齿轮材料的选择及热处理

第28卷第 lO期 2O07年 lO月 煤 矿 机 械 Coal Mine Machinery V0I．28N0．10 Oct．2007 齿轮材料的选择及热处理 赵越超 ，付 莹 (辽宁工程技术大学 机械工程学院，辽宁 阜新 123000) 摘 要：介绍了齿轮工作中的失效形式和性能要求。针对钢制齿轮，根据齿轮工作时载荷的 大小，转速的高低及齿轮的精度，分析了齿轮材料的选择和相应的热处理工艺。同时还介绍了钢制 齿轮常用的热处理方法，最后论述了典型零件的选材及工艺路线。 关键词：钢制齿轮材料；载荷；转速；精度；热处理 中图分类号：TG14 文献标志码：B 文章编号：1003一o794(2007)10-0108—03 Choice of M aterials and Heat Treatment of Gears ZHAO Yue—chao．FU Ying (CoHege of Mechanical Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin 123000，China) Abstract：Correct material and heat treatment of gears can increase the reliability of gear transmission and last the life of gears．The failure mode and performance requirements of gears are intraluced．In view of steel gears．based on the size of the work load．speed and the accuracy of gears．Th e gear choices and the co1Te— spending heat treatment process are analysed，Also the methods of heat treatment used in steel gears is intro— duced．finally analysed the choices and process routes of typical parts． Key words：steel gear material；l0ad；speed；accuracy；heat treatment 0 前言 节，在汽车、拖拉机、机床、起重机械等产品中不仅有 齿轮用于机械装置中功率的传递与速度的调 着重要的作用，而且用量相当大。齿轮工作时，通过 0 —0 ! 0 4 -I 4 ， ! ! 0 4 4 · (3)刀库 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 刀库(见图7)设计容量为 8把，采用标准锥孔 拉刀夹紧方式(BT40)，换刀为卧式换刀，换刀时刀盘 由液压缸推动刀盘移动到极限位置，按照程序控制 换刀。 图 7 刀库示意图 1．支撑板 2．电机 3．刀盘 4．直线导轨 5．齿轮箱 自动换刀装置的作用是用来存放刀具，并实现 刀具与主轴的自动转换 ，以此达到加工中心“工序集 中”，从而缩短非切削时间，充分发挥机床效率的目 的。它是加工中心的重要组成部件之一。 图8中刀库置于卧式主轴的机床顶部，刀库中 的刀具安装不妨碍操作，并可通过主轴的上下运动， 结合刀库的前后运动，实现换刀，同样也不需要机械 手，就可以对主轴直接进行换刀。 设计的加工中心为立卧式的，自动换刀装置在 加工中心中的布局形式采用图 8所示，加工中心在 换刀前，通过程序使主轴变为卧式，再进行换刀。实 现的换刀过程如下：加工中心主轴变卧式(为卧式时 不变)，自动换刀装置根据程序找到需要更换的刀 具，并在步进电机的驱动下旋转刀库，使所需刀具对 准主轴，刀库停止旋转，自动换刀装置在油缸的驱使 下向主轴靠近，在动力作用下刀具卡入主轴，主轴卡 紧刀具，自动换刀装置返回，为下一次换刀做准备， 从而实现刀具的自动转换。 ) I一 — }～ 。。 图 8 布局形式 3 结语 本项 目所研制的立 一卧自动转换式加工中心可 加工各种复杂曲线和曲面，并可通过一次装夹完成 多达空间五面的加工，有效地提高了工件的加工时 间和加工精度。 参考文献： [1]濮良贵．机械设计[M]．5版．北京：高等教育出版社，1992． 『2]孙桓．机械原理『M]．北京：高等教育出版社 ，1990． 作者简介：朱超(1982一)，湖北武汉人，硕士研究生，从事机械 电子工程方向的学习与研究，电子信箱：fox一 @163．COIII． 一 108 一 收稿日期：2007．05—30 维普资讯 http://www.cqvip.com 氟 28卷第 10期 齿轮材料的选择及热处理——赵越超，等 Vo1．