大载荷齿轮强化方案的设计.doc

题目：大载荷齿轮强化方案的设计专业：机械设计制造及其自动化学生： （签名） 指导教师： （签名） 摘 要 本文介绍一般齿轮的加工过程，包括了齿坯加工阶段、齿形加工阶段、热处理阶段和齿形精加工阶段；然后在普通齿轮加工的基础上增加和优化部分工艺，从而提高齿轮强度及表面硬度和承载能力。在材料的选取上，通过对工件热处理调节材料内部组织和残余奥氏体的含量改善工件的性能，渗碳淬火得到的硬齿面，提高了齿轮的承载力和抗冲击力、以及使用寿命；改变齿轮的模数和外形，提高精度从而增加了其可靠性。本文主要从这几个方面来优化提高齿轮的各个性能，达到大载荷齿轮的工艺要求。 关键词： 热处理、磨齿、齿形、 材料选取Subject: Big Load Gear Aggrandizement Scheme DesignAbstractThis article describes the general process of gears, gear blanks from the processing stage, the gear stage of processing, heat treatment stage and finishing stage gear. Then in the general increase in gear machining and optimization based on some technology to achieve the mentioned Karma gear strength and surface hardness and load bearing capacity, the selection of material from the workpiece through the heat treatment adjusting the internal structure of materials and improve the content of residual austenite workpiece performance. Carburized hardened, increased gear carrying capacity and impact resistance, and life. And then the gear module to change shape, to improve the accuracy to increase its reliability.In this paper, several aspects of this to optimize performance to improve in all gears, to the technological requirements of large load gear. Keyword: Heat treatment ; Grinding teeth ；tooth-type; Material selection目 录第一章 绪论1第二章 齿轮简述22.1齿轮的发展与形成22.2齿轮传动主要参数和各部分的名称5第三章 普通齿轮加工过程63.1一般齿轮的工艺流程63.2齿轮的材料83.2.1满足材料的机械性能93.2.2满足材料的工艺性能103.2.3材料的经济要求103.2.4齿轮常用的材料及许用应力103.2.5齿轮材料的选择标准173.3毛坯的选择和加工183.3.1 齿轮毛坯的选择183.3.2齿坯加工193.3.3齿坯的加工方法选择213.3.4齿形的加工方法223.3.5齿形加工方案选择273.3.6齿端加工273.3.7齿轮精基准的修整28第四章 齿轮的热处理314.1 热处理的简述及相关介绍314.1.1 热处理简述314.1.2 金属热处理的工艺314.2热处理工艺过程的选取344.2.1渗碳工艺分类和选择354.2.2渗碳后热处理的目的及意义364.2.3表面淬火回火热处理和局部热处理394.2.4热处理变形的预防40第五章 齿轮的摩擦与润滑425.1齿轮摩擦和润滑42第六章 齿形误差分析456.1齿向误差分析456.2齿面粗糙度分析456.3齿轮误差456.4齿轮误差分析46第七章 齿轮加工方法及工艺过程467.1齿轮的几种加工方法467.1.1滚齿477.1.2剃齿487.1.3磨齿497.1.4其他加工方法517.2齿轮加工方案的选择52第八章 大载荷齿轮的加工工艺538.1齿轮材料的选择538.1.1齿轮材料对比和选择538.2齿轮的加工558.3齿轮的热处理558.4磨齿568.5齿轮修形588.6齿轮检测60第九章 齿轮承载能力分析629.1齿轮承载能力计算和计算方法的进展629.2齿轮接触强度分析校核计算639.3齿轮轮齿弯曲强度分析校核计算649.4主要代号表65第十章 结论68致谢69参考文献701绪论 齿轮作为大部分设备的传动元件，适用范围很广，传递功率课高达数万千瓦，圆周速度可达150m/s（最高300 m/s），直径能够做到10m以上，单级传动比可达8或更大，因此在各个机械领域，特别是一些大型重工业和汽车、航天及轮中都得到了广泛的应用。