热处理课程设计答辩ppt课件

1、组长：郁 哲,组员：王 凡、湛艳红、叶钊毅、刘晓梅,指导老师：李绍宏、陶静梅、段永华,课程设计,高速、中低载，有冲击小齿轮 外径100mm，厚度30mm,1,目录,Contents,齿轮形状设计,第一章,力学性能计算,第二章,齿轮选材过程,第三章,齿轮加工路线,第四章,热处理过程,第五章,第六节 热处理设备,2,1.1 基本公式,形状设计,模 数,齿 数,齿顶高系数，1.0,顶隙系数，0.25,压力角，20,3,所设计齿轮用于高速，中低载,按照齿轮设计一般原则高速齿轮齿数,z=1720,齿轮外直径为100mm，即 da=100,按照公式da =m（z+2）,模数按照国标GB/T 1357-20

2、08挑选,1.1 基本公式,形状设计,1.2 模数齿数,m = 5，z = 18，da = 100,4,1.2 模数齿数,形状设计,1.3 基本参数,按照先前基本公式计算齿轮,得到如下表基本参数,5,齿轮折断 一般发生在齿根部分，由过渡载荷和疲劳引起。,齿面点蚀 齿面接触应力为脉动循环变化，产生裂纹扩展致使金属微粒剥落。,齿面胶合 多发生在高速重载传动中，齿面金属粘连，相互运动形成沟纹。,2.1 失效形式,力学性能,齿面磨损 分为磨粒磨损、跑合磨损，多出现在开式且齿轮工作环境恶劣的情况。,6,高速中低载荷,2,应用领域 发电机、传动机、齿轮箱,常用齿面 闭式软齿面齿轮（350HBS）,硬度确定

3、 由此确定齿轮表面硬度要求为336HBS，即36HRC,2.1 失效形式,力学性能,2.2 硬度要求,1,3,7,2.2 硬度要求,力学性能,2.3 接触疲劳,齿轮的接触疲劳强度 可以按照赫兹（H. Hertz）公式进行计算,其中下标1为小齿轮、下标2为大齿轮，但大齿轮未知，取单向节点处的接触应力为计算依据进行简化,弹 性 系 数,齿厚，分度圆,转 矩,传动比，1.3,载荷系数 主要是考虑冲击而加入的校核系数,安全系数 考虑材料使用,1.4,8,2.3 接触疲劳,力学性能,2.4 弯曲强度,齿轮的抗弯曲强度 可以按照经验修正公式进行计算,YFa和YSa分别为齿形系数和应力修正系数，其只与齿形中

4、的尺寸比例有关而与模数无关。可根据相应图表，按照标准齿轮x=0对应查找。,YFa = 3.0,YSa = 1.55,安全系数 考虑材料使用,9,使用性原则是零件在使用中应该具有的性能，这是保证零件完成规 定功能的必要条件。,3.1 选材原则,选材过程,经济性是指最小的耗费取得最大的经济效益。在满足使用性能的前 提下，选用齿轮材料还应注意尽量降低零件的总成本。,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，包括铸 造性、切削加工性和热处理等。,10,3.1 选材原则,选材过程,3.2 实际选材,使用性原则,经济性原则,工艺性原则,11,3.2 实际选材,选材过程,3.3 20钢性能,经上述

5、从材料使用性、工艺性以及经济性等原则综合考虑选用20钢。其经过表面热处理（渗碳、表淬）硬度、解除疲劳强度、抗弯曲强度都达到所需力学性能要求，同时其切削加工性、热处理性能较好，价格较为低廉，是制作本次所设计齿轮的较为优异的材料。,12,4.1 知识回顾,加工路线,13,4.1 知识回顾,加工路线,4.2 基本路线,根据先前力学性能要求分析，以20钢作为材料制作所设计的小齿轮，必须经过表面热处理以提高表面硬度，由此可分两种加工工艺：以渗碳处理为基础的加工工艺、以表面淬火为基础的加工工艺。,14,4.2 基本路线,加工路线,4.3 渗碳处理,下料是指从整个或整批材料中取下一定形状、数量或质量的材料的