28No．10 齿面的接触传递动力，齿部承受很大的交变弯曲应 力和接触应力的作用，在相互啮合的齿面上会有强 烈的摩擦。啮合不均匀时，还会产生冲击力。齿轮 的损坏形式主要是齿部折断和齿面的过度磨损。根 据齿轮的受力情况和失效分析，可知齿轮一般都需 经过适当的热处理，以提高承载能力和延长使用寿 命，齿轮在热处理后应满足下列性能要求： (1)高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度(抗疲劳 点蚀)。 (2)齿面具有较高的硬度和耐磨性。 (3)齿轮 0部具有足够的强度和韧性。 齿轮的材料及热处理对齿轮的内在质量和使用 性能都有很大的影响。因此，要求设计人员合理地 选择齿轮材料和制定热处理工艺。下面主要介绍钢 制齿轮的材料选择及热处理工艺。 1 齿轮材料的选择 具体齿轮材料的选用主要是根据齿轮工作时载 荷的大小，转速的高低及齿轮的精度要求来确定的。 载荷大小主要是指齿轮传递转矩的大小，通常以齿 面上单位压应力作为衡量标志。一般分为：轻载荷、 中载荷、重载荷和超重载荷。齿轮工作时转速越大， 齿面和齿根受到的交变应力次数越多，齿面磨损越 严重。因此，可以把齿轮转动的圆周速度 的大小， 作为材料承受疲劳和磨损的尺度。一般分为：低速 齿轮(1～9 m／s)；中速齿轮(6～10 m／s)；高速齿轮 (10～15 m／s)。齿轮的精度高，则齿形准确，公差 小，啮合紧密，传动平稳且无噪声。机床齿轮精度一 般为6～8级(中、低速)和 8～12级(高速)，汽车、拖 拉机齿轮精度一般为6～8级。 (1)轻载、低速或中速、冲击力小、精度较低的 一 般齿轮，选用中碳钢，如 Q235、Q275、40、45、50、 50Mn等钢制造，常用正火或调质等热处理制成软齿 面齿轮，正火硬度 HBSI60～200；一般 调质 硬度 HBS200～280。因硬度适中，精切齿廓可在热处理后 进行，工艺简单，成本低。齿面硬度不高则易于磨 合，但承载能力也不高。这种齿轮主要用于标准系 列减速箱齿轮、冶金机械、中载机械和机床中的一些 次要齿轮。 (2)中载、中速、承受一定冲击载荷、运动较为平 稳的齿轮，选用中碳钢或合金调质钢，如 45、50Mn、 40Cr、42SiMn等钢，也可采用 55Tid、60Tid等低淬透性 钢。其最终热处理采用高频或中频淬火及低温回火， 制成硬齿面齿轮，可达齿面硬度 HRC50～55，齿轮心 部保持正火或调质状态，具有较好的韧性。由于感应 加热 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面淬火的齿轮变形小，若精度要求不高(如7 级以下)，可不必再磨齿。机床中绝大多数齿轮就是 这种类型的齿轮。对表面硬化的齿轮，应注意控制硬 化层深度及硬化层沿齿廓的合理分布。 (3)重载、高速或中速，且受较大冲击载荷的齿 轮，选用低碳合金渗碳钢或碳氮共渗钢，如 20Cr、 20CrMnTi、20CrNi3、1 8Cr2Ni4WA、40Cr、30CrMnTi等 钢。其热处理采用渗碳、淬火、低温回火，齿轮表面 获得 HRC58～63的高硬度，因淬透性较高，齿轮心 部有较高的强度和韧性。这种齿轮的表面耐磨性、 抗疲劳强度和齿根的抗弯强度及心部抗冲击能力都 比表面淬火的齿轮高，但热处理变形大，精度要求较 高时，最后一般要安排磨削。它适用于工作条件较 为恶劣的汽车、拖拉机的变速箱和后桥齿轮。 碳氮共渗与渗碳相比，热处理变形小，生产周期 短，力学性能高，而且还应用于中碳钢或 中碳合金 钢，所以许多齿轮可用碳氮共渗来代替渗碳工艺。 内燃机车、坦克、飞机上的变速齿轮的负载和工 作条件比汽车的更重、更恶劣，要求材料的性能更 高，应选用含合金元素高的合金渗碳钢，以获得更高 的强度和耐磨性。 (4)精密传动齿轮或磨齿有困难的硬齿面齿轮 (如内齿轮)，主要要求精度高，热处理变形小，宜采 用氮化钢，如 35CrMo、38CrMoA1A等钢。热处理采用 调质及氮化处理，氮化后齿面硬度高达 HV850～ 1 200(相当于 HRC65～70)，热稳定性好 (在 500～ 550 c【=仍能保持高硬度)，并有一定的抗蚀性。其缺 点是硬化层薄，不耐冲击，故不适用于载荷频繁变动 的重载齿轮，而多用于载荷平稳、润滑良好的精密传 动齿轮或磨齿困难的内齿轮。 近年来 ，由于软氮化和离子氮化工艺的发展，使 工艺周期缩短，选用钢种变宽，选用氮化处理的齿轮 逐渐广泛。 2 齿轮的热处理 (1)正火处理 正火处理可消除齿轮内部过大的应力，增加齿 轮的韧性，改善材料的切削性能。正火处理常用于 含碳量 0．3％～0．5％的优质碳钢或合金钢制造的 齿轮。正火齿轮的强度和硬度比淬火或调质齿轮要 低，硬度 HB163～217。因此，对于机械性能要求不 很高或不适合采用淬火或调质的大直径齿轮，常采 用正火处理。 