因此，齿轮对机械化的发展工业具有很深的影响。 在今天制造行业大兴发展的同时，机械制造在农业、运输、矿山及军工上都是作为其重要的核心部门，机械重工业的发展体现出了一个国家在机械行业的水平和进步。在国际上，齿轮传动装置正沿着小型化、高速化、标准化方向发展，并且随着齿轮传动参数的提高及加工制造技术的进展，齿轮传动的优点：工作可靠，使用寿命长；瞬时传动比为常数；传动效率高；结构紧凑；功率和速度适用范围很广。因此，齿轮传动应用在各个行业中，由此，在机械化的发展将占有极其中要的地位。 随着机械生产向着高精度、高效率发展，所以齿轮加工也向着高承载能力、高耐磨性及抗冲击力能力的趋势发展，所以此文介绍从一般普通齿轮的加工、工艺及设计原理中了解齿轮的各种特性，机理和应用。从而对大载荷齿轮的设计和加工进行深入设计，然后从热处理和外形及材料的选取对大载荷齿轮进行强化，从而达到大载荷齿轮的工艺要求。2齿轮简述 2.1齿轮的发展与形成 自17世纪末，人们才开始研究，能够正确传递运动的轮齿形状。18世纪，欧洲工业革命以后，齿轮传动的应用日益广泛；先是发展摆线齿轮，而后是渐开线齿轮，一直到20世纪初，渐开线齿轮已在应用中占了重要的位置。19世纪末，展成切齿法的原理及利用次原理切齿的专用机床与刀具的相继出现，使齿轮加工工具较完备的手段后，渐开线齿轮更显示出巨大的优走性。切齿时只要将切齿工具从正常的啮合位置稍加移动，就能用标准刀具在机床上切出相应的变为齿轮。在后来多数国家相继提出了齿轮变位的多种计算方法。为了提高动力传动齿轮的使用寿命并减小尺寸，除了材料，热处理及结构等方面改进外，圆弧齿形的齿轮获得了发展。在90年代这种齿轮日益为人们所重视，在生产中发挥了显著效益。齿轮室能互相啮合的有齿的机械零件，它在机械传动及整个机械领域中的应用极其广泛。现代齿轮技术已达到：齿轮模数0.004-100毫米；齿轮直径由1毫米-150米；传递功率可达十万千瓦；转速可达十万转/分；最高的圆周速度达300米/秒【8】。 2.2齿轮传动主要参数和各部分的名称主要参数： 基本齿廓 渐开线齿轮轮齿的基本齿廓及基本参数见表 图2-1 表2-1模数 为了减少齿轮刀具种数，规定的标准模数见表表2-2中心距 荐用的中心距系列见表表2-3传动比、齿数比 主动轮转速n1与从动轮转速n2之比称为传动比，用i表示变位系数 刀具从切制标准齿轮位置移动某一径向距离后切制的齿轮，称为径向变为齿轮。刀具变位量用xm表示，x称为变位系数。 各部分名称：1渐开线：如图所示，齿轮的齿形就是这条渐开线上的一段，而那个圆盘叫做基圆（基圆以内无渐开线）。棉线在展开过程中，总是和基圆相切的，任意选择一个位置bo这时棉线和基圆相切在c点，所以bc垂直于基圆，半径oc,bc亦称作渐开线的发生线。图2-2 从渐开线的形成过程可知：a发生线的长度等于基圆的展开弧长ac；b发生线bc是渐开线上b点的法线；c渐开线的形状取决于基圆的大小，基圆越大，渐开线就越平直；基圆越小渐开线就越弯曲，并且同一基圆的渐开线完全一样。渐开线的优点:中心距离略有变动也不影响咬合运转之平滑性与正确性。1.分度圆：在一个标准齿轮中槽宽和齿厚相等的那个圆。(dg=mz)2.齿顶圆：通过齿轮顶部的圆。(da=m(z+2)3.齿根圆：通过齿轮根部的圆。(df=m(z-2.5)4.齿距：相邻两个齿的对应点在分度圆周上的弧长(p=m)5.齿宽：齿轮轮齿部份的轴向长度；(b)6.齿厚：一个轮齿在分度圆上所占的弧长。7.槽宽：一个齿槽在分度圆周上所占的弧长。8.齿顶高：从齿顶圆到分度圆的径向距离。(hk=m)9.齿根高：从齿根圆到分度圆的径向距离。10.全齿高：齿的全深，为齿顶高与齿根高之和；11.顶隙：当两个齿轮完全啮合的时候，一个齿轮的齿顶与另一个齿轮的齿根间的间隙。12.中心距：互相啮合的两个齿轮轴线之间的距离。(a=m(z1+z2)/2)13.压力角：渐开线齿形上任意一点的受力方向线（如图）与运动方向线之间的夹角。根据几何关系，图中boc 就是 b 点的压力角，从图中可以看出，在同一条渐开线上各点的压力角都不相同，齿顶的压力角大，齿根处小。压力角已标准化。一般为20，这个角度也称齿形角 a 。14.导程：（LEAD）螺旋线回转一圈，所移动的距离。(l=mz/sin)15.齿直角压力角：螺旋齿轮的齿直角平面内的压力角。(an)16.轴平面压力角：螺旋齿轮的横向轴断面内所形成的压力角。(ax) 3普通齿轮加工过程 3.1一般齿轮的工艺流程 图3-1在图示上看，齿轮加工工艺过程大致要经过如下的几个阶段：毛坯热处理、齿坯加工、齿形加工、齿端加工、齿面热处理、精基准修正及齿形精加工等。