5.18 加字，小轴加工工艺设计及组织性能分析说明书.doc
湖南文理小轴加工工艺设计及组织性能分析(带CAD图）
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湖南文理学院芙蓉学院本科生毕业设计题 目：小轴加工工艺设计及组织性能分析 学生姓名： 学 号： 专业班级： 指导教师： 完成时间： II小轴加工工艺设计及组织性能分析目 录中文摘要及关键词III英文摘要及关键词IV第1章 绪论11.1 本课题的研究内容和意义11.2 本课题应达到的要求2第2章 加工工艺规程设计32.1 零件的分析32.1.1 零件的作用32.1.2 零件的工艺分析32.2 小轴加工的主要问题和工艺过程设计所应采取的相应措施42.2.1 孔和平面的加工顺序42.2.2加工方案选择42.3 小轴加工定位基准的选择42.3.1 粗基准的选择42.3.2 精基准的选择42.4 小轴加工主要工序安排52.5 机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定82.6 选择加工设备及刀、量具82.7 确定切削用量及基本工时（机动时间）9第3章 45钢的简介253.1 优质碳素结构钢的简介253.2 45钢的性能及应用25第4章 45钢的热处理274.1 热处理的定义及分类274.2 铁碳相图的应用274.3 热处理过程中常见的缺陷以及预防措施284.3.1 变形和开裂284.3.2 过热和过烧294.3.3 硬度不足和软点294.3.4 氧化和脱碳304.4 钢在加热、冷却过程中的组织转变304.4.1 钢加热时内部组织的转变314.4.2 钢冷却时内部组织的转变324.5 45钢的淬火处理324.5.1 淬火的简介334.5.2 45钢淬火参数的选择334.6 淬火45钢的回火354.6.1回火的简介354.6.2 45钢回火参数的选择36第5章 45钢回火后组织的观察及分析395.1 金相试样的制备及观察395.2 45钢回火组织的金相分析405.2.1 金相显微镜的简介405.2.2 保温时间对45钢金相组织的影响425.2.3 回火温度对45钢金相组织的影响48第6章 回火45钢的力学性能试验及分析496.1 硬度试验的简介496.2 回火45钢的洛氏试验及分析496.3 强度估算的简介536.4 回火45钢的强度估算54总 结55致 谢56参 考 文 献57中文摘要及关键词摘 要：本设计是基于小轴零件的加工工艺规程及一些工序的专用夹具设计。小轴零件的主要加工表面是外圆及孔系。一般来说，保证平面的加工精度要比保证孔系的加工精度容易。因此，本设计遵循先面后槽的原则。并将孔与平面的加工明确划分成粗加工和精加工阶段以保证孔系加工精度，生产效率较高。适用于大批量、流水线上加工。能够满足设计要求，此外还进行了组织性能分析。关键词：小轴类零件；工艺；组织性能分析英文摘要及关键词Abstract:The design is based on the processing technology of small shaft parts procedures and design of special fixture for some processes. Small cylindrical is the main surface of shaft parts and holes. In General, ensure planes of accuracy than to ensure hole accuracy easier. Therefore, the design follows the principle of first pit. And into the hole and the planes of the clearly defined roughing and finishing stages in order to ensure the accuracy of holes, the production efficiency is high. Suitable for mass, assembly line process. To meet the design requirements, in addition to organizational performance analysis.Keywords: small shaft parts; technology; organization performance analysis小轴加工工艺设计及组织性能分析第1章 绪论1.1 本课题的研究内容和意义工装工艺及夹具毕业设计是对所学专业课知识的一次巩固，是在进行社会实践之前对所学各课程的一次深入的综合性的总复习，也是理论联系实际的训练。机床夹具已成为机械加工中的重要装备。机床夹具的设计和使用是促进生产发展的重要工艺措施之一。机械加工工艺规程是生产准备工作的主要依据。根据它来组织原材料和毛坯的供应，进行机床调整，专用工艺装备的设计与制造，编制生产作业计划，调配劳动力，以及进行生产成本核算等。机械加工工艺规程也是组织生产、进行计划调度的依据。有了它就可以制定生产产品的进度计划和相应的调度计划，并能做到各工序科学地衔接，使生产均衡、顺利，实现优质、高产和低消耗。机械加工工艺过程卡片和机械加工工序卡片，是两个主要的工艺文件。机械加工工艺过程卡片，是说明零件加工工艺过程的工艺文件。在单件、小批量生产中，以机械加工工艺过程卡片指导生产，过程卡的各个项目编制较为详细。机械加工工序卡片是为每个工序详细制定的，用于直接指导工人进行生产，多用于大批量生产的零件和成批生产中的重要零件。在机械行业中，如何去保证工件的高精度、加工的成本等实质性问题，一直是从事于机械行业人员研究的问题，其中在设计夹具的时候就要考虑以上问题，高效的夹具是工件高精度的保证，如何让夹具更高效、更经济，这是行业人急需要解决的。随着社会的发展，科技的不断提高，各种高科技技术逐渐渗透到各个行业，如何利用这些高科技为人类服务，如何充分利用这些高科技在机械行业中，这还需要机械行业人员不断的努力，开拓创新。随着科学技术的发展，和社会市场需要，夹具的设计在逐步的超向柔性制造系统方向发展。迄今为止,夹具仍是机电产品制造中必不可缺的四大工具之一,刀具本身已高度标准化,用户只需要按品种、规格选用采购。而模具和夹具则和产品息息相关,产品一有变化就需重新制作,通常是属于专用性质的工具,模具已发展成为独立的行业;夹具在国内外也正在逐渐形成一个依附于机床业或独立的小行业。 组合夹具不仅具有标准化、模块化、组合化等当代先进设计思想,又符合节约资源的原则,更适合绿色制造的环境保护原理。所以是今后夹具技术的一个重要发展方向单位 。机床夹具通常是指装夹工件用的装置:至于装夹各种刀具用的装置,则一般称为“辅助工具”。辅助工具有时也广义地包括在机床夹具的范围内。按照机床夹具的应用范围,一般可分为通用夹具,专用夹具和可调整式夹具等。通过这次毕业设计，对自己所学的理论知识进行一次综合运用，也是对四年的学习深度的一个检验。在这次设计过程中，充分挖掘自己分析问题，解决问题的潜力。并希望通过毕业设计能养成一种严谨，认真的态度，为以后参加工作打下一个良好的基础。1.2 本课题应达到的要求通过实际调研和采集相应的设计数据、阅读相关资料相结合，对减速器箱体的基本结构及作用有个大致的了解，在此基础上，经过对金属切削加工、金属切削机床、机械设计与理论等相关知识充分掌握后，分析减速器箱体的加工工艺，确定减速器箱体各加工表面的加工方法，进而形成减速器箱体的机械加工工艺路线。并能根据减速器箱体的加工工序要求，分析减速器箱体的定位方式、金属切削加工过程中的机床工作台驱动、工件夹紧等方面的相关数据，结合机械机构设计的相关理论知识，完成工件的有效定位及夹紧，从而使整个减速器箱体的加工工艺路线经济，工件定位方案合理，来达到产品的最优化设计。针对实际使用过程中存在的金属加工工艺文件编制、工件夹紧及工艺参数确定及计算问题，综合所学的机械理论设计与方法、机械加工工艺文件编制及实施等方面的知识，设计出一套适合于实际的减速器箱体加工工艺路线，从而实现适合于现代加工制造业，本文另外还针对45号钢材料进行了组织性能分析。25第2章 加工工艺规程设计2.1 零件的分析2.1.1 零件的作用题目给出的零件是小轴。