主轴40Cr钢开裂变形失效分析.docx
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主轴40Cr钢开裂变形失效分析
摘要
机床主轴指的是机床上带动工件或刀具旋转的轴。
通常由主轴、轴承和传动件（齿轮或带轮）等组成主轴部件。
在机器中主要用来支撑传动零件如齿轮、带轮，传递运动及扭矩，如机床主轴；有的用来装夹工件，如心轴。
除了刨床、拉床等主运动为直线运动的机床外，大多数机床都有主轴部件。
主轴部件的运动精度和结构刚度是决定加工质量和切削效率的重要因素。
衡量主轴部件性能的指标主要是旋转精度、刚度和速度适应性。
①旋转精度：
主轴旋转时在影响加工精度的方向上出现的径向和轴向跳动（见形位公差），主要决定于主轴和轴承的制造和装配质量。
②动、静刚度：
主要决定于主轴的弯曲刚度、轴承的刚度和阻尼。
③速度适应性：
允许的最高转速和转速范围，主要决定于轴承的结构和润滑，以及散热条件。
主轴是机床上传递动力的零件，常需承受弯曲、扭转、疲劳、冲击载荷的作用，同时在滑动与转动部位还收到摩擦力的作用。
因此，要求主轴具有高温度，硬度，足够的韧性及疲劳强度、变形小等性能，而40Cr钢作为优质的碳素合金结构用钢，具有较佳的综合力学性能，适合于高频淬火，火焰淬火等。
40Cr调质以后的硬度大概在HRC32-36之间,也就是说大概HB330-380之间.为中碳调制钢，冷镦模具钢。
该钢价格适中，加工容易，经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性。
正火可促进组织球化，改进硬度小于160HBS毛坯的切削性能。
在温度550~570℃进行回火，该钢具有最佳的综合力学性能。
该钢的淬透性高于45钢，适合于高频淬火，火焰淬火等表面硬化处理等。
本次毕业设计让我有机会锻炼并加强自己的热力计算能力、工程设计能力、绘图能力以及分析、解决问题的能力，提高自己的写作和编辑能力，以及自己查阅和熟练地运用参考文献的能力，为以后的工作积累宝贵的知识和经验。
关键字：
机床主轴；40Cr；热处理
Abstract
Machinetoolspindlereferstomachinetheworkpieceortoolrotatingshaft.Usuallybythespindle,bearingsandtransmissionparts（gearorbeltwheel）composedofspindleparts.Themachineismainlyusedtosupportthetransmissionpartssuchasgears,pulleys,transmissionofmotionandtorque,suchasmachinetoolspindle;sometoclamptheworkpiece,suchasspindle.Inaddition,broachingmachine,planermainmovementintolinearmovementofthemachinetool,themajorityofmachinetoolshavespindle.Themovementprecisionandthestructureofspindlerigidityisanimportantfactortodeterminethemachiningqualityandcuttingefficiency.Measurementofspindlecomponentsperformanceindexismainlytotherotationaccuracy,stiffnessandrateadaptation.Therotatingprecision:
theshaftinthedirectionaffectstheprocessingprecisionofrotationoftheaxialandradialrunout（seetolerances）,dependsmainlyonthespindleandthebearingmanufacturingandassemblyquality.staticstiffness:
bendingdependsmainlyonthestiffnessofthespindle,bearingstiffnessanddamping.Thespeedofadaptation:
themaximumallowedspeedandspeedrange,structureandmainlydependsonthebearinglubrication,andcoolingcondition.Spindleisapowertransmissionmachineparts,oftenneedtobesubjectedtobending,torsion,fatigue,impactload,atthesametime,slidingandrotatingpartalsoreceivedthefrictionalforce.Therefore,requirementsofspindlewithhightemperature,hardness,toughnessandfatiguestrengthenoughdeformation,andotherperformance,whilethe40Crsteelassteelwithcarbonalloy,hasbettercompositemechanicalproperties,suitablefor,flamehardening.