加工的第一阶段是齿坯最初进入机械加工的阶段。由于齿轮的传动精度主要决定于齿形精度和齿距分布均匀性，而这与切齿时采用的定位基准（孔和端面）的精度有着直接的关系。所以，这个阶段主要是为下一个阶段加工齿形准备精基准，使齿的内孔和端面的精度基本达到规定的技术要求。在这个阶段中除了加工出基准外，对于齿形以外的次要表面的加工，也应尽量在这一阶段的后期加以完成。第二阶段是齿形的加工。对于不需要淬火的齿轮，一般来说这个阶段也就是齿轮的最后加工阶段，经过这个阶段就应当加工过出完全符合图样要求的齿轮来。对于需要淬硬的齿轮，必须在这个阶段中加工出满足齿形的最后精加工所要求的齿形精度，所以这个阶段的加工来保证齿轮加工精度的关键阶段。应予以特别注意。加工的第三阶段是热处理阶段。这个阶段中主要对齿面的淬火处理，使齿面达到规定的硬度要求。加工的最后阶段是齿形的精加工阶段。这个阶段的目的在于修正齿轮经过淬火后所引起的齿形变形，进一步提高齿形精度和降低表面粗糙度，使之达到最终的精度要求。在这个阶段中首先应对定位基准面（孔和端面）进行修整，因淬火以后齿轮的内孔和端面均会产生变形，如果在淬火后直接采用这样的孔和端面作为基准进行齿形精加工，是很难达到齿轮精度的要求的。以修整过的基准面定位进行齿形精加工，可以是定位准确可靠，余量分布也比较均匀，以便达到精加工的目的。普通精度齿轮加工定位基准的确定：定位基准的精度对齿形加工精度有直接的影响。轴类齿轮的齿形加工一般选择顶尖孔定位，某些大模数的轴类齿轮多选择齿轮轴颈和一一端面定位。盘套类齿轮的齿形加工常采用两种定位基准。1）内孔和端面定位 选择既是设计基准又是测量和装配基准的内孔作为定位基准，既符合“基准重合”原则，又能使齿形加工等工序基准统一，只要严格控制内孔精度，在专用芯轴上定位时不需要找正。故生产率高，广泛用于成批生产中。2）外圆和端面定位 齿坯内孔在通用芯轴上安装，用找正外圆决定孔中心位置，故要求齿坯外圆对内孔的径向跳动要小。因找正效率低，一般用于单件小批生产。图3-2在如上图中，用铣刀进行齿端倒圆，倒圆时，铣刀在高速旋转的同时沿圆弧作往复摆动（每加工一齿往复摆动一次）。加工完一个齿轮工件沿径向退出，分度后再送进加工下一个齿端。齿端加工必须安排在齿轮淬火之前，通常多在滚齿之后。齿轮淬火后基准产生变形，为保证齿形精加工质量，对基准必须给予修正。对外径定心的花键孔齿轮，通常用花键推刀修正。推孔时要防止歪斜，有的工厂采用加长推刀前引导来防止歪斜，已取得较好效果。对圆柱孔齿轮的修正，可采用推孔或磨孔，推孔生产率高，常用于未淬火硬齿孔；磨孔精度高，但生产率低，对于整个淬火后内孔变形打硬度高的齿轮，或内孔较大、厚度较薄的齿轮，则以磨孔为宜磨孔。磨孔时一般以齿轮分度圆定心，如图，这样可使磨孔后的齿圈径向跳动较小。对以后磨齿有利。为提高生产率，有时工厂以金刚镗代替磨孔取得了较好的效果。图3-3 3.2齿轮的材料 齿轮是现代机械中应用最广泛的一种机械传动零件。齿轮传动通过轮齿互相啮合来传递空间任意两轴间的运动和动力，并可以改变运动的形式和速度。齿轮传动使用范围广，传动比恒定，效率较高，使用寿命长。在机械零件产品的设计与制造过程中，不仅要考虑材料的性能能够适应零件的工作条件，使零件经久耐用，而且要求材料有较好的加工工艺性能和经济性，以便提高零件的生产率，降低成本，减少消耗。如果齿轮材料选择不当，则会出现零件的过早损伤，甚至失效。因此如何合理地选择和使用金属材料是一项十分重要的工作【12】。 选材的方法有很多种，大致可归纳为以下几种：1. 经验法 根据设计者的经验，或参考同类零件选材。2 替代法 当原有材料短缺，或使用中失效，或由于经济原因、工艺手段等原因，不能使用原来的材料，则需找一种性能不低于原来材料的材料替代。当出现一种机械性能、经济性能优于原来材料的新材料时，也可用替代法，提高产品性能，降低成本。3 综合分析法对零件的工作条件进行全面分析计算，确定主要性能指标，根据所要求的性能指标选择所需材料。不论哪一种方法，都各有千秋，各有得失，经济法比较简单易行，单考虑不够全面，很难得到最佳的性能和经济性。综合分析法考虑得比较全面，但比较复杂 ，考虑因素多，受到的制约也多，如材料供应、生产能力、技术水平等。实际工作中往往是几种方法互相补充。无论采用哪种方法，选择材料时都应遵循以下三条基本原则：1） 满足零件的实用性能要求，在一定的寿命期内正常工作；2） 具有较好的工作性能，以便于加工，并易于保证加工质量；3） 有较好的经济性。选用材料的主要依据是它的实用性能、工艺性能和经济性能。其中，使用性能是需要首先满足的。只有在满足实用性能要求下，才有可能保证零件的运转正常，经久耐用。但不能忽视工艺性能和经济性。工艺性能不好，有时也应考率重新更换材料。选材是一项复杂的工作，要考虑的因素多，出选择材料的成分，还要考虑组织状态、冶金质量、加工工艺等。 