鋼車床主軸的熱處理工藝設(shè)計(jì)

1、 金屬學(xué)與熱處理課程設(shè)計(jì)報(bào)告 45鋼車床主軸的熱處理工藝設(shè)計(jì)學(xué) 院 化學(xué)工程與現(xiàn)代材料專 業(yè) 金屬材料工程 姓 名 高治峰 學(xué) 號 13042127 指 導(dǎo) 教 師 張美麗 完 成 時(shí) 間 目 錄摘要.11 引言.22 設(shè)計(jì)分析 2.1 車床的使用工況及性能要求析.32.2 45號鋼的成分及性能點(diǎn).32.2.1 45號鋼的元素成分及其作用.42.2.2 45號鋼的性能.4 2.3 熱處理技術(shù)條件.5 2.3.1加工工藝路線 5 3 熱處理工藝分析3.1 鍛坯正火.53.1.1鍛坯正火的作用.53.1.2 熱處理工藝.53.1.3 操作技巧.53.2調(diào)質(zhì).63.2.1 調(diào)質(zhì)目的63.2.2 熱處

2、理工藝.63.2.3 操作技巧.63.3 錐孔及外錐體的局部淬火63.3.1 局部淬火方式.63.3.2 熱處理工藝.63.3.3 操作技巧.63.4 花鍵高頻淬火63.4.1 淬火方式63.4.2 花鍵高頻淬火工藝參數(shù)73.4.3 花鍵回火工藝參數(shù).73.4.4 操作技巧.74 結(jié)語8參考文獻(xiàn).9摘要 主軸是機(jī)床上傳遞動(dòng)力的零件，常需承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、疲勞、沖擊載荷的作用，同時(shí)在滑動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)部位還受到摩擦力的作用。因此，要求主軸具有高強(qiáng)度、硬度、足夠的韌性及疲勞強(qiáng)度、變形小等性能。而45號鋼為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)用鋼，硬度不高且容易切削加工，直接用在車床主軸上不太合適，所以需要對45號鋼進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?/p>

3、。在主軸大端上需要使用鍛坯正火，消除毛坯的鍛造應(yīng)力，降低硬度以改善切削加工性能，然后再進(jìn)行調(diào)質(zhì)，使主軸具有良好的綜合力學(xué)性能，最后經(jīng)過淬火后高溫回火，其硬度可達(dá)220250 HBS，提高主軸的硬度，使主軸能達(dá)到良好的工作性能。在錐孔進(jìn)行局部淬火使鍵槽部位不淬硬，提高耐磨性；在花鍵部分可采用高頻淬火減少變形并達(dá)到表面淬硬。車床主軸經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，可以達(dá)到良好的工作性能，使主軸能在正常的工作中有足夠的硬度，且在花鍵等部分有良好的耐磨性。引言 車床主軸指的是機(jī)床上帶動(dòng)工件或刀具旋轉(zhuǎn)的軸。通常由主軸、軸承和傳動(dòng)件（齒輪或帶輪）等組成主軸部件。在機(jī)器中主要用來支撐傳動(dòng)零件如齒輪、帶輪，傳遞運(yùn)動(dòng)及扭

4、矩，如機(jī)床主軸；有的用來裝夾工件，如心軸。除了刨床、拉床等主運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)床外，大多數(shù)機(jī)床都有主軸部件。主軸部件的運(yùn)動(dòng)精度和結(jié)構(gòu)剛度是決定加工質(zhì)量和切削效率的重要因素。衡量主軸部件性能的指標(biāo)主要是旋轉(zhuǎn)精度、剛度和速度適應(yīng)性。旋轉(zhuǎn)精度：主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)在影響加工精度的方向上出現(xiàn)的徑向和軸向跳動(dòng)（見形位公差），主要決定于主軸和軸承的制造和裝配質(zhì)量。動(dòng)、靜剛度：主要決定于主軸的彎曲剛度、軸承的剛度和阻尼。速度適應(yīng)性：允許的最高轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速范圍，主要決定于軸承的結(jié)構(gòu)和潤滑，以及散熱條件。 通過對車床主軸的工作條件及性能要求分析，根據(jù)要求選用適當(dāng)?shù)牟牧?，通過對45號鋼的材料成分特點(diǎn)及性能特點(diǎn)，確定車床主軸的