6、操作过程。此 处主要为切取适量质量的原料，用于下一工序锻造制坯。,锻造制坯是指形成零件毛坯并得到合理的加工流线，可分为自由锻造、模锻。 自由锻造用于单件小批量生产，模锻主要用于大批量生产，此处采用自由锻造。,预先热处理的目的是改善材料组织性能，为后序加工做准备。一般预先热处理 方法为退火或正火。退火和正火相似，而正火冷却速度快，组织相对偏移平衡组织。 但由于20钢的切削加工性能较好，因此选用正火处理以缩短生产周期。,齿轮的粗加工主要为基准选择、切料以及齿坯加工。,基准 内孔-端面定位方法确保精度 切料 切除多余的余料 齿坯 端面、内孔、外圆的车削加工,研磨,拉屑,滚齿,此阶段主要是进行齿形加工

7、，常用的方法有剃齿、珩齿、磨齿。,低碳钢的最终热处理多采用淬火+低温回火，淬火加热温度不宜过高。,亚温淬火,表层组织：M回 + 颗粒状碳化物 + 少量A 心部组织：M回 + 先共析F,主要是进行精修，去除齿面的毛刺污物以及氧化层，最后进行防锈处理以及相应检测后包装入库。,精 度 检 测,几 何 检 测,缺 陷 检 测,产 品 检 测,15,4.3 渗碳处理,加工路线,4.4 表面淬火,调质处理是指淬火+高温回火，得到S回组织，其综合力学性能良好，且调制处理后组织细小，提高表面淬火的质量，又确保心部组织有良好的韧性。 此处也可采用正火处理，但调制可提高抗胶合能力，故此处采用调制作为过度热处理。,

8、表面淬火其按照加热方式可分为感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、激光加热表面淬火。,利用电磁感应原理，使零件切割磁力线产生感应电流，又根据交集肤效应，快速加热而后急冷。,淬火后大量A有内应力，塑性差脆性大，易变形开裂，组织不稳定，必须回火。 目的：（1）减少淬火应力；（2）稳定尺寸组织； （3）降低脆性、获得所需要的力学性能。,16,5.1 相关回顾,热处理,17,5.1 相关回顾,热处理,5.2 第一条工艺,加热温度 20钢的正火加热温度范围为890920。若加热温度较高会使A长大，最终组织粗大切削加工 性差，因此选取较低的正火加热温度为890。,加热速度 当加热速度较快

9、，奥氏体的起始晶粒度细小。但Ac3向高温区偏移， 使得A逐渐长大。因此在无相变区快速加热，在相变区适当降低速度， 即将加热过程分为升温、烧透。,升温,烧透,加热系数,100200/h,装炉量 修正系数,加热系数,1.2,2.2 稍后保温有用,18,5.2 第一条工艺,热处理,冷却速度 根据20钢的连续冷却图，正火冷却起始冷却速度 应在42/s。由于20钢含碳量较低，冷速过低会 中存在较多铁素体，使得切削性变差（粘刀），因 此正火起始空冷速度控制在6/s。,19,5.2 第一条工艺,热处理,保温时间 一般20钢正火保温时间通常时间为13小时，具体的可按照经验公式计算。,附加时间,20,5.2 第

10、一条工艺,热处理,渗碳剂 气体渗碳的渗碳剂有两类，一类为有机液体，如煤油、苯、丙酮，另一类为渗碳气体，如丙 烷、丁烷。一般渗碳气体消耗量要比有机液体大，且购买不方便，因此采用有机液体作为渗碳剂。,21,5.2 第一条工艺,热处理,渗碳方式 通常采用滴注式方法进行渗碳。煤油一般加热到800时，开始少量滴入，直到强渗阶段时 以2040滴/min滴入速度滴注，达到所需高碳势。,碳势分布 在渗碳保温分为排气阶段、强渗阶段、扩散阶段，按照常规20钢气体渗碳时碳势分布要求， 排气阶、扩散段碳势较低仅维持在0.10.02%，而强渗碳阶段碳势较高为0.751.05%。因此选取 排气、扩散碳势均为0.09%，强

