航空齿轮生产工艺课程设计Word文档格式.docx
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b、良好的切削加工性能
3材料选择
3.1初步选材
根据航空齿轮的性能和技术要求,选定的材料应该具有高强度、高韧性以及良好的淬透性。
铸铁容易铸成复杂的形状,容易切削,成本低,但其抗弯强度、耐冲击和耐磨性能差,故常用于受力不大、无冲击、低速的齿轮;
有色金属亦强度低、承受轻载,故均不宜制造航空齿轮。
此外,中碳钢虽然调质处理后有较好的综合力学性能,但淬透性差,工艺性能差,切削加工性能较差,且淬火后变脆,变形也大,故不适宜制造精度要求高的航空齿轮。
故初步确定符合要求的材料为含碳量范围w(C)为0.1%-0.2%的高淬透性钢,渗碳后进行淬火、低温回火使用。
3.2确定材料
高速重载的齿轮用钢,通用的有以下几种:
表1常见齿轮用钢性能对比
材料
比较项
性能
价格
适用范围
12Cr2Ni4A
具有高的综合力学性能,是高淬透性渗碳钢,冲击韧度高,但有回火脆性和形成白点倾向,且工艺性能差
较低
适用于制造截面较大、且承受重载荷的渗碳零件,如高负荷齿轮
18Cr2Ni4WA
高淬透性,有较好的强韧性配合,缺口敏感性小,可进行渗碳和氮化处理,也可在其它热处理条件下使用,渗碳后工件变形小,表面高硬度高耐磨,工艺性能比较差,如切削性、磨削性较差
高
适用于大截面、高强度又需要良好韧度和缺口敏感性小的重要渗碳件,如齿轮
续表常用齿轮性能对比
38CrMoAlA
经表面氮化处理后,有高表面硬度高耐磨,零件之间发生咬死和卡伤的倾向小,且有高的疲劳强度,小的缺口敏感性,还有抗水、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硬度
工艺温度低,变形小,适用于精密机床主轴,高精度,高可靠性的齿轮,如航空齿轮
航空齿轮承受剧烈的交变载荷和冲击载荷,所受应力复杂,工况恶劣,使得齿轮在精度、强度、耐久性和可靠性等方面有更高要求。
38CrMoAlA的氮化处理虽然比12Cr2Ni4A和18Cr2Ni4WA的渗碳处理费用高,但对于空用齿轮来说,高性能占主导,故综合考虑选用38CrMoAlA作为航空齿轮材料更适合。
3.320Cr2Ni4A的化学成分、相变点及合金元素作用
3.3.1钢的化学成分
表238CrMoAlA的化学成分
牌号
化学成分(%)
C
Si
Mn
Cr
Mo
Al
0.35~0.42
0.20~0.45
0.30~0.60
1.35~1.65
0.15~0.25
3.25~3.65
3.3.238CrMoAlA的相变点
表338CrMoAlA的相变点
相变点
Ac
Ar
Ms
温度/℃
760
885
675
740
360
3.3.3化学元素作用
C元素:
提高屈服点和抗拉强度,增加钢的冷脆性和时效敏感性,降低塑性、冲击性以及耐大气腐蚀能力。
Si元素:
提高钢的回火稳定性、提高钢的抗氧化性、提高钢的淬透性和淬透温度。
Mn元素:
提高钢的淬透性,从基体组织中扩散到析出的渗碳体中,形成合金渗碳体,改善其硬度。
Cr元素:
提高钢的淬透性,固溶强化基体组织,并改善基体组织的回火性和硬度,具有良好的抗腐蚀和抗氧化性。
Mo元素:
Mo铁素体基体有固溶强化作用,提高钢热强性,抗氢蚀的作用,提高钢的淬透性,抑制了第二类回火脆性,使心部具有一定的韧性。
Al元素:
能与空气中的O(氧)化合生成Al
O
,从而形成保护膜,既防腐又耐蚀。
此外,Cr、Mo、Al、Si等元素对表面渗氮层深度、硬度都有一定影响。
(具体可见特种热处理P80、P81)
4确定加工路线(冷、热加工)
确定零件加工路线加工工艺主要包括机加工和热处理工艺。
机加工是指通过加工机械精确去除材料的加工工艺。
它直接改变毛坯的形状、尺寸和表面质量等,使其成为零件的过程称为机械加工工艺过程。