Afterthe40CrquenchedandtemperedhardnessaboutHRC32-36between,thatistosayaboutHB330-380.Formediumcarbontemperedsteel,coldheadingdiesteel.Thesteelpricemoderate,easyprocessing,canachieveacertaintoughness,ductilityandwearresistanceafterproperheattreatment.Normalizingcanpromotetissueball,improvethecuttingperformanceofhardnessislessthan160HBSblank.Bytemperingatatemperatureof550~570℃,hasthebestmechanicalpropertiesofthesteel.Thehardenabilityofthesteelishigherthanthatof45steel,suitableforhighfrequencyquenching,flamequenchingsurfacehardeningtreatmentetc..
Thegraduationdesignhadbroughtmeanopportunitytoexerciseandstrengthentheabilityofthermodynamiccalculation,engineeringdesign,drawing,analyzingandsolvingproblems,improvedmywritingandeditingcapabilitiesaswellastheabilityofusingreferenceliteratures,fromwhichIgainedvaluableexperienceandknowledgeforfuturework.
Keyword:
Machinetoolspindle;40Cr;heattreatment
目录
摘要I
AbstractIII
第1章绪论1
1.1课题研究的目的、背景及意义1
1.2电机主轴材料40Cr钢的应用背景1
1.3我国现有40Cr钢的应用中产生的问题1
第2章电机主轴材料40Cr钢的组织性能及作用2
2.1电机主轴材料40Cr钢组织性能2
2.240Cr钢的化学成分分析...........................................................................
2.3电机主轴材料40Cr钢的作用...................................................................
第3章电机主轴材料40Cr钢的毛坯尺寸及获得办法
3.1电机主轴材料40Cr钢的毛坯尺寸.....................................................
3.2电机主轴材料40Cr钢的获得办法.....................................................
第4章电机主轴材料40Cr钢的热处理及热处理中出现的问题
4.140Cr钢的热处理....................................................
4.240Cr热处理工艺的制定....................................................
4.3调质处理....................................................
4.4电机主轴材料40Cr钢的热处理中出现的问题......................................
第5章电机主轴材料40Cr钢的出现变形及开裂的原因
5.1淬火中可能存在的问题.......................................................................