11、渗阶段为0.80%。,22,5.2 第一条工艺,热处理,渗层厚度 表面至有效硬化层的硬度缓慢连续变化，而后硬度急剧降低，因此将硬化层深度作为渗层厚 度要求依据。根据下表，当m=5时硬化层深度为0.80.3mm，所以齿轮渗碳层1.1mm。,渗碳温度 渗碳温度要求高于Ac3，温度越高有利于活性炭扩散，但受到炉子的使用寿命的限制，一般不 超过950。由先前相关回顾可知20钢渗碳温度为900920，因此确定为900。,23,5.2 第一条工艺,热处理,渗碳时间 按照哈里斯公式（F.E.Harris）计算所需渗碳保温时间。,渗碳温度，K,渗碳时间，h,渗层厚度，mm,保温时间中约2h为强渗阶段 考虑到加

12、热时间，则渗碳总时间约为5h。,冷却方式 渗碳的冷却方式有空冷和水冷，由于经渗碳后还需要进行机加工不适宜水冷，因此采用空冷。,24,5.2 第一条工艺,热处理,渗层碳浓度分布 气体渗碳过程中，碳原子在钢中的扩散服从Fick第二定律，并且认为是一维平表面的扩散问题，因此可以按照初始条件和边界条件进行解析。 由此计算当20钢在900碳势为0.80%渗碳 保温2h后渗碳层中碳浓度分布曲线,25,5.2 第一条工艺,热处理,淬火 先前相关回顾已列出渗碳后淬火加热温度为780800。其加热速度与正火相似，保温时间计 算约为1.5h。冷却方式为水冷，速度为150/s。最终渗碳后20钢经淬火表面硬度为536

13、2HRC。,低温回火 先前相关回顾已列出，低温回火加热温度为140180。因为回火温度没经过相变点，因此以 13/min快速加热到140180。保温时间算得为186min，即3.1h。冷却速度与正火一致。最 终低温回火后，表面硬度基本不变为5060HRC。,26,5.2 第一条工艺,热处理,5.3 第二条工艺,与先前第一条工艺中的正火热处理一致，不进行过多累述。,27,5.3 第二条工艺,热处理,淬火 加热温度、加热速度、保温时间以及冷却速度与先前的方法相似，具体热处理参数如下表。,水冷的原因：根据20钢连续转变图可以看出， 避开“鼻尖”处的冷却速度约为150180 /s。由于此处的淬火是作为

14、过渡热处理调质的 一部分，组织性能上要求并不苛刻，且水冷可 达到150/s，价格低廉价，因此选用水冷，不 必采用盐水冷却或其他昂贵的特殊冷却介质。,28,5.3 第二条工艺,热处理,高温回火 高温回火与先前的低温回火相似，加热温度为650680，由于20钢不存在第二类回火脆性，因此加热速度依旧为13/min，保温时间为1.35h，冷却方式为空冷。,29,5.3 第二条工艺,热处理,淬硬层深度、感应加热频率,根据上表，此次需要热处理的是厚度为30mm，外径为100mm的小齿轮，采用高频感应加热，淬 硬层深度选取为1.5mm。,具体的电流频率用右式计算,感应加热深度，mm,电源频率，Hz,当=1.

15、5mm时，计算得到f=110130kHz，因此确定高频感应加热表面淬火的交流频率为120kHz。,30,5.3 第二条工艺,热处理,加热温度、加热速度 由于感应加热极快导致Ac3向高温 区偏移，偏移量随加热速度升高而增 大，会使得组织粗化，最终在相同的 冷却条件下得到室温组织硬度偏低， 如右边两张图所示。因此选择加热速度 即为重要。,根据右边两图，加热速度100/s时， 20钢的Ac3约950，且在此温度淬火 得到的硬度约为47HRC，基本达到齿 轮的硬度要求，因此确定加热温度为 960，加热速度为100/s，则加 热时间约9s。,31,5.3 第二条工艺,热处理,保温时间、冷却速度 表面淬火

16、不能使表面温度传递到心部，因此保温时间为0s。表面 淬火的冷却方式为水冷，但是采用流水冷却，为了防止表面温度在 冷却过程中向心部传递。同时工件冷却时需要旋转，防止水蒸气在工 件表面形成气膜，阻碍冷却进行。,回火 此处回火选用低温回火，热处理参数与先前淬火后低温回火基本 一致，但经回火后表面硬度略有降低为3844HRC。,32,5.3 第二条工艺,热处理,5.4 工艺优化,问题 渗碳后需要进行剃齿、磨削。从下表可知，当m=5时，剃齿的加工余量为0.6mm，通常磨削需 预留0.30.4mm磨量，总共需要预留0.901.00mm，但是渗碳层厚度仅为1.1mm。,33,热处理,5.4 工艺优化,改良