热处理工艺是将金属材料放在一定的介质内加热、保温、冷却,通过改变材料表面或内部的金相组织结构,来控制其性能的一种金属热加工工艺。
4.1初步确定加工路线
根据38CrMoAlA材料的性能以及技术要求,可初步确定其加工路线为:
下料→锻坯→预备热处理(完全退火)→粗加工(车齿坯→粗铣齿)→中间热处理(调质→去应力退火)→精加工(精铣齿→磨端面及孔→磨齿)→最终热处理(氮化处理)→检查硬度和氮化层深度。
4.2每个步骤的作用
(1)下料的作用:
提供原料;
(2)锻坯的作用:
获得原料;
(3)预备热处理的作用:
其目的在于消除其锻件常存在晶粒粗大或晶粒大小不均匀等组织缺陷及内应力,使钢的强度、塑性和韧性达到技术要求即均匀组织、细化晶粒、消除内应力、改善切削加工性能等,为最终热处理做好组织准备。
(4)车齿坯与粗铣齿的作用:
对材料进行机械粗加工,是以快速切除毛坯余量。
(5)中间热处理:
一般是为了消除工件因冷加工或切削加工以及热加工后快冷而引起的残余应力,以避免其随后可能产生的变形、开裂或后续热处理的困难。
(6)精加工(磨端面及孔和磨齿)的作用:
完成各主要表面的最终加工,使零件的加工精度和加工表面质量基本达到图样规定的要求。
(7)最终热处理的作用:
获得适当的组织,进而获得所需的力学性能。
(8)检查硬度和氮化层深度的作用:
验收产品。
5热处理工艺方法选择
5.1预备热处理工艺的选择
一般预备热处理有这几种:
1、调质处理:
一般后面要进行表面淬火处理,其预备热处理的目的是为了使工件表面淬火前得到强韧性结合优良的心部性能,降低使用过程中的心部疲劳开裂。
2、正火处理:
一般后面进行的是化学热处理(渗碳+淬火)或者调质热处理,其预备热处理的目的就是细化晶粒、消除机加应力、均匀不平衡组织等,为后面的最终热处理奠定良好的组织基础。
3、退火处理:
后面最终热处理一般都是调质处理,其作为预备热处理的目的就是为了消除应力以及降低表面硬度。
正火与退火工艺相比,其主要区别是正火的冷却速度稍快,所以正火热处理的生产周期短。
故退火与正火同样能达到零件性能要求时,尽可能选用正火。
大部分中、低碳钢的坯料一般都采用正火热处理。
一般合金钢坯料常采用退火,若用正火,由于冷却速度较快,使其正火后硬度较高,不利于切削加工。
此外,完全退火主要用于含碳量质量分数为0.3%~0.6%的中碳钢铸、锻件,因为38CrMnAl含碳量为0.38%,且是锻件,故在此选用完全退火对其进行预备热处理。
5.2中间热处理(调质和去应力退火工艺)的选择
对要进行氮化处理的工件,要求其氮化前有均匀而又细致的组织(即回火索氏体),以保证工件心部有较高的强度和良好的韧性,不允许存在游离铁素体,表面不能有脱碳层,氮化前的表面粗糙度应小于Ra1.6μm,从而提高其综合性能,为氮化做好必要的组织准备,故而采用调质处理。
去应力退火则是为了去除切削加工过程中产生的残余内应力,降低硬度,为进一步机加工做准备。
5.3最终热处理(氮化工艺)的选择
渗氮能使钢铁零件得到比渗碳淬火硬度、耐磨性、抗咬合能力、红硬性和良好疲劳强度的氮化层。
由于渗氮温度低和渗氮后的渗氮层有高硬度,因而零件渗氮后不进行渗氮工艺,故渗氮零件的变形很小。
渗氮后工件还具有抵抗大气、水分及某些介质的腐蚀能力。
6制订热处理工艺制度
金属材料和铁制品退火、正火和淬火保温时间由设备加热方式、零件尺寸、钢的成分、装炉量和设备功率等多种因素确定。
加热所需时间包括从室温到炉温仪表指示达到所需温度的升温时间、炉料表面和心部温度均匀所需的均热时间以及内外达到温度后为了完成相变所需的保温时间三个部分。
但在实际生产中,只有大型工件或装炉量很多情况下,才把升温时间和保温时间分别进行考虑,一般情况下把升温时间和保温时间统称为加热时间。
在具体生产条件下,加热时间常用经验公式计算,通过实验最终确定,常用经验公式为:
t=a×
k×
D
式中t——加热时间(min或s)、a——加热系数(min/mm或s/mm)、D——工件有效厚度(mm)、K——炉装方式修正系数。
表4常用钢的加热系数
工件材料
工件直径/mm
<600℃箱式炉中加热
750-850℃盐炉中加热或预热
800-900℃箱式炉或井式炉中加热
1000-1300℃高温盐炉中加热
碳钢
≤50
>50
0.3-0.4
0.4-0.5
1.0-1.2
1.2-1.5
合金钢
0.45-0.50
0.50-0.55
1.5-1.8
表5各种截面的零件形状系数
形状
形状系数
球、正方体
0.75
圆棒、方棒
1.0
板(宽b、厚a)
b≤2a;
1.50
2a<
b≤4a;
1.75
b>
4a;
2.0
管
两端开口短管≤2.0
一端封闭管2-4
长管或两端封闭管>
4
根据上表及齿轮尺寸,其有效厚度为D=32mm。
表6炉装方式修正系数
由于航空齿轮为高精度、高要求的零件,故选择装炉量为一件,齿轮轴线与井式炉轴线方向一致装入,据表知,K=1.0。
6.1完全退火工艺的制定
加热温度:
920℃理由:
因为38CrMoAl钢是亚共析钢,其完全退火温度为Ac
+30~50℃;
且其Ac
为885℃,故可选温度为920℃。
这样既可以细化晶粒,又有助于奥氏体成分均匀化,以改善切削加工性能并未淬火作良好的准备。
加热方法:
随炉温加热理由:
简单易控制,且是预备热处理,对性能要求不高。
加热介质:
空气
加热设备:
中温箱式电阻炉齿轮平放于炉中
保温时间:
2h理由:
退火时间t=a×
D=1.5×
1.0×
32=48min。
冷却方法:
随炉冷却理由:
表面与心部温度差距小,不易产生应力,防止其开裂。
冷却介质:
图2完全退火工艺曲线
6.2调质处理工艺
6.2.1淬火工艺参数
930℃理由:
钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac
(亚共析钢)或Ac
(过共析钢)以上某一温度,保温一段时间,使之全部或部分奥氏体化,然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下(或Ms附近等温)进行马氏体(或贝氏体)转变的热处理工艺。
低合金钢的加热温度范围为Ac
为885℃,故可选温度为930℃。
其目的是为了加速奥氏体化而又不引起奥氏体晶粒粗化。
到温入炉加热理由:
对于形状复杂,要求畸变形小,或用合金钢制造的大型铸锻件,必须控制加热速度以保证减少淬火畸变及开裂倾向,一般以30-70℃/h速度升温到600-700℃,在均温一段时间后再以50-100℃/h速度升温。
形状简单的中、低碳钢,直径小于400mm的中碳合金结构钢可直接到温入炉加热。
加热设备:
1h理由:
淬火时间t=a×
冷却方法及冷却介质:
双液淬火法(水、油)理由:
要使钢中高温相——奥氏体在冷却过程中转变成低温亚稳相——马氏体,冷却速度必须大于钢的临界冷却速度。
工件在冷淬火冷却却过程中,表面与心部的冷却速度有-定差异,如果这种差异足够大,则可能造成大于临界冷却速度部分转变成马氏体,而小于临界冷却速度的心部不能转变成马氏体的情况。
为保证整个截面上都转变为马氏体需要选用冷却能力足够强的淬火介质,以保证工件心部有足够高的冷却速度。
但是冷却速度大,工件内部由于热胀冷缩不均匀造成内应力,可能使工件变形或开裂。
冷却阶段不仅为了零件获得合理的组织,达到所需要的性能,而且要保持零件的尺寸和形状精度。
为了保证获得优异的性能,应先将工件淬入清水中20s后,迅速转入油中冷至室温。
先快冷可避免过冷奥氏体的分解,后慢冷可有效地降低变形和开裂倾向。
6.2.2回火工艺参数
高温回火目的:
消除淬火时产生的残余应力,提高材料的塑性和韧性,稳定工件尺寸,得到良好的综合力学性能。