3.2.1满足材料的机械性能 材料的机械性能包括强度、硬度、塑性及韧性等，反映材料在使用过程中所表现出来的特性。齿轮在啮合时齿面接触处有接触应力，齿根部有最大弯曲应力，可能产生齿面或齿体强度失效。齿面各点都有相对滑动，会产生磨损。齿轮主要的失效形式有齿面点蚀、齿面胶合、齿面塑性变形和轮齿折断等。因此要求齿轮材料有高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，齿面要有足够的硬度和耐磨性，芯部要有一定的强度和韧性。 另一方面，根据材料的使用性能确定了材料牌号后。要明确材料的机械性能或材料硬度，然后我们可以通过不同的热处理工艺达到所要求的硬度范围，从而赋予材料不同的机械性能。如材料为40Cr合金钢的齿轮，当840-860油淬，540-620回火时，调质硬度可达28-32HRC，可改善组织、提高综合机械性能；当860-880油淬，240280回火时，硬度可达46-51HRC，则钢的表面耐磨性能好，芯部韧性好，变形小；当500-560氮化处理，氮化层0.15-0.6mm时，硬度可达52-54HRC，则钢具有高的表面硬度、高的耐磨性、高的疲劳强度，较高的抗蚀性和抗胶合性能且变形极小；当通过电镀或表面合金化处里后，则可改善齿轮工作表面摩擦性能，提高抗腐蚀性能。 3.2.2满足材料的工艺性能材料的工艺性能是指材料本身能够适应各种加工工艺要求的能力。齿轮的制造要经过锻造、切削加工和热处理等几种加工，因此选材时要对材料的工艺性能加以注意。一般来说，碳钢的锻造、切削加工等工艺性能较好，其机械性能可以满足一般工作条件的要求。但强度不够高，淬透性较差。而合金钢淬透性好、强度高，但锻造、切削加工性能较差。我们可以通过改变工艺规程、热处理方法等途经来改善材料的工艺性能。 例如汽车变速箱中的齿轮选择20CrMnTi钢，该钢具有较高的机械性能，在渗碳淬火低温回火后，表面硬度为58-62HRC，芯部硬度为30-45HRC。20CrMnTi的工艺性能较好，锻造后以正火来改善其切削加工性。此外，20 CrMnTi还具有较好的淬透性，由于合金元素钛的影响，对过热不敏感，故在渗碳后可直接降温淬火。且渗碳速度较快，过渡层较均匀，渗碳淬火后变形小。适合于制造承受高速中载及冲击、摩擦的重要零件，因此根据齿轮的工作条件选用20CrMnTi钢是比较合适的。 3.2.3材料的经济要求所谓经济性是指最小的耗费取得最大的经济效益。在满3.2性能的前提下，选用齿轮材料还应注意尽量降低零件的总成本。我们可以从以下几方面考虑： 从材料本身价格来考虑。碳钢和铸铁的价格是比较低廉的，因此在满足零件机械性能的前提下选用碳钢和铸铁，不仅具有较好的加工工艺性能，而且可降低成本。从金属资源和供应情况来看，应尽可能减少材料的进口量及价格昂贵材料的使用量。 3.2.4齿轮常用的材料及许用应力为了保证齿轮工作的可靠性，提高其使用寿命，齿轮的材料及其热处理应根据工作条件和材料的特点来选取。对齿轮材料的基本要求是：应使齿面具有足够的硬度和耐磨性，齿心具有足够的韧性，以防止齿面的各种失效，同时应具有良好的冷、热加工的工艺性，以达到齿轮的各种技术要求。常用的齿轮材料为各种牌号的优质碳素结构钢、合金结构钢、铸钢、铸铁和非金属材料等。一般多采用锻件或轧制钢材。当齿轮结构尺寸较大，轮坯不易锻造时，可采用铸钢；开式低速传动时，可采用灰铸铁或球墨铸铁、低速重载的齿轮易产生齿面塑性变形，轮齿也易折断，宜选用综合性能较好的钢材；高速齿轮易产生齿面点蚀，宜选用齿面硬度高的材料；受冲击载荷的齿轮，宜选用韧性好的材料。对高速、轻载而又要求低噪声的齿轮传动，也可采用非金属材料、如夹布胶木、尼龙等。钢制齿轮的热处理方法主要有以下几种：表面淬火表面淬火常用于中碳钢和中碳合金钢，如 45、 40Cr钢等。表面淬火后，齿面硬度一般为4055HRC。特点是抗疲劳点蚀、抗胶合能力高。耐磨性好；由于齿心部分未淬硬，齿轮仍有足够的韧性，能承受不大的冲击载荷。渗碳淬火渗碳淬火常用于低碳钢和低碳含金钢，如 20、 20Cr钢等。渗碳淬火后齿面硬度可达5662HRC，而齿轮心部仍保持较高的韧性，轮齿的抗弯强度和齿面接触强度高，耐磨性较好，常用于受冲击载荷的重要齿轮传动。齿轮经渗碳淬火后，轮齿变形较大，应进行磨削加工。渗氮 渗氮是一种表面化学热处理。渗氮后不需要进行其他热处理，齿面硬度可达700900HV。由于渗氮处理后的齿轮硬度高，工艺温度低，变形小，故适用于内齿轮和难以磨削的齿轮，常用于含铅、钼、铝等合金元素的渗氮钢，如38CrMoAl等。 调质调质一般用于中碳钢和中碳合金钥，如45、40Cr、35SiMn钢等。调质处理后齿面硬度一般为220280HBS。因硬度不高，轮齿精加工可在热处理后进行。图3-4根据热处理后齿面硬度的不同，齿轮可分为软齿面齿轮（350HBS）和硬齿面齿轮（350HBS）。