17、渗碳处理与精加工工序对换，并将渗碳处理和最终热处理合并，即渗碳后直接进行淬火+低温回火。若齿轮为铸造件时，粗加工与精加工间需添加去应力退火，此处无需考虑。 渗碳+淬火+低温回火：渗碳温度较高，不能立马将工件放入到水中淬火，需随炉冷却至原先淬火温 度再进行水冷以及后续的回火。,34,热处理,5.4 工艺优化,问题 工件经表面淬火+低温回火后硬度仅为3844HRC，若需要磨削掉0.30.4mm，估计最终工件 表面硬度无法达到要求。,改良 对经表面淬火+低温回火后的工件进行喷丸处理，以提高表面硬度、强度，具体喷丸参数如下表。,35,5.4 工艺优化,热处理,5.5 最佳工艺,生产周期：第一条 第二条

18、； 能耗（所围面积）：第一条 第二条； 设备费用：第一条 第二条；,综合来看，第一条工艺路线优于第二条工艺路线，因此第一条工艺路线为所设计齿轮加工的最佳方案。,36,5.5 最佳工艺,热处理,5.6 热处理设备,正火设备,基本选择 正火所热处理的为10030mm齿轮属于中小型零件，基本确定选用中温箱式电阻炉。中 温箱式电阻炉有两种系列：SX2、RX3，其中SX2系列用于小批量试验生产，RX3为企业级设备。 此次所设计的齿轮仅为小批量生产用于试验，因此选用SX2。,最高工作温度 正火加热温度为890，考虑到设备寿命以及工作限度，一般设备实际使用最高温度为其理 论最高限度的0.9倍，则Tmax=9

19、89，因此设备最高工作温度为1000。,37,热处理,5.6 热处理设备,正火设备,炉膛尺寸 按照炉膛尺寸按照炉底强度指标计算,炉底有效面积，m2,炉底强度，kg/(m2h),生产率，kg/h 假定生产率为10kg/h,炉底强度h可查右表，得到h=100 kg /(m2h)，由此计算得到有效炉底面积A1=0.1m2。,38,热处理,5.6 热处理设备,正火设备,炉膛尺寸 炉底实际面积与有效面积有如下关系,K为炉底面积利用率，通常取值为 0.8，因此A=0.125m2。按照根据常 规炉形设计，长宽比为3:2，可以计算 实际长宽。,炉膛的高度没有严格的计算方法，通常取H/B= 0.520.9。取值

20、与炉子大小成反比，与工作周期 成正比，因此比值取0.7。,(450300200)mm,39,热处理,5.6 热处理设备,正火设备,功率要求 电阻加热炉功率的确定方法有经验公式法、图标曲 线法、类比法以及较为精准的理论计算法，此处选 用图标曲线法。V = 4.53.02.0 = 27 dm3，根据标 准曲线选取确定额定功率要求P9.5 kW。,40,热处理,5.6 热处理设备,正火设备,设备确定,SX2-12-10系列中温试验箱式电阻炉,41,热处理,5.6 热处理设备,渗碳设备,基本选择与参数 渗碳炉有三种主要型式：井式、卧式和旋转罐式。对小批量生产小零件进行渗碳处理时，通常 采用井式渗碳炉，且可以把零件进行直接淬火。 井式渗碳炉的炉膛尺寸计算，与先前不一样，按照一 次装料量计算，公式如下,按照正火时选取箱式炉计算方法，可以得到其他参数最高工作温度为950，额电功率为23kW。,42,热处理,5.6 热处理设备,渗碳设备,设备确定,RQ-25-9,43,热处理,5.6 热处理设备,淬火设备,由淬火过程与渗碳处理相连，即渗碳处理完成后随炉冷却至淬火温度再出炉水冷。因此淬火 过程中不需要加热设备，所以只设计一个淬火槽即可。 考虑到综合利用以及将来发展，假定 最多一次要淬火1000kg