毕业设计（论文）-20Cr车床主轴热处理工艺设计.doc

攀枝花学院学生课程设计（论文）题 目： 20Cr车床主轴热处理工艺设计 学生姓名： X X 学 号： 20111110XXXX 所在院(系)： 材料工程学院 专 业： 20XX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： X X X 职称： 讲 师 2012年12月28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20Cr车床主轴的热处理工艺设计1、课程设计的目的使学生了解、设计20Cr车床主轴的热处理工艺，融会贯通相关专业课程理论知识，培养学生综合运用所学知识、分析问题和解决问题的能力。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 ：明确设计任务（包括用途、服役条件及性能要求）绘出热处理件零件图给出设计方案写出设计说明设计质量检验项目设计热处理工艺卡片20Cr车床主轴的热处理缺陷及预防或补救措施要求：通过查找资料充实、完善各项给定的设计内容。分析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。提交设计说明书（报告），2千字以上。报告格式请参照“毕业论文（设计）”格式。3、主要参考文献1 夏立芳主编. 金属热处理工艺学. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 20052 中国机械工程学会热处理分会热处理工程师手册机械工业出版社2003第一版.3 张玉庭主编热处理技师手册机械工业出版社2006第一版4 中国机械工程学会热处理学会热处理手册机械工业出版社2003第三版.4、课程设计工作进度计划第十四周：对给定的题目进行认真分析，查阅相关文献资料，做好原始记录。第十五周：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）孙青竹日期2013年11 月 25 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： 年月日攀枝花学院本科课程设计（论文） 摘要摘 要本课设计了20Cr号钢制造机床主轴热处理工艺设计。主要的工艺过程包括粗加工调制处理半精加工渗碳低温回火低温人工时效等过程。通过各种不同的工艺过程进行恰当的处理可以获得各种性能良好的材料并且满足各项性能的要求。20Cr钢其疲劳强度、综合力学性能、硬度、热硬性、热强度和耐磨。用于制造受力不大、韧性要求高的零件和渗碳件，紧固件和冲模锻件以及不经热处理的低负荷零件。机床主轴是切削机床的重要零件，在传动动力时承受着多种形式的载荷，在工作中做高速旋转运动。从而使车床主轴运行在最佳的状态1。关键词：20Cr钢，完全退火，低温回火，车床主轴攀枝花学院本科课程设计（论文） 目录目 录摘 要1、设计任务11.1设计任务11.2设计的技术要求12、设计方案22.1 变速箱设计的分析22.1.1工作条件22.1.2失效形式22.1.3性能要求22.2钢种材料23、设计说明33.1加工工艺流程43.2具体热处理工艺43.2.1预备热处理工艺53.2.2机械加工53.2.3渗碳工艺53.2.4淬火+低温回火热处理工艺64、分析与讨论85、结束语96、热处理工艺卡片10参 考 文 献11攀枝花学院本科课程设计（论文） 1 设计任务1 设计任务1.1设计任务20Cr车床主轴热处理工艺设计1.2设计的技术要求20Cr钢是一种合金结构钢，与15Cr钢相比，有较高的强度及淬透性，在油中临界淬透直径达4 22mm，在水中临界淬透直径达1140mm，但a href=http:/baik韧性较差，此钢渗碳时仍有晶粒长大倾向，降温直接淬火对冲击韧性影响较大，所以渗碳后需二次淬火以提高零件心部韧性，无回火脆性;钢的冷应变塑性高，可在冷状态下拉丝;可切削性在高温正火或调质状态下良好，但退火后较差;焊接性较好，焊后一般不需热处理，但厚度大于15mm的零件在焊前需预热到100150。在对20Cr钢进行热处理时，即去应力退火，淬火和高温回火时应严格按照卡片所列出的时间进行保温以及其它操作的要求。1攀枝花学院本科课程设计（论文） 2 设计方案2 设计方案2.1车床主轴的设计分析2.1.1工作条件机床主轴是切削机床的重要零件，在传动动力时承受着多种形式的载荷，在工作中做高速旋转运动。其主要工作条件如下：传递扭矩，承受交变扭转载荷，往往还受有交变弯曲应力。有时，还承受拉-压轴向载荷作用。轴颈处及花键等润滑表面处，承受着较大的摩擦和磨损。株洲还承受着一定的冲击载荷的作用。2.1.2失效形式磨损失效 由于相对运动的表面如轴颈处过度磨损或润滑不良而致磨损失效。例如带内锥孔或外锥度的主轴，工作时和配合件虽五相对滑动，但频繁装拆。易于使锥面磨损；特别是主轴和滑动轴承相配的轴颈，由于润滑不良、轴承材料选择不当、结构设计不合理、加工精度不够、装配不良、间隙不均或嵌入杂质微粒等都可能发生咬死（即抱轴），使轴颈工作面咬伤，这是机床主轴正常情况下常见的失效形式。2.1.3性能要求机床切削加工时，主轴高速旋转，受到弯曲、扭转、冲击等多种载荷的作用。根据工作条件和失效形式分析，可以对轴用材料提出以下性能要求： 高的疲劳强度，防止轴疲劳断裂； 良好的综合力学性能，即强度与塑、韧性有良好的配合，以防止过载和冲击断裂； 高的硬度、热硬性、热强度和良好耐磨性，以增强抗咬死能力，防止轴颈、花键等局部承受摩擦的部位过度磨损或咬死。2攀枝花学院本科课程设计（论文） 2 设计方案2.2钢种材料20Cr钢是我国目前产最大的几个合金结构钢之一，用途非常广泛。供货状态及硬度：退火态，硬度179HBS。硬度较高，韧性比15CrA差，该钢具有比较好的淬透性、中等的强度和韧性。油淬到半马氏体硬度的淬透性为2023mm。