一般要求的齿轮传动可采用软齿面齿轮。为了减小胶合的可能性，并使配对的大小齿轮寿命相当，通常使小齿轮齿面硬度比大齿轮齿面硬度高出3050HBS。对于高速、重载或重要的齿轮传动，可采用硬齿面齿轮组合，齿面硬度可大致相同。常用齿轮材料及其力学性能类别材料牌号热处理方法抗拉强度b/MPa屈服点s/MPa硬度(HBS或HRC) 优质碳素钢35正火500270150180HBS调质550294190230HBS45正火588294169217HBS调质647373229286HBS表面淬火4050HRC50正火628373180220HBS合金结构钢40Cr调质700500240258HBS表面淬火4855HRC35SiMn调质750450217269HBS表面淬火4555HRC40MnB调质735490241286HBS表面淬火4555HRC20Cr渗碳淬火后回火6373925662HRC20CrMnTi10798345662HRC38CrMnAlA渗氮980834850HV铸钢ZG45正火580320156217HBSZG55650350169229HBS灰铸钢HT300300185278HBSHT350350202304HBS球墨铸铁QT600-3600370190270HBSQt700-2700420225305HBS非金属夹布胶木1002535HBS表3-1承受载荷的齿轮一般是接触疲劳(点蚀)强度最低，应首先考虑，其次是齿根弯曲疲劳强度。下图为不同材料、不同热处理硬度下齿轮材料的接触疲劳强度极限。从图中可以看到，它们的接触强度差别很大。 原则上，承受载荷的齿轮齿轮材料质量和热处理的齿面硬度要求就高，多选用中碳的优质合金钢或优质结构钢整体淬火或表面淬火、氮化钢氮化处理、低碳的优质合金钢或优质结构钢渗碳淬火。对高速或传动精度要求高的齿轮，多采用硬齿面和磨齿方案。对不重要的齿轮或载荷较小的齿轮，多从经济性考虑，材料要求不高，如优质或普通碳素钢、铸钢等调质或正火处理，或者采用球墨铸铁甚至灰铸铁。对大型齿轮(d400mm)多采用铸钢材料，可以减小毛坯生产难度和成本；重要的大型齿轮采用优质合金钢的轮圈的组装式结构。齿轮是依靠本身的结构尺寸和材料强度来承载外载荷的，这就要求材料具有较高强度韧性和耐磨性；由于齿轮的形状比较复杂，齿轮精度要求也高，还要求材料工艺性能好。常用的齿轮材料为各种牌号的优质碳素结构钢、合金结构钢、锻钢、铸钢、铸铁和非金属材料。一、 碳素结构钢 碳素钢的一种。含碳量约0.050.70，个别可高达0.90。可分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢两类。前者含杂质较多，价格低廉，用于对性能要求不高的地方，它的含碳量多数在0.30以下，含锰量不超过0.80，强度较低，但塑性、韧性、冷变形性能好。除少数情况外，一般不作热处理，直接使用。多制成条钢、异型钢材、钢板等。用途很多，用量很大，主要用于铁道、桥梁、各类建筑工程，制造承受静载荷的各种金属构件及不重要不需要热处理的机械零件和一般焊接件。优质碳素结构钢钢质纯净，杂质少，力学性能好，可经热处理后使用。根据含锰量分为普通含锰量(小于0.80)和较高含锰量(0.801.20)两组。含碳量在0.25以下，多不经热处理直接使用，或经渗碳、碳氮共渗等处理，制造中小齿轮、轴类、活塞销等；含碳量在0.250.60，典型钢号有40，45，40Mn，45Mn等，多经调质处理，制造各种机械零件及紧固件等；含碳量超过0.60，如65，70，85，65Mn，70Mn等，多作为弹簧钢使用。这类钢主要保证力学性能，故其牌号体现其力学性能，用Q+数字表示，其中“Q”为屈服点“屈”字的汉语拼音字首，数字表示屈服点数值，例如Q275表示屈服点为275Mpa。若牌号后面标注字母A、B、C、D，则表示刚才质量等级不同，含S、P的量依次降低，钢材质量依次提高。若在牌号后面标注字母“F”则为沸腾钢，标注“b”为半镇静钢，不标注“F”或“b”者为镇静钢。例如Q235-AF表示屈服点为235Mpa的A级沸腾钢，Q235-C表示屈服点为235Mpa的C级镇静钢碳素结构钢一般情况下都不经热处理，而在供应状态下直接使用。通常Q195、Q215、Q235钢碳的质量分数低，焊接性能好，塑性、韧性好，有一定强度，常轧制成薄板、钢筋、焊接钢管等，用于桥梁、建筑等结构和制造普通螺钉、螺母等零件。Q255和Q275钢碳的质量分数稍高，强度较高，塑性、韧性较好，可进行焊接，通常轧制成型钢、条钢和钢板作结构件以及制造简单机械的连杆、齿轮、联轴节、销等零件。二 、合金结构钢 用作机械零件和各种工程构件并含有一种或数种一定量的合金元素的钢。可分为普通合金结构钢和特殊用途合金结构钢。前者包括低合金高强度钢、低温用钢、超高强度钢、渗碳钢、调质钢和非调质钢；后者包括弹簧钢、滚珠轴承钢、易切削钢、冷冲压钢等。