5.2非淬火裂纹的特征.......................................................................
5.3正确的工艺路线.......................................................................
第6章减轻和防止出现开裂及变形的措施
6.1减少淬火变形和防止淬火开裂的措施..................................................
6.2减小淬火变形的改进方向.......................................................................
参考文献
结束语
致谢
第1章绪论
1.1课题研究的目的、背景及意义
选题目的：
1、熟悉钢的常用热处理方法及工艺要点；
2、掌握使用热处理的各种器材仪器；
3、在淬火温度及变量相同的情况下回火温度对硬度的影响；
4、认识40Cr对钢的热处理的影响；
选题意义：
一、热处理实验的意义
热处理是将材料在固态下采用适当的方式进行加热,保温和冷却以获得所需组织结构与性能的工艺方法。
通过适当的热处理能显著提高钢的力学性能，以满足零件的使用要求和延长零件的使用寿命；通过热处理能改善钢的加工工艺性能（如切削加工性能、冲压性能等），以提高生产率和加工质量；通过热处理还能消除钢在加工（如铸造、焊接、切削、冷变形等）过程中产生的残余应力，以稳定零件的形状和尺寸。
此外，有时还采用表面强化技术，以进一步提高钢的表面硬度和耐磨寿命。
1.2电机主轴材料40Cr钢的应用背景
40Cr钢已被广泛的采用，这是因为他们不但有较好的物理、化学性质，更重要的是它的机械性能也大为改善，特别是强度、韧度等有显著的增加。
而且它具有优越的热处理性能；同时，热处理能十分显著的改善和加强他的机械性能。
且目前大部分高精度机床如：
坐标镗床、齿轮磨床、螺纹磨床、高精度滚齿机、高精度刻线机都采用40Cr钢作为主轴材料。
1.3我国现有40Cr钢的应用中产生的问题
由于受限于经验和技术，在淬火和回火的环节可能会出现开裂和断纹，热加工时造成的组织缺陷，工件相互重叠造成加热不均匀，等等。
第2章电机主轴材料40Cr钢的组织性能及作用
电机主轴材料40Cr钢的组织性能
40Cr钢的特性
40Cr钢是最常用的合金调质钢，抗拉强度，屈服强度及淬透性均比40钢高，临界淬透直径；油中约为15-40mm,水中约为28-60mm。
断面尺寸在＜50mm时，油淬无自由铁素体析出，故有较高的疲劳强度，当含碳量下降时，经淬火和回火后，除能获得较高的强度外，还有良好的韧性，水淬时，形状复杂的零件容易形成开裂，在450-680℃回火时，有第二类回火脆性倾向，但可随着截面尺寸的减少而减弱，白点敏感性较大，所以锻后宜缓冷，冷变塑性中等，冷顶锻前最予以球化处理，正火或调质后，可削性很好，退火后可削性也较好；钢的焊接性较差，有开裂倾向，所以焊前需预热到100-150℃；一般经调质处理使用。
用途：
适用于制造中等载荷和中等速度工作的零件，如汽车的转向节，后半轴及机床正的齿轮，轴，蜗杆，花键轴等，经淬火及中温回火后可用于制造高载荷，冲击及中速工作的零件，如齿轮，主轴，油泵转子，套环等，也可用于制造各种扳手，经淬火及低温回火后，可用于制造重载荷，低冲击及要求有耐磨性，截面尺寸（厚度）＜25mm的零件，如蜗杆，主轴，套环等，经调质并高频表面淬火后，可制作要求较高的表面硬度及耐磨性而无很大冲击的零件，如齿轮，套筒，轴，销子，连杆，进汽阀等，此外，还适用于进行碳氮共渗处理制造各种传动零件，如直径较大和低温韧性好的齿轮和轴等。
因此，本实验试样直径30mm、高为15mm的圆柱坯料在下面的淬火中能够被淬透。
40Cr钢的物理特性
40Cr钢的弹性模量和切变模量
弹性模量E（20℃）
/MPa
200000～211700
切变模量G（20℃）
80800
表1-1
40Cr钢的线（膨）胀系数
温度/℃
20～200
20～300
20～400
20～500
20～600
20～700
备注
线（膨）胀系数/C-1
（11.9～12.0）×10-6
（13.3～13.4）×10-6
（14.3～14.4）×10-6
