《毕业设计40cr东方红40拖拉机驱动轴热处理工艺设计》.doc
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1、陕西航空职业技术学院毕业设计(论文)说明书材料工程 系 金属材料与热处理技术 专业 毕业设计(论文)题目 40Cr东方红40拖拉机驱动轴热处理工艺设计 学生姓名 学号 0825126 指导教师 职称 工程师 2011 年 3 月 5 日毕业设计(论文)任务书 材料工程 系 金属材料与热处理技术 专业学生姓名 学号 一、毕业设计(论文)题目40Cr东方红40拖拉机驱动轴热处理工艺设计 二、毕业设计(论文)时间 2010 年 11 月 01 日 至 2011 年 5月 1日三、毕业设计(论文)地点: 陕西航空职业技术学院 四、毕业设计(论文)的内容要求: 了解所选用刚的性质、所制造零件的概况 掌握
2、加工工艺路线及其工艺性 热处理后组织与性能分析 热处理缺陷及控制 制定热处理工艺规程指导教师 陈海英 2011年3 月 5 日批 准 年 月 日毕业设计(论文)评定表姓名学号专业金属材料与热处理技术毕业设计(论文)题目40Cr东方红40拖拉机驱动轴热处理工艺设计评阅意见评阅教师: 年 月 日答辩组成员答辩时间答辩地点本人陈述从驱动轴的常规材料入手,分析驱动轴的失效形式及其服役条件和加工中常见缺陷。选用40Cr钢作为驱动轴材料,分析40Cr钢的基本性质确定40Cr钢驱动轴热处理的工艺过程,通过金相实验观察它的组织结构并且分析它的力学性质等,分析了驱动轴的预备热处理与最终热处理的目的与性能,最后还
3、进行驱动轴热处理后的质量检验。答辩过程要点答辩组提问回答问题情况答辩组评语成绩答辩委员会主任签字年 月 日 目录1. 前言.12 驱动轴材料与热处理工艺概况.22.1 驱动轴的简介.22.2 拖拉机驱动轴的服役条件和失效形式.32.3 拖拉机驱动轴的性能要求.42.4 驱动轴热处理工艺概况.43 40Cr的基本性质.53.1 40cr的化学成分及力学性能.63.2 合金元素的作用.63.2.1 40Cr刚中硅元素的作用.62.2.2 40Cr刚中铬元素的作用.73.2.3 40Cr刚中锰元素的作用.83.3 组织转变及淬透性.84. 拖拉机驱动轴生产工艺路线及分析.104.1 拖拉机驱动轴的选
4、材.104.2 40Cr热处理工艺特性.114.3 40Cr拖拉机驱动轴工艺路线及热处理方案分析.114.4 热处理工艺的确定.134.5 热处理常见的缺陷及防护措施.15 氧化和脱碳.15 过热和过烧.16 淬火硬度不够.16 软点.17 变形和开裂.17 回火缺陷.184.6 热处理工艺及曲线图.19 正火工艺的制定.19 淬火工艺的制定.19 回火工艺的制定.204.7 金相分析.21 正火热处理的金相分析.21 调原始组织为热处理的金相组织.225 质量检验.235.1 检验项目.23 硬度.23 变形.23 外观.235.2 评定标准.23设计总结.27致谢.28参考文献.291 前
5、言本毕业设计是在材料科学基础热处理原理热处理工艺和金属材料学等课程学习的基础上并且结合本人今年在陕西飞机(集团)的实习经历,是理论与实际相结合所完成的。通过本次毕业课程设计,可使自己在综合运用化学专业基础和专业知识能力方面得到训练,学习独立分析问题和解决问题的方法,提高工程意识和工程设计能力。现在工业的迅速发展对机械零部件,驱动轴等提出的要求愈来愈高。热处理不仅对锻造机械加工的顺序进行和保证加工效果超着重要作用,而且在改善或消除加工后的缺陷,提高工件使用寿命的方面起着重要作用。为获得理想的组织与性能,保证零件在生产过程中的质量稳定性和使用寿命,就必须从工件的特点、要求和技术条件入手,认真分析产