630℃理由:
在钢的Ac1温度以下,38CrMnAl的Ac
为760℃,且是高温回火,故可以选温度为630℃。
简单易操作控制,且不易产生应力
加热设备:
中温箱式电阻炉
4h理由:
从工件入炉后炉温升至回火温度时开始计算。
可参考经验公式加以确定:
Tn=Kn+AnD
式中Tn——回火时间(min)、Kn——回火时间基数、An——回火时间系数、D——工件有效厚度(mm),Kn和An推荐值见下表
表7Kn及An推荐值
回火条件
300℃以上
300-450℃
450℃以上
箱式电炉
盐浴炉
Kn/min
120
20
15
10
3
An/(min/mm)
1
0.4
由上表可知,450℃以上电炉的Kn取10min,An值取1min/mm。
得回火加热时间为42min。
而高温回火保温时间一般为3-3.5h,则高温回火总加热时间为4h。
空冷理由:
①为了减少残余应力,在回火后一般在空气中冷却;
②对于中、低碳高强度合金钢及弹簧钢为了避免发生第一类回火脆性,也可采用等温淬火。
图3调质工艺曲线
6.3去应力退火工艺
610℃理由:
碳钢和低合金钢的去应力退火温度一般为550~650℃,高合金钢和高速钢为600~750℃。
此外,如果零件经过淬火回火后进行去应力退火,则退火温度应低于回火温度约20℃,
随炉加热理由:
因为此时的热处理对工件性能要求高,且盘类零件要求精度高。
随炉加热防止其产生新的应力,有利于保持工件性能。
1.5h理由:
去应力退火时间约为1~2h,结合工件的截面尺寸和装炉量定为1.5h。
随炉冷至小于300℃,出炉空冷理由:
一般应炉冷至500℃后再空冷,如果是大型零件或要求消除应力十分彻底的零件,则需炉冷至300℃,再出炉空冷,此航空齿轮是精度要求高的零件,去应力退火的冷却应尽量缓慢,以免产生新的应力,故选择随炉冷却再空冷。
图4去应力退火工艺曲线
6.4渗氮热处理工艺
选用气体渗氮,采用三段气体渗氮法。
即工件随炉缓慢升温,在440℃保温2h,然后升温至500℃,保温30h,缓慢升温至560℃,保温24h,再随炉缓慢降温至530℃,保温6h退氮处理。
关闭出气阀门,打开进气阀门。
然后炉冷至小于200℃出炉空冷。
分别是440℃、500℃、560℃、530℃理由:
为了保证氮化物自身的心部强度与硬度不变化,氮化温度必须低于调质回火温度;
若氮化温度过低,渗氮速度慢,为达到一定的氮化深度需延长时间,同时导致工件表面不能吸收足够活性氮原子,硬度不高,故氮化温度选在500~560℃。
随炉温加热
氮气
井式渗氮炉悬挂于炉中
保温时间:
2h、30h、24h、6h理由:
当渗层深度在0.4mm以内时,平均渗氮速度为0.015~0.02mm/h;
当渗层深度在0.4~0.7mm以内时,平均渗氮速度为0.005~0.015mm/h;
渗层越深,渗速越慢。
a)对渗层深度的影响b)对渗层硬度的影响
图238CrMoAl钢渗氮层深度及硬度与渗氮温度和时间的关系
炉冷至小于200℃出炉空冷
氮气、空气
图5氮化工艺曲线
7热处理设备选择
7.1箱式电阻炉的选择
热处理电阻炉是以电为能源的,通过炉内电热元件将电能转化为热能而加热工件的炉子,是一种造价相对便宜的炉子,以降低成本。
完全退火、淬火、高温回火及低温回火温度均不超过950℃,可以选用中温箱式电阻炉。
这类炉子的特点是在此温度下主要依靠辐射传热,因此电热元件直接布置在工作室内,要求炉内有足够的辐射面积。
下表为各种电阻炉的技术参数。
航空齿轮的尺寸为194mm×
119.5mm,并且为单件生产(精度要求高,便于控制温度)。
表8中温箱式电阻炉产品规格及技术参数
根据件的尺寸和加热温度条件,并综合考虑经济效益及生产方式,完全退火、淬火、高温回火及低温回火均可选择RX-3-15-9型号的箱式电阻炉。
7.2井式渗氮炉的选择