（15.0～15.1）×10-6
（15.3～15.4）×10-6
（15.4～15.5）×10-6
1
2
表1-2
1用钢成分（%）：
0.37C，0.30Si，0.66Mn，0.95Cr，0.18Ni，0.016P，0.028S;
2用钢成分（%）：
0.42C，0.29Si，0.69Mn，0.87Cr，0.14Ni，0.010P，0.013S。
40Cr钢的热导率
温度/℃
100
200
300
400
500
600
热导率λ/W·（m·K）-1
32.6
30.9
29.3
28.0
26.7
25.5
表1-3
40Cr钢的化学成分（GB/T3077-1999）ω/%
C
Si
Mn
Cr
S
P
Ni
Cu
0.37～0.45
0.17～0.37
0.50～0.80
0.80～1.10
≤0.030
≤0.030
≤0.25
≤0.030
表1-4
40Cr钢的化学成分分析
（一）碳（C）的影响
从铁碳平衡图中，我们能清楚的看到，钢随着含碳量的增加，钢的基本组织不同，而且在加热与冷却时，组织转变的温度也不相同。
纯铁在加热与冷却过程中，仅发生晶格的变化（同素异形转变）。
所以热处理时其机械性能几乎不发生影响。
但是随着含碳量的增加，热处理将发生显著地作用。
如亚共析钢随着含金量的增高，淬火后强度、硬度都有显著提高；同时含碳量的多少也确定了钢的热处理工艺。
例如亚共析钢随着含碳量的增加，它的A3逐渐降低，因而退火、正火、淬火的加热温度都随之降低。
而过共析钢的正火温度随着含碳量的增高而增高，但淬火温度都是在Ac1以上30-50摄氏度。
而且随着钢中含碳量的增加，淬透性也有所提高，工件淬火后引起的变形也就越大，增加淬火时的困难；同时含碳量增加，使马氏体点下降残余奥氏体的数量增加。
如低碳钢淬火后几乎不含残余奥氏体，而高碳钢则含大量残余奥氏体。
（二）铬（Cr）的影响
铬为碳化物形成元素。
它能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性；阻止晶粒长大，增加钢的淬透性，降低钢的临界冷却速度。
因而，使钢在热处理时，退火、正火、淬火的加热温度与所提高。
并使它在油中便能淬硬。
但他降低了钢的马氏体点，因而增加了钢残余奥氏体量。
使钢的奥氏体不稳定区域变为700-500℃和400-250℃。
提高了钢的硬度和强度，增加了钢在高温回火时强度降低的抗力。
（三）镍（Ni）的影响
Ni能强化铁素体，降低钢的Ac1和Ac3点，从而使热处理时的退火、正火、淬火的加热温度有所降低。
增加了奥氏体的稳定性，降低了钢的临界冷却速度，对钢的淬透性略有增加；但它降低了钢的马氏体点，增加了钢的残余奥氏体量。
对钢的强度和硬度有所提高，但阻止晶粒长大的作用不明显。
（四）硅（Si）的影响
Si能升高Ac1和Ac3点，从而使热处理时的退火、正火、淬火的加热温度增高。
能增加奥氏体的稳定性，降低临界冷却速度，增加钢的淬透性很多，故能使Si合金钢在油中淬硬。
对钢的马氏体区域有什么影响，增加残余奥氏体数量不多。
对钢的强度、硬度增加不多，但却增加了钢的回火脆性和过热与脱碳的敏感性。
（五）锰（Mn）的影响
Mn为碳化物形成元素。
他降低钢的Ac1和Ac3而使钢在热处理时的温度有所降低。
增加奥氏体的稳定性，降低钢的临界冷却速度，同时增加钢的淬透性，但它使残余奥氏体量增加。
可以减少钢在淬火时的变形和增加钢的强度和硬度。
使钢的回火脆性与晶粒长大的作用增大。
（六）硫（S）的影响
硫在通常情况下也是有害元素。
使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。
硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。
所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。
在钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。
（七）铜（Cu）和硼（B）的影响
（1）铜在合金钢中，使钢的Ac3下降，即使热处理的加热度降低；铜还能增加钢的淬透性和增加钢的强度。
