精密磨床主轴热处理工艺设计

辽宁工业大学工艺课程设计（论文）题目：精密磨床主轴热处理工艺设计院（系）：专业班级：学号：学生姓名：指导教师：起止时间：课程设计（论文）任务及评语院（系）：材料科学与工程学院教研室：材料科学与工程教研室学号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目精密磨床主轴热处理工艺设计课程设计（论文）要求与任务一、课设要求熟悉设计题目，查阅相关文献资料，概述相关零件的热处理工艺，进行零件的服役条件与失效形式分析，提出硬度、耐磨性、强度等要求。完成工艺设计。阐述38CrMoAlA调质、渗氮热处理工艺理论基础，选择设备、仪表和工夹具，阐述主轴热处理质量检验项目、内容及要求；阐明主轴热处理常见缺陷的预防及补救方法；给出所用参考文献。二、课设任务1主轴材料的选择（要求在满足工件使用性能的前提下，兼顾经济性和工艺性，合理选择材料）；2.给出38CrMoAlA的C曲线；3.给出38CrMoAlA主轴冷热加工工艺流程图；4.制定38CrMoAlA主轴热处理工艺。三、设计说明书要求设计说明书包括三部分：1）概述；2）工艺设计；3）参考文献。设计说明书结构见《工艺设计模板》。工作计划集中学习0.5天，资料查阅与学习，讨论1.5天，设计7天：1）概述0.5天，2）服役条件与性能要求0.5天，3）失效形式、材料的选择0.5天，4）结构形状与热处理工艺性0.5天，5）冷热加工工序安排0.5天，6）工艺流程图0.5天，7）热处理工艺设计2天，8）工艺的理论基础、原则0.5天，9）设计工夹具0.5天，10）可能出现的问题分析及防止措施0.5天，11）热处理质量分析0.5天，设计验收1天。指导教师评语及成绩成绩：学生签字：指导教师签字：年月日辽宁工业大学课程设计说明书（论文）I目录1精密磨床主轴热处理概述........................................12精密磨床主轴热处理工艺设计....................................22.1主轴的服役条件、失效形式及性能要求........................22.1.1服役条件、失效形式............................................22.1.2性能要求......................................................22.2主轴材料的选择...........................................22.338CrMoAlA钢的C曲线.....................................42.438CrMoAlA钢主轴的热处理工艺设计.........................42.4.138CrMoAlA钢的工艺流程.......................................52.4.238CrMoAlA钢的热处理工艺设计.................................52.538CrMoAlA钢主轴的热处理工艺理论基础、原则...............92.5.138CrMoAlA钢的正火工艺理论基础、原则.........................92.5.238CrMoAlA钢的调质工艺理论基础、原则........................112.5.338CrMoAlA钢的去应力退火工艺理论基础、原则..................122.5.438CrMoAlA钢的渗氮工艺理论基础、原则........................122.6选择设备、仪表和工夹具..................................132.6.1设备.........................................................132.6.2仪表.........................................................162.6.3设计工夹具...................................................172.738CrMoAlA钢主轴热处理质量检验项目、内容及要求..........172.838CrMoAlA钢主轴热处理常见缺陷的预防及补救方法..........182.8.1加热时常见的缺陷的预防及补救方法.............................182.8.2淬火、回火、退火缺陷与预防、补救.............................192.8.3渗氮时常见的缺陷的预防及补救方法.............................202.9热处理工艺..............................................212.9.138CrMoAlA钢正火工艺卡......................................222.9.238CrMoAlA钢调质工艺卡......................................232.9.338CrMoAlA钢去应力退火工艺卡................................242.9.438CrMoAlA钢渗氮工艺卡......................................253.参考文献.....................................................27辽宁工业大学课程设计说明书（论文）11精密磨床主轴热处理概述磨床是利用磨具对工件表面进行磨削加工的机床。精密机床的主轴在工作时载荷不大，基本上无冲击力。有摩擦，但比齿轮等零件的磨损要轻，同时也受到交变的疲劳应力。