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课程设计说明书
专业课程设计
学生:
蒋雯
学号:
1120102282
1设计任务书
材料专业课程设计任务书
班级:
09321001姓名:
蒋雯时间2014年1月9日
一、给定条件
零件名称:
滚轮轴颈车床主轴材料:
40Cr净重:
0.4kg批量:
大批量
零件简图
要求:
内锥孔硬度HRC52,螺纹淬火后车出,因此不得有硬度。
二、技术要求
热处理态及硬度:
变形要求:
组织:
三:
设计任务书
1选材论证,包括材料初选,校核淬透性,确定选材正确性,选择淬火介质,求截面硬度分布曲线;
2制定工艺流程;
3编制预备热处理和最终热处理工艺卡片;
4编制高温井式电阻炉设备操作规程,高温回火工艺守则,硬度检验规程;
5设计辅助工装一件(A4图纸一张或多张,包括工装材料,结构尺寸等);
6编写设计说明书。
2选材论证
2.1零件的功用
滚轮轴颈车床主轴的主要作用是把旋转运动及扭矩传递给工件或刀具。
主轴上可安装夹具、刀具或其它辅具,由其带动刀具或工件直接参与表面成形运动,它是刀具或工件的相对位置基准和运动基准,机床主轴制造质量的直接影响整台机床的工作精度和使用寿命。
主轴的主要特点是轴端悬伸量短,刚性好,操作方便,能快速装卸夹具。
2.2零件的工作条件
(1)承受摩擦与磨损。
机床主轴的某些部位承受着不同程度的摩擦,特别是轴颈部位,因为轴颈与某些轴承配合时,摩擦较大所以此部位应具有较高的硬度已增强耐磨性。
但是某些部位的轴颈与滚动轴承相配合摩擦不大,所以就不需要大的硬度。
(2)工作中时承受载荷。
机床主轴在高速运转时要承受多种载荷的作用,如弯曲、扭转、冲击等。
所以要求主轴具有抵抗各种载荷的能力。
当主轴载荷较大、转速又高时,主轴还承受着很高的交变应力。
因此要求主轴具有较高的疲劳强度和综合力学性能即可。
2.3零件的失效形式
(1)受横向力并传递扭矩,承受交变弯曲应力和扭应力,常常发生疲劳断裂。
(2)轴颈和花键等部位发生相对运动,承受较大的摩擦,轴颈表面产生过量的磨损。
(3)承受一定的过载和冲击和载荷,产生过量弯曲变形,甚至发生折断或扭断。
2.4机床主轴性能要求分析
该轴尺寸如图2-1所示,该轴承受交变弯曲应力与扭应力,但由于承受的载荷与转速均不高,冲击作用也不大,故具有一般综合力学性能即可。
但在主轴大端的内锥孔和外锥体,因常与卡盘、顶尖有相对摩擦;花键部位与齿轮有相对滑动,故这些部位要求较高的硬度与耐磨性;主轴在滚动轴承中运转,工作时因轴颈与轴承不发生摩擦,故轴颈无耐磨性要求。
图2-1滚轮轴颈车床主轴零件简图
2.5材料的选用
2.5.1所选的材料需要满足的条件
所选材料需要有良好的综合力学性能,即具有较高的强度、刚度、足够的韧性、疲劳强度、变形小及对应力集中的敏感性低等性能以防止过载和冲击断裂,还要有良好的切削加工性,高的表面硬度和良好的耐磨性,以防止轴颈摩损。
2.5.2材料初选
轴的常用材料为碳素钢和合金钢。
合金钢比碳素钢具有更高的机械性能和更好的热处理性能。
因此,对于载荷大并要求尺寸小,重量轻、耐高温或耐磨性、抗腐蚀性能要求高的轴可采用合金钢。
由于在常温下合金钢的弹性模量与一般碳素钢差不多,故选合金钢对提高轴的刚度没有实效。
而对形状复杂的轴可采用球墨铸铁。
球墨铸铁具有良好的吸振性和耐磨性,对应力集中的敏感性低,且价格低廉,加工性好。
但球墨铸铁的强度较低。
一般主轴承受交变弯曲应力和扭应力,在轻度或中等载荷、转速不太高,精度不很高,冲击、交变载荷不大的情况下,具有普通力学性能就能满足要求,一般采用45钢制造。
这类材料强度和塑形、韧性等综合机械性能较好,一般经正火、调质处理,而且材料来源方便,加工性、经济性好。
在主轴大端的内锥孔和外锥体,因常与卡盘、顶尖有相对摩擦;花键部位与齿轮有相对滑动,故这些部位要求较高的硬度与耐磨性;主轴在滚动轴承中运转,工作时因轴颈与轴承不发生摩擦,故轴颈无耐磨性要求。
钢轴的毛坯多数用轧制的圆钢和锻件。
锻件的内部组织比较均匀,强度较好,故重要的轴及大尺寸的轴或阶梯尺寸变化大的轴,应采用锻件。
表2-1为常用轴材料及其力学性能。
表2-1常用轴材料及其力学性能[1]
材料牌号
热处理
毛坯直径(100~300)/mm
硬度(HBS)
抗拉强度σb/MPa
屈服点σs/MPa
弯曲疲劳极限σ-1/MPa
扭转疲劳极限τ-1/MPa
备注
45
正火
25
≤241
610
360
260
150
应用最广泛
正火
≤100
170~217
600
300
240
140
回火
100~300
580
290
235
35
300~500
162~217
560
280
225
130
500~750
156~217
540
270
215
125
调质
≤200
217~255
650
360
270
155
40Cr
调质
25
1000
800
485
280
用于载荷较大,而无大冲击的重要轴
≤100
241~286
750
550
350
200
100~300
229~269
700
500
320
185
300~500
650
450
295
170
500~800
217~255
600
350
255
145
37SiMn2MoV
调质
25
1000
850
495