5、熱處理工藝。首先，分析零件的使用工況及性能，根據(jù)要求選用材料；然后，確定加工工藝流程，針對流程中的具體熱處理工藝查看熱處理手冊查找鋼種的方法、參數(shù)等做出設(shè)計(jì)。最后，根據(jù)鋼種設(shè)計(jì)寫出總結(jié)。關(guān)鍵詞：45號鋼，車床主軸，熱處理工藝。2 設(shè)計(jì)分析2.1車床的使用工況及性能要求分析 圖1為C6132臥式車床主軸零件簡圖。該軸承受交變彎曲應(yīng)力與扭應(yīng)力，但由于承受的載荷與轉(zhuǎn)速均不高，沖擊作用也不大，故具有一般綜合力學(xué)性能即可。但在主軸大端的內(nèi)錐孔和外錐體，因常與卡盤、頂尖有相對摩擦；花鍵部位與齒輪有相對滑動(dòng)，故這些部位要求較高的硬度與耐磨性；主軸在滾動(dòng)軸承中運(yùn)轉(zhuǎn)，工作時(shí)因軸頸與軸承不發(fā)生摩擦，故軸頸無耐磨性

6、要求。 通常 ,對于要求高強(qiáng)度、硬度和疲勞強(qiáng)度且形狀畸變小的主軸 ,多采用 38CrMoAlA 鋼;受沖擊大的常用 20Cr 、20Mn2B 滲碳鋼; 重載下工作的常用20CrMn Ti 、12CrNi3A 高合金滲碳鋼 ; 高精度磨床、鏜床主軸采用 9Mn2V 、GCr15 鋼。本零件根據(jù)其工作受力及性能要求 ,可選用 45 、40Cr 或 42CrMo 鋼 ,考慮到原材料成本及加工復(fù)雜情況 ,選用45鋼鍛件毛坯制造即可。2.2 45號鋼的成分及性能特點(diǎn)2.2.1 45號鋼的元素成分及其作用 45號鋼的元素成分及作用 主要成分為 Fe（鐵元素），且含有以下少量元素： C：0.420

7、.50% Si：0.170.37% Mn：0.500.80% P：0.035% S：0.035% Cr：0.25% Ni：0.25% Cu：0.25%2.2.2 45號鋼的性能為了了解45號鋼的性能我們查熱處理手冊得到的標(biāo)準(zhǔn)性能如下：按照GB/T699-1999標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的45鋼推薦熱處理制度為850正火、840淬火、600回火，達(dá)到的性能為屈服強(qiáng)度355MPa。而標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗拉強(qiáng)度為600MPa，屈服強(qiáng)度為355MPa，伸長率為16，斷面收縮率為40，沖擊功為39J 。所以需要我們根據(jù)45號鋼的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定根據(jù)要求進(jìn)行熱處理。2.3 熱處理技術(shù)條件車床主軸適合一般力學(xué)性能，根據(jù)對該軸工作條件的分析

8、，以及結(jié)合選材情況，熱處理技術(shù)條件如下：1)整體調(diào)質(zhì)后硬度為220250 HBW；2)內(nèi)錐孔和外錐體硬度為455O HRC；3)花鍵部分硬度為4853 HRC3。在進(jìn)行熱處理前，我們結(jié)合車床主軸的力學(xué)性能以及45號鋼的特點(diǎn)，我們做出了熱處理技術(shù)的條件，所以在熱處理中，我們必須根據(jù)條件選擇適合的熱處理方式來達(dá)到車床主軸的性能要求。2.3.1加工工藝路線 備鍛造毛坯 正火 機(jī)械粗加工 調(diào)質(zhì) 機(jī)械半精加工 錐孔及外錐體的局部淬火、回火 粗磨(外圓、錐孔、外錐體) 銑花鍵 花鍵高頻淬火、回火 精磨(外圓、錐孔、外錐體) 。3 熱處理工藝分析31 鍛坯正火3.1.1 鍛坯正火的作用在進(jìn)行熱處理過程中，鍛

9、坯正火可以消除毛坯的鍛造應(yīng)力，降低材料的硬度以改善切削加工性能，同時(shí)也均勻組織、細(xì)化晶粒，以利于切削加工，并為下一步的熱處理作組織準(zhǔn)備。這一步是熱處理的前奏，所以在熱處理工藝中有著至關(guān)重要的作用。3.1.2 熱處理工藝經(jīng)過鍛坯正火后，材料的組織達(dá)到了良好的熱處理效果，所以需要我們再做出適當(dāng)?shù)臒崽幚韥磉_(dá)到材料需要的硬度，熱處理工藝如下：1） 鍛坯正火的溫度應(yīng)該保持在850±10 。2） 在鍛坯正火過程中應(yīng)該保溫15 h，空冷。3）使用的設(shè)備為井式爐或箱式爐(額定溫度950)。4）檢測時(shí)的硬度應(yīng)小于或者等于217 HBW3。3.1.3 操作技巧在這個(gè)過程中，材料可能會(huì)受到很多原因而不能滿

