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二级减速机齿轮轴的材料选择及热处理工艺设计

二级减速机齿轮轴的材料选择及热处理工艺设计

本文由起减速器机认识及发展引入,通过了解其在减速机等各机械中重要性,又通过二级减速机齿轮轴的工作环境,失效分析以及预防措施提出齿轮轴的性能要求,即齿轮轴抗弯强度,硬度,耐磨性,要求有良好的切削加工性,即要求齿轮轴有良好的综合力学性能。由性能

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  • 详细描述

    二级减速机齿轮轴的材料选择及热处理工艺
     
    摘要:对二级减速机齿轮轴的材料选和热处理工艺进行分析。提高其使用价值的同时降低其生产成本可以提升一个产品的核心竞争力。只有这样才能提高企业效益增加企业竞争力。本文通过对二级减速机的工作环境及失效形式的分析,提出了对二级减速机齿轮轴的性能要求,通过对各类材料的力学性能,工艺性,经济性的对比,选用20CrMnMo作为二级减速机齿轮轴的最终材料,制定合理的加工工艺路线,且在生产过程中采用合理的预防措施来防止渗碳淬火后的热处理缺陷的产生,使材料具备良好的综合力学性能,从而满足二级减速机齿轮轴的使用性能要求。考虑材料的性能和热处理工艺的可操作性与经济性,设计出了二级减速机齿轮轴的预备热处理工艺和最终热处理工艺。对工件的热处理及零件常见热处理缺陷与预防措施进行了分析与讨论。      
    关键词:减速机;齿轮轴;热处理工艺
    Abstract: the material selection and heat treatment process of two stage reducer gear shaft was analyzed. To improve its value at the same time reduce the cost of production can enhance the core competitiveness of a product. Only in this way can improve the efficiency of the enterprise to improve the competitiveness of enterprises.In this paper, through the analysis and failure form of two stage reducer working environment, put forward the requirements on performance of two stage reducer gear shaft, the mechanical properties of all kinds of materials, technology, economic analysis,20CrMnMo was chosen as the two stage reducer gear shaft of the final material, make the process route is reasonable, and the in the production process using reasonable measures to prevent heat treatment defect after carburizing and quenching of the production, the material has good comprehensive mechanical properties, so as to meet the requirements of the use of the performance of two stage reducer gear shaft. Considering the properties and heat treatment of materials the maneuverability and economy, designed for heat treatment and final heat treatment process of two stage reducer gear shaft. Heat treatment and heat treatment of work piece parts of common defects and preventive measures are analyzed and discussed.
    Keywords: reducer;gear shaft;heat treatment process
     
    目录
    1、二级减速机齿轮轴的工作环境及性能要求………………………………………………3
       1.1二级减速机齿轮轴工作环境……………………………………………………………3
    1.2二级减速器齿轮轴的性能要求…………………………………………………………4
    2、二级减速机齿轮轴的材料选择………………………………………………………………5
    2.1选择原则…………………………………………………………………………………5
    2.2 40Cr的性能及热处理工艺分析…………………………………………………………6
    2.3 20CrMnMo性能及热处理工艺分析………………………………………………………8
    2.4 两种材料的性能对比分析………………………………………………………………9
    2.5材料的最终确定…………………………………………………………………………15
    3、 20CrMnMo齿轮轴热处理工艺方案分析……………………………………………………15
    3.1 20CrMnMo预先热处理工艺……………………………………………………………16
    3.2 20CrMnMo最终热处理工艺……………………………………………………………16
    3.3 热处理工艺曲线图……………………………………………………………………18
    4、 减速机齿轮轴的常见热处理缺陷…………………………………………………………20
    5、 结论…………………………………………………………………………………………24
    参考文献…………………………………………………………………………………………25