285
用于高强度、大尺寸及重载荷的轴。
≤200
269~302
880
700
425
245
200~400
241~286
830
650
395
230
400~600
241~269
780
600
370
215
38CrMoAlA
调质
30
229
1000
850
495
285
要求高耐磨性、高强度轴
20Cr
渗碳淬火回火
15
表面
850
550
375
215
用于要求强度和韧性均较高的轴
30
56~62
650
400
280
160
≤60
(HRC)
650
400
280
160
20CrMnTi
渗碳淬火回火
15
表面
1100
850
525
300
56~62
(HRC)
综上所述,再根据表中数据,对于滚轮轴颈车床主轴,选用40Cr既能满足力学性能要求,且成本合适,是作为此轴的较为理想的材料。
2.5.2材料淬透性检验
合金钢一般采用油作为淬火介质,为了减少淬火过程中主轴的变形,也宜采用淬火烈度较小的淬火介质。
主轴承受的主要是交变弯曲应力与扭应力,应力沿表面向中心逐渐减小,并且此轴中心是锥孔,因此,如果进行调质处理,淬火时也无需要求淬透。
一般要求中心达到50%马氏体量即可。
该零件尺寸如图2-2所示,该零件最大长度为338mm,实际测量后,零件在图纸上的最大长度为69mm,因此,此图纸缩小比例为338/69。
测量零件的最大直径图纸上的长度为28mm,则该零件的最大直径为28X338/69=137mm,同理,可算得最厚界面处孔的直径为49mm,因此,截面最大厚度为(137-49)/2=44mm。
由于零件内孔尺寸为59.5mm,大于壁厚44mm,因此将壁厚44mm作为有效厚度。
工件截面示意图如图2-3所示。
图2-2滚轮轴颈车床主轴尺寸
图2-3工件最大壁厚处截面示意图
根据图2-4,查得当含碳量为0.4%时,材料获得50%马氏体量的硬度为43HRC。
由图X中的b部分查得,圆棒为46mm(留有2mm加工余量)时,横坐标为16.5mm。
再在图2-5中查得对应硬度上下限为29HRC~44.5HRC,43HRC在此范围内,因此材料基本上可以淬透。
图2-4钢的淬火硬度与碳含量的关系
图2-5圆棒直径及截面上的位置与端淬试样上至水冷端距离的关系
A圆棒静水淬火b圆棒静油淬火[2]
表2-240Cr淬透性数据[3]
硬度(HRC)
至水冷端距离
1.5
3
6
9
12
15
18
21
24
27
30
33
36
39
42
45
上限
60
59
57
54
50
46
43
41
39
37
36
35
35
34
33
33
下限
53
51
46
38
33
30
28
27
26
25
24
23
21
20
—
—
图2-640Cr淬透性曲线
根据以上计算和查阅图表可知,用40Cr作为主轴的材料淬透性满足要求。
2.5.3材料及相关参数
通过以上比较检验,再考虑材料成本和后续表面硬化处理需要,决定选用40Cr中碳合金结构钢。
(1)选用材料的牌号及化学成分见表2-3:
表2-340Cr钢化学成分(GB/T3007-1999)
标准
牌号
化学成分(质量分数)%
C
Si
Mn
Cr
GB/T
24595-2009
40Cr
0.37~0.44
0.17~0.37
0.5~0.8
0.80~1.10
注:
成品化学成分的偏差应符合GB/T222中的规定。
(2)40Cr常用热处理工艺参数见表2-4:
表2-4常用工艺参考数据(℃)[4]
Ac1
Ar1
Ac3
Ar3
Ms
Mf
始锻温度
终锻温度
743
693
782
730
355
—
1100~1150
≤800
2.5.4工件淬火后截面硬度分布
根据图2-5和图2-6,可以查得以下数据:
表2-5主轴截面硬度分布/HRC
位置
表面
距离中心3/4处
距离中心1/2处
中心
硬度
45~57
35~52
31~46
29~44.5
硬度平局值
51
43.5
38.5
36.8
根据表格作出截面硬度分布曲线,如图2-7。
图2-7截面硬度分布曲线
3热处理工艺卡
3.1正火处理工艺卡
XXX厂
车间
正火处理工艺卡
材料
零件名称
零件号
共1页
XX
40Cr
滚轮轴颈车床主轴
XX
第1页
化学成分(质量分数)%(GB/T3007-1999)
力学性能(GB/T3077)
C
Si
Mn
Cr
σb
σs
Aku2
Ψ
0.37~0.44
0.17~0.37
0.5~0.8
0.80~1.10
980
785
45
47
工艺路线:
锻造——正火——检验——粗加工
检
验
项
目
和
标
准
准
检验项目
要求
检验设备
取样标准
正火
后
硬度
≤250HBS
布氏硬度计
随炉试样
尺寸检查
符合相关规定
划线平台
全检
外观
符合相关规定
目测
全检
顺序
工序内容
设备
工装
装炉
升温方式
加热温度
加热时间
均温时间
冷却
介质
温度
时间
1
正火
RJ2-50-12
料盘
间歇
到温入炉
860℃
2.5h
2.5h
空气
室温
—
2
硬度检验
——
——
——
——
——
——
——
——
——
3
尺寸检验
划线平台
——
——
——
——
——
——
——
——
标记
处数
更改文件号
签字
日期
设计
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