汽车变速箱齿轮课程设计

JIANGSUUNIVERSITY金属材料综合课程设计------汽车变速箱齿轮热处理工艺设计江苏大学汽车变速箱齿轮课程设计金属100221.零件图图1变速箱齿轮示意图江苏大学汽车变速箱齿轮课程设计金属100232.零件的服役条件、性能要求及技术指标齿轮是机械工业中应用最广泛的重要零件之一。其主要作用是传递动力，改变运动速度和方向。是主要零件。其服役条件如下：⑴齿轮工作时，通过齿面的接触来传递动力。两齿轮在相对运动过程中，既有滚动，又有滑动。因此，齿轮表面受到很大的接触疲劳应力和摩擦力的作用。在齿根部位受到很大的弯曲应力作用；⑵高速齿轮在运转过程中的过载产生振动，承受一定的冲击力或过载；⑶在一些特殊环境下，受介质环境的影响而承受其它特殊的力的作用。因此，齿轮的表面有高的硬度和耐磨性，高接触疲劳强度，有较高的齿根抗弯强度，高的心部抗冲击能力。高速高载齿轮技术要求如下：齿表硬度：50～56HRC渗碳层深度为：1.0～1.2mm3.材料选择高速、高载、承受较大冲击载荷的齿轮，一般采用低碳合金渗碳钢或碳氮共渗钢，工作时表面承受很大的接触疲劳应力和摩擦力的作用，高速转动承受一定的冲击力或过载。3.1材料比较及选择齿轮常用材料有20CrMnTi,20CrMo,20Cr,40Cr1)20CrMnTi是性能良好的渗碳钢，淬透性较高，经渗碳淬火后具有硬而耐磨的表面与坚韧的心部，具有较高的低温冲击韧性，焊接性中等，正火江苏大学汽车变速箱齿轮课程设计金属10024后可切削性良好。用于制造截面30mm的承受高速、中等或重载荷、冲击及摩擦的重要零件，如齿轮、齿圈、齿轮轴十字头等。是18CrMnTi的代用钢，广泛用作渗碳零件，在汽车.拖拉机工业用于截面在30mm以下，承受高速.中或重负荷以及受冲击.摩擦的重要渗碳零件，如齿轮.轴.齿圈.齿轮轴.滑动轴承的主轴.十字头.爪形离合器.蜗杆等。2)20CrMo淬透性较高，无回火脆性，焊接性相当好，形成冷裂的倾向很小，可切削性及冷应变塑性良好。一般在调质或渗碳淬火状态下使用，用于制造在非腐蚀性介质及工作温度低于250℃、含有氮氢混合物的介质中工作的高压管及各种紧固件、较高级的渗碳零件，如齿轮、轴等。3)20Cr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11～40mm，但韧性较差，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；20Cr为珠光体，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100～150℃，焊后也可不进行回火热处理。4)40Cr中碳调质钢，冷镦模具钢。该钢价格适中，加工容易，经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性。正火可促进组织球化，改进硬度小于160HBS毛坯的切削性能。在温度550~570℃进行回火，江苏大学汽车变速箱齿轮课程设计金属10025该钢具有最佳的综合力学性能。这种钢经调质后用于制造承受中等负荷及中等速度工作的机械零件；经淬火及中温回火后用于制造承受高负荷、冲击及中等速度工作的零件；经淬火及低温回火后用于制造承受重负荷、低冲击及具有耐磨性、截面上实体厚度在25mm以下的零件；经调质并高频表面淬火后用于制造具有高的表面硬度及耐磨性而无很大冲击的零件。此外，这种钢又适于制造进行碳氮共渗处理的各种传动零件。通过使用性能，工艺性能及经济性的比较选用20CrMnTi钢，由于钢中含有Cr能够提高淬透性，Cr还是碳化物形成元素，提高回火稳定性；Mn能增加钢的强度和硬度，还有脱硫的功效，也能提高钢的淬透性；Ti是强碳化物形成元素，在钢中生成MC型碳化物，对提高钢的耐磨性和细化晶粒有一定的好处。20CrMnTi钢采用渗碳+淬火+低温回火，齿轮表面可以获得55~63HRC的高硬度，因淬透性较高，齿心部具有较高的强度和韧性。因而选用20CrMnTi钢。