9
570±20
3~3.5h
散开空冷
更改
热处理渗碳工艺卡
编号
共1页
第1页
工艺路线
渗碳-淬火-回火
产品名称
装载机
技术要求
渗碳淬火：
层深1.0-1.4mm
硬度：
表面58-64HRC
心部：
33-48HRC
零件名称
从动螺旋锥齿轮
操作说明
渗碳是螺纹要戴保护螺母
材料
20CrMnTi
工序
工序名称
设备
气体及液体流量
加热规范
冷却规范
甲醇ml/h
空气ml/min
温度℃
碳势%
时间min
冷却剂
温度℃
时间
1
渗碳淬火
UBE-600
2000-2500
≤10
油
80-120
1>清洗
UBA-600
2>强渗
900-920
1.0-1.1
250-270
3>扩散
900-920
0.7-0.8
280-320
4>淬火保持
840-860
15-30
5>清洗
BCA-600
6>回火
BTF-600
200±10
200-240
空气
2
喷丸
喷丸机
铁丸≤φ15mm.压力0.6-0.8Mpa.正反两面各20min
3
检查
1>硬度
洛氏硬度计
齿面硬度58-64HRC
心部硬度
33-48HRC
2>金相及层深
碳化物≤6级残余A≤6级
渗层深度
1.0-1.4mm
3>变形
轴颈圆度≤0.1mm
更改
升级会员 