小轴的主要作用是传动连接作用，保证各轴各挡轴能正常运行，并保证部件与其他部分正确安装。因此小轴零件的加工质量，不但直接影响的装配精度和运动精度，而且还会影响工作精度、使用性能和寿命。图2.1 小轴零件图2.1.2 零件的工艺分析由小轴零件图可知。小轴是一个轴类零件，它的外表面上有2个平面需要进行加工。此外各表面上还需加工一系列螺纹孔。因此可将其分为三组加工表面。它们相互间有一定的位置要求。现分析如下：（1）以外圆40mm、30mm为主要加工表面的加工面。这一组加工表面包括：40mm、30mm外圆面的加工；，其中表面粗糙度要求为。（2）以宽度为8P9的键槽为主要加工表面的加工面。这一组加工表面包括：宽度为8P9的键槽的键槽，粗糙度为。（3）以2-M8深20为主要加工表面的加工面。这一组加工表面包括：2-M8深20，粗糙度为。2.2 小轴加工的主要问题和工艺过程设计所应采取的相应措施由以上分析可知。该小轴零件的主要加工表面是平面及孔系。一般来说，保证平面的加工精度要比保证孔系的加工精度容易。因此，对于小轴来说，加工过程中的主要问题是保证孔的尺寸精度及位置精度，处理好孔和平面之间的相互关系。由于的生产量很大。怎样满足生产率要求也是加工过程中的主要考虑因素。2.2.1 孔和平面的加工顺序小轴类零件的加工应遵循先面后孔的原则：即先加工小轴上的基准平面，以基准平面定位加工其他平面。然后再加工孔系。小轴的加工自然应遵循这个原则。这是因为平面的面积大，用平面定位可以确保定位可靠夹紧牢固，因而容易保证孔的加工精度。其次，先加工平面可以先切去铸件表面的凹凸不平。为提高孔的加工精度创造条件，便于对刀及调整，也有利于保护刀具。小轴零件的加工工艺应遵循粗精加工分开的原则，将孔与平面的加工明确划分成粗加工和精加工阶段以保证孔系加工精度。2.2.2加工方案选择小轴孔系加工方案，应选择能够满足孔系加工精度要求的加工方法及设备。除了从加工精度和加工效率两方面考虑以外，也要适当考虑经济因素。在满足精度要求及生产率的条件下，应选择价格最底的机床。2.3 小轴加工定位基准的选择2.3.1 粗基准的选择为了满足上述要求，应选择的主要支承孔作为主要基准。即以小轴的支承外圆作为粗基准。2.3.2 精基准的选择从保证小轴孔与孔、孔与平面、平面与平面之间的位置 。精基准的选择应能保证小轴在整个加工过程中基本上都能用统一的基准定位。从小轴零件图分析可知，它的顶平面与各主要支承孔平行而且占有的面积较大，适于作精基准使用。但用一个平面定位仅仅能限制工件的三个自由度，如果使用典型的一面两孔定位方法，则可以满足整个加工过程中基本上都采用统一的基准定位的要求。至于前后端面，虽然它是小轴的装配基准，但因为它与小轴的主要支承孔系垂直。如果用来作精基准加工孔系，在定位、夹紧以及夹具结构设计方面都有一定的困难，所以不予采用。2.4 小轴加工主要工序安排对于大批量生产的零件，一般总是首先加工出统一的基准。小轴加工的第一个工序也就是加工统一的基准。具体安排是先以孔定位粗、精加工顶平面。第二个工序是加工定位用的两个工艺孔。由于顶平面加工完成后一直到小轴加工完成为止，除了个别工序外，都要用作定位基准。因此，结合面上的螺孔也应在加工两工艺孔的工序中同时加工出来。后续工序安排应当遵循粗精分开和先面后孔的原则。先粗加工平面，再粗加工孔系。螺纹底孔在多轴组合钻床上钻出，因切削力较大，也应该在粗加工阶段完成。对于小轴，需要精加工的是支承孔前后端平面。按上述原则亦应先精加工平面再加工孔系，但在实际生产中这样安排不易于保证孔和端面相互垂直。因此，实际采用的工艺方案是先精加工支承孔系，然后以支承孔用可胀心轴定位来加工端面，这样容易保证零件图纸上规定的端面全跳动公差要求。各螺纹孔的攻丝，由于切削力较小，可以安排在粗、精加工阶段中分散进行。加工工序完成以后，将工件清洗干净。清洗是在的含0.4%1.1%苏打及0.25%0.5%亚硝酸钠溶液中进行的。清洗后用压缩空气吹干净。保证零件内部杂质、铁屑、毛刺、砂粒等的残留量不大于。根据以上分析过程，现将小轴加工工艺路线确定如下：工艺路线一：10型材开料毛坯45X19020铣端面，扩中心孔30粗车40mm外圆，各留2mm加工余量40粗车30mm外圆，各留2mm加工余量50掉头，粗车左端面，粗车外圆30mm外圆，各留2mm加工余量60调质处理70修磨中心孔80半精车40mm外圆90半精车30mm外圆（右端）100半精车30mm外圆（左端）110精车40mm外圆及倒角120精车30mm外圆（右端）及倒角130精车30mm外圆（左端）及倒角140车退刀槽2-1.7X37.5150铣宽度为8P9的键槽160钻孔攻丝2-M8深20170去毛刺180清洗190检验200油封、入库工艺路线二：10型材开料毛坯45X19020铣端面，扩中心孔30粗车40mm外圆，各留2mm加工余量40粗车30mm外圆，各留2mm加工余量50掉头，粗车左端面，粗车外圆30mm外圆，各留2mm加工余量60半精车40mm外圆70半精车30mm外圆（右端）80半精车30mm外圆（左端）90精车40mm外圆及倒角100精车30mm外圆（右端）及倒角110精车30mm外圆（左端）及倒角120调质处理130修磨中心孔140车退刀槽2-1.7X37.5150铣宽度为8P9的键槽160钻孔攻丝2-M8深20170去毛刺180清洗190检验200油封、入库以上加工方案大致看来合理，但通过仔细考虑，零件的技术要求及可能采取的加工手段之后，就会发现仍有问题，采用互为基准的原则，先加工上、下两平面，然后以下、下平面为精基准再加工两平面上的各孔，这样便保证了，上、下两平面的平行度要求同时为加两平面上各孔保证了垂直度要求。从提高效率和保证精度这两个前提下，发现该方案一比较合理。综合选择方案一：10型材开料毛坯45X19020铣端面，扩中心孔30粗车40mm外圆，各留2mm加工余量40粗车30mm外圆，各留2mm加工余量50掉头，粗车左端面，粗车外圆30mm外圆，各留2mm加工余量60调质处理70修磨中心孔80半精车40mm外圆90半精车30mm外圆（右端）100半精车30mm外圆（左端）110精车40mm外圆及倒角120精车30mm外圆（右端）及倒角130精车30mm外圆（左端）及倒角140车退刀槽2-1.7X37.5150铣宽度为8P9的键槽160钻孔攻丝2-M8深20170去毛刺180清洗190检验200油封、入库2.5 机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定 (1)毛坯种类的选择零件机械加工的工序数量、材料消耗和劳动量等在很大程度上与毛坯的选择有关，因此，正确选择毛坯具有重要的技术和经济意义。根据该零件的材料为45、生产类型为批量生产、结构形状很复杂、尺寸大小中等大小、技术要求不高等因素，在此毛坯选择型材成型。(2)确定毛坯的加工余量根据毛坯制造方法采用的型材造型，查取机械制造工艺设计简明手册表2.2-5，“小轴”零件材料采用灰铸铁制造。材料为45，硬度HB为170241，生产类型为大批量生产，采用型材毛坯。外圆面的加工余量。根据工序要求，结合面加工分粗、精铣加工。各工步余量如下：粗车：参照机械加工工艺手册第1卷表3.2.23。其余量值规定为，现取。表3.2.27粗车面时厚度偏差取。精车：参照机械加工工艺手册表2.3.59，其余量值规定为。2.6 选择加工设备及刀、量具 由于生产类型为大批量生产，所以所选设备宜以通用机床为主，辅以少量专用机车。起生产方式为以通用机床加专用夹具为主，辅以少量专用机床加工生产。工件在各机床上的装卸及各机床间的传递，由于工件质量较大，故需要辅助工具来完成。平端面确定工件的总长度。可选用量具为多用游标卡尺（mm）,测量范围01000mm（参考文献2表67）。采用车床加工，床选用卧式车床CA6140（参考文献2表43），专用夹具。钻孔、扩孔、攻丝所选刀具见（参考文献2第五篇金属切削刀具，第2、3节），采用相匹配的钻头，专用夹具及检具。2.7 确定切削用量及基本工时（机动时间）工序10无切削加工，无需计算工序20：铣端面，打中心孔(1)工件材料：45#，硬度5862HBW,锻造。(2)本工序选用ZBT8216-1铣床，三抓自定心卡盘、顶尖装夹，分两个工步：工步1为铣端面，工步2打中心孔。加工后表面粗糙度为Ra12.5。(3)工步1铣端面1)选择刀具选择端面铣刀。根据切削用量简明手册表1.1，根据切削用量简明手册表1.2，可选择YG6牌号硬质合金。