该钢经渗碳淬火表面强化处理后，在模具表面会获得细针状回火马氏体，硬度为58 62HRC；心部获得低碳马氏体组织，硬度35 40HRC，基体强韧性高，可满足冷作模具高硬度、高强度、高韧性和适当的耐腐蚀性的使用性能要求。正火可促进组织球化，细化大块状先共析铁素体，改进毛胚的切削性能。该钢淬火、低温回火后具有良好的综合力学性能，低温冲击韧性良好，回火脆性不明显。渗碳时钢的晶粒有长大趋势，所以要求二次淬火，以提高心部韧性，不宜降温淬火。当正火后硬度为170 217HB时，相对切屑加工性约为65%，焊接性中等，焊前应预热到100 150，冷变形时塑性中等。为了提高模具型腔的耐磨性，模具成型后需要进行渗碳处理，然后再进行淬火和低温回火，从而保证模具表面具有很高硬度、高耐磨性而心部具有很好的韧性。对于使用寿命要求不很高的模具，也可以直接进行调质处理。国内也有不少应用低碳马氏体刚强烈淬火制造冷作模具的实例。3攀枝花学院本科课程设计（论文） 3 设计说明3 设计说明3.1加工工艺流程20Cr钢卧式车床主轴热处理工艺设计的热加工的工艺流程: 下料正火粗加工调制处理半精加工渗碳低温回火低温人工时效成品。20Cr钢属于合金结构钢，其成分1如下表3.1.表3.1 A钢的化学成分（质量分数，%）CMnPSCrNiCuSi00.800.0350.0350.701.000.0300.0300.170.37成分分析：Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂。它能消除或减弱由于硫所引起的钢的热脆性，从而改善钢的热加工性能。Mn和Fe形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，经固溶处理后有良好的韧性，当受到冲击而变形时，表面层将因变形而强化，具有高的耐磨性；同时又是碳化物形成元素，进入渗碳体中取代一部分铁原子。Si能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度。硅能提高钢的弹性极限、屈服强度和屈服比(s/b),以及疲劳强度和疲劳比(-1/b)等。 硅能促使铁素体晶粒粗化，降低矫顽力。3.2具体热处理20Cr钢的热处理包括去应力退火、完全退火、不完全退火、正火、淬火、回火、气体淬火、气体渗碳。20Cr钢的热处理工艺分析：去应力退火，加热700720，保温，空冷消除残余应力，消除加工硬化完全退火，加热860890，保温，炉冷消除残余应力，降低硬度不完全退火，加热790，保温8h，690等温3h，出炉筒冷获得粒状珠光体。正火，加热870900，保温，空冷加热温度在Ac3836线之上细化晶粒，消除组织缺陷，以获得 珠光体+少量铁素体组织。淬火，加热860880，保温，水冷或油冷淬火温度高，淬透性低，变形较 大，硬度低，耐磨性差。回火，加热160180，保温2h，空冷获得回火马氏体组织。气体渗碳，加热900920以0.150.2mm/h计保温时间，加热温度不超过920，以避免晶粒长大。43.2.1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。Ac3Ac1图3.2 A钢完全退火工艺曲线加热温度：Ac3+3050；加热速度：小于200/h；保温时间：2min/mm83.2.2机械加工由于我们专业并不怎么涉及机加工方面的知识，因此此处只能说明其在车床上进行加工。3.2.3渗碳工艺渗碳是将工件放入渗碳气氛中，并在900950的温度下加热、保温，使其表面层增碳的一种工艺操作。渗碳的目的在于使工件在继续经过相应热处理后表面具有高硬度和耐磨性，而心部任保持一定的强度和较高的任性。固体渗碳工艺如图3.36所示。 900950 T 800850 h图3.3 A钢的渗碳工艺曲线53.2.4淬火+低温回火热处理工艺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3.47所示 Ac3 Ac1 A AP AB Ms图3.4低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。6回火规范如表3.2 9。 表3.5 A回火规范表 方案 淬火温度 / 回 火用 途 加热温度/ 介质硬度HRC 10201040 消除应力 去除应力，降低硬度去除应力，降低硬度150170 200275 400425 油或硝盐 6163 5759 5557 11151130 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 510520多次回火 -78冷处理加510520一次回火 -78冷处理加一次510520回火，再-78冷处理 6061 6061 61623.2.5物理性能经过上述各种热处理后20Cr钢的疲劳强度、综合力学性能、硬度、热硬性、热强度和耐磨性都有很好的提升。7攀枝花学院本科课程设计（论文） 4 分析与讨论4 分析与讨论20Cr钢卧式车床主轴的热处理工艺设计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。8攀枝花学院本科课程设计（论文） 5 结束语5 结束语这次20Cr钢卧式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20Cr钢卧式车床主轴的制作流程，还学会了把自己书本上学到的知识运用到实际物体上去。前段时间在没有认真学习金属学时，我觉得这个课程设计很难很难，但现在经过我对金属学的充分认识，我重新把这套支撑辊的设计完成了一遍，也从中发现了很多原作者的问题，使我从中吸取了精华部分。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20Cr钢卧式车床主轴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20Cr