要求具有较高的屈服强度、抗拉强度和疲劳强度，还有足够的塑性和韧性。一般采用电弧炉和氧气顶吹转炉冶炼，要求高的采用炉外精炼、电渣重熔或真空处理、真空感应炉冶炼或双真空冶炼、合适的热处理。这类钢的合金元素含量都相当高，主要有耐蚀钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢以及具有其他特殊物理和化学性能的特殊钢。合金结构钢广泛用于船舶、车辆、飞机、导弹、兵器、铁路、桥梁、压力容器、机床等结构上。合金结构钢比碳素钢有更好的力学性能，特别是热处理性能优良。其牌号通常是以“数字元素符号数字”的方法来表示。牌号中起首的两位数字表示钢的平均含碳量的万分数，元素符号及其后的数字表示所含合金元素及其平均含量的百分数。若合金元素含量小于1.5%，则不标其含量。高级优质钢在牌号尾部增加符号“A”例如，16Mn、20Cr、40Mn2、30CrMnSi、38CrMoAlA等三、 锻钢 根据齿面硬度分为两大类 ： HB350时，称为软齿面，H8350时，称为硬齿面 l齿面硬度 HB3 工艺过程：锻造毛坯正火-粗车调质、精加工 常用材料；45#、35SiMn、40Cr、40CrNi、40MnB 45钢热处理后有较好的综合机械性能。经正火或调质可改善金相组织和材料的可切削性，降低加工后的表面粗糙度，并可减少淬火过程中的变形。由于45钢淬透性查，整体淬火后材料变脆，变形也大，所以一般采用齿面表面淬火，硬度可达HRC52-58。使用于机床行业，7级精度以下的齿轮。40Cr是中碳合金钢，和45钢相比，少量硌合金的加入可以是金属晶粒细化，提高强度，改善淬透性，减少了淬火时的变形，机床行业中的40Cr齿轮一般也采用高频淬火，齿面硬度达HRC52-58，试用于6级精度以上的齿轮。 使齿轮获得高的齿面硬度而心部又有足够的韧性和较高的抗弯曲疲劳强度的方法是渗碳淬火，经以上分析，可知只能从渗碳钢里面找出具备采掘机截齿部的齿轮要求的条件的材料。 特点： 具有较好的综合性能，齿面具有较高强度和硬度，齿芯具有较好韧性。 热处理后切齿精度可达8级 。 制造简单、经济、生产率高，对精度要求不高 。 2齿面硬度 HB350 采用中碳钢时工艺过程：锻造毛坯常化粗切调质精切高、中频淬火低温回火珩齿或研磨剂跑合、电火花跑合。 常用材料：45、40Cr、40CrNi 。 特点：齿面硬度高 HRC48-55，接触强度高，耐磨性好。 齿芯保持调质后的韧性，耐冲击能力好，承载能力较高。 精度下降半数，可达7级精度。 适用于大量生产，如：汽车、机床等中速中载变速箱齿轮。 采用低碳钢时： 锻造毛坯常化粗切调质精切渗碳淬火低温回火磨齿。达6级、7级。 常用材料；20Cr、20CrMnTi、20MnB、20CrMnTo 。 特点：齿面硬度，承载能力强。 芯部韧性好，耐冲击 。 适合于高速、重载、过载传动或结构要求紧凑的场合，机车主传动齿轮、航空齿轮。四、 铸钢 用以浇注铸件的钢。铸造合金的一种。铸钢分为铸造碳钢、铸造低合金钢和铸造特种钢3类。铸造碳钢。以碳为主要合金元素并含有少量其他元素的铸钢。含碳小于0.2的为铸造低碳钢，含碳0.20.5的为铸造中碳钢，含碳大于0.5的为铸造高碳钢。随着含碳量的增加，铸造碳钢的强度增大，硬度提高。铸造碳钢具有较高的强度、塑性和韧性，成本较低，在重型机械中用于制造承受大负荷的零件，如轧钢机机架、水压机底座等；在铁路车辆上用于制造受力大又承受冲击的零件如摇枕、侧架、车轮和车钩等。铸造低合金钢。含有锰 、铬、铜等合金元素的铸钢。合金元素总量一般小于5，具有较大的冲击韧性，并能通过热处理获得更好的机械性能。铸造低合金钢比碳钢具有较优的使用性能，能减小零件质量，提高使用寿命。铸造特种钢。为适应特殊需要而炼制的合金铸钢，品种繁多，通常含有一种或多种的高量合金元素，以获得某种特殊性能。例如 ，含锰1114的高锰钢能耐冲击磨损，多用于矿山机械、工程机械的耐磨零件；以铬或铬镍为主要合金元素的各种不锈钢，用于在有腐蚀或650以上高温条件下工作的零件，如化工用阀体、泵、容器或大容量电站的汽轮机壳体等。五、 铸铁含碳量在2以上的铁碳合金。工业用铸铁一般含碳量为24。碳在铸铁中多以石墨形态存在，有时也以渗碳体形态存在。除碳外，铸铁中还含有13的硅，以及锰、磷、硫等元素。合金铸铁还含有镍、铬、钼、铝、铜、硼、钒等元素。碳、硅是影响铸铁显微组织和性能的主要元素。铸铁可分为：灰口铸铁。含碳量较高（2.74.0），碳主要以片状石墨形态存在，断口呈灰色，简称灰铁。熔点低（11451250），凝固时收缩量小，抗压强度和硬度接近碳素钢，减震性好。用于制造机床床身、汽缸、箱体等结构件。白口铸铁。碳、硅含量较低，碳主要以渗碳体形态存在，断口呈银白色。凝固时收缩大，易产生缩孔、裂纹。硬度高，脆性大，不能承受冲击载荷。多用作可锻铸铁的坯件和制作耐磨损的零部件。可锻铸铁。