铣刀几何形状，选择端面铣刀， ，=1mm，=170mm。2)选择切削用量铣削速度式中d铣刀直径，mm； n铣刀速度，r/mm。进给量 （3-1）式中铣刀每分钟进给量，mm/min； 铣刀转速，r/min； z铣刀齿数 f每转进给量，mm/r； fz每齿进给量，mm/z。背吃刀量:由于表面粗糙度要求不高故背吃刀量可选ap=2.5mm。切削深度：ap =A=（dw-dm）/2=2.8/2=1.4mm。工步2钻顶尖孔1)选择刀具：选择钻头：选择高速钢麻花钻钻头，钻头采用双头刃磨法，查切削表2.1，2.2，后角，二重刃长度,横刀长,宽,棱带长度，2)选择切削用量决定进给量: f =0.32mm/r 钻孔:查表11-266 ，,取按机床选取 所以实际切削速度为 切削工时 工序30. 粗车40mm外圆，各留2mm加工余量 1)选择刀具选择外圆车刀。根据切削用量简明手册表1.1，由于车床的中心高为200mm（表1.30），故选刀杆尺寸BXH=16mmX25mm，刀片厚度为4.5mm。根据切削用量简明手册表1.2，可选择YG6牌号硬质合金。车刀几何形状（见表1.3），选择平面带倒棱前刀面，。2)选择切削用量确定切削深度ap，由于粗加工余量仅为2.5mm，可在一次走刀内切完，故ap =（45.240.2）/2mm=2.5mm。确定进给量f，根据切削用量简明手册表1.6，选刀杆尺寸BXH=16mmX25mm的情况下，在粗车表面粗糙度Ra=12.5mm时，f =0.81.2mm/r，所以选择f =1.1mm/r选择车刀磨钝标准及寿命:根据切削用量简明手册表1.9，车刀后刀面最大磨损量取为1.0mm，车刀寿命T=60min。确定切削速度vc:切削速度vc可根据公式计算，也可直接由表中查出。根据切削用量简明手册表1.27 （3-2）式中=,故vc =71.2m/min，n=501r/min按CA6140数控车床说明书，选择n=500r/min，这时vc=110m/min。最后决定的车削用量为：车外圆时ap =2.5mm，f =1.1mm/r，n=500r/min，vc =110m/min。计算基本工时式中L=l+y+，l=110mm，根据切削用量简明手册表1.26，车削时的入切量及超切量y+=2.1mm，则L=110+2.1mm=112.1mm，tm=0.63min工序40 粗车30mm外圆，各留2mm加工余量所选刀具为YG6硬质合金可转位车刀。根据切削用量简明手册表1.1，由于C6140机床的中心高为200（表1.30），故选刀杆尺寸=，刀片厚度为。选择车刀几何形状为卷屑槽带倒棱型前刀面，前角=，后角=，主偏角=，副偏角=，刃倾角=，刀尖圆弧半径=。.确定切削深度由于单边余量为，可在一次走刀内完成，故 = .确定进给量根据切削加工简明实用手册可知：表1.4刀杆尺寸为，工件直径400之间时， 进给量=0.51.0按CA6140机床进给量（表4.29）在机械制造工艺设计手册可知： =0.7确定的进给量尚需满足机床进给机构强度的要求，故需进行校验根据表130，CA6140机床进给机构允许进给力=3530。根据表1.21，当强度在174207时，=时，径向进给力：=950。切削时的修正系数为=1.0，=1.0，=1.17（表1.292），故实际进给力为： =950=1111.5 由于切削时进给力小于机床进给机构允许的进给力，故所选=可用。.选择刀具磨钝标准及耐用度根据切削用量简明使用手册表1.9，车刀后刀面最大磨损量取为，车刀寿命=。.确定切削速度切削速度可根据公式计算，也可直接有表中查出。根据切削用量简明使用手册表1.11，当硬质合金刀加工硬度200219的铸件，切削速度=。切削速度的修正系数为=1.0，=0.92，0.8，=1.0，=1.0（见表1.28），故： =63 （3-12） =120 （3-13）根据CA6140车床说明书选择 =125这时实际切削速度为： = （3-14）.校验机床功率切削时的功率可由表查出，也可按公式进行计算。由切削用量简明使用手册表1.25，=，切削速度时， =切削功率的修正系数=0.73，=0.9，故实际切削时间的功率为： =1.7=1.2 根据表1.30，当=时，机床主轴允许功率为=，故所选切削用量可在CA6140机床上进行，最后决定的切削用量为：=1.25，=，=，=.计算基本工时 （3-15）式中=+，=由切削用量简明使用手册表1.26，车削时的入切量及超切量+=，则=126+= =工序50 掉头，粗车左端面，粗车外圆30mm外圆，各留2mm加工余量2)选择切削用量确定切削深度ap，由于半精加工余量仅为1.8mm，可在一次走刀内切完，故ap =（125124.4）/2mm=1.8mm。确定进给量f :根据切削用量简明手册表1.6，在半精车125、表面粗糙度Ra=0.2m时，f =0.160.20mm/r，f =0.19mm/r。选择车刀磨钝标准及寿命 根据切削用量简明手册表1.9，车刀后刀面最大磨损量取为1.0mm，车刀寿命T=60min。确定切削速度vc：切削速度vc可根据公式计算，也可直接由表中查出。根据切削用量简明手册表1.27式中=,故vc =81.2m/min,n=542r/min。按CA6140数控车床说明书，选择n=500r/min，这时vc =110m/min。最后决定的车削用量为：车外圆时ap =1.8mm，f =0.19mm/r，n=520r/min，vc=120m/min。工序60 调质不需计算切削计算。工序70 修磨中心孔.选择砂轮 由机械加工工艺手册4.8中磨料的选择各表选取:A46GV69 350其含义为：砂轮磨料为棕刚玉，粒度为46号，硬度为中软1级，陶瓷结合剂，6号组织手型砂轮其尺寸为350（DBd）.切削用量的选择 砂轮速度： n=1500r/min，V=30m/s轴向进给量：f=0.2B=8mm（双线程）机械加工工艺设计实用手册表15-67径向进给量： f=0.02（双线程）工件速度 v=100V=0.3（m/s） N=1.737r/m （3-21）.切削工时 查机械加工工艺手册表2.5-11 k=1.1表2.5-12t=（s） （3-22）磨机床选择为M2110A，刀具选择代号为MY的圆柱磨头，根据机械加工工艺设计实用手册表13.4-16确定砂轮直接为20，则工件速度=20，纵向进给量，工作台一次往复行程磨削深度，根据以上数据计算出所耗工时为41.5 s。工序80 半精车40mm外圆所选刀具为YG6硬质合金可转位车刀。根据切削用量简明手册表1.1，由于C6140机床的中心高为200（表1.30），故选刀杆尺寸=，刀片厚度为。选择车刀几何形状为卷屑槽带倒棱型前刀面，前角=，后角=，主偏角=，副偏角=，刃倾角=，刀尖圆弧半径=。.确定切削深度由于单边余量为，可在一次走刀内完成，故 = .确定进给量根据切削加工简明实用手册可知：表1.4刀杆尺寸为，工件直径400之间时， 进给量=0.51.0按CA6140机床进给量（表4.29）在机械制造工艺设计手册可知： =0.7确定的进给量尚需满足机床进给机构强度的要求，故需进行校验根据表130，CA6140机床进给机构允许进给力=3530。根据表1.21，当强度在174207时，=时，径向进给力：=950。切削时的修正系数为=1.0，=1.0，=1.17（表1.292），故实际进给力为： =950=1111.5 由于切削时进给力小于机床进给机构允许的进给力，故所选=可用。.选择刀具磨钝标准及耐用度根据切削用量简明使用手册表1.9，车刀后刀面最大磨损量取为，车刀寿命=。.确定切削速度切削速度可根据公式计算，也可直接有表中查出。根据切削用量简明使用手册表1.11，当硬质合金刀加工硬度200219的铸件，切削速度=。切削速度的修正系数为=1.0，=0.92，0.8，=1.0，=1.0（见表1.28），故： =63 （3-12） =120 （3-13）根据CA6140车床说明书选择 =125这时实际切削速度为： = （3-14）.校验机床功率切削时的功率可由表查出，也可按公式进行计算。由切削用量简明使用手册表1.25，=，切削速度时， =切削功率的修正系数=0.73，=0.9，故实际切削时间的功率为： =1.7=1.2 根据表1.30，当=时，机床主轴允许功率为=，故所选切削用量可在CA6140机床上进行，最后决定的切削用量为：=1.25，=，=，=.