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机械工业出版社，2007.5

[3]王建安.金属学与热处理[M].北京：

机械工业出版社，1980

[4]中国机械工程学会.热处理手册[M].北京：

机械工业出版社，2006.7

[5]范逸明.简明金属热处理工手册[M].北京：

国防工业出版社，2006.3

4、课程设计工作进度计划

第16周：

对给定题目进行认真分析，查阅相关文献资料，做好原始记录。

第17周：

撰写课程设计说明书，并进行修改、完善，提交设计说明书。

指导教师（签字）

日期

年月日

教研室意见：

学生（签字）：

接受任务时间：

年月日

注：

任务书由指导教师填写。

课程设计（论文）指导教师成绩评定表

题目名称

评分项目

分值

得分

评价内涵

工作

表现

20%

01

学习态度

6

遵守各项纪律，工作刻苦努力，具有良好的科学工作态度。

02

科学实践、调研

7

通过实验、试验、查阅文献、深入生产实践等渠道获取与课程设计有关的材料。

03

课题工作量

按期圆满完成规定的任务，工作量饱满。

能力

水平

35%

04

综合运用知识的能力

10

能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题，能正确处理实验数据，能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。

05

应用文献的能力

5

能独立查阅相关文献和从事其他调研；

能提出并较好地论述课题的实施方案；

有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。

06

设计（实验）能力，方案的设计能力

能正确设计实验方案，独立进行装置安装、调试、操作等实验工作，数据正确、可靠；

研究思路清晰、完整。

07

计算及计算机应用能力

具有较强的数据运算与处理能力；

能运用计算机进行资料搜集、加工、处理和辅助设计等。

08

对计算或实验结果的分析能力（综合分析能力、技术经济分析能力）

具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能力。

成果

质量

45%

09

插图（或图纸）质量、篇幅、设计（论文）规范化程度

符合本专业相关规范或规定要求；

规范化符合本文件第五条要求。

设计说明书（论文）质量

30

综述简练完整，有见解；

立论正确，论述充分，结论严谨合理；

实验正确，分析处理科学。

11

创新

对前人工作有改进或突破，或有独特见解。

成绩

指导教师评语

指导教师签名：

年　月　日

摘要

本课设计了A钢制造机床B热处理工艺设计。

主要的工艺过程包括锻造、预备热处理（完全退火）、渗碳、淬火+低温回火等过程。

通过各种不同的工艺过程进行恰当的处理可以获得各种性能良好的材料并且满足各项性能的要求。

A钢其塑性、韧性高，但强度、硬度较低，锻造、焊接和冷冲压性能良好，冷变形塑性高，但切削加工时不易得到光洁的表面。

用于制造受力不大、韧性要求高的零件和渗碳件，紧固件和冲模锻件以及不经热处理的低负荷零件。

机床变速箱是机床中重要的传动部件。

其将机床电动机和机床主轴联结起来，将动力和扭矩由电机传递到主轴，从而使主轴转动以加工工件。

其主要作用是通过变速装置调节主轴转速和扭矩，从而使电机运行在最佳的状态[1]。

关键词：

A钢，完全退火，低温回火，机床变速箱

目录

摘要Ⅰ

1、设计任务1

1.1设计任务1

1.2设计的技术要求1

2、设计方案2

2.1变速箱设计的分析2

2.1.1工作条件2

2.1.2失效形式2

2.1.3性能要求2

2.2钢种材料3

3、设计说明4

3.1加工工艺流程4

3.2具体热处理工艺4

3.2.1预备热处理工艺5

3.2.2机械加工5

3.2.3渗碳工艺5

3.2.4淬火+低温回火热处理工艺6

4、分析与讨论8

5、结束语9

6、热处理工艺卡片10

参考文献11

1设计任务

1.1设计任务

1.2设计的技术要求

A钢是一种低碳钢材料，它的延展性、可塑性都是比较好的，由于它的含碳量低（在0.12-0.16%之间）所以，硬度比较低。

