选材和分析.doc

重载汽车传动齿轮的选材及加工工艺选材和分析齿轮用于机械装置中功率的传递与速度的调节,在汽车、拖拉机、机床、起重机械等产品中不仅有重要的作用,而且用量相当大。齿轮工作时,通过齿面的接触传递动力,齿部承受很大的交变弯曲应力和接触应力,在相互啮合的齿面上会有强烈的摩擦,啮合不均匀时还会产生冲击力。齿轮的主要损坏形式是齿部折断和齿面的过渡磨损。齿轮一般都需经过适当的热处理,以提高承载能力和延长使用寿命,齿轮在热处理后应满足下列性能要求: 较高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度(抗疲劳点蚀) 。齿面具有较高的硬度和耐磨性。齿轮心部具有足够的强度和韧性。重载、高速或中速,且受较大冲击载荷的齿轮,选用低碳合金渗碳钢或碳氮共渗如20Cr、20CrMnTi、20CrNi3、18Cr2Ni4WA、40Cr、30CrMnTi等钢。其热处理采用渗碳、淬火、低温回火,齿轮表面获得5863HRC的高硬度,因淬透性较高,齿轮心部有较高的强度和韧性。这种齿轮的表面耐磨性、抗解除疲劳强度和齿根的抗弯强度及心部的抗冲击能力都比表面淬火的齿轮高,但热处理变形大,精度要求较高时,一般要安排磨削。它适用于工作条件较恶劣的汽车、拖拉机的变速箱和后桥齿轮。碳氮共渗与渗碳相比,热处理变形小,生产周期短,力学性能高,还可应用于中碳钢或中碳合金钢,所以许多齿轮可用碳氮共渗来代替渗碳工艺。内燃机车、坦克、飞机上的变速齿轮的负载和工作条件比汽车的更重、更恶劣,要求材料的性能更高,应选用含合金元素高的合金渗碳钢,以获得更高的强度和耐磨性。重型汽车变速齿轮工作条件比机床齿轮差,特别是主传动系统中的齿轮,受力较大,受冲击较频繁,因此对材料要求较高。由于弯曲与接触应力都很大,所以重要齿轮都需渗碳、淬火处理,以提高耐磨性和疲劳抗力。为保证心部有足够的强度及韧性,材料的淬透性要求较高,心部硬度应在3545HRC之间。另外,汽车生产批量大,因此选钢材时,在满足力学性能的前提下对工艺性能必须予以足够重视。实践证明,20CrMnTi钢具有较高的力学性能,在渗碳、淬火、低温回火后,表面硬度可达5862HRC,心部硬度3045HRC,正火态切削加工工艺性和热处理工艺性均较好。为提高齿轮的耐用性,渗碳、淬火、回火后,还可采用喷丸处理,增大表面压应力。齿轮钢材的质量分别要从：成分、 淬透性、纯净度、高倍组织、 低倍缺陷，这几个方面来讲。一般的情况重载汽车的齿轮钢采用 12CrNi3、 20CrNi3 、12Cr2Ni4 35CrMo、 42CrMo、 40CrNiMo等。当材料中有些元素会降低齿轮硬化表层的表面的质量，降低齿轮疲劳寿命。其中元素的波动和杂质元素都对零件产生影响。钢材的纯净度主要为含氧量。他对齿轮的疲劳强度和工艺性都有明显的影响。氧含量的降低可使寿命成倍提高。淬透性是钢材的淬透能力它主要是保证不同大小齿轮的心部硬度以满足接触疲劳强度和弯曲疲劳强度的要求；另一个便是淬透性带宽度，尽可能小的淬透性带宽度波动有利于齿轮热处理变形的控制。为保证该钢种淬透性带达到标准要求，选择合适的化学成份范围是关键当晶粒过细时切削性差，过粗时热变形差。当粒状贝氏体过多时切削性差热变形越大。细小均匀奥氏体晶粒度可以稳定末端淬透性。减小热处理变形提高脆断抗力。加工工艺分析对于汽车为了提高齿轮的耐用性,渗碳、淬火、回火后,还可采用喷丸处理,增大表面压应力。