计算基本工时 （3-15）式中=+，=由切削用量简明使用手册表1.26，车削时的入切量及超切量+=，则=126+= =工序90半精车30mm外圆（右端）该工序与工序20的计算方法完全一样，在此不一一计算。工序100 半精车30mm外圆（左端）已知加工材料为45，锻造件，有外皮，机床CA6140普通车床，工件用内钳式卡盘固定。所选刀具为YG6硬质合金可转位车刀。根据切削用量简明手册表1.1，由于CA6140机床的中心高为200（表1.30），故选刀杆尺寸=，刀片厚度为。选择车刀几何形状为卷屑槽带倒棱型前刀面，前角=，后角=，主偏角=，副偏角=，刃倾角=，刀尖圆弧半径=。.确定切削深度由于单边余量为，可在一次走刀内完成，故 = （3-1）.确定进给量根据切削加工简明实用手册可知：表1.4刀杆尺寸为，工件直径400之间时， 进给量=0.51.0按CA6140机床进给量（表4.29）在机械制造工艺设计手册可知： =0.7确定的进给量尚需满足机床进给机构强度的要求，故需进行校验根据表130，CA6140机床进给机构允许进给力=3530。根据表1.21，当强度在174207时，=时，径向进给力：=950。切削时的修正系数为=1.0，=1.0，=1.17（表1.292），故实际进给力为： =950=1111.5 （3-2）由于切削时进给力小于机床进给机构允许的进给力，故所选=可用。.选择刀具磨钝标准及耐用度根据切削用量简明使用手册表1.9，车刀后刀面最大磨损量取为，车刀寿命=。.确定切削速度切削速度可根据公式计算，也可直接有表中查出。根据切削用量简明使用手册表1.11，当硬质合金刀加工硬度200219的锻造件，切削速度=。切削速度的修正系数为=1.0，=0.92，0.8，=1.0，=1.0（见表1.28），故： =63 （3-3） =120 （3-4）根据CA6140车床说明书选择 =125这时实际切削速度为： = （3-5）.校验机床功率切削时的功率可由表查出，也可按公式进行计算。由切削用量简明使用手册表1.25，=，切削速度时， =切削功率的修正系数=0.73，=0.9，故实际切削时间的功率为： =1.7=1.2 （3-6）根据表1.30，当=时，机床主轴允许功率为=，故所选切削用量可在CA6140机床上进行，最后决定的切削用量为：=2，=，=，=.倒角 为了缩短辅助时间，取倒角时的主轴转速与钻孔相同 换车刀手动进给。. 计算基本工时 （3-7）式中=+，=由切削用量简明使用手册表1.26，车削时的入切量及超切量+=，则=+= = 工序110 精车40mm外圆及倒角1)选择刀具：同粗车2)选择切削用量确定切削深度ap，由于精加工余量仅为0.6mm，可在一次走刀内切完，故ap =0.6mm。确定进给量f，根据切削用量简明手册表1.6，在精车125、表面粗糙度ap =0.8m时，f=0.160.25mm/r, f=0.18mm/r。选择车刀磨钝标准及寿命 根据切削用量简明手册表1.9，车刀后刀面最大磨损量取为1.0mm，车刀寿命T=60min。确定切削速度vc:切削速度vc可根据公式计算，也可直接由表中查出。根据切削用量简明手册表1.27式中=,故vc=69.6m/min,n=492r/min。按CA6140车床说明书，选择n=500r/min，这时vc=110m/min。最后决定的车削用量为：ap =0.6mm，f =0.18mm/r，n=500r/min，vc=110m/min。工序120 精车30mm外圆（右端）及倒角2)选择切削用量。确定切削深度ap，由于粗加工余量仅为2.0mm，可在一次走刀内切完，故ap =（45.242）/2mm=2.5mm。确定进给量f : f =0.180.24mm/r，故选择f =0.18mm/r。确定切削速度vc:切削速度Vc可根据公式计算，也可直接由表中查出。根据切削用量简明手册表1.27式中=,故vc =87m/min，n=465r/min。按CA6140数控车床说明书，选择n=500r/min，这时vc =110m/min。最后决定的车削用量为:ap=0.6mm，f =0.18mm/r，n=500r/min，vc =110m/min，tm =0.55min工序130 精车30mm外圆（左端）及倒角确定切削深度ap，由于半精加工余量仅为1.8mm，可在一次走刀内切完，故ap =（125124.4）/2mm=1.8mm。确定进给量f :根据切削用量简明手册表1.6，在半精车125、表面粗糙度Ra=0.2m时，f =0.160.20mm/r，f =0.19mm/r。选择车刀磨钝标准及寿命 根据切削用量简明手册表1.9，车刀后刀面最大磨损量取为1.0mm，车刀寿命T=60min。确定切削速度vc：切削速度vc可根据公式计算，也可直接由表中查出。根据切削用量简明手册表1.27式中=,故vc =81.2m/min,n=542r/min。按CA6140数控车床说明书，选择n=500r/min，这时vc =110m/min。最后决定的车削用量为：ap =1.8mm，f =0.19mm/r，n=520r/min，vc=120m/min。5)计算基本工时tm=0.83min工序140车退刀槽2-1.7X37.5切削深度ap：ap=1.7mm根据机械加工工艺手册表查得：进给量,查机械加工工艺手册表2.4-82得切削速度，机床主轴转速：，查机械加工工艺手册表3.1-74取实际切削速度：进给量：工作台每分进给量： 被切削层长度：由毛坯尺寸可知深度为3mm，l=3mm机动时间=0.052min=3.12s工序150 铣宽度为8P9的键槽机床的选择：X52K型铣床（1）选择刀具：查，根据表2.1-72，因为铣削宽度，可查得立铣刀 2）查，根据表2.1-20，选择7:24锥柄立铣刀，标准系列L=198mm，标准系列l=63mm，粗齿数为4。（2）选择切削用量1）决定铣削深度 铣削深度由工序决定，因为每次的铣削深度不大，故均可以一次性走完，则粗铣削时为3.4mm。2）决定每齿进给量 查，根据表2.1-72，当铣削宽度=12mm时，铣刀的每齿进给量，取，所以。3）选择铣刀磨钝标准及刀具寿命 查，根据表2.1-75，可选择高速钢立铣刀，粗铣，后刀面的最大磨损限度为0.30.5mm，查，根据表2.1-76，可选用的高速钢立铣刀，其耐用度T=90min。4）决定切削速度 查，根据表2.1-77可查得：=1.18，=1.0，=0.9，=1.2，=1.0，=1.25（铣削余量较小时，） 铣削速度计算公式： 查，根据表2.1-77可查得： 所以 m/min r/min 查，根据表3.30，XK5532型数控铣床的使用说明书，选择： 这时实际切削速度为 m/min工序160 钻孔攻丝2-M8深20 1)确定进给量 f根据机械加工工艺手册表3.4-5孔径5060，f =1.11.3，所以进给量选取f =1.2mm/r。2)确定切削速度v及n根据表3.4-34，取v=17.1m/min，根据摇臂钻床Z3080使用说明书n=161250，取n=320r/min。实际钻孔速度3)加工机动时间的计算:工序170 磨外圆砂轮型号：GZ46ZR1A PSA 900100305 。磨床型号：外圆磨床M1320E 用具：卡箍，上顶尖，下顶尖，千分尺，长度量规，采用纵磨法。磨削基本参数：1)砂轮速度： （3-6）式中砂轮速度（m/s）砂轮直径（mm）砂轮转速（r/min）2）工作速度： 式中工件转速（m/min）工件直径（mm）工件转速（r/min）3）外圆磨削的轴向进给量 精磨 =（0.200.4）=16mm/r式中 外圆磨削的轴向进给量（mm/r） 砂轮宽度（mm）4）外圆磨削的轴向进给速度vf 式中vf外圆磨削的轴向进给速度（m/min）5）背吃刀量ap或fr（mm/单行程）ap=0.3mm6）砂轮当量直径； 式中砂轮当量直径（mm）“+”用于外圆磨削，“”用于内圆磨削。第3章 45钢的简介3.1 优质碳素结构钢的简介凡是用于各种工程结构件（如车辆构件、桥梁、井架、屋架等）和各种机器零件（如常用的齿轮、主轴等）的钢统称为结构钢。碳素结构钢，英文名：carbon structural steel，碳素钢的一种。含碳量约0.05%0.70%，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。碳素结构钢中磷、硫的质量分数比较高（P0.045，S0.055），只有一小部分用于制造机械零件，其大部分用于工程结构件中。