20CrMnTi的含碳量为0.20％属于低碳钢,渗碳时保证了碳元素的正常渗入。淬火热处理后心部获得低碳马氏体,以保证心部具有足够的塑性和韧性,抵抗冲击载荷。钢中合金元素为Cr1.5％、Mn1.5％、Ti1.5％。Cr、Mn合金元素能提高钢铁索体的强度,同时提高钢的淬透性。Ti元素能阻止钢的奥氏体晶粒的长大,提高钢的回火稳定性。20CrMnTi齿轮根据使用性能要求表面耐磨,心部又要求有良好的强韧性,所以要对20CrMnTi钢进行表江苏大学汽车变速箱齿轮课程设计金属10026面渗碳处理,渗碳淬火后表面得到高碳马氏体,具有较高的硬度和耐磨性。3.2材料成分及合金元素的作用20CrMnTi钢的具体化学成分及含量参照表1。表120CrMnTi钢的化学成分及含量（质量百分数）合金元素CCrMnTiSiSPNiCu含量（wt%）0.17～0.231.00～1.300.80～1.100.04～0.100.17～0.37≤0.035≤0.035≤0.30≤0.30化学元素作用⑴C：保证形成碳化物所需要的碳和保证淬火马氏体能够获得的硬度，⑵Cr：能够提高钢的淬透性并有二次硬化作用，还是碳化物形成元素，提高回火稳定性，增加钢的耐磨性。⑶Mn：主要作用是提高钢的淬透性，增加钢的强度和硬度，有脱氧及脱硫的功效（形成MnS），防止热脆。还可以改善渗碳层，有利于渗碳层增厚，增加奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织以改善机械性能。⑷Ti：是强碳化物形成元素，在钢中生成MC型碳化物，对提高钢的耐磨性和细化晶粒有一定的好处。江苏大学汽车变速箱齿轮课程设计金属10027⑸Si：硅能阻止碳化物形核长大，使“C”曲线右移，提高钢的淬透性，还能提高钢的抗回火性，提高对钢的综合机械性能。⑹S：S是钢中的杂质元素，能明显降低钢的热塑性，但是S能改善钢的可切削性能。⑺P：P是钢中的有害杂质元素，能降低钢的强度和韧性。⑻Ni：降低相变驱动力，使“C”曲线右移，Cr-Ni符合效果更好，提高钢的淬透性。⑼Cu：铜元素比较稳定，不易被氧化，所以含有的铜元素能起到耐腐蚀作用。3.3材料的相变点表220CrMnTi相变临界点牌号临界温度/℃锻造加工温度/℃正火Ac1Ac3Ms加热始锻温度/℃冷却/℃硬度HBWAr1Ar3Mf终锻20CrMnTi7158433601200~12401160~1200950~970空冷156~207625795850淬火回火温度/℃淬火介质硬度HRC不同温度回火后的硬度值HRC150℃200℃300℃400℃500℃550℃600℃650℃860油42~4643414039353025174.加工路线及工艺工艺路线：江苏大学汽车变速箱齿轮课程设计金属10028锻造→正火→齿形加工→渗碳→淬火→低温回火→喷丸→校正花键孔→磨齿4.1工艺比较1）预备热处理通常20CrMTi选用正火或调质处理作为预备热处理，其目的是降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工；细化晶粒，均匀钢的组织及成分，改善钢的性能，为以后的热处理作准备；消除锻造应力，防止变形和开裂，保证齿形合格。对于重要的齿轮用调质来改善钢的性能。在切削加工时，为了不致发生“粘刀”现象和使刀具严重磨损，通过改善金相组织控制钢的硬度。实践证明，为了防止锻造毛坯在预备热处理中产生粒状贝氏体影响钢的力学性能，工艺可采用淬火后680℃～700℃高温回火（即调质）来替代原来的正火。高温回火后得到回火索氏体组织，应力集中倾向小，硬度降低至200HB～330HB，切削性能较好。调质钢与正火钢相比不仅强度较高，而且塑性、韧性远高于后者，同时锻造应力得到充分的消除，满足了机械加工要求，在生产中已取得了良好的经济效益。正火是将钢加热到Ac3以上30℃~50℃，保温足够的时间后出炉在空气中冷却到室温。对于一般的齿轮采用正火，正火可以减少碳和其他合金元素的成分偏析；使奥氏体晶粒细化和碳化物的弥散分布，以便在随后的热处理中增加碳化物的溶解量。