6、品在使用过程中的受力状况和可能的失效形式,正确的选择材料,再根据生产规模,现场条件,热处理设备提出几种可行的热处理方案,最后根据其经济性,质量稳定性和便于管理,降低成本等因素,确定出一种最佳方案。热处理工艺设计是整个机械加工过程中的一个重要环节,他与工件设计及其他加工工艺间存在密切关系。如何实现工件设计时提出的几何形状和加工精度,满足设计时所需要的各种性能指标,热处理工艺制定的合理与否,有着至关重要的作用。2 驱动轴材料与热处理概况 驱动轴是传动系统的一个重要组成部分,它是用来将差速器半轴齿轮输出的动力传给驱动轮或轮边减速器,对于采用非独立式旋架的驱动桥,根据其驱动轴内端与外端的手里状况,一般
7、又分为全浮式驱动轴、四分之三浮式驱动轴与半浮式驱动轴三种。 驱动轴是旋转运动部件,当轴的质心与旋转中心线不重合时会产生方向周期性变化的惯性力,这一惯性力是激起驱动轴横向振动的主要原因。驱动轴呈细长形状,柔度较大,固有频率低。当驱动轴的工作转速与横向振动的固有频率相同时会产生共振,驱动轴的振动通过悬挂传递至车身,产生低频的轰鸣声,严重影响乘坐舒适度,与此同时,驱动轴的共振还会导致驱动轴万向节的早期损坏,以及与驱动轴配合的差速器半轴油封的早期磨损而漏油。 驱动轴内端以花键连接着驱动轴齿轮,驱动轴齿轮在工作时只将扭矩传给驱动轴,几个行星齿轮对驱动轴齿轮施加的径向力是互相平衡的,因而并不传给驱动轴内端
8、。主减速器从动齿轮所受径向力则由差速器壳的两轴承直接传给主减速器壳。因而,驱动轴内端只受扭矩而不受弯曲力矩。驱动轴是拖拉机的轴类零件中承受扭矩最大的零件,为了满足驱动轴的强度要求。多年来,世界各国除了用各种各样的计算方法外,还在材料选择、毛坯成型、机械加工和热处理等方面进行着不懈的努力。 驱动轴齿轮广泛用于汽车、拖拉机等一切行走机械的差速器中,应用面广,需求量大。驱动轴已普遍采用精密模锻工艺生产。其工艺流程是:下料加热粗锻切飞边精锻切飞边表面清理钻孔、车大端面车孔、齐端面拉花键热处理磨大端面和内孔。 感应加热表面淬火亦感应淬火,由于它的加热速度和却速度都很快,使零件的表面至心部有着巨大的温度梯
9、度,而且淬火后零件由表及里存在着激烈的组织变化,这些特点决定它有着特殊的残余压应力形态。一般说,轴类零件感应淬火后,表面层存在残余压应力,次表层和淬火区域存在残余拉应力。残余拉应力的合理分布,能够大大提高零件强度,特别是疲劳强度。驱动轴的合理用料,合理选择淬火层的深度及其分布,将大大提高驱动轴的使用寿命。 在车孔、齐端面工序中,由于夹具调整不便,更换供状时工件找正极其困难,耗工费时,齿轮装夹定位精度低,生产效率低。2.2 拖拉机驱动轴的服役条件和失效形式 拖拉机驱动轴是重要的传力部件,不仅要传递来自发动机的扭矩,还要承受车轮上作用的垂直力、侧向力及牵引力所形成的纵向力,使拖拉机易损部件之一。由