碳素结构钢通常以型材（各种型钢、钢板或者钢棒）在供应状态（热轧、空冷或者控制轧制状态）下使用，只有在必要时才进行焊接或者锻造等热处理，其力学性能也可以通过热处理进行调整2。优质碳素结构钢中磷、硫的含量低于普通碳素结构钢，s、p0.035%。广泛用于重要机械零件和弹簧。较典型的牌号是40、45等，牌号中的两位数字表示钢的平均含碳量，以万分之几表示3。碳的质量分数和热处理状态决定了优质碳素结构钢的力学性能。碳的质量分数越低，其韧性和塑性越高，但其硬度和强度则越低；反之，含碳量越高，韧性、塑性越低，硬度、强度越高。合金中锰的质量分数也对其性能有较大影响，锰的含量越高，优质碳素结构钢的强度和硬度越高。其性能、用途与相同含碳量，但锰含量低的钢基本上相同，但其有较好的淬透性，较高含锰量的优质碳素结构钢可制作截面尺寸稍大或强度要求略高的零件。牌号为3050的钢属于中碳钢，其强度、硬度较高，塑性和韧性较好，通常要经过淬火和高温回火等热处理工序，其综合力学性能良好，因高温回火又被称为调质处理，所以被称为调质钢。除了用于建筑材料，还用于制造轴、齿轮、连杆等机械零件4。3.2 45钢的性能及应用45是优质碳素结构钢中中碳钢的典型牌号,化学成分如表1-1所示。45钢的综合力学性能和切削加工性良好，在工程中一般用于生产钢丝、钢绞线、锚具，以及高强度螺栓、重要结构的钢铸件等。表1-1 45钢的化学成分(质量分数)%（摘自GB 69988、GB 307788）3 C Si Mn Cr Ni 0.420.50 0.170.37 0.500.80 其抗拉强度 b (MPa)：600;屈服强度 s (MPa)：335;伸长率 5/（%）：19;断面收缩率 /（%）：45;冲击吸收功（Aku2/J）：47。推荐热处理温度为: 淬火840，水冷，回火600，水冷或油冷3。45钢中珠光体含量多，淬火后的硬度可显著增加。冷变形能力中等，焊接性差，淬透性低，易水淬裂纹，多在调质或正火态使用，可用于制造承受较大应力件4，适于制造机床中形状较简单、中等强度、韧性的零件，如轴、齿轮、曲轴、螺栓、螺母等。58第4章 45钢的热处理4.1 热处理的定义及分类将固态金属或者合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺过程被称为钢的热处理。尽管钢的热处理种类很多，但其过程都是由加热、保温、冷却三个阶段组成的，可用热处理工艺曲线来表示。如图2-1所示。 图2-1 常用热处理工艺曲线示意图 根据加热和冷却方法不同，钢的常用热处理分类如下：1. 整体热处理 退火、正火、淬火、回火等，又被称为热处理的“四把火”；2. 表面热处理 表面淬火（只对工件表层部分进行淬火的工艺，常采用火 焰加热和感应加热两种淬火方法）；3. 化学热处理 渗碳、碳氮共渗、渗氮等。 不同的热处理是为了获得不同的组织，以满足不同的使用需求。4.2 铁碳相图的应用分析钢铁材料的平衡组织、制定钢材的各种热加工工艺的基础性依据是铁碳相图，铁碳相图在生产实践中具有十分重要现实意义5。为了更好的对45钢进行热处理，熟知铁碳相图是必须且很有必要的。铁碳相图如图2-2所示。 图2-2 简化Fe-Fe3C相图21. 作为选择钢材的重要依据 铁碳相图中表达了不同钢铁材料的成分、组织的变化规律，依此可判断出材料的力学性能的变化特点，从而为选材提供可靠依据。比如要求塑性、韧性和焊接性能良好的材料，则选用低碳钢。2. 作为制订各种热加工工艺的主要依据 在锻造处理时，依据相图可确定钢的锻造温度范围。通常把钢加热到奥氏体单相区，因为在其区域内钢的塑性好、变形抗力小并且易于成形。在焊接工艺时，受到不同程度的加热和冷却的焊缝及周围热影响区等，可依据相图研究其组织和性能发生变化的规律。做热处理工艺时，各种热处理工艺的加热温度的制订是依据铁碳相图。如退火、正火、淬火、回火的加热温度都是参考Fe-Fe3C相图加以选择。此外，在进行铸造生产时，首先应依据相图确定适当的浇注温度，其次从相图中还可以看出共晶成分的Fe-C合金与纯铁的凝固温度的区间可最小达到零，表明它们的流动性较好，其内部的缩孔较少，可以让缩孔留在冒口内部，获得致密铸件的可能性较高。所以共晶成分的铸铁在铸造生产中获得了很广泛的应用。由此可以看出铁碳相图在铸造生产中有着举足轻重的地位。4.3 热处理过程中常见的缺陷以及预防措施4.3.1 变形和开裂热处理过程中最常见的缺陷就是变形和开裂。而在热处理过程中工件产生的内应力是造成变形和开裂的最根本原因。由于在加热和冷却过程中，工件内部和表面的膨胀和收缩率不同，导致了工件内组织的相互作用，产生热应力。热应力随着加热和冷却的速度变化而变化。因为工件内部各部分的受热和冷却不同时，以及其热胀冷缩率不同，工件内部组织转变成不同的组织以及转变不同时，导致工件内部产生了组织应力。当奥氏体转变为马氏体时，组织应力的作用很显著。 对于可以修复的变形，可在工件冷透前矫正，也可以采取正火后矫正完成后重新进行加热淬火。对于变形严重，产生裂纹的工件，就报废了。在热处理过程中可在淬火时在马氏体转变时采用缓慢冷却的方式。此外，还可以在设计零件时尽量使形状对称，留有足够的磨削余量以及避免尖角设计等。4.3.2 过热和过烧过热是有加热温度过高或者保温时间过长引起的晶粒明显粗化的现象。过烧现象是由于加热温度相对于钢的正常加热温度超出太多，导致了在晶界附近出现了氧化和熔化引起的。过热现象会影响工件淬火后的组织，使工件淬火后得到粗针马氏体，从而引起工件脆性的增加以及疲劳强度的下降。对于碳素结构钢和合金结构钢，如果过热现象不严重，一般可以采用再做一次正火或者退火的方法重新加热再进行淬火。通过多次退火和正火，以及淬火可以修复过热不太严重的高碳钢及合金结构钢。过烧现象对钢的组织造成的缺陷是无法挽救的，过烧会导致工件的组织晶粒非常粗大，其力学性能也急剧下降。所以过烧现象在实际生产中应务必避免。4.3.3 硬度不足和软点在热处理过程中有很多因素都可能导致硬度不足，例如在淬火过程中，淬火的加热温度过低或者保温的时间不够，以及淬火冷却过程中冷却速度不高等都可以引起硬度的不足。在回火时回火温度过高，以及脱碳现象等也会产生硬度不足。软点是工件表面由于淬火时冷却方式选择的不合适以及工件在冷却剂内的运动不足，或者局部脱碳等因素造成的很多没有被淬硬的小区域。由硬度不足和软点产生的原因可以看出，选择一个合适的淬火剂以及合理的热处理工艺可以有效的避免这些现象。经过正火和重新加热淬火可以改善普通的碳素结构钢和合金结构钢的硬度不足，而对于合金工具钢最好的方法是退火，然后再进行一次淬火。4.3.4 氧化和脱碳氧化是指钢在加热过程中，钢的表层中所含的铁、碳与加热炉内空气中的氧气、CO2、水蒸气等发生反应，生成铁和碳的氧化物的过程。氧化影响着工件淬火的质量，零件的表面光洁度、尺寸精度会降低。脱碳是在氧化的同时，工件表面的碳从工件内部逸出，工件表面的含碳量降低的现象。由于工件表面的碳含量下降，工件表面的硬度和耐磨性会降低。脱碳现象的出现会大大降低工件的疲劳强度，严重时甚至会导致工件报废。为了保证热处理的作用，可采用以下措施来防止氧化和脱碳： （1）不让工件与炉内的空气接触，加热时隔绝工件； （2）在炉内通入保护性气体（如氨、氮、煤气等），使炉内保持中性气氛。 （3）精度要求较高的精密零件和高级合金可考虑采用真空加热即无氧化加热。 （4）在工件表面涂石墨粉、耐火粘土、玻璃粉、硼砂等防氧化的涂料。4.4 钢在加热、冷却过程中的组织转变钢在加热、冷却过程中的组织转变的相变规律是以铁碳相图为基础的。其中相图中的临界点A1、A3、Acm是在以极缓慢的速度加热、冷却的情况下测量的。但实际情况却无法达到理想情况，其加热和冷却速度都达不到要求的极缓慢，所以钢的相变不是在临界点发生的。加热转变发生在平衡临界点之上，而冷却转变则发生在平衡临界点之下7。实际生产中，加热和冷却温度的升高和降低与加热、冷却的速度有关，且随着速度的增加而增加。在实际中，通常把加热温度表示为Ac1、Ac3、Accm，冷却时则为Ar1、Ar3、Arcm。如图2-3所示。 图2-3 钢加热和冷却时各临界点的实际位置4.4.1 钢加热时内部组织的转变钢在加热过程中，当温度高于Ac1时，发生了珠光体向奥氏体的转变。随着温度的升高，当温度高于Ac3、Accm时，则会全部转化为奥氏体。热处理的主要目的就是为了使钢转变为奥氏体，所以钢加热的过程被称为钢的奥氏体化。钢在加热过程中发生的变化可以划分为两个部分，即钢的奥氏体化和奥氏体晶粒的成长以及控制。1. 