由白口铸铁退火处理后获得，石墨呈团絮状分布，简称韧铁。其组织性能均匀，耐磨损，有良好的塑性和韧性。用于制造形状复杂、能承受强动载荷的零件。球墨铸铁。将灰口铸铁铁水经球化处理后获得，析出的石墨呈球状，简称球铁。比普通灰口铸铁有较高强度、较好韧性和塑性。用于制造内燃机、汽车零部件及农机具等。蠕墨铸铁。将灰口铸铁铁水经蠕化处理后获得，析出的石墨呈蠕虫状。力学性能与球墨铸铁相近，铸造性能介于灰口铸铁与球墨铸铁之间。用于制造汽车的零部件。合金铸铁。普通铸铁加入适量合金元素（如硅、锰、磷、镍、铬、钼、铜、铝、硼、钒、锡等）获得。合金元素使铸铁的基体组织发生变化，从而具有相应的耐热、耐磨、耐蚀、耐低温或无磁等特性。用于制造矿山、化工机械和仪器、仪表等的零部件。六、 非金属材料 通常指以无机物为主体的玻璃、陶瓷、石墨、岩石以及以有机物为主体的木材、塑料、橡胶等一类材料。由晶体或非晶体所组成。无金属光泽。是热和电的不良导体(碳除处)。一般非金属材料的机械性能较差(玻璃钢除外)，但某些非金属材料可代替金属材料，是化学工业不可缺少的材料。 由非金属元素或化合物构成的材料。自19世纪以来，随着生产和科学技术的进步，尤其是无机化学和有机化学工业的发展，人类以天然的矿物、植物、石油等为原料，制造和合成了许多新型非金属材料，如水泥、人造石墨、特种陶瓷、合成橡胶、合成树脂（塑料）、合成纤维等。这些非金属材料因具有各种优异的性能，为天然的非金属材料和某些金属材料所不及，从而在近代工业中的用途不断扩大，并迅速发展。 3.2.5齿轮材料的选择标准1对于受冲击载荷时，轮齿容易折断应选用韧性较好的材料，可选用低碳钢渗碳淬火。 2对于高速闭式传动，齿面易点蚀，应选用齿面硬度较好的材料，可选用中碳钢表面淬火。 3对于低速中载，轮齿折断，点蚀，磨损均可发生时，应选取机械强度，齿面硬度等综合机械性能好的材料，可选中碳钢调质精切。 4力求材料品种少，便于管理，考虑资源和供应情况。 5当结构尺寸要求紧凑，耐磨性高时，要采用合金钢。 6制造单位的设备及技术情况 3.3毛坯的选择和加工 3.3.1 齿轮毛坯的选择 齿轮毛坯形式主要有棒料、锻件、铸件。棒料用于小尺寸、结构简单而且对强度要求低的齿轮。锻件多用于齿轮要求强度高、耐冲击和耐磨。当齿轮直径大于400-600毫米时，常用铸造方法铸造齿坯。为了减少机械加工量，对大尺寸、低精度齿轮，可以直接铸出轮齿；压力铸造，精密铸造、粉末冶金、热扎和冷挤等新工艺，可制造出具有轮齿的齿坯等新工艺，可制造出具有轮齿的齿坯，以提高劳动生产率，节约原材料。 同时根据齿轮的材料、结构形状、尺寸大小、使用条件以及生产批量等因素确定毛坯的种类。对于钢质齿轮，除了尺寸较小且不太重要的齿轮直接采用轧制棒料外，一般均采用锻造毛坯。生产批量较小或尺寸较大的齿轮采用自由锻造；生产批量较大的中小齿轮采用模锻。图 为齿坯模锻示意图。 图3-5图模锻齿轮毛坯 1齿轮毛坯 2连皮? 3上模? 4下模? 5飞边 对于直径很大且结构比较复杂、不便锻造的齿轮，可采用铸钢毛坯。铸钢齿轮的晶粒较粗，机械性能较差，加工性能不好，加工前应进行正火处理，使硬度均匀并消除内应力，以改善加工性能。毛坯选用液态成形的铸件或塑变成形的锻件，薄板冲压件。应取决于以下几个因素：1. 零件的选用材质，基本决定了毛坯的种类。零件的材质是根据设计要求的使用性能、金属材料的工艺性能及其经济性能综合考虑选定的。合金本身的工艺性能起着决定性的作用。2. 零件的结构形状，决定了毛坯的制造工艺。大面积简单件不宜用铸造，适合自由锻；薄壁复杂件只能用铸造。3. 零件的生产类型，对毛坯的选择也起决定性的作用。例如压力铸造，只有在数以万记的批量方可采用。因其设备、模具一次性投资昂贵，而分摊到每个铸件的费用极少。 4. 零件不加工表面的精度与粗糙度决定毛坯类别。精度、粗糙度要求较高的选用精密铸件或精密锻造等。精度、粗糙度要求不高，或要求很高已超过精密铸造、锻造能达到的精度，且需后继切削加工时，选砂铸、模锻、自由锻等。5. 工厂现有设备、技术力量及生产能力，可改变原定的毛坯选定方案。有的零件甚至将铸件改为锻件更为方便经济。6. 当毛坯用几种方法均可制造时，应用最佳经济方案。一般选用“以铁代钢”、“以铸代锻”及“少切削余量、无余量精密件”为方向。 3.3.2齿坯加工 一般机器上的齿轮所采用的材料大部分是锻钢，其次是铸钢和铸铁。一些不重要、受力小的齿轮，可以直接用棒料做毛坯。由于轧制的棒料其内部纤维组织有一定的方向，所以用棒料做毛坯直接加工齿轮，受力后容易从纤维间撕裂，齿轮强度较差。如采用锻造镦粗的方法制造毛坯，可以使材料内部组织形成有利的锻纹方向，从而提高齿轮的强度。所以锻钢毛坯用得最多，特别是重要齿轮，一般都是锻钢毛坯。当齿轮的直径很大、结构复杂时，锻造毛坯比较困难。此时可采用锻钢毛坯。 铸铁毛坯容易加工，成本低。