10、于拖拉机重量通过轴颈、法兰盘加到后轮上,后轮遇到障碍、石块等,驱动轴还承受一定的冲击。驱动轴一旦断裂,拖拉机将失去支承,会造成翻车,轻则影响生产,重则造成人身事故,特别是在山路运输时断裂,后果更为严重。 失效形式主要是由于扭转力矩作用,工作时频繁启动、变速、反向、路面颠簸和部分磨损而引起的疲劳破坏,断裂位置主要集中于轴杆部或花键根部。2.3 拖拉机驱动轴的性能要求 拖拉机驱动轴是传递扭矩的重要部件,要求材料有足够的抗弯强度、疲劳强度和较好的韧性,耐磨性,具有合理的最佳静扭强度和抗扭转疲劳性能,要求其杆部硬度为3744HRC,盘部外圆硬度为2434HRC。2.4 驱动轴热处理工艺概况 推荐采用预
11、调质处理后表面中频淬火处理工艺,预调质处理后心部硬度为2430HRC;中频淬火处理后杆部表面硬度不允许低于52HRC;花键处允许降低3个硬度单位,杆部硬化层深度范围为杆部直径的1020%,硬化层深度变化不大于杆部直径的5%,杆部圆角应淬硬,法兰盘硬度不低于24HRC。在保证驱动轴性能指标要求条件下,也允许采用其它热处理工艺,如正火处理后表面中频淬火工艺。 感应淬火后驱动轴的金相组织为:1.预调质处理后表面中频淬火处理,硬化层为回火马氏体,心部为回火索氏体:2.正火处理后表面中频淬火处理,硬化层为回火马氏体,心部为珠光体加铁素体。 粗糙度:法兰盘安装端面不大于Ra3.2,非加工及杆根部圆角为毛坯
12、表面,经过加工的杆部不大于Ra6.3(喷丸处理允许增大到Ra12.5),杆根部圆角不大于Ra3.2,花键外圆定心表面不大于Ra0.8,花键齿侧定心表面不大于Ra3.2,与轴承配合表面不大于Ra0.8。 驱动轴磁力探伤后应退磁。 花键应用综合量规检验,花键齿的周接累积公差、齿形公差和齿向公差应符合产品图样规定。 驱动轴表面不应有折叠、凹陷、砸痕、裂纹等缺陷。杆部表面允许有磨去裂纹的痕迹。磨削后存在的磨痕深度不大于,同一横断面不允许超过两处。 驱动轴的静扭强度失效后备系数K应不大于1.80。3 40Cr的基本性质3.1 40cr的化学成分及力学性能化学成分: 碳的含量为0.370.44% 硅的含量
13、为0.170.37% 锰的含量为0.500.80% 铬的含量为0.801.10%力学性能: 退火硬度:小于207HBS 正火硬度:小于250HBS 调制处理:试样直径为25mm, 850淬火加热油淬 520特性:调质后,有良好的综合性能,低温冲击性良好,缺口敏感性较低,有好的淬透性,正火调质后加工性能良好。但是焊接性能不佳,容易产生裂纹,焊接之前要预热到100150。应用举例:较重要的调质件如汽车转向螺杆,连杆螺栓,进气阀,齿轮等。3.2 合金元素的作用3.2.1 40Cr钢中硅元素的作用有利于体心立方的铁素体组织的形成,在钢中不形成碳化物,在周期表中处于铁左边,主要固溶于铁中。其对碳在奥氏体
14、中的扩散系数影响不大,对奥氏体形成速度无甚影响,可升高A1点,相对的减缓了奥氏体的形成速度。对加热时奥氏体晶粒大小稍有阻碍或不起作用,可推迟珠光体相变使C曲线右移,使C曲线上的鼻子移向高温区域,使Ms点降低,提高过冷奥氏体的稳定性,从而降低淬火临界冷却速度,提高钢的淬透性。可显著地减慢马氏体在较低温度的分解,但不减慢在400500回火时马氏体的分解,显著阻碍碳化物的聚集,阻碍钢在回火时消除各类畸变的作用,而且一般都推迟了淬火钢相的回复、再结晶和碳化物聚集过程,从而抑制了钢的硬度、强度的降低,增强了钢的回火稳定性。可提高相的再结晶温度,可使钢回火脆性显著增强,可改变钢的各相组织,增加珠光体数量。