钢的奥氏体化 温度加热到Ac1以上时，在室温下组织为单一珠光体的共析钢因为渗碳体的溶解以及Fe原子晶格的改变，逐渐转变为奥氏体。碳原子在保温过程中的扩散促使奥氏体均匀化，直至最后全部转化为奥氏体，这种加热被称为完全奥氏体化。共析钢中P向A转化可分为以下四个阶段：1 A形核；2 A长大；3 残余Fe3-C溶解；4 A均匀化。2. 奥氏体晶粒的成长以及控制影响冷却时组织的转变及组织转变产物性能的重要因素是奥氏体晶粒的大小。P开始转变为A时，晶核较多，所以形成的A晶粒比较细小。但随着温度的升高以及保温时间的延长，A晶粒就会随之长大。其晶粒越粗大，冷却后转变成的产物越粗大，直接影响冷却后钢的力学性能。其中钢材冲击韧度的降低最明显。热处理过程中需要严格控制的一个问题就是A的晶粒大小，评定加热质量的一个指标就是A的晶粒大小。在生产实际中控制A的晶粒大小的措施有以下几个：选用含有合金的钢种；选择合理的加热温度和保温时间；热处理工艺采用快速加热或者循环加热的方式。4.4.2 钢冷却时内部组织的转变冷却转变温度决定了冷却后转变物的组织和性能，冷却是热处理工艺中一个很关键的工序。等温冷却如等温淬火、连续冷却（如炉冷、空冷或者水冷等）是实际生产中常采用的冷却方式。与共析碳钢的A等温转变曲线相比，亚共析钢、过共析钢过冷A的等温转变曲线，亚共析钢的C曲线多出了一条铁素体的析出线。而过共析钢的C曲线却多出了一条二次渗碳体的析出线。如图2-4所示。 图2-4 45钢等温冷却的C曲线一般情况下，亚共析碳钢的C曲线因为碳含量的增加而向右移动，而过共析碳钢却与之相反。由此可以看出，共析碳钢的过冷奥氏体组织是最稳定的。在连续冷却时，亚共析碳钢的C曲线除了比共析碳钢多出了一条先共析F析出线外，还多出了贝氏体的转变区域。连续冷却对于亚共析碳钢来说可以产生更多的组织。4.5 45钢的淬火处理4.5.1 淬火的简介将钢件奥氏体化即加热到Ac1（或Ac3）以上3050后，进行一段时间的保温，保温后以大于临界冷却速度的速度进行冷却，以便获得下贝氏体或者马氏体组织的热处理工艺，被称为淬火6。钢进行淬火处理的目的主要是为了获得马氏体，马氏体是由过冷奥氏体快速冷却至Ms以下时的产物。奥氏体的晶体结构是面心立方，当过冷到Ms以下时其晶体结构由面心立方转变成体心立方。因为转变温度很低，溶解在原奥氏体中的过多碳原子缺乏能力进行扩散，导致碳原子几乎不能析出，致使晶格畸变的产生。并且碳含量越高，畸变就越严重，相应的内应力也就越大。溶于-Fe中的间隙固溶体和过于饱和的碳就是马氏体7。马氏体中的碳含量决定了马氏体的硬度和强度，当c在0.2%0.6%范围内时，低温转变为板条状和针片状马氏体混合的组织。针片状马氏体的含量随着碳含量的增加而增加，但板条状马氏体却随着碳含量的增加而减少。淬火处理后获得的马氏体是强化钢材时采用的最重要的组织，马氏体可以提高钢的耐磨性和硬度。4.5.2 45钢淬火参数的选择45钢属于亚共析钢，亚共析钢淬火时要求必须加热到Ac3以上，进行完全淬火。1) 淬火温度的选择。淬火时加热的温度是依据钢的相变临界点选择的。一般的原则是：共析钢、过共析钢选Ac1+（3050），而亚共析钢选这Ac3+（3050）。此外，还应考虑工件的原始组织、性能、要求、形状和尺寸等。根据要求及45钢淬火的推荐温度，选择的45钢的淬火温度为840。在淬火加热时采用的是箱式电阻炉，在使用电阻炉进行加热时要按操作规程进行，其操作规程如下：首先要把试样放到加热炉内，关闭好炉门。其次把电源开关打开，电流表的指针向右偏。最后要把温度控制仪上的温度调到所需的加热温度。此时温度控制仪上的绿灯亮了，表示已经开始加热了。等温度加热到所需的温度时，温度控制仪上的红灯亮，与此同时，电流表的指针归零，表明此时已经停止加热。此时，可以开始计时，直到保温时间到了，关闭电源，完成加热保温过程。在保温过程中，温度控制仪上的红绿灯交替进行工作，保证炉内使恒温的状态。在使用电阻炉时为了保证自身安全和正确使用电阻炉达到热处理效果，有一些注意事项必须要引起重视，注意事项有以下几条：1、 如果电阻炉好长时间没用或者是新的电阻炉第一次使用时，第一步要进行烘炉。即从室温加热到200，然后把炉门打开4个小时；接着从200加热到400，再把炉门关闭2个小时；接着再从400加热到600炉门关闭2个小时。 2、 在使用时，不得加热高于电阻炉允许的最高温度，以免炉内的电热元件被烧坏。不能为了快速冷却电阻炉而向炉内注入液体，或者某些易溶解的金属。3、 热电偶不能在高温时被突然拔出，以免造成外套管的炸裂。4、 电阻炉以及温度控制仪所处的环境的相对湿度不得超高85%，并且没有爆炸性和腐性气体以及导电尘埃等。5、 温度控制仪工作时的环境温度范围应在5-50。6、 炉内要保持清洁，在不使用时要及时的清除氧化物等类的东西。7、 实验结束时要记得切断电源。 2）保温时间。为了使奥氏体充分的转变以及分布均匀化，并且使钢件淬透，所以淬火后要保温一段时间。保温时间的确定主要考虑钢件的成分、零件尺寸和加热介质等因素，其计算公式如下： （2-1） 其中，加热系数； K 装炉系数； D有效尺寸，mm。根据热处理手册及试样的尺寸，最终确定45钢的淬火保温时间为30min。3） 冷却介质。工件淬火时的冷却速度是由淬火介质本身的冷却能力决定的。在确保获得马氏体组织的前提下，为了减小淬火产生的内应力，避免工件淬火后产生变形或出现裂纹，应根据实际情况选择冷却能力弱的淬火冷却介质。最常用且最常见的冷却介质是水，水的冷却能力很强。水淬容易引起变形和裂纹，但水可以让工件很容易获得马氏体组织，所以在很多没有特殊要求，考虑经济性的情况下，一般选择水淬。以植物油和矿物油为代表的油类淬火剂在进行淬火时也很常用。油类淬火剂的冷却能力不及水，所以在加热温度相同，保温时间一致的情况下，油淬能有效的防止工件变形和裂纹的产生，工件的淬火应力也相应的减小了。根据实验室的具体情况，参考热处理手册，确定本课题的45钢淬火冷却介质用水。综上所述，45钢的淬火参数选定为：淬火温度840，保温时间30min，冷却介质为水。4.6 淬火45钢的回火4.6.1回火的简介将淬火钢加热到Ac1以下某一温度，保温一段时间然后冷却到室温，使不稳定组织转变为较稳定组织的热处理工艺称为钢的回火。钢淬火后的组织为淬火马氏体，硬度高，脆性大以及尺寸不稳定，有很大的内应力，很容易开裂，无法正常使用，所以要经过回火处理以获得要求的硬度、组织和性能等是很有必要的8。为了满足生产需要及要求，在选择回火处理参数时熟知回火过程中组织和性能的变化是很有必要的。下面就简单介绍一下回火过程中组织和性能变化的四个阶段。第一阶段：温度范围从室温到250。在这个温度范围内马氏体的分解开始了。马氏体中存在的过饱和的碳原子开始析出，形成FexC碳化物。这一分解过程的最终组织为回火马氏体。第二阶段：温度范围从230280。在此范围内在马氏体分解的同时残余A也开始分解。正因为马氏体的分解，使残余A的压力降低了。促使残余A转变为过饱和的固溶体及碳化物。在第二阶段完成时的组织也被称为回火马氏体。第三阶段：温度范围从260360。在这个阶段马氏体的分解完成了，并且形成了渗碳体。过饱和的固溶体因为碳原子的析出转变为F，同时在第一阶段和第二阶段形成的FexC也发生了转变，转变成了粒状的稳定的渗碳体。第三阶段完成时的组织为F和非常细小的渗碳体的混合物，称为回火托氏体。第四阶段：温度是400以上。渗碳体在此温度范围内开始聚集长大，并且固溶体也开始了恢复和再结晶。Fe3C的微小的细条状组织在温度高于400时开始转变为细小的粒状组织。当温度高于600时，F的针片状组织渐渐消失，转变为等轴的晶粒，发生再结晶。钢在淬火时产生的内应力在此时完全消失，随之钢的硬度就下降了，韧性就有所上升。这时钢的组织为回火索氏体，回火索氏体是等轴F与分布均匀的粒状的渗碳体9。综上可知，在不同的温度范围内淬火钢回火的组织是在不断转变的，但又存在交叉和重叠（几种不同的变化可能在同一温度范围内进行）。淬火钢回火时性能的变化是由组织变化引起的：温度越高，硬度和强度越低，而塑性和韧性越高。决定钢的组织和性能的关键工序是热处理的最后一道工序即回火处理，回火处理对工件内部质量有很大的影响，根据对工件使用要求和性能不同，按加热温度高低将回火分为低温回火、中温回火和高温回火三种。回火后通常为空冷。低温回火回火温度在150250，回火后使淬火马氏体变为回火马氏体，既提高了塑性和韧性，又保证了工件的高硬度，同时还降低了淬火时产生的热应力和组织应力。