主动螺旋锥齿轮材料选择及工艺设计汇总.docx
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主动螺旋锥齿轮材料选择及工艺设计汇总.docx
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主动螺旋锥齿轮材料选择及工艺设计汇总
0前言 ...............................................................................1
1装载机主动螺旋锥齿轮的服役条件及性能要求........1
1.1 主动螺旋锥齿轮零件的服役条件 .................................2
1.2 主动螺旋锥齿轮的性能要求 ........................................2
1.3主动螺旋锥齿轮的技术要求.......................................6
2 主动螺旋锥齿轮材料的选择 ......................................3
2.1齿轮材料选择的基本原则.........................................3
2.2主动螺旋锥齿轮常用材料.........................................4
2.3选出主动螺旋锥齿轮材料...........................................5
3 20CrMnTi螺旋锥齿轮加工工艺制定及分析 ..........6
3.1锻造 ..........................................................................6
3.2 正火 ..........................................................................6
3.3 高温回火....................................................................7
3.4 渗碳...........................................................................7
3.5淬火及低温回火..........................................................9
3.6喷丸处理..................................................................10
3.7磨齿.........................................................................10
4 锥齿轮热处理过程可能产生的缺陷及预防措施 ...11
5 锥齿轮使用中可能出现的失效形式及分析 ..........13
6 心得体会 .................................................................. 15
装载机主动螺旋锥齿轮材料的选择及工艺设计
0前言
装载机是一种广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等建设工程的土石方施工机械,它主要用于铲装土壤、砂石、石灰、煤炭等散状物料,也可对矿石、硬土等作轻度铲挖作业。
换装不同的辅助工作装置还可进行推土、起重和其他物料如木材的装卸作业。
在道路、特别是在高等级公路施工中,装载机用于路基工程的填挖、沥青混合料和水泥混凝土料场的集料与装料等作业。
此外还可进行推运土壤、刮平地面和牵引其他机械等作业。
由于装载机具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点,因此它成为工程建设中土石方施工的主要机种之一。
装载机的铲掘和装卸物料作业是通过其工作装置的运动来实现的。
装载机工作装置由铲斗、动臂、连杆、摇臂和转斗油缸、动臂油缸等组成。
整个工作装置铰接在车架上。
铲斗通过连杆和摇臂与转斗油缸铰接,用以装卸物料。
动臂与车架、动臂油缸铰接,用以升降铲斗。
铲斗的翻转和动臂的升降采用液压操纵。
装载机作业时工作装置应能保证:
当转斗油缸闭锁、动臂油缸举升或降落时,连杆机构使铲斗上下平动或接近平动,以免铲斗倾斜而撒落物料;当动臂处于任何位置、铲斗绕动臂铰点转动进行卸料时,铲斗倾斜角不小于45°,卸料后动臂下降时又能使铲斗自动放平。
目前国产装载机正在从低水平、低质量、低价位、满足功能型向高水平、高质量、中价位、经济实用型过渡。
从仿制仿造向自主开发过渡,各主要厂家不断进行技术投入,采用不同的技术路线,在关键部件及系统上技术创新,摆脱目前产品设计雷同,无自己特色和优势的现状,从低水平的无序竞争的怪圈中脱颖而出,成为装载机行业的领先者。
齿轮在装载机工作过程中起着重要的作用,本文着重介绍装载机螺旋锥齿轮材料的选择以及其制作工艺。
1装载机主动螺旋锥齿轮的服役条件及性能要求
1.1主动螺旋锥齿轮零件的服役条件
齿轮在装载机工作过程中起着传递动力和改变速度的作用,啮合齿面间既有滚动、又有滑动,轮齿根部还受到脉动或交变弯曲的作用。
在由此而引起的各种应力的作用下,齿轮将发生轮齿折断、齿面胶合、齿面疲劳及齿面磨损等失效情况。
引起齿轮失效的主要应力有:
摩擦力、接触应力和弯曲应力。
根据齿轮失效的形式和原因,在选择齿轮材料及热处理方法是应从以下几个方面考虑:
(1)齿轮表面有足够的硬度。
齿面存在实际上的凹凸不平,因而局部会产生很大的压强,引起金属塑性变形或嵌入相对表面,导致金属直接接触和粘着,当啮合齿面相对滑动是,产生了摩擦力。
齿面磨损就是由于相互摩擦的结果。
减少这类磨损的关键是提高轮齿表面的塑变抗力,即提高齿面硬度。
提高齿面硬度还可以改善齿面接触状态,从而提高齿面的抗疲劳能力。