这一类零件重要的要求是能保持高的精度，因此在性能上与渗碳有所区别，为了满足这些性能的要求，常常采用中碳钢(38CrMoAlA、35CrMo)经正火、调质、去应力退火、渗氮的热处理工艺，渗氮层深度0.4~0.9mm，硬度大于等于850HV。38CrMoAlA钢的含碳质量分数比较低，渗氮的目的是为了获得较高的表面硬度和耐磨性，提高疲劳强度，改善对缺口的敏感性；还具有抗水、油等介质腐蚀的能力，有一定的耐热性，在低于渗氮温度下受热可保持高的硬度。通过对经典38CrMoAlA钢热处理工艺的分析，更加明确在执行热处理工艺过程中所需要注意的问题。能够正确确定加热温度、时间、保温时间、冷却方式，其目的就是通过正确的热处理工艺，使金属材料的潜在能力得到充分的发挥。根据主轴的工作条件，失效形式及性能要求，本设计选择的主轴材料为38CrMoAlA渗氮钢，在设计正火-调质-去应力退火-渗氮热处理工艺中，本设计借鉴了《热处理技师手册》，《金属热处理原理与工艺》，《热处理手册》等。根据工艺设计的理论基础设定了完整的热处理工艺流程，使热处理的38CrMoAlA渗氮钢表面除具有高硬度，高耐磨性外，高的耐点蚀性能，高的疲劳强度，还要使心部具有高的的强度和韧性，从而满足主轴的质量要求。辽宁工业大学课程设计说明书（论文）22精密磨床主轴热处理工艺设计2.1主轴的服役条件、失效形式及性能要求2.1.1服役条件、失效形式主轴是机床的重要零件之一，主要传递动力。切削加工时，高速旋转的主轴承受弯曲、扭转和冲击等多种载荷，要求它具有足够高的强度、刚度、耐疲劳、耐磨损以及精度稳定等性能。与滑动轴承相配的轴颈可能发生咬死（又称抱轴），使轴颈工作面咬伤，甚至咬裂，这是磨床砂轮主轴常见的失效形式之一。主要起因有润滑不足、润滑油不洁净、轴瓦材料选择不当、结构设计不合理、加工精度不够、主轴副装配不良及间隙不均等。咬死现象一旦发生，则主轴运转精度下降，磨削时产生振动，被磨削零件表面出现裂纹。解决措施除对上述原因改进外，在主轴选材和热处理方面，应提高硬度、热硬性、热强度以增强抗咬死能力。实践证明：抗咬死能力依65Mn钢中频加热淬火→GCr15钢中频加热淬火→38CrMoAlA钢渗氮顺序提高。带内锥孔或外圆锥度的主轴，工作时与配合件虽无滑动，但装卸频繁。例如，铣床主轴常需调换道具，磨床头尾架主轴常需调换卡盘和顶尖，磨床砂轮主轴常需调换砂轮等，在装卸中都易使锥面拉毛磨损，影响精度，故也需硬化处理。2.1.2性能要求1.具有高的刚度；2.具有高的抗震性；3.具有高的耐磨性；4.具有高精度。2.2主轴材料的选择主轴依用材和热处理方式可分为四种方式，即局部淬火方式、渗碳主轴、渗氮主轴和调质主轴。与滚动轴承与静压轴承配合的主轴宜采用渗碳淬火主轴或局部淬火主轴，大直径渗碳淬火主轴应选用含合金元素多的渗碳钢，有效渗碳硬化层深度取上限。局部淬火主轴一般选用中碳结构钢，硬度要求高的可选用高碳结构钢。与滑动轴承配合的主轴，宜采用渗氮主轴，要求较低的也可以采用渗碳主轴或高碳合金钢主轴。调质主轴仅适用于部分辽宁工业大学课程设计说明书（论文）3重型机床或低速机床。表1主轴材料及热处理技术要求及特点]1[热处理类别材料牌号热处理技术要求特点渗碳20Cr15CrMo20CrMo15CrMn1)正火或调质2）主轴端部工作面及轴承支撑部位渗碳层深度0.8—1.6mm，局部加热3)低温时效1）耐磨性好2）承受冲击性能好3）对整体淬火件，去碳层部位可机械加工局部淬火（或整体淬火）456040Cr40MnVB1）调质或正火2）主轴端部工作面及轴承支撑部位局部淬火，硬度48—53HRC，感应加热淬火有效硬化层深度不小于1mm3）低温时效1）耐磨性好2）生产成本低3）能承受一定冲击65MnGCr15GCr15SiMn1）调质火球化退火2）主轴端部工作面及轴承支撑部位局部淬火，硬度58—63HRC，感应加热淬火有效硬化层深度不小于1mm3）低温时效1）耐磨性好2)精加工后表面粗糙度可达到0.02--0.04um3)整体淬火主轴承受冲击能力差渗氮38CrMoAlA1）调质或正火2）渗碳层深度0.4—0.9mm3）低温时效1）耐磨性好2）抗胶合能力强，不宜“抱轴”3）精加工后表面粗糙度可达到0.04um调质（或正火）4540Cr调质或正火1）生产成本低2）仅适用于部分重型机床或低速机床辽宁工业大学课程设计说明书（论文）4综上比较，38CrMoAlA钢具有高耐磨性，抗胶合能力强，不宜“抱轴”，精度高等优点，所以选38CrMoAlA渗氮钢作为精密磨床主轴材料。2.338CrMoAlA钢的C曲线通过查找《热处理手册》]2[获得38CrMoAlA钢的C曲线如下图1所示，成分如表1。图1.38CrMoAlA钢C曲线表238CrMoAlA钢渗化学成分]3[材料化学成分(质量分数）%38CrMoAlAC:0.35~0.42Si:0.20~0.45Mn:0.30~0.60Al:0.70~1.10Cr:1.35~1.65Mo:0.15~0.252.438CrMoAlA钢主轴的热处理工艺设计辽宁工业大学课程设计说明书（论文）52.4.138CrMoAlA钢的工艺流程1.加工路线备料→锻造→正火→粗加工→调质→去应力退火→渗氮→半精磨→精加工。2.锻造工艺设计造渗氮主轴的毛坯经过锻造后获得基本的形状。锻造是利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形，以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸的锻件的加工方法。用棒料镦粗后经切削加工制成的主轴，有一定的耐磨性和抗震性，较高精度，与滑动轴承相配的轴颈位置有较高的硬度和耐磨性。查阅《热处理工艺规范数据手册》可以找出38CrMoAlA钢的锻造工艺的加热温度、始锻温度、冷却方式，本设计具体的锻造工艺渗数如表2所示。表338CrMoAlA钢的热加锻造工艺规范]4[项目Ac1（Ar1）Ac3加热温度始锻温度终锻温度钢坯800℃（730℃）940℃1180℃1180℃850℃图2是38CrMoAlA主轴零件图。图238CrMoAlA钢主轴零件图2.4.238