采用回火工艺的钢材可以用于制造高硬度的刃具、量具、冷便形模具、表面淬火件、滚动轴承、高强度钢、渗碳件、碳氮共渗件等10。中温回火回火温度在350500，目的是获得较高弹性和足够的硬度，同时保持有一定的韧性。回火后的组织为回火屈氏体，硬度可达到3545HRC。中温回火大多用于机械零件、弹簧、各种标准件以及某些热锻模具的回火处理工艺。 高温回火回火温度在500650，高温回火也被称为调质处理，回火后的组织为回火索氏体，其组织细密并且均匀，硬度、强度较低且塑性和韧性较高，即获得的综合力学性能达到较高强度和韧性的良好配合17。受冲击以及在交变载荷下工作的零件可以采用此回火工艺，可用于制造各种重要的结构件，例如广泛用于汽车、拖拉机、机床等结构上的零件，如半轴、曲轴、主轴、连杆、螺栓以及凸轮轴等轴类零件和各种齿轮等。此外也可为工件表面淬火、渗氮和碳氮共渗等预备热处理工艺作组织上的准备。回火的目的可以概括为以下几条：1. 减少或消除零件的淬火内应力(热应力和组织应力)；2. 适当降低硬度，同时提高钢的塑性以及韧性，获得良好的综合力学性能；3. 稳定工件的组织，使零件的尺寸在长期使用过程中不发生组织变化并和保持精度；4. 改善工件的加工性能，避免磨削加工时发生开裂现象18。4.6.2 45钢回火参数的选择45钢回火过程中用到的主要器材有箱式电阻加热炉、控温仪表等。1. 回火温度的选择通过查阅热处理手册及材料基础实验教程，选择了一下五个时间来研究温度对45钢的影响：200、400、500、550、600。在进行回火加热时同样采用的是电阻加热炉。其操作方法和注意事项与淬火处理时相同。 2. 保温时间的选择 根据公式2-2 (2-2) 其中：d加热系数。其值根据炉型而定，盐浴炉d=0.50.8min/mm；井式回火炉d=1.01.5min/mm；箱式电炉d=22.5min/mm。D工件有效厚度；b附加时间。一般为1020min。试样加热时采用的是箱式电阻炉，所以加热系数d取22.5min/mm；试样的有效厚度D=10mm。代入公式2-2，如下所示：min30min是本课题试样最短的回火保温时间。为了研究保温时间对45钢回火处理后组织和性能的影响，取t=90min来反映时间的影响。3. 根据查阅资料，45钢回火保温后在无特殊要求的情况下都选择保温后出炉空冷。根据加热温度和保温时间的不同，把试样分类列于表2-1。表2-1 45钢的回火的参数及试样的编号试样加热温度保温时间1（原始组织）-220030min320090min440030min540090min650030min750090min855030min955090min1060030min1160090min第5章 45钢回火后组织的观察及分析5.1 金相试样的制备及观察金属材料的显微组织直接影响到机械零件的性能和使用寿命，金相分析是控制机械零件内在质量的重要手段13。金相检验是检查材料的微观组织结构的一种方法。不同的材料及状态,其金相组织不同,性能也不同.金相检验是热处理的“眼睛”，是检验热处理后材料组织的有效方式。45钢回火保温后，在空气中冷却至室温，就要对其内部组织进行观察。在金相试样制备的过程中用到的主要仪器与材料有： 1) 45钢原始试样、45钢回火试样； 2）试样切割机、砂轮机、抛光机、吹风机光学金相显微镜等； 3）4%的硝酸酒精溶液、酒精、脱脂棉花、硝酸等。金相组织检验过程如下： 1. 取样。按要求用手锯或者锯床切割的试样。一般要求试样的尺寸不能太大，以便于握持和磨制为益。此道工作已在45钢进行热处理前完成。试样被切成了厚约10mm，半径约为15mm的90扇形。2. 断面磨平。将断面边缘用细纹锉刀锉,断面不平处用砂轮机磨平，同时把试样的磨面上的尖角倒成圆角。在用锉刀锉时，不要用力太大，以防在试样表面造成很深的划痕，不便于后续工作的进行。3. 磨样。试样的磨制分为两道工序即粗磨和精磨。粗磨可以使试样表面有一个比较平整的表面。粗磨后试样的表面虽然很平整，但仍有较深的划痕。而精磨就是为了消除粗磨时的划痕同时得到一个光滑的磨面，为下一步的抛光做准备。精磨时选用金相砂纸的粒度号有60、160、280、400、600、800、1000、1200，粒度号由小到大即由粗到细进行磨制。在磨制试样时要注意砂纸要铺在像玻璃板一样的平面上,要随时保证砂纸上没有太大的颗粒，以免划伤磨面，同时要求手持试样不可来回磨制要沿着单一的一个方向向前推磨，用力要均匀，不宜过重，且随着砂纸粒度号的增大而用力减小。每换一号砂纸试样磨面需转90，与上一道的旧划痕相互垂直，每换一次砂纸试样磨面上的划痕须均匀一致，且要盖住上一道砂纸的划痕。最后要进行到将擦伤性划痕完全去掉为止。 4. 抛光。为了获得一个光滑的镜面，消除精磨时磨面上留下的变形层以及非常细小的划痕，在精磨后对试样磨面进行抛光处理。常用的抛光方法有化学抛光、电解抛光以及机械抛光，其中最常用的是机械抛光。机械抛光就是用专门的抛光机上进行抛光。抛光机有电动机和抛光用的圆盘组成。工作时电动机启动带动抛光盘一块旋转，抛光盘的转速可达到200600r/min。抛光时要不断的往抛光盘上滴抛光液。抛光盘上可以装细帆布、丝绸以及呢绒等抛光布。抛光时使用三氧化二铝或者氧化镁的悬浮液辅助抛光。 抛光时，试样磨面应轻压在抛光盘上，不要用力太大，注意不要让试样飞起,抛光直到试样上没有小毛刺成为光滑的镜面为止。试样抛光完成后用清水冲洗干净，并用酒精冲去水滴，再用吹风机吹干，为下一步的腐蚀做准备。5. 腐蚀。通过查阅资料可知45钢的回火组织可以用4%的硝酸酒精溶液腐蚀。在配制硝酸酒精溶液时应注意安全。要把硝酸滴到酒精里，防止溶液飞溅伤人。配好溶液后要洗手，以免有硝酸渐到皮肤上。腐蚀液组成、腐蚀时间和适用范围见表3-1。表3-1 腐蚀液的组成及腐蚀时间名称硝酸酒精溶液组成硝酸4ml,酒精96ml时间数秒1分钟适用范围碳素钢，铸铁等一般的组织6.干燥。腐蚀后再清洗一遍，用风筒吹干放入干燥器使之干燥。7.检查。用光学金相显微镜检查内部组织。使用不同倍率的透镜进行观察,结果记入记录表中。5.2 45钢回火组织的金相分析5.2.1 金相显微镜的简介金相显微镜是金属工艺学中研究金属金相组织的重要设备，也是工业部门用来鉴定产品的质量的关键仪器，主要用来鉴定、分析金属的内部组织。并且由于金相显微镜易于操作、价格相对低廉等因素，所以直到现在依然是金属内部组织常规检验或者研究工作中的应用最广泛的仪器。在本次课题中用金相组织检测软件拍摄试样的组织并分析其内部的组织，及其所占的比例。金相显微镜配有摄像的装置，可以拍摄金相图谱，并可利用软件对图谱进行量化分析，并对图象编辑、存储、输出以及管理等功能。4XC型金相显微镜的架构图如图3-1所示。标准配置有10X的目镜2个，物镜分别是10X、25X、40X、100X各一个。机械筒的长度为160mm，并且带有限位和调节松紧装置的同轴粗、微动调焦系统，微动格值为0.002mm。 图3-1 4XC型金相显微镜的架构图1目镜 2双目头 3压片簧 4方型载物台 5物镜 6视场光栏调节手柄 7滤色片 8孔径光栏调节手柄 9灯箱 10灯座固紧螺钉 11灯泡调节手柄 12聚光镜调节手柄 13视场光栏调节螺钉14横向移动手柄 15纵向移动手柄 16微动调焦手轮 17粗动调焦手轮 18限位固紧手柄 19镜筒固紧螺钉 金相显微镜的使用步骤如下：1、选择是通过亮视场还是暗视场观测；2、打开电源；3、打开电脑并运行金相检测软件；4、光路选择（用CCD或者用眼睛观测）；5、把试样放置在载物台上；6、选择合适的物镜，一般先选择低倍率的物镜；7、调整焦距，使视野内出现亮光；8、微调焦距，并调整横向和纵向移动手柄，使组织更清晰，并观察整个试样上组织。金相显微镜在使用时有一些注意事项，如下所列：1.显微镜在使用时要尽可能轻点，因为显微镜毕竟是精密仪器；2.显微镜镜头上的玻璃部分以及试样的抛光腐蚀面严禁用手指触摸。如果镜头上有灰尘或者砂粒，要先用洗耳球把灰尘和砂粒吹去，再用毛刷或者镜头纸擦拭，以防直接用毛刷时划花镜头上的玻璃，影响显微镜的清晰度以及分辨率；3.使用显微镜前，操作者要保证手的干净，干燥；4.更换物镜或者目镜时要十分小心，严禁把物镜或者目镜摔落在地上；5.在调整焦距时要先清除粗调旋钮的旋转方向与载物台升降的关系。使用时要先缓慢旋转粗调旋钮使载物台慢慢下降，同时使眼睛盯着目镜，直到视场内出现亮光时，换用微调手轮进行调节，直到图像清晰为止；6.