    1.二级减速机齿轮轴的工作环境及性能要求
    1.1二级减速机齿轮轴的工作环境
    减速机的作用:①降低速度,但是提高了输出扭矩,扭矩输出比例按电机输出乘减速比,但不能超过减速机的额定扭矩。②减速同时降低了负载的惯量,惯量的减少为减速比的平方。一般电机都会有一个惯量数值。减速机的工作原理:减速机一般用于低转速大扭矩的传动设备,把电动机内燃机或其它高速运转的动力通过减速机的输入轴上的齿数少的齿轮啮合输出轴上的大齿轮来达到减速的目的,普通的减速机也会有几对相同原理齿轮达到理想的减速效果轴是存在于轴承中间或齿轮中间的零件,绝大多数是圆柱状的也有少部分是方型的。轴能够支承转动零件并与转动零件一起回转来传递运动、扭矩或弯矩的机械零件。一般的齿轮减速的的轴的作用:
    ①   支承轴上的零件,以实现轴上零件的回转或往复运动
    ②   传递运动和扭矩或者力
    ③   承受弯矩
    1.2二级减速机齿轮轴的性能要求
    1.2.1减速机齿轮轴的失效通常表现为断裂、磨损和过量变形,主要失效形式是疲劳断裂。轴颈由于磨损会失去原本有的几何形状与尺寸,变成椭圆形或圆锥形,轻微状态会使零件间配合精度下降,较严重时导致零部件之间发生移位从而失去原有的规定功能。过量变形的危害是在轴受载后,如果产生了过大的弯曲变形或者扭转变形,会影响到轴上零件的正常工作。例如装有齿轮的轴的弯曲变形,会使齿轮啮合发生偏载;滚动轴承支撑的轴的弯曲变形会让轴承内外圈之间发生倾斜,在超过允许值时,会导致轴承寿命迅速缩短。扭转变形过大,会影响设备的精度,还会波及影响运转零部件上负荷的分布均匀性,并对轴的振动造成一定的影响。齿轮轴主要承受交变载荷,冲击载荷,剪切应力和接触应力大。轴部可能会产生裂纹,齿部会出现磨损。因此对齿轮轴的心部要求有较好的强度和韧性,有较高的疲劳极限和抗冲击能力。表面还要具备一定的耐磨性和硬度。机器中作回转运动的零件就装配在轴上。齿轮轴是减速机中重要的部件,它在很大程度上会影响到减速机的使用寿命,齿轮传动所传递的力或者扭矩都能够附加在减速机的轴上。齿轮传动是靠主动轮轮齿廓依次推动从动轮轮齿齿廓实现的。所以,齿轮传动的基本要求其一就是瞬时传动比保持不变;不然,当主动轮等角速度回转时,从动轮的角速度为变量,从而会产生惯性力,这种力不仅影响齿轮的寿命,而且还会引起机器的振动和嗓声,从而会影响传动精度。所以齿轮齿廓的形状要满足瞬时传动比恒定不变的这一条件。根据轴的形状不同,轴可分为直轴和曲轴;依据所受负荷的不同,轴能够被分为转轴、心轴和 传动轴。转轴是工作时既能够承受弯矩又承受扭矩的轴,像减速器中的轴就是;心轴是只承受弯矩但是不承受扭矩的轴,像铁路车辆的车轮轴;传动轴是仅承受扭矩而不承受弯矩或承受弯矩很小、可忽略不计的轴 ,像汽车的动力传动轴。
    1.2.1二级减速机齿轮轴的主要性能要求:
    (1)高的弯曲疲劳强度,特别是齿根处要有足够的强度,使运行时所产生的弯曲应力不致造成疲劳断裂。
    (2)高的接触疲劳强度、高的表面硬度及耐磨性,防止齿面损伤。
    (3)足够高的齿轮心部强度及冲击韧度,防止过载与冲击断裂。
    (4)原材料材质纯净,断面经侵蚀后,不得有肉眼可见的空隙、气泡、裂纹、非金属夹杂物及白点等缺陷,其疏松及夹杂物等级应符合有关标准规定的要求。
    (5)还要求有良好的切削加工性,淬火变形要小,以获得高的加工精度和低的表面粗糙度值,以提高齿轮抗磨损能力。
    (6)价格低廉,材料来源充足。
    2.二级减速机齿轮轴材料选择:
    齿轮轴零件的主要作用是支撑回转零件、实现回转运动并传递转矩和动力。齿轮轴具备传动效率高、结构紧凑和使用寿命长等一系列优点,是通用机械特别是工程机械传动中的重要零件之一。齿轮轴加工材料、热处理方式、机械加工工艺过程的优化,将对提高齿轮轴的加工质量及寿命有着重要借鉴意义。本设计首先分析了齿轮轴零件的作用和加工工艺性,然后进行工艺规程设计。齿轮轴零件的力学综合性能要求较高,一般选择锻件作为毛坯。合理安排工艺路线,划分加工阶段对保证零件加工质量至关重要。