由于正火的冷却速度较快，获得细小的片层状渗碳体珠光体，强度、硬度都较高，力学性能江苏大学汽车变速箱齿轮课程设计金属10029较好。然而正火工艺是空冷，对于尺寸较大零件，内外温差大冷却速度不稳定，在连续冷却时，过冷奥氏体在A1~550℃温度范围内分解为珠光体，在550℃－Ms温度范围内，因转变温度较低转变为贝氏体组织，其特征是过饱和碳的铁素体中分布粒状或长条状的碳化物。锻造毛坯正火产生的粒状贝氏体引起硬度增高，导致了齿型加工困难，使刀具早期磨损。对于车辆齿轮或大批量的小型齿轮越来越多采用等温正火工艺。对于模数、直径较大的质量要求高的工业齿轮通常采用调质作为预备热处理。综上，对于汽车变速箱齿轮采用正火工艺作为预备热处理。2）化学热处理渗碳工艺渗碳工艺可使齿轮具有很好的综合力学性能，因此在汽车齿轮的生产中应用最广泛。目前，世界上汽车齿轮生产所采用的渗碳工艺主要是气体渗碳，气体渗碳是低碳钢生产所采用的最广泛的表面硬化工艺，国外已实现通过计算机可控渗碳深度和表面硬度，从而得到最佳的渗碳层深度和最小的变形。碳氮共渗工艺碳氮共渗工艺具有在给定时间内有效提高渗层深度、获得较高硬度、保证奥氏体晶粒细小、减小零件变形、提高齿轮强度和耐磨性能等优点而被频繁使用。随着对齿轮质量要求的提高，碳氮共渗工艺由于渗层组织性能不易控制稳定，获得较深渗层所需的时间长，该工艺使用日渐减少，只有少数小模数低负荷的汽车齿轮才允许采用。江苏大学汽车变速箱齿轮课程设计金属100210渗氮工艺渗氮工艺是传统热处理工艺之一，然而其能否成功地在汽车齿轮上应用一直存在疑虑和争论，主要是渗氮齿轮的承载能力问题，因而长期以来渗氮齿轮的应用受到限制。如美国石油协会规定经渗氮的齿轮，只能承受渗碳齿轮接触疲劳极限的75％，而对齿轮的弯曲疲劳极限也要相应降低30％。然而，渗氮工艺由于温度低、畸变小以及加工工序少而使成本降低的优点，近年来在齿轮上的应用比较广泛。综上，本次采用气体渗碳传统工艺作为化学热处理。4.2工艺设计4.2.1正火温度：930℃时间：保温3个小时组织：片状珠光体+铁素体硬度：齿轮的表面硬度为156～207HBW设备：中温箱式炉我选择的变速箱齿轮，它的直径大约是200mm，内圈直径约为100mm，厚度约是50mm，齿轮正面的圆形面积S约为628mm2，体积V约为31400mm3.材料是低碳合金钢20CrMnTi。它的正火温度在950℃左右。考虑到中温炉在中温测量时比较准确，因而选用中温箱式炉。结构图如图2所示。标准系列中温箱式电阻炉技术数据如表3所示。图2中温箱式炉结构图江苏大学汽车变速箱齿轮课程设计金属1002111—炉壳；2—炉衬；3—热电偶；4—炉膛；5—炉门；6—炉门升降结构；7—电热元件；8—炉底板；表3标准系列中温箱式电阻炉技术数据根据我选择的齿轮大小，正火选用的电阻炉为RX3-15-9。装炉量：6个齿轮在箱式炉中的热处理为了让齿轮在箱式炉中受热均匀，可以用耐火材料制成料架放进箱式炉中，然后将齿轮放在架子上，进行加热。如图3所示。图3箱式炉内部示意图型号功率/kw电压/v相数最高工作温度/℃炉膛尺寸（长×宽×高）/mm炉温850℃时的指标空炉损耗功率/kw空炉升温时间/h最大装载量/kgRX(RX3-□-9Q)RX3-15-9153801950600×300×25052.580RX3-30-9303803950950×450×35072.5200江苏大学汽车变速箱齿轮课程设计金属100212粗加工前，正火选用的炉子是中温箱式炉，型号为RX3-15-9，炉膛尺寸（长×宽×高/mm）为600×300×250，图中的盛放齿轮的架子为3层，每层可以放两个齿轮，共计6个，可以用钳子将齿轮送进去。正火工艺曲线如图4所示。图4正火工艺曲线4.2.2渗碳①渗碳剂的选择：甲醇、煤油滴注式气体渗碳的渗碳剂一般为甲醇（形成载气），煤油、丙酮、江苏大学汽车变速箱齿轮课程设计金属100213醋酸乙酯（形成富化气）等，作为渗碳剂的有机溶剂，要求其单位液体加