对于渗氮设备选用井式渗氮炉,这类炉子实际上是在井式炉炉膛中再加一密封炉罐,专为周期作业的渗碳、渗氮、碳氮共渗等所用。
表9井式气体渗氮炉产品规格及技术参数
根据零件尺寸和氮化温度,并综合考虑经济效益及生产方式,氮化工艺选择RN-30-6型号的井式气体渗氮炉
7.3热处理冷却设备的选择
热处理冷却设备应该能保证工件在冷却时具有相应的冷却速度和冷却温度。
由出于经济的考虑,我们选择水油双液冷,一般的淬火槽的尺寸都能满足淬火要求,我们选用普通淬火槽。
图2普通间隙淬火作用淬火槽
1-溢流槽2-排出管3-供入管4-事故排出管5-淬火槽6-工件
图3航空齿轮热处理工艺曲线
8工装设计(夹具、辅具等)
8.1热处理夹具的选择
热处理夹具的选择原则为:
①符合热处理技术条件:
保证零件热处理加热,冷却,炉气成分均匀度,不致使零件在热处理过程中变形。
②符合经济要求:
在保证零件热处理质量符合热处理技术要求时,确保设备具有高的生产能力,夹具应具有质量轻,吸热量少,热强度高及使用寿命长的特点。
③符合使用要求:
保证装卸零件方便和操作安全。
图4箱式炉装料盘
图5井式渗碳炉星形吊具
8.2热处理辅具
8.2.1清洗设备的选择
清洗设备是指对热处理前后工件清洗的设备。
零件在热处理前需清除锈斑、油演、污垢、切削冷却液和研磨剂等,以保证不阻碍加热和冷却不影响介质和气氛的纯度,以防零件出现软点、渗层不均匀、组织不均匀等影响热处理质量的现象。
热处理后也常需清洗以去除零件表面残油、残渣和炭黑等附着物,以保障热处理零件清洁度、防锈和不影响下道工序加工等要求。
根据零件对清洁度要求、生产方式、生产批量及工件外形尺寸的要求选用相应的清洗设备。
常用的清洗设备有碱水溶液、磷酸水溶液。
有机溶剂的清洗槽和清洗机以及配合真空、超声波的清洗装置。
一般清洗机常用于清除残油和残盐,可分为间歇式和连续式两种:
前者有清洗槽、室式清洗机、强力加压喷射式清洗剂等;
后者有传送带式清洗机及各类生产线、自动线配置的悬挂输送链式、链板式、推杆式和往复式等各类专用清洗设备。
室式清洗机它主要用于批量不大的中小零件。
输送带式清洗机,适用于批量较大的小型零件。
根据生产特点,小批量的中小型零件,可以选用室内清洗机。
图6室内清洗机
8.2.2矫直设备
矫直设备用于矫正零件的翘曲变形。
热矫又有不同的方法,一种是利用焊枪局部加热零件,另一种是利用零件仍在热处理的余热(或奥氏体组织)状态下进行矫直,适用于大尺寸的轴类、板件或矫直时易断裂的零件,以及冷矫直后由于弹性作用容易反弹的零件。
所以选用热矫的后种方法。
适用于中、大型零件矫直用的有液压矫直机。
表10常用矫正设备及适用范围
图7单柱式液压矫直机
9检验设备及方法选择
9.1外观及表面粗糙度
正火与退火后工件表面不能有裂纹及伤痕等缺陷。
一般热处理工件均用肉眼或低倍放大镜观察表面有无裂纹、烧伤、碰伤、麻点、腐蚀、锈斑等。
重要工件检查裂纹可用碰力、着色、超声波探伤等方法,对表面允许喷砂铸工件可浸油后喷砂直接观察。
表面颜色应为银(白)灰色或无光泽。
若为黄色、紫黄色、深蓝色,表明氮化或冷却过程中工件被氧化,如不严重可以使用,不影响质量。
氮化物在化合物层出现并增加,体积变大改变了渗氮工件的粗糙度,规定氮化前的粗糙度为氮化后的一半。
同时应检查表面,应无磕碰伤。
9.2弯曲与变形
按技术要求进行检查。
工件表面形成合金氮化物,使工件直径胀大,最大变形量一般小于0.05mm,机加工过程必须控制加工余量。
9.3渗氮层深度的检验
包化合物层和扩散层。
检验方法为金相法、硬度法和断口法。
9.4表面硬度和脆性
渗氮层硬度检测:
由于渗氮层薄且硬度高,所以对表面硬度的检查一般都采用维氏硬度计或表面洛氏硬度计测量表面硬度,载荷大小根
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