因此，为满足其在制造机床上的寿命要求，应提高其硬度。

由于变速箱的齿轮是属于闭式齿轮，那么它的主要失效形式为齿面点蚀和轮齿的弯曲疲劳折断。

当采用软齿面（齿面硬度≤350HBS）时，其齿面接触疲劳强度相对较低。

因此，一般应首先按齿面接触疲劳强度条件，计算齿轮的分度圆直径及其主要几何参数（如中心距、齿宽等），然后再对其轮齿的抗弯曲疲劳强度进行校核。

当采用硬齿面（齿面硬度＞350HBS）时，则一般应首先按齿轮的抗弯曲疲劳强度条件，确定齿轮的模数及其主要几何参数，然后再校核其齿面接触疲劳强度[2]。

在对A钢进行热处理时，即去应力退火，淬火和高温回火时应严格按照卡片所列出的时间进行保温以及其它操作的要求。

2设计方案

2.1变速箱设计的分析

2.1.1工作条件

由于是制造机床B，因此其工作环境较为恶劣，首先为密闭状态；

其次为齿轮啮合，并且周围环境中充满这润滑液体。

而且A钢的硬度不怎么高，虽然通过热处理改善其性能，但终究是有限的，因此在使用中需注意不要超过最大荷载，以免损伤齿轮。

2.1.2失效形式

主要失效形式为齿面点蚀和轮齿折断。

齿面点蚀。

齿轮传动过程中，齿轮接触面上各点的接触应力呈脉动循环变化，经过一段时间后，会由于接触面上金属的疲劳而形成细小的疲劳裂纹，裂纹的扩展造成金属剥落，形成点蚀。

轮齿折断。

最常见的是弯曲疲劳折断、过载折断。

轮齿受力后,在齿根部产生的弯曲应力最大,且在齿根过渡圆角处有应力集中。

如果轮齿的交变应力超过了材料的疲劳极限,在齿根圆角处将产生疲劳裂纹,随着裂纹不断扩展。

2.1.3性能要求

变速箱疲劳耐久性试验。

此项目考核变速箱各档位齿轮、轴、轴承及壳体的疲劳耐久性,是变速箱台架试验的必做项目。

试验时间长、试验效果明显是其主要特点。

疲劳耐久性试验的加载方式是试验的关键,一般采用机械封闭式变速箱加载试验台或电封闭式变速箱加载试验台。

变速箱同步器性能试验。

该项目适用于有同步器的变速箱或变速箱的有同步器的档位。

通过在一定油温、一定输出转速下测量变速箱各档位的同步位移、换档力、输入转速、输出转速、输出扭矩,分析整理得到各档位的同步时间、同步位移及换档力、同步扭矩的变化规律,从而判断变速箱的换档性能。

试验后变速箱无损伤。

变速箱静扭强度试验。

将变速箱安装在试验台上,固定其输出端,利用减速机带动输入端慢慢运转,同时记录变速箱输入端扭矩、输出端扭矩、输入轴扭转角度,直到达到某设定扭矩或直到变速箱损坏而停止加载。

分析记录数据的变化规律,判断变速箱的静态扭转强度性能。

此项目试验时间短,直接反映变速箱某档位的静态强度性能,是变速箱强度性能的一项重要指标,但试验后变速箱的主要强度零件完全损坏。

变速箱润滑性能和温升试验。

测量变速箱在不同的爬坡角度、不同的输入

转速下空载温度升高规律。

由于是空载下运行,输入功率小、消耗功率少,运转时间不长,故不损坏变速箱。

虽然试验成本低,但变速箱设计上的缺陷、制造过程中的多种故障都能从温升中反映出来,故在变速箱台架试验及日常质量评价试验中得到普遍应用。

变速箱传动效率试验。

此项目需在可加载的试验台上进行。

测量变速箱各档在不同的输入转速、不同的输入扭矩、不同的温度下输出功率与输入功率得到变速箱的传动效率值。

传动效率值反映出变速箱各档位在不同输入扭矩、不同温度下的效率对比,可判断变速箱在不同扭矩下的变形、干涉和异常磨损情况等多项性能,从而寻找其不足进行改善。

此项目不但在变速箱台架试验中有较为重要的意义,而且对于批量生产的变速箱日常质量评价也是非常有意义的。

通过测量值与经验值的对比,可以判定变速箱质量水平的高低[3]。

A钢力学性能：

抗拉强度σb（MPa）：

≥375，屈服强度σs（MPa）：

≥225，伸长率δ5/（%）：

≥27，断面收缩率ψ/（%）：

≥55。

2.2钢种材料

A钢优质碳素结构钢的S，P杂质含量比普通碳素结构钢要低些，一般在0.035%（质量分数）以下。

按碳含量由低到高可分为低碳钢，中碳钢和高碳钢；

按锰含量不同可分为普通含锰量和较高含锰量两类。

A钢是一种低碳钢材料，它的延展性、可塑性都是比较好的，由于它的含碳量低（在0.12-0.16%之间）所以，硬度比较低。

另外，由于A钢的含碳量低，对这样的材料制成的零件在进行热处理提高其硬度比较困难。

3设计说明

3.1加工工艺流程

A钢制造机床B热处理工艺设计的热加工工艺流程经过许多次改进形成如下的工艺流程:

下料→锻造→预备热处理（完全退火）→机械加工→渗碳→淬火+低温回火→平磨→组装。

A钢属于低碳钢，其成分[1]如下表3.1.

表3.1A钢的化学成分（质量分数，%）

C

Mn

P

S

Cr

Ni

Cu

Si

0.12～0.19

0.35～0.65

≤0.035

≤0.25

0.17～0.37

成分分析：

Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂。

它能消除或减弱由于硫所引起的钢的热脆性，从而改善钢的热加工性能。

Mn和Fe形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，经固溶处理后有良好的韧性，当受到冲击而变形时，表面层将因变形而强化，具有高的耐磨性；

同时又是碳化物形成元素，进入渗碳体中取代一部分铁原子。

Si能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度。

硅能提高钢的弹性极限、屈服强度和屈服比（σs/σb）,以及疲劳强度和疲劳比（σ-1/σb）等。

硅能促使铁素体晶粒粗化，降低矫顽力。

3.2具体热处理

A钢的热处理包括初期的锻造和预先热处理，以减少坯料的硬度为方便后面的机加工，也为后续渗碳、淬火、回火提供优良的原始组织。

A钢的热处理工艺分析：

①由于A钢的含碳量较低，对于齿轮这种要求刚强度和高耐磨的特性，那么A钢的最重要的就是提高其硬度和耐磨性。

②通过锻造和随后的退火，形成硬度较低的原始坯料，为后续的切削加工提供有利的方便和减少对于车床的磨损。

③渗碳是通过对其表面更加的硬度能够更大程度的提升，保证质量。

④为了碎化、细化共晶碳化物，把粗大的枝晶状共晶碳化物打碎、提高碳化物分布的均匀性，细化碳化物的粒度，一般A钢使用时都需要进行锻造和预先热处理,以减少碳化物的不均匀分布,为后续淬火、回火提供优良的原始组织[4]。

3.2.1预备热处理工艺

退火是将偏离平衡状态的金属坯料或零件加热至较高温度，保持一定的时间后通常以相当缓慢的速度冷却，以得到接近于平衡状态组织的各种工艺方法。

退火的目的是：

a消除钢锭的成分偏析，使成分均匀化。

b消除因铸、锻、焊引起的组织缺陷。

c降低硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工。

d细化晶粒，均匀组织，为后续热处理做组织准备。

e消除钢中的内应力，以防止变形与开裂[5]。

Ac3

Ac1

图3.2A钢完全退火工艺曲线

加热温度：

Ac3+30~50℃；

加热速度：

小于200℃/h；

保温时间：

2min/mm[8]

3.2.2机械加工

由于我们专业并不怎么涉及机加工方面的知识，因此此处只能说明其在车床上进行加工。

3.2.3渗碳工艺

渗碳是将工件放入渗碳气氛中，并在900~950℃的温度下加热、保温，使其表面层增碳的一种工艺操作。

渗碳的目的在于使工件在继续经过相应热处理后表面具有高硬度和耐磨性，而心部任保持一定的强度和较高的任性。

固体渗碳工艺如图3.3[6]所示。

900~950

T800~850

h

图3.3A钢的渗碳工艺曲线

3.2.4淬火+低温回火热处理工艺

①淬火

淬火是将钢加热至临界温度点Ac3或Ac1以上一定的度，保温后以大于临界冷却速度的速度冷却得到马氏体（或下贝氏体）的热处理工艺叫做淬火。

其目的是使奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体，然后配以不同温度回火获得各种需要的性能。