试样观察结束时一定要把卤素灯关闭，并且切断电源后才能离开。5.2.2 保温时间对45钢金相组织的影响45钢的原始组织的金相组织如图3-2所示。 图3-2 45钢的原始组织组织及说明：45钢属于亚共析钢，所以室温下的组织是白色的铁素体和黑色的珠光体。由于含碳量的不同，组织中铁素体和珠光体的相对量也不同。1. 200回火，保温30min和保温90min的金相组织如图3-3和3-4所示。 图3-3a 200回火，保温30min (100） 图3-3b 200回火，保温30min (400） 图3-4a 200回火，保温90min(100) 图3-4b 200回火，保温90min(400) 组织及说明： 200回火属于低温回火，回火后的组织为回火马氏体。此时的组织晶粒比较粗大。 2. 400回火，保温30min和保温90min的金相组织如图3-5和3-6所示。 图3-5a 400回火，保温30min(100) 图3-5b 400回火，保温30min(400) 图3-6a 400回火，保温90min(100) 图3-6b 400回火，保温90min(400) 组织及说明：400回火属于中温回火，回火组织为回火托氏体，即极细小的铁素体与渗碳体。其晶粒比200回火时稍微小一点。3. 500回火，保温30min和保温90min的金相组织如图3-7和3-8所示。 图3-7a 500回火，保温30min(100) 图3-7b 500回火，保温30min(400) 图3-8a 500回火，保温90min(100) 图3-8b 500回火，保温90min(400)组织及说明：500回火属于中温回火，回火组织为回火托氏体，即极细小的铁素体与渗碳体。其晶粒比400回火时稍微小一点。2. 550回火，保温30min和保温90min的金相组织如图3-9和3-10所示。 图3-9a 550回火，保温30min(100) 图3-9b 550回火，保温30min(400) 图3-10a 550回火，保温90min(100) 图3-10b 550回火，保温90min(400)组织及说明：550回火属于高温回火，回火组织为回火索氏体，即较细小的铁素体与渗碳体。其晶粒比500回火时稍微小一点。2. 600回火，保温30min和保温90min的金相组织如图3-11和3-112所示。 图3-11a 600回火，保温30min(100) 图3-11b 600回火，保温30min(400) 图3-12a 600回火，保温90min(100) 图3-12b 600回火，保温90min(400) 组织及说明：600回火后得到的是回火索氏体组织，即较细小的铁素体和渗碳体的混合物。 由以上对比可以看出，保温时间对回火45钢的金相组织没有太大影响，甚至可以略不计14。但随着加热温度的升高，试样的内部组织越来越细小。5.2.3 回火温度对45钢金相组织的影响由上面的分析可知保温时间对回火45钢的金相组织影响很小，所以在分析温度对45钢金相组织的影响时可以以其中一个保温时间下的金相组织进行分析。下面就以保温30min时不同的回火温度下45钢的组织进行分析。200回火的金相组织如图3-3所示；400回火的金相组织如图3-5所示；500回火的金相组织如图3-7所示；550回火的金相组织如图3-9所示；600回火的金相组织如图3-11所示。由以上各图可知，随着加热温度的升高，试样内部的组织是逐步细化的。那是因为200属于低温回火的范畴，此时的组织为回火马氏体，45钢属于中碳钢，含碳量为0.45%，马氏体的组织是一束一束尺寸比较大的板条状；400属于中温回火的范畴，其组织为F和非常细小的渗碳体的混合物，比较致密。500-600属于高温回火的范畴，此时试样的内应力几乎全部消除，组织的综合力学性能比较好。随着温度的升高，完成了淬火钢回火时组织的转变。第6章 回火45钢的力学性能试验及分析6.1 硬度试验的简介硬度既可以被理解为材料抵抗塑性变形和弹性变形和或破坏的能力，也可以被表述为材料抵抗残余变形、反破坏的能力，是衡量材料软硬程度的一个性能指标11。硬度试验与材料试验中测定强度和塑性的拉伸实验以及测定材料冲击韧度的一次摆锤冲击试验相比是材料试验中最简便的一种试验。硬度试验与材料试验中的其它试验相比具有以下特点：试验操作简便、迅速；可以间接表征材料出材料的疲劳强度和强度等材料的性能特点；不论零件的大小、厚薄以及形状，可在零件上直接进行15。硬度试验一般采用压入法，用该法测出的材料硬度值可以反映出材料表面的局部区域内抵抗外界物体压人时变形的能力。在机械工业中广泛用于检验原材料和零件在热处理后的质量。目前最常用的是布氏硬度试验和洛氏硬度试验。布氏硬度能比较真实的反映出材料的性能，但压头在材料上留下的压痕比较大。不过布氏硬度不受细小的不均匀度以及个别组成相的影响，所以测量精度还是很高的。布氏硬度主要用于灰铸铁以及经过退火、正火和高温回火材料的硬度测试。布氏硬度的压头有两种，一种是淬硬钢球，硬度符号用HBS表示，用于测定硬度值不大于450的材料；一种是硬质合金钢球，硬度符号用HBW表示，用于测量硬度值小于650的材料。因为压痕面积较大，不适合薄壁件和成品的检验。洛氏硬度试验法可以直接从刻度盘上读取硬度值，既可以测试最硬的材料，也可以用于测试软材料。并且压痕很小，所以对于材料内部组织和硬度不太均匀的材料，为了保证精度，提高硬度值的可靠性，一般测三个点，取它们的平均值12。洛氏硬度的压头有顶角为120的金钢石圆锥体和直径为1.588的淬火钢球。采用A、B、C三种标准对材料进行测试。其中HRA用来测量表面淬火钢和硬质合金等；HRB用于测量铜合金、软钢和退货钢等材料；HRC用于测量一般的淬火件及硬度大于100HB的回火钢和钛合金等。6.2 回火45钢的洛氏试验及分析由试样的压痕深度来测试试样硬度的实验方法称为洛氏硬度实验。洛氏硬度的实验原理可分为以下几步：1. 在测试开始之前，先对试样施加初载荷P0和主载荷P1。初载荷的作用是使压头在试样表面留下一个h1的深度，然后在P0和P1的共同作用下在试样上压入一个h2的深度。2. 在保留P0的基础上，卸去P1，记下此时压痕的深度为h3。3. 有h1 和h3可知P1作用在试样上留下的压痕深度为h。h被用来反映金属的硬度值，用HR表示。HR的计算公式如下所示： （4-1）其中，K是一个常数，有测试时所选用的压头决定。当选用金刚石压头时，K取0.2mm；当选用钢球做压头时，K取0.26mm。有公式（4-1）可知，如果选用金刚石做压头，则压痕深度增加0.002mm，硬度值降低1个单位。本次课题做硬度试验选用的是HR-150A硬度计。硬度计的结构图如图4-2所示：图4-2 HR-150A硬度计结构图1测量杠杆；2指示百分表；3主轴座；4主轴；5压头；6工作台；7丝杠保护套；8升降丝杠；9手轮；10加载荷手柄；11弹簧螺母；12锁紧螺母；13丝杠导座；14上盖；15负荷杠杆；16支撑杆；17吊杆；18支架；19弹簧；20侧盖；21砝码；22油杆；23机体；24缓冲器调节阀；25缓冲器 在一般的情况下，洛氏硬度试验机应采用不同的载荷、压头进行测试。根据压头和主载荷的不同，测试可以得到三种不同标度的测量值，即HRA、HRB和HRC。洛氏硬度的试验规范见表4-1。表4-1 洛氏硬度的实验规范标度压头类型初载荷/N主载荷/N硬度值的计算公式硬度值有效范围应用实例HRA120的金刚石锥体直径1.588mm的淬火钢球98490100-e6585经过表面处理的钢件、硬度比较高的薄壁件以及硬质合金等HRC1372130-e2067硬度大于100HB的淬火和回火钢以及钛合金等HRB88225100退火钢材以及铜合金、铝合金等合金和可锻铸铁等由4.1的介绍可知，洛氏试验比较适合用来测量回火45钢的硬度值。进行洛氏试验的主要仪器和材料有：HR-150A洛氏试验机，45钢原始试样和45钢回火试样等。洛氏硬度测量过程：1 由表4-1可知，本试验按HRC标度进行试验。HRC标度的压头类型是120的金钢石圆锥体，初载荷P0为98N，主载荷P1为1372N。试验前先用标准硬度块校验HR-150A洛氏试验机，检查试验机是否准确。2 试样要平放到工作台上，手轮按顺时针缓慢转动，使工作台升起直至顶起压头。等到小表盘内的指针对准红点，大表盘上的指针垂直向上并偏差不超过5个格时停止转动。3 旋转大表盘的外壳，当大表盘中C和B
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