(2)轮齿芯部要有足够的强度和韧性,以保证在变载或冲击载荷作用下,轮齿有足够的抗冲击能力。
(3)大小齿轮应有一定的硬度差,以提高其抗胶合能力。
(4)考虑材料加工性和经济性。
1.2主动螺旋锥齿轮的性能要求
螺旋锥齿轮是装载机的主要传动零件,主动螺旋锥齿轮是将汽车变速器传过来的动力传递给从动锥齿轮,从动锥齿轮再将动力传递给差速器。
因此,零件结构上主动螺旋锥齿轮是齿轮轴,一端是花键,与变速器动力输出轴相连,另一端是螺旋锥齿轮;从动锥齿轮是盘状齿轮,直径大于主动螺旋锥齿轮,起到减速作用,同时沿圆周均布一些螺栓孔,使从动锥齿轮通过螺栓固定在差速器壳上,将减速后的动力传递给差速器。
主动锥齿轮既有高的传动速度,同时又传递较大的扭矩,而且在装载和刹车时承受冲击载荷。
这类齿轮的主要失效方式有磨损、点蚀和断裂。
故主动螺旋锥齿轮应满足如下性能要求:
良好的力学性能;良好的渗碳淬火性能;良好的抗冲击性能;良好的心部硬度;良好的热变形性能。
1.3主动螺旋锥齿轮的技术要求
综合上述主动螺旋锥齿轮的服役条件及性能要求,提出如下技术要求:
锻件不得有任何锻造缺陷。
正火处理HB179-217。
表面渗碳硬度为HRC58-62,心部硬度为HRC32-45,过渡层硬度变化应该缓慢直到基体低碳,渗碳深度为1.0~1.4mm,含碳量为0.8%~1.05%。
金相检验标准应符合《汽车渗碳齿轮金相检验标准》(JB1673-75)规定。
低温回火做喷丸处理。
2主动螺旋锥齿轮材料的选择
2.1齿轮材料选择的基本原则
齿轮材料的种类很多,在选择时应考虑以下几点因素,以选择出适合的材料:
(1)齿轮材料必须满足工作条件的要求。
例如,用于飞行器上的齿轮,要满足质量小、传递功率大和可靠性高的要求,因此必须选择机械性能高的合金钢;矿山机械中的齿轮传动,一般功率很大、工作速度较低、周围环境中粉尘含量极高,因此往往选择铸钢或铸铁等材料;家用及办公用机械的功率很小,但要求传动平稳、低噪声或无噪声、以及能在少润滑状态下正常工作,因此常选用工程塑料作为齿轮材料。
总之,工作条件的要求是选择齿轮材料时首先应考虑的因素。
(2)应考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成型方法及热处理和制造工艺。
大尺寸的齿轮一般采用铸造毛坯,可选用铸钢或铸铁作为齿轮材料。
中等或中等以下尺寸要求较高的齿轮常选用锻造毛坯。
可选择锻钢制作。
尺寸较小而又要求不高时,可选用圆钢作毛坯。
齿轮表面硬化的方法有:
渗碳、氮化和表面淬火。
采用渗碳工艺时,应选用低碳钢或低碳合金钢作齿轮材料;氮化钢和调质钢能采用氮化工艺;采用表面淬火时,对材料没有特别的要求。
(3)正火碳钢,不论毛坯的制作方法如何,只能用于制作在载荷平稳和轻度冲击下工作的齿轮,不能承受大的冲击载荷;调质碳钢可用于制作在中等冲击载荷下工作的齿轮。
(4)合金钢常用于制作高速、重载并在冲击载荷下工作的齿轮。
(5)飞行器中的齿轮传动,要求齿轮尺寸尽可能小,应采用表面硬化处理的高强度合金钢。
(6)金属制的软齿面齿轮,配对两轮齿面的硬度差应保持为30~50HBS或更多。
当小齿轮与大齿轮的齿面具有较大的硬度差(如小齿轮齿面为淬火并磨制,大齿轮齿面为正火或调质),且速度又较高时,较硬的小齿轮齿面对较软的大齿轮齿面会起较显著的冷作硬化效应,从而提高了大齿轮齿面的疲劳极限。
因此,当配对的两齿轮齿面具有较大的硬度差时,大齿轮的接触疲劳许用应力可提高约20%,但应注意硬度高的齿面,粗糙度值也要相应地减小。
2.2主动螺旋锥齿轮常用材料
目前国内重载螺旋锥齿轮用材大致有20CrMo、20CrMnTi、20CrMoH、20CrNi3等。
上述材料可应用于装载机螺旋锥齿轮。
(1)20CrMnTi是渗碳钢,渗碳钢通常为含碳量为0.17%-0.24%的低碳钢。
汽车上多用其制造传动齿轮,是中淬透性渗碳钢中CrMnTi钢,其淬透性较高,在保证淬透情况下,具有较高的强度和韧性,特别是具有较高的低温冲击韧性。
20CrMnTi表面渗碳硬化处理用钢。
良好的加工性,加工变形微小,抗疲劳性能相当好。
主要用途有:
用于齿轮,轴类,活塞类零配件以及汽车,飞机各种特殊零件部位。
(2)20CrNi3调质或淬火低温回火后有良好的综合力学性能,低温冲击韧性也较好。
此钢有白点敏感倾向,高温回火有回火脆性倾向。
淬火到半马氏体硬度,油淬时可淬透Φ50~70mm。
可切削加工性良好,焊接性中等。
多用于制造高载荷条件下工作的齿轮、轴、蜗杆及螺钉、双头螺栓、销钉等。
(3)20CrMoH是广泛采用的一种结构钢,20CrMoH圆钢,20CrMoH合结钢,20CrMoH钢材找通丰实业,冶炼工艺稳定,淬透性好,碳氮共渗工艺性能良好,热处理后的变形量小,无回火脆性,加工制造性能和焊接性能均良好。
20CrMoH宜制造中、小模数齿轮、轴类等,还可用于中压以下汽轮机处在过热蒸气区压力级工作的叶片。
(4)20CrMo的淬透性较高,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。
20CrMo一般在调质或渗碳淬火状态下使用,具有较好的耐磨性、承载能力较高。
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。
2.3选出主动螺旋锥齿轮材料
20CrMnTi是性能良好的渗碳钢,其淬透性较高,在保证淬透情况下,具有较高的强度和韧性,特别是具有较高的低温冲击韧性。
具有良好的加工性,特加工变形微小,抗疲劳性能相当好。
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、齿轮轴十字等。
因此,选用20CrMnTi做为装载机主动螺旋锥齿轮的材料。
3 20CrMnTi主动螺旋锥齿轮加工工艺制定及分析
根据上面零件技术要求,现对20CrMnTi齿轮制定出如下工艺路线:
下料→锻造→正火→粗加工→高温回火→渗碳+淬火+低温回火→喷丸处理→磨齿。
3.1锻造
锻造是一种利
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