15、主要目的是增大钢的淬透性,全部淬透零件在高温回火后可获得高而均匀的综合力学性能,特别是高的屈强比,显著强化铁素体,比在一定范围内还能提高钢的韧性。3.2.2 40Cr钢中铬元素的作用可封闭相区的元素,含量达到一定量时,相区被封闭,即使相图上的区域收缩成一个很小的范围,超过此含量合金发生到相变,有利于体心立方的铁素体组织的形成。在钢中可形成碳化物,其为过渡过度族元素,在周期表中位于铁的左边,可降低钢的共析点含碳量以及碳在中的最大固溶度,大量加入可使相区消失,得到全部铁素体组织。是强化物形成元素,降低碳在奥氏体中的扩散系数,因而大大推迟了珠光体向奥氏体转变过程,在钢中由于形成的特殊碳化物不易溶解,
16、将使奥氏体形成速度减慢,可升高A1点,相对的减缓了奥氏体的形成速度。显著的将相的再结晶温度推向高温,使钢中明显出现回火脆性,强烈的阻止马氏体分解的进一步发展,可改变钢的各相组织,增加珠光体数量。增大钢的淬透性,全部淬透零件在高温回火后可获得高而均匀的综合力学性能,特别是高的屈强比,显著强化铁素体,比在一定范围内还能提高钢的韧性。如果形成难溶解的特殊碳化物,则在加热时,如果保温时间不足,将会得到成分极不均匀的奥氏体。对加热时奥氏体晶粒大小有中等阻碍作用,可推迟珠光体相变,使Ms点降低,提高过冷奥氏体的稳定性,从而降低淬火临界冷却速度,提高钢的淬透性。显著阻碍碳化物的聚集,阻碍钢在回火时消除各类畸
17、变的作用,而且一般都推迟了淬火钢相的回复、再结晶和碳化物聚集过程,从而抑制了钢的硬度、强度的降低,增强了钢的回火稳定性。3.2.3 40Cr钢中锰元素的作用可开启相区,如果达到一定数量,便可完全抑制相区的出现,而代之以相,因此如果r区域淬火至室温就很容易获得奥氏体。可提高相的再结晶温度,使钢中明显出现回火脆性,可改变钢的各相组织,增加珠光体数量。在钢中可形成碳化物,其为过渡过度族元素,在周期表中位于铁的左边,可降低A3和A1,大量加入后甚至可以使A3降到室温以下,则钢在室温下仍具有奥氏体组织,可改变工析转变温度,降低A1点相对来说增加了过热度,也就增大了奥氏体的形成速度,可使珠光体细化,有利于
18、奥氏体形成,对加热时奥氏体晶粒大小则有助。可推迟珠光体相变,使Ms点降低,提高过冷奥氏体的稳定性,从而降低淬火临界冷却速度,提高钢的淬透性。为了增大钢的淬透性,全部淬透零件在高温回火后可获得高而均匀的综合力学性能,特别是高的屈强比,显著强化铁素体,比在一定范围内还能提高钢的韧性。3.3 组织转变及淬透性 40Cr是调质钢,用于制造在重载荷作用下同时又受冲击载荷作用的一些重要零件,要求零件具有高强度、高韧性相结合的良好的综合力学性能。抗拉强度和屈服强度比相应的碳钢高约20%,并有良好的淬透性,切削性好,冷变形时的塑性中等,断面小于50mm时,油淬后有较高的疲劳强度。具有较高的强度和硬度,调质后可
19、获得回火索氏体具有较高的强度、塑性、韧性、疲劳极限、断裂韧度和较低的韧脆性转折温度,可以满足工件使用的性能要求,少量合金元素的加入显著增加了钢的淬透性,一般采用油淬,油淬的临界直径是3040mm,适用制造较重的调质件,如机床主轴、汽车、拖拉机上的连杆、螺栓等。调质钢在热加工后,必须经过预备热处理降低硬度,以利于切削加工,预备热处理还可以消除热加工缺陷,改善组织为淬火做好准备。对合金含量较低的钢,可采用正火或完全退火,对合金含量较高的钢采用正火加高温回火做预备热处理。高温回火可使正火处理得到的马氏体转变为粒状珠光体。最终热处理为调质,碳钢淬火温度为Ac3+(3050),合金钢可适当提高淬火温度,
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