渗碳齿轮的工艺路线为:下料- 锻造- 正火- 切削加工- 渗碳、淬火及低温回火- 喷丸- 磨削加工。锻造可使锻陪偏析，组织均匀，带状组织减轻，减小齿轮热处理变形。但是锻造缺陷会增大齿轮热处理变形。在锻造过程产生的金属纤维流线形状，对齿轮热处理变形有明显的影响。齿坯锻造后正确的金属纤维流线形状应该是沿齿坯外廓呈对称分布，如果在锻造时毛料徽粗方向不正确或在模膛内放歪，则齿坯的金属纤维流线形状就不均匀，也容易引起后续的热处理变形加大。带状组织会造成钢材各向异性，渗碳时使渗层与组织不均匀，导致淬火时相变发展与残留奥氏体不均匀分布，从而形成不均匀的应力分布，使齿轮的变形量与变形方向都不规则，最终使渗碳淬火后齿轮会沿带状组织的方向增大畸变量。所以对于锻造齿坯，必须严格控制带状组织。锻造过热会使钢材晶粒粗化，同时易出现魏氏组织和无碳贝氏体，则两种组织均会增大热处理变形。预先热处理的目的就是获得均匀细小的组织，彻底消除应力。齿坯的预先热处理一般采用正火处理，但一般大小的20CrMnTi锻件正火时获得最佳显微组织和硬度的冷速范围太狭窄(33-380C/min)，生产上实际正火过程许多的情况都是堆冷，造成齿培冷却不均只是组织部不均，从而导致热处理时变形不均。另外，正火不当产生的硬度不均匀，不仅影响到切削加工质量，而且加大了冷加工应力，这也会加剧齿轮热处理的变形。正火较难改善带状组织，且正火后齿坯的晶粒粗细不均，这些都是加大齿轮渗碳淬火后变形的因素。因此齿坯预先热处理采用等温退火己是势在必行。等温退火工艺是指将完全奥氏体化的零件在较短时间内迅速冷却至该材料等温曲线鼻尖附近的某段温度，并在该段温度内充分保温以保证其组织转变完成以获得均匀的片状铁素体+珠光体组织和均匀的硬度的一种工艺方法。由于等温退火是将齿坯加热奥氏体化后，迅速冷却到珠光体相变区域内等温，直至相变完成后再自由空冷，它能防止带状组织的超差、防止粒状贝氏体的产生，同时组织与硬度均匀，这样就为后续的渗碳热处理提供了较好的组织准备，最终稳定并减小齿轮渗碳淬火变形。等温退火处理，使之从高温冷却时来不及或很少析出铁素体，而在鼻尖处充分保温获得均匀细小的片状珠光体和少量的铁素体组织。而普通正火是在空气中自然冷却，但根据奥氏体等温曲线转变图可知，在冷却过程中先析出铁素体，再析出珠光体，随着温度降低，不断析出铁素体和珠光体，且实际冷却过程中，尽管我们是将工件散开冷却，但各零件冷速还是不一致，造成组织不均，容易出现粒状贝氏体组织造成硬度不均。由此可知等温退火后的金相组织较正火组织均匀细小，带状组织明显改善，硬度均匀。齿轮加工方法和加工残余应力对渗碳齿轮变形会产生一定影响。齿坯组织与硬度不均、总加工余量大、一次性切削量太大、切削速度较大、刀具磨钝或刀具不合理都会使加工残余应力加大且分布不均匀，而齿轮热处理变形量与其机械加工后残存的加工应力的大小与分布有着密切关联。例如，内花键的不同类型加工后存在着不同大小与分布的残余应力，拉削的比插齿的应力分布均匀，相比较热处理变形趋势就小些。总之，切削量小的零件较切削量大的零件热处理变形小些，冷加工除了需要均匀加工以外，齿轮批量加工时稳定的加工工艺与加工质量也是稳定热处理变形趋势的重要前提。渗碳淬火后,齿面硬度为5862HRC,一般需进行磨齿或珩齿消除热处理引起的变形。这类齿轮具有很高的接触强度和弯曲强度,并能承受较大的冲击载荷。各种载重车辆中的重要齿轮常进行渗碳淬火处理。渗氮可提高轮齿的表面硬度、耐