钢的理想淬火冷却曲线如图3.4[7]所示

Ac3

A

A→P

A→

B

Ms

图3.4

②低温回火

回火是将淬火钢加热到A1以下某一温度，经过保温，然后以一定的冷却方法冷至室温的热处理操作。

其目的在于：

a.降低脆性，消除内应力。

工件淬火后存在着很大的内应力和脆性，若不及时回火，零件会产生变形或开裂。

b.得到对工件所要求的力学性能。

工件淬火后，硬度高，脆性大，为了了获得对工件要求的性能，可以用回火温度调整硬度，减小脆性，得到所需要的塑性、强度和硬度。

c.稳定工件尺寸。

淬火后的组织是马氏体和残余奥氏体，这两种组织都是不稳定的，会自发地逐渐地发生组织转变，因而引起工件尺寸和形状的改变。

通过回火，可以促使这些组织转变。

达到较稳定状态，以便在以后的使用过程中不发生变形[8]。

回火规范如表3.2[9]。

表3.5A回火规范表

方案

淬火温度/℃

回火

用途

加热温度/℃

介质

硬度HRC

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

1020~1040

消除应力

去除应力，降低硬度

150~170

200~275

400~425

油或硝盐

—

61~63

57~59

55~57

Ⅳ

Ⅴ

Ⅵ

1115~1130

去除应力及形成二次硬化

510~520℃多次回火

-78℃冷处理加510~520℃一次回火

-78℃冷处理加一次510~520℃回火，再-78℃冷处理

—

60~61

61~62

3.2.5物理性能

经过上述各种热处理后A钢的韧性、硬度、耐磨性都有所甚至很大的提升。

4分析与讨论

A钢制造机床B热处理工艺设计已经在前面展示，单就其性能以及热处理的过程想必是没多大问题，若放入实际生产中有很多不可预知的问题，因此，不能纸上谈兵须得到工厂或者实验室中反复的通过实验数据进行分析，然后在得出最重要的结论用于实践中，从而在生产中减低成本、提高效率并且减少工时，降低能源消耗。

5结束语

这次A钢制造机床B热处理工艺设计的完成，让我不仅通过自己的努力大致了解了A钢制造机床变速箱齿的制作流程，还学会了把自己书本上学到的知识运用到实际物体上去。

A钢制造机床B是协助变速箱完成对机床的转动提供动力，所以A钢必须具有强的硬度和高的耐磨性。

前段时间在没有认真学习金属学时，我觉得这个课程设计很难很难，但现在经过我对金属学的充分认识，我重新把这套支撑辊的设计完成了一遍，也从中发现了很多原作者的问题，使我从中吸取了精华部分。

金属学都是理论上的成型工艺，在实际生产中肯定还有许多细节问题需要我们去解决和改进。

在这次的课程设计中，发挥出了自己单独设计A钢制造机床B热处理工艺设计能力和综合运用书本知识，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，尤其是热处理加工工艺，是自己很有成就感。

同时各科相关的课程都有了全面的复习与运用，独立思考的能力也有所提高，更为重要的是：

在这次A钢制造机床B热处理工艺设计中，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，进而加以弥补。

6热处理工艺卡片

零件名称：

制造机床B

热处理工艺卡

处理要求：

下料、锻造、预备热处理（完全退火）、机械加工、淬火+低温回火、平磨、组装

热处理技术要求：

恰当控制温度和时间

硬度：

大于等于170HBW

材料：

A钢

工序号

名称

设备

工具

装料

工艺规范

冷却

备注

工具数量

一工具装数量/

件

温度/℃

加热时间

保温时/h间

合计

1

锻造加热

1000~1050

--

炉冷

2

完全退火

1180~1200

5min

1h

油

3

渗碳

900~950

2h

渗碳气氛

4

淬火

1-2

2-3h

空气

低温回火

170～180

3-5

8

9

更该日期

更改

单号

标准

更改者

参考文献

[1]XX百科

[2]黎正科.机床变速箱的结构特性分析[J].2009,5

[3]张熹,崔京玉,章军.浅析齿轮钢及热处理工艺对汽车用齿轮性能的影响[J].北京,首钢技术研究.2009,10.

[4]吴晓峰,马坤.模具钢应用的主要问题与热处理研究进展[J].2009,35（9）:

55-62.

[5]樊新民.热处理工实用技术手册（第2版）[M].江苏,江苏科学技术出版社,2010,1.

[6]王忠诚,齐宝森,李杨等.典型零件热处理技术[M].北京,化学工业出版社.2010,7.

[7]崔中圻,谭耀春.金属学与热处理（第2版）[M].北京,机械工业出版社.2012,1.

[8]林约利,程芝苏.简明金属热处理手册（第二版）[M].上海,上海科技出版社.2003,3.

[9]