    2.1 选择原则
    (1)金属材料中有很多都是可以作为轴的材料的,但选择时应主要考虑如下因素:轴的强度、刚度及耐磨性要求,轴的热处理方法及机加工工艺性的要求,轴的材料来源和经济性等。所以轴的材料是上面的其中的两种碳素钢和合金钢。
     碳钢比合金钢价格低廉,对应力集中的敏感性低,可通过热处理改善其综合性能,加工工艺性好,故应用最广,一般用途的轴,多用含碳量为0.25~0.5%的中碳钢。尤其是45号钢,对于不重要或受力较小的轴也可用Q235A等普通碳素钢。 
      合金钢具有比碳钢更好的力学性能和淬火性能,但对应力集中比较敏感,且价格较贵,多用于对强度和耐磨性有特殊要求的轴。如20Cr,20CrMnMo等低碳合金钢,经渗碳处理后可提高耐磨性;20CrMoV、38CrMoAl等合金钢,有良好的高温力学性能,常用于在高温、高速和重载条件下工作的轴。 
      值得注意的是:由于常温下合金钢与碳素钢的弹性模量相差不多,因此当其他条件相同时,如想通过选用合金钢来提高轴的刚度是难以实现的。 
      低碳钢和低碳合金钢经渗碳淬火,可提高其耐磨性,常用于韧性要求较高或转速较高的轴。
        (2)满足齿轮轴材料的工艺性能  材料的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。齿轮轴的制 造要经过锻造、切削加工和热处理等几种加工,因此选材时要对材料的工艺性能 加以注意。一般来说,碳钢的锻造、切削加工等工艺性能较好,其机械性能可以 满足一般工作条件的要求。但强度不够高,淬透性较差。而合金钢淬透性好、强度高,但锻造、切削加工性能较差。我们可以通过改变工艺规程、热处理方法等 途经来改善材料的工艺性能。
    (3) 满足齿轮材料的经济性要求   所谓经济性是指最小的耗费获得最大的经济效益。在满足使用性能的前提下, 选用齿轮轴材料还应注意尽量降低零件的总成本。我们可以从以下几方面考虑:从材料本身价格来考虑。碳钢和铸铁的价格是比较低廉的,因此在满足零件机械性能的前提下选用碳钢和铸铁,不仅具有较好的加工工艺性能,而且可降低成本。从金属资源和供应情况来看,应尽可能减少材料的进口量及价格昂贵材料的使用量。 从齿轮生产过程的耗费来考虑: 采用不同的热处理方法相对加工费用也不一样;通过改进热处理工艺也可以降低成本;所选钢种应尽量少而集中,以便采购和管理;我们还可以通过改进工艺来提高经济效益。
    齿轮轴的材料选择主要取决于其工作条件、使用情况;一般考虑齿轮轴的弯曲疲劳强度、接触疲劳强度及耐磨性能。故,二级减速机齿轮轴初步选定的材料为:(1)40Cr(2)20CrMnMo。


    参考文献
    [1]中国机械工程学会热处理学会.热处理手册第3卷-典型零件的热处理-4版[A],北京:机械工业出版社,2008.1
    [2]中国机械工程学会热处理学会.热处理手册第4卷-典型零件的热处理-4版[A],北京机械工业出版社,2008.1
    [3]干勇、田志凌、董瀚、冯涤、王新林.钢铁材料手册(下)[M],北京:化学工业出版社,2009.6
    [4] 王忠诚,王东主.热处理常见缺陷分析与对策[M],化学工业出版社,2008.1
    [5]胡光立、谢希文.钢的热处理(原理和工艺)-2版[M],西安:西北工业大学出版社,2004.9
    [6]杨家斌.常用材料牌号手册[M],北京:中国标准出版社,2009
    [7)中国机械工程学会热处理学会.热处理手册第2卷-典型零件的热处理-4版[A],机械工业出版社,2008.1
    [8] 王忠诚、齐宝森、李扬.典型零件热处理技术[P],北京:化学工业出版社,2010.6
       
     

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