10、足我們的要求，所以需要我們有很好的操作技巧來克服這些困難。在鍛坯正火的熱處理工藝中我們多采用多件集中裝爐，出爐時(shí)工件必須相互間隔20 mm 以上空冷，也可用風(fēng)扇強(qiáng)制冷卻，以確保冷卻速度100h。3.2 調(diào)質(zhì)3.2.1 調(diào)質(zhì)目的在進(jìn)行調(diào)質(zhì)過程中我們的目的是獲得均勻細(xì)密的回火索氏體組織，細(xì)密的索氏體金相組織有利于零件精加工后獲得光潔的表面。同時(shí)，也使主軸具有良好的綜合力學(xué)性能，經(jīng)淬火后高溫回火，其硬度可達(dá)220250 HBS。 45號鋼的調(diào)質(zhì)  45號鋼是中碳結(jié)構(gòu)鋼，冷熱加工性能都不錯(cuò)，機(jī)械性能較好，且價(jià)格低、來源廣，所以應(yīng)用廣泛。它的最大弱點(diǎn)是淬透性低，截面尺寸大和要求比較高的工件不宜

11、采用。 3.2.2 熱處理工藝材料進(jìn)行調(diào)質(zhì)過后，硬度達(dá)到了220250 HBS，然后我們需要進(jìn)行熱處理工藝，其如下：淬火時(shí)的溫度應(yīng)該保持在840±10 。45號鋼淬火溫度在A3+(3050)，在實(shí)際操作中，一般是取上限的。偏高的淬火溫度可以使工件加熱速度加快，表面氧化減少，且能提高工效。為使工件的奧氏體均勻化，就需要足夠的保溫時(shí)間。如果實(shí)際裝爐量大，就需適當(dāng)延長保溫時(shí)間。不然，可能會(huì)出現(xiàn)因加熱不均勻造成硬度不足的現(xiàn)象。但保溫時(shí)間過長，也會(huì)也出現(xiàn)晶粒粗大，氧化脫碳嚴(yán)重的弊病，影響淬火質(zhì)量。我們認(rèn)為，如裝爐量大于工藝文件的規(guī)定，加熱保溫時(shí)間需延長1/5。  

12、 淬火過程中應(yīng)該保溫1.5 h，水冷。因?yàn)?5號鋼淬透性低，故應(yīng)采用冷卻速度大的10%鹽水溶液。工件入水后，應(yīng)該淬透，但不是冷透，如果工件在鹽水中冷透，就有可能使工件開裂，這是因?yàn)楫?dāng)工件冷卻到180左右時(shí)，奧氏體迅速轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體造成過大的組織應(yīng)力所致。因此，當(dāng)淬火工件快冷到該溫度區(qū)域，就應(yīng)采取緩冷的方法。由于出水溫度難以掌握，須憑經(jīng)驗(yàn)操作，當(dāng)水中的工件抖動(dòng)停止，即可出水空冷（如能油冷更好）。另外，工件入水宜動(dòng)不宜靜，應(yīng)按照工件的幾何形狀，作規(guī)則運(yùn)動(dòng)。靜止的冷卻介質(zhì)加上靜止的工件，導(dǎo)致硬度不均勻，應(yīng)力不均勻而使工件變形大，甚至開裂。 45號鋼調(diào)質(zhì)件淬火后的硬度應(yīng)該達(dá)到HRC5

13、659，截面大的可能性低些，但不能低于HRC48，不然，就說明工件未得到完全淬火，組織中可能出現(xiàn)索氏體甚至鐵素體組織，這種組織通過回火，仍然保留在基體中，達(dá)不到調(diào)質(zhì)的目的。 回火時(shí)溫度應(yīng)該保持在580±l0 。45號鋼淬火后的高溫回火，加熱溫度通常為560600，硬度要求為HRC2234。因?yàn)檎{(diào)質(zhì)的目的是得到綜合機(jī)械性能，所以硬度范圍比較寬。但圖紙有硬度要求的，就要按圖紙要求調(diào)整回火溫度，以保證硬度。如有些軸類零件要求強(qiáng)度高，硬度要求就高；而有些齒輪、帶鍵槽的軸類零件，因調(diào)質(zhì)后還要進(jìn)行銑、插加工，硬度要求就低些。關(guān)于回火保溫時(shí)間，視硬度要求和工件大小而定，我們認(rèn)為，回火后的