但是抗弯强度、耐冲击和耐磨性能较差，故只能用于受力不大，无冲击、低速的齿轮，例如机床中大直径回转台的齿轮、某些机床中进切齿前的齿坯加工在整个齿轮加工中占有重要地位。因为一方面，齿坯表面是切齿和检验的基准，基准的加工精度对以后的切齿质量影响很大；另一方面，齿坯加工在齿轮加工总工时中所占比例很大，在一定加工条件下，用控制齿坯精度来保证和提高齿轮的加工精度是一项积极措施。由于齿坯的顶圆柱面或内孔，端面经常作为加工、测量或装配的基准，所以齿坯公差在齿轮精度标准JB179-83中明确规定【7】。1.齿坯加工精度齿轮在加工、检验和装夹时的径向基准面和轴向基准面应尽量一致。一般情况下，以齿轮孔和端面为齿形加工的基准面，所以齿坯精度中主要是对齿轮孔的尺寸精度和形状精度、孔和端面的位置精度有较高的要求；当外圆作为测量基准或定位、找正基准时，对齿坯外圆也有较高的要求。具体见下表。齿坯尺寸和形状齿坯精度等级45678910孔的尺寸和形状公差IT4IT5IT6IT7IT8轴的尺寸和形状公差IT4IT5IT6IT7顶圆直径公差IT7IT8IT9表3-2齿坯基准面径向和端面圆跳动公差分度园直径/mm精度等级大于到45678910-1257111828125400914223640080012203250表3-32.齿坯加工方案齿坯加工工艺方案主要取决于齿轮的轮体结构，技术要求和生产类型。齿坯加工的主要内容有：齿坯的孔、端面、顶尖孔（轴类齿轮）以及齿圈外圆和端面的加工。对于轴类齿轮和套筒齿轮的齿坯，其加工过程和一般轴、套类基本相同，以下主要讨论盘类齿轮齿坯的加工工艺方案。3.单件小批生产的齿坯加工一般齿坯的孔、端面及外圆的粗、精加工都在通用车床上经两次装夹完成，但必须注意将孔和基准端面的精加工在一次装夹内完成，以保证位置精度。4.成批生产的齿坯加工成批生产齿坯时，经常采用“车拉车”的工艺方案。以齿坯外圆或轮毂定位，粗车外圆、端面和内孔。以端面定位，拉孔。以孔定位，精车外圆及端面等。5.大批量生产的齿坯加工大批量生产，应采用高生产率的机床和高效专用夹具加工。在加工中等尺寸齿轮齿坯时，均多采用“钻拉多刀车”的工艺方案：以毛坯外圆及端面定位，进行钻孔或扩孔。拉孔以孔定位，在多刀半自动车床上粗、精车外圆、端面、车槽及倒角等。 3.3.3齿坯的加工方法选择 齿坯加工，在齿轮的整个加工过程中占有重要的位置。齿轮的孔、端面或外圆常作为齿形加工的定位、测量和装配的基准，其加工精度对整个齿轮的精度有着重要的影响。另外，齿坯加工在齿轮加工总工时中占有较大的比例，因此吃皮加工在整个齿轮加工中占有重要的地位。1） 齿轮孔 如果齿轮孔的精度较低，齿坯孔与轴心的配合间隙较大，齿轮加工后齿圈径向跳动较大，从而是齿轮一转转角误差较大。此外，还会影响齿形精度，进而影响齿轮传动的工作平稳性。2） 顶圆柱面 齿坯顶圆柱面，它虽不如齿轮孔那样重要，但若顶圆直径公差值给定的合适，可有助于增加顶隙。对于齿坯顶圆柱面的精度要求根据齿轮加工工艺和检验方法不同，可分为以下几种情况：加工时，利用齿坯顶圆柱面校正齿坯的安装精度。此时，应限制齿坯顶圆柱面相对齿轮工作轴线的径向跳动。因为它直接导致齿轮孔与机床工作台的偏心，切齿时，即会产生相应的齿圈径向误差。检验齿轮尺寸时，利用齿坯顶圆柱面作为测量基准，应限制顶圆柱面的偏差及跳动。不用顶圆柱面作为测量基准或安装基准时，则不必提出过高要求。3） 基准面 齿坯基准面的径向跳动或轴向跳动，都会引起齿圈径向跳动、齿形误差、齿向误差，对宽斜齿轮还会引起轴向齿距偏差，故应加以限制。分析齿坯加工的技术要求可以看出，齿坯加工中主要应保证作为切齿的孔和端面这两方面的要求，齿坯孔和端面的相互位置精度对齿轮加工质量影响很大，为了保证孔和端面的垂直度误差在允许的范围内，应尽可能采用一次装夹来加工孔和端面的方案，也可采用先加工孔、以空定位加工端面和外圆，或者相反的互为基准的方案。 3.3.4齿形的加工方法 一,齿形加工方法的概述齿轮的加工方法分无切削加工和切削加工两类1,无切削加工齿轮的无切削加工方法有铸造,热轧,冷挤,注塑等方法.无切削加工具有生产率高,材料消耗小和成本低等优点.2,切削加工对于有较高传动精度要求的齿轮来说,切削加工仍是目前主要的加工方法.通常要经过切削和磨削加工来获得所需的齿轮精度.根据所用的加工装备不同,齿轮的切削加工有铣齿,滚齿,插齿,刨齿,磨齿,剃齿,珩齿等多种方法二,齿形加工原理按齿轮轮廓的成形原理不同,齿轮的切削加工又可分为成形法和展成法两种1,成形法:是用与被加工齿轮齿槽形状相同的成形刀具切削轮齿.盘状齿轮铣刀:为铲齿成形铣刀,其加工精度,生产率都较低,但结构简单,成本低.刀具是旋转运动;铣刀眼齿轮坯的轴向移动.指状齿轮铣刀:加工模数较大齿轮.(m=10-100mm),如:直齿,斜圆柱齿,人字齿.2,范成法(包络法或展成法):是利用齿轮的啮合原理进行切削的,只需一把刀具就能加工出模数相同而齿数不同的齿轮,其加工精度和生产率比成形法高,因而应用也最广泛.采