硼为钢中的微量元素，一般仅在0.001-0.005%之间，它能增加钢的淬透性，提高钢的热处理温度，而且能提高钢的强度与硬度。
40Cr钢的组织特性
40Cr钢属于亚共析钢，缓冷到室温后的组织为铁索体+珠光体，从钢的分类来看，40Cr钢属于低淬透性调质钢，具有较高的强度，良好的塑性和韧性，即具有良好的机械性能；正火可促进组织球化，改进硬度小于160HBS毛坯的切削性能。
在温度550~570℃进行回火，该钢具有最佳的综合力学性能。
该钢的淬透性高于45钢，适合于高频淬火，火焰淬火等表面硬化处理等。
40Cr钢可用于制造机床的主轴，汽车连杆等零件。
电机主轴材料40Cr钢的作用
40Cr钢经调质后用于制造承受中等负荷及中等速度工作的机械零件，如汽车的转向节、后半轴以及机床上的齿轮、轴、蜗杆、花键轴、顶尖套等；经淬火及中温回火后用于制造承受高负荷、冲击及中等速度工作的零件，如齿轮、主轴、油泵转子、滑块、套环等；经淬火及低温回火后用于制造承受重负荷、低冲击及具有耐磨性、截面上实体厚度在25mm以下的零件，如蜗杆、主轴、轴、套环等；经调质并高频表面淬火后用于制造具有高的表面硬度及耐磨性而无很大冲击的零件，如齿轮、套筒、轴、主轴、曲轴、心轴、销子、连杆、螺钉、螺帽、进气阀等。
此外，这种钢又适于制造进行碳氮共渗处理的各种传动零件，如直径较大和低温韧性好的齿轮和轴[7]。
40cr轴类零件
轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。
它主要用来支承传动零部件，传递扭矩和承受载荷。
轴类零件是旋转体零件，其长度大于直径，一般由同心轴的外圆柱面、圆锥面、内孔和螺纹及相应的端面所组成。
根据结构形状的不同，轴类零件可分为光轴、阶梯轴、空心轴和曲轴等。
轴的长径比小于5的称为短轴，大于20的称为细长轴，大多数轴介于两者之间。
轴用轴承支承，与轴承配合的轴段称为轴颈。
轴颈是轴的装配基准，它们的精度和表面质量一般要求较高，其技术要求一般根据轴的主要功用和工作条件制定，通常有以下几项：
（一）尺寸精度起支承作用的轴颈为了确定轴的位置，通常对其尺寸精度要求较高（IT5～IT7）。
装配传动件的轴颈尺寸精度一般要求较低（IT6～IT9）。
（二）几何形状精度轴类零件的几何形状精度主要是指轴颈、外锥面、莫氏锥孔等的圆度、圆柱度等，一般应将其公差限制在尺寸公差范围内。
对精度要求较高的内外圆表面，应在图纸上标注其允许偏差。
（三）相互位置精度轴类零件的位置精度要求主要是由轴在机械中的位置和功用决定的。
通常应保证装配传动件的轴颈对支承轴颈的同轴度要求，否则会影响传动件（齿轮等）的传动精度，并产生噪声。
普通精度的轴，其配合轴段对支承轴颈的径向跳动一般为0.01～0.03mm，高精度轴（如主轴）通常为0.001～0.005mm。
（四）表面粗糙度一般与传动件相配合的轴径表面粗糙度为Ra2.5～0.63μm，与轴承相配合的支承轴径的表面粗糙度为Ra0.63～0.16μm。
第3章电机主轴材料40Cr钢的毛坯尺寸及获得办法
电机主轴材料40Cr钢的毛坯尺寸
毛坯和材料
毛坯类型
在制订机械加工工艺规程时，正确选择合适的毛坯，对零件的加工质量、材料消耗和加工工时都有很大的影响。
显然毛坯的尺寸和形状越接近成品零件，机械加工的劳动量就越少，但是毛坯的制造成本就越高，所以应根据生产纲领，综合考虑毛坯制造和机械加工的费用来确定毛坯，以求得最好的经济效益
毛坯类型
铸件：
铸件适用于形状较复杂的零件毛坯。
其铸造方法有砂型铸造、精密铸造、金属型铸造、压力铸造等。
较常用的是砂型铸造，当毛坯精度要求低、生产批量较小时，采用木模手工造型法；当毛坯精度要求高、生产批量很大时，采用金属型机器造型法。
铸件材料有铸铁、铸钢及铜、铝等有色金属。
锻件：
锻件适用于强度要求高、形状比较简单的零件毛坯。
锻件又可以分为两种形式
①自由锻件：
利用冲击力或压力，使金属在上、下砧铁之间，产生塑性变形而获得所需形状、尺寸以及内部质量锻件的一种加工方法。
自由锻的特点：
工具简单、通用性强，生产准备周期短。
自由锻件的质量范围可由不及一千克到二
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