14、硬度取決于回火溫度，與回火時(shí)間關(guān)系不大，但必須回透，一般工件回火保溫時(shí)間總在一小時(shí)以上。調(diào)質(zhì)使用的設(shè)備為井式爐(額定溫度950)。檢測時(shí)硬度22025O HBS。3.2.3 操作技巧由于工件尺寸超過45鋼淬火水冷的臨界尺寸，因此淬火前主軸各部位需經(jīng)粗加工，留4 5 mm(包括內(nèi)孔)加工余量進(jìn)行調(diào)質(zhì)，確保調(diào)質(zhì)層的有效保留。調(diào)質(zhì)熱處理多件集中裝爐時(shí)，應(yīng)垂直吊掛且工件必須相互間隔20 mm以上，以確保工件加熱均勻、變形小。33 錐孔及外錐體的局部淬火3.3.1 局部淬火方式外錐體鍵槽部位不淬硬，應(yīng)用石棉繩等物填充加以保護(hù)，錐孔和外錐體部分可采用鹽浴快速加熱并水淬，經(jīng)回火后，其硬度應(yīng)達(dá)45 HRC。3

15、.3.2 熱處理工藝熱處理工藝：淬火900±10 ，保溫20 min，水冷。設(shè)備：鹽浴爐(額定溫度950)?；鼗穑?80200 ，保溫225 h，空冷。設(shè)備：硝鹽回火爐(額定溫度600)。檢測：硬度4550 HRC3。3.3.3 操作技巧采用超過45鋼正常淬火溫度的900進(jìn)行快速加熱，使錐孔及外錐體的表面快速達(dá)到淬火溫度，進(jìn)行淬火冷卻，可以保證錐孔及外錐體表面的硬度和性能要求，又可減小錐孔及外錐體的局部加熱對軸頸部位的影響，減小熱處理變形量。34 花鍵高頻淬火3.4.1 淬火方式花鍵部分可采用高頻淬火以減少變形并達(dá)到表面淬硬，經(jīng)回火后，表面硬度可達(dá)4853 HRC。3.4.2 花鍵高

16、頻淬火工藝參數(shù) 花鍵高頻淬火工藝參數(shù)如下表：表3.1 花鍵高頻淬火工藝參數(shù)設(shè)備GP100一L3高頻淬火機(jī)床加熱頻率25O kHz工件轉(zhuǎn)速350 rmin燈絲電壓33 V移動(dòng)速度2 mins陽極電壓12000 V加熱溫度850±10陽極電流7 A冷卻介質(zhì)及冷卻方式25清水(O3Mpa)噴淋冷卻柵級電流1.2A槽路電壓5 000 V感應(yīng)器型號55 mm × 10 mm(內(nèi)徑×高度)3.4.3 花鍵回火工藝參數(shù) 花鍵回火工藝參數(shù)如下表：表3.2 花鍵回火工藝參數(shù)5回火設(shè)備空氣回火爐回火溫度180保溫時(shí)間6 h檢測技術(shù)條件檢驗(yàn)方法硬度4853 HRC洛氏硬度計(jì)機(jī)檢允許變形

17、量O30 mm頂尖、百分表檢查3.4.4 操作技巧由于花鍵部位存在直角過渡，為避免淬硬層過深，應(yīng)力集中造成尖角開裂，一般采用高頻而不是中頻設(shè)備進(jìn)行淬火，淬硬層深度可達(dá)12mm。同時(shí)，淬火后的及時(shí)回火，也能減緩尖角部位的開裂傾向。 另外由于采用立式高頻淬火機(jī)床，工件的重心應(yīng)偏下，所以應(yīng)將主軸的錐頭置于機(jī)床下方的旋轉(zhuǎn)卡盤或頂尖上(采用卡盤時(shí)，必須配置相應(yīng)的夾持工裝；采用頂尖時(shí)，必須配置與內(nèi)錐孔相配合的錐桿，以帶動(dòng)主軸均勻旋轉(zhuǎn))，主軸的上端采用頂尖頂持。鑒于花鍵高頻淬火的硬化層深，使用花鍵部位淬火后的加工余量一般為0506 mm，其余軸頸部位留加工余量115 mm。對于變形量超標(biāo)的產(chǎn)品，盡量采用磨削加工保證。4 結(jié)語總之，由于軸較長，且錐孔與外錐體對兩軸頸的同心度要求高，故錐部淬火應(yīng)與花鍵淬火分開進(jìn)行，這樣可減少淬火變形，并且錐部淬火及回火后，需用粗磨來糾正淬火變形。然后再進(jìn)行花鍵的加工與淬火。最后用精磨來消除總的變形，從而保證主軸的裝配質(zhì)量。參考文獻(xiàn)1 崔忠析主編.金屬學(xué)與熱處理（第二版）M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.52