一 109 — 维普资讯 http://www.cqvip.com Vo1．28No．10 齿轮材料的选择及热处理——赵越超，等 第28卷第 l0期 (2)调质处理 调质处理常用于含碳量 0．3％～0．5％的优质 碳素钢或合金钢制造的齿轮。调质处理可细化晶 粒，并获得均匀的具有一定弥散度的和具有优良综 合机械性能的细密球状珠光体类组织 一回火索氏 体。一般经调质处理后，轮齿硬度可达 HB220～ 285，对尺寸较小的齿轮，其硬度可再高些。调质齿 轮的综合性能比正火齿轮要高，其屈服极限和冲击 韧性比正火处理的可高出40％左右，强度极限与断 面收缩率也高出 5％ ～6％(对于碳钢)。调质齿轮 在运行中易跑合、齿根强度裕量大、抗冲击能力强， 在重型齿轮传动中占有相当大的比重。为提高软齿 面齿轮的抗胶合能力及考虑到小齿轮工作比大齿轮 繁重，常用调质的小齿轮与正火或调质的大齿轮相 配，其硬度差常在 HB20～50。 (3)表面淬火 齿轮经表面淬火后需进行低温回火，以便降低 内应力和脆性，齿面硬度一般为 HRC45～55。表面 淬火齿轮承载能力高，并能承受冲击载荷。通常淬 火齿轮的毛坯可先经正火或调质处理，以便使轮齿 心部有一定的强度和韧度。 (4)渗碳淬火 渗碳淬火齿轮常用含碳量为0．10％～0．25％的 合金钢或高合金钢制造。渗碳淬火后，齿面硬度 HRC58～62，一般需进行磨齿或珩齿，以消除热处理 后引起的变形。这类齿轮具有很高的接触强度和弯 曲强度，并能承受较大的冲击载荷。各种载重车辆 中的重要齿轮常进行渗碳淬火处理。 (5)渗氮 渗氮可提高轮齿的表面硬度、耐磨性、疲劳强度 及抗蚀能力。渗氮处理温度低，故齿轮变形极小，无 需磨削或只需精磨即可。渗氮齿轮的材料主要有 38CrMoA1A、30CrMoSiA、20CrMnTi等。渗氮齿轮由于 渗氮层薄(0．15—0．75 mm)，硬化层有剥落的危险， 其承载能力一般不及渗碳齿轮高，不宜于承受冲击 载荷或有强烈磨损的场合使用。 (6)钢制齿轮的其他热处理方法 钢制齿轮还可采用整体淬火或氰化(碳氮共渗) 等方法进行处理。整体淬火齿轮硬度较高，但变形 大、韧性差、不耐冲击，故应用较少。氰化齿轮具有 硬度高、耐磨性好、变形小、生产率高等优点，适用于 碳钢和合金钢。但其硬化层较脆、不耐冲击，且氰有 剧毒，必须有安全设施。 3 典型齿轮选材 (1)机器齿轮 一 般机器都离不了齿轮传动，对于那些低速运 转(1～6 m／s)、磨损较轻或不太重要的齿轮(如分度 齿轮、重型机器上的大尺寸大模数齿轮等)，选用中 碳钢或中碳合金钢经调质处理即可。大、中型齿轮 用软调质 (HB190～230)，小型齿轮可用硬调质 (HB230～260)。其加工路线为：下料一锻造一正火 一 粗加工一调质一齿形加工一磨削。 (2)机床齿轮 机床齿轮承担着传递动力，改变运动速度和运 动方向的任务，但机床齿轮相对于汽车和拖拉机而 言，其工作负荷不太大，中速运转(6～10 m／s)，较平 稳，因此常选用钢或40Cr钢制造，其工艺路线：下料 一 锻造一正火一粗加工～调质一粗加工一高频淬火 及低温回火一精磨。 (3)汽车齿轮 汽车变速齿轮工作条件比机床齿轮差，特别是 主传动系统中的齿轮。它受力较大，受冲击较频繁， 因此对材料要求较高。由于弯曲与接触应力都很 大，所以重要齿轮都需要渗碳、淬火处理，以提高耐 磨性和疲劳抗力。为了保证心部有足够的强度及韧 性 ，材料的淬透性要求较高，心部硬度应在 HRC35～ 45。另外，汽车生产特点是批量大，因此在选钢材 时，在满足力学性能的前提下对工艺性能必须予以 足够的重视。实践证明，20CrMnTi钢具有较高的力 学性能，在渗碳，淬火、低温回火后，表面硬度可达 HRC58～62，心部硬度 HRC30～45，正火切削加工工 艺性和热处理工艺性均较好。为进一步提高齿轮的 耐用性，渗碳、淬火、回火后，还可采用喷丸处理，增 大表面压应力。渗碳齿轮的工艺路线为：下料一锻 造一正火一切削加工一渗碳、淬火及低温回火一喷 丸一磨削加工。 4 结语 以上就钢制齿轮材料及热处理工艺进行了分 析。在齿轮的制造生产中，还会遇见一些具有特殊 性能要求的齿轮，设计人员必须按照选材的基本原 则，进行全面分析及综合考虑，选择出最合适的材料 及热处理工艺方法。 参考文献： [1]石英．齿轮材料性能要求及正确选材[J]．通用机械，2004(5)：92— 93． [2]王小宝．齿轮的材料及热处理[J]．矿冶，2000，9(3)：20—23． [31周风云．工程材料及应用fM]．武汉：华中科技大学出版社。2002． 作者简介：赵越超(1948一)，辽宁阜新人，教授，主要从事新工 艺新材料的研究，电子信箱 ：zhaoyuechao001@163．corn． 一 1 10 一 收稿日期：2007．05．24 维普资讯 http://www.cqvip.com