45钢车床主轴的热处理工艺设计.docx

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45钢车床主轴的热处理工艺设计

《金属学与热处理》课程设计报告

45钢车床主轴的热处理工艺设计

学院化学工程与现代材料

专业金属材料工程

姓名高治峰

学号********

指导教师张美丽

完成时间

摘要……………………………………………………………………………….1

1引言…………………………………………………………………………....2

2设计分析

2.1车床的使用工况及性能要求析……………………………………………...…..3

2.245号钢的成分及性能点…………………………………………………..…3

2.2.145号钢的元素成分及其作用…………………………………………….4

2.2.245号钢的性能…………………………………………………………..4

2.3热处理技术条件………………………………………………………….….5

2.3.1加工工艺路线………………………………………………………………5

3热处理工艺分析

3.1锻坯正火…………………………………………………………………….5

3.1.1锻坯正火的作用………………………………………………………….5

3.1.2热处理工艺………………………………………………………..…….5

3.1.3操作技巧……………………………………………………………..….5

3.2调质……………………………………………………………………….....6

3.2.1调质目的…………………………………………………………………6

3.2.2热处理工艺……………………………………………………………….6

3.2.3操作技巧………………………………………………………………….6

3.3锥孔及外锥体的局部淬火………………………………………………………6

3.3.1局部淬火方式……………………………………………………………..6

3.3.2热处理工艺………………………………………………………………..6

3.3.3操作技巧……………………………………………………………….…6

3.4花键高频淬火…………………………………………………………………6

3.4.1淬火方式…………………………………………………………………6

3.4.2花键高频淬火工艺参数……………………………………………………7

3.4.3花键回火工艺参数……………………………………………………..…7

3.4.4操作技巧………………………………………………………………….7

4结语………………………………………………………………………………8

参考文献……………………………………………………………………..……..9

摘要

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受到摩擦力的作用。

因此，要求主轴具有高强度、硬度、足够的韧性及疲劳强度、变形小等性能。

而45号钢为优质碳素结构用钢，硬度不高且容易切削加工，直接用在车床主轴上不太合适，所以需要对45号钢进行适当的热处理。

在主轴大端上需要使用锻坯正火，消除毛坯的锻造应力，降低硬度以改善切削加工性能，然后再进行调质，使主轴具有良好的综合力学性能，最后经过淬火后高温回火，其硬度可达220～250HBS，提高主轴的硬度，使主轴能达到良好的工作性能。

在锥孔进行局部淬火使键槽部位不淬硬，提高耐磨性；在花键部分可采用高频淬火减少变形并达到表面淬硬。

车床主轴经过适当的热处理工艺，可以达到良好的工作性能，使主轴能在正常的工作中有足够的硬度，且在花键等部分有良好的耐磨性。

引言

车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。

通过对车床主轴的工作条件及性能要求分析，根据要求选用适当的材料，通过对45号钢的材料成分特点及性能特点，确定车床主轴的热处理工艺。

首先，分析零件的使用工况及性能，根据要求选用材料；然后，确定加工工艺流程，针对流程中的具体热处理工艺查看热处理手册查找钢种的方法、参数等做出设计。

最后，根据钢种设计写出总结。

关键词：

45号钢，车床主轴，热处理工艺。

2设计分析

2.1车床的使用工况及性能要求分析

图1为C6132卧式车床主轴零件简图。

该轴承受交变弯曲应力与扭应力，但由于承受的载荷与转速均不高，冲击作用也不大，故具有一般综合力学性能即可。

但在主轴大端的内锥孔和外锥体，因常与卡盘、顶尖有相对摩擦；花键部位与齿轮有相对滑动，故这些部位要求较高的硬度与耐磨性；主轴在滚动轴承中运转，工作时因轴颈与轴承不发生摩擦，故轴颈无耐磨性要求。

通常,对于要求高强度、硬度和疲劳强度且形状畸变小的主轴,多采用38CrMoAlA钢;受冲击大的常用20Cr、20Mn2B渗碳钢;重载下工作的常用20CrMnTi、12CrNi3A高合金渗碳钢;高精度磨床、镗床主轴采用9Mn2V、GCr15钢。

本零件根据其工作受力及性能要求,可选用45、40Cr或42CrMo钢,考虑到原材料成本及加工复杂情况,选用45钢锻件毛坯制造即可。

2.245号钢的成分及性能特点

2.2.145号钢的元素成分及其作用

45号钢的元素成分及作用

主要成分为 Fe（铁元素），且含有以下少量元素：

C：

0.42~0.50%Si：

0.17~0.37%Mn：

0.50~0.80%

P：

≤0.035%S：

≤0.035%Cr：

≤0.25%Ni：

≤0.25%Cu：

≤0.25%

2.2.245号钢的性能

为了了解45号钢的性能我们查热处理手册得到的标准性能如下：

按照GB/T699-1999标准规定的45钢推荐热处理制度为850℃正火、840℃淬火、600℃回火，达到的性能为屈服强度≥355MPa。

而标准规定的抗拉强度为600MPa，屈服强度为355MPa，伸长率为16％，断面收缩率为40％，冲击功为39J。

所以需要我们根据45号钢的标准规定根据要求进行热处理。

2.3热处理技术条件

车床主轴适合一般力学性能，根据对该轴工作条件的分析，以及结合选材情况，热处理技术条件如下：

1）整体调质后硬度为220～250HBW；

2）内锥孔和外锥体硬度为45～5OHRC；

3）花键部分硬度为48～53HRC[3]。

在进行热处理前，我们结合车床主轴的力学性能以及45号钢的特点，我们做出了热处理技术的条件，所以在热处理中，我们必须根据条件选择适合的热处理方式来达到车床主轴的性能要求。

2.3.1加工工艺路线

备锻造毛坯→正火→机械粗加工→调质→机械半精加工→锥孔及外锥体的局部淬火、回火→粗磨（外圆、锥孔、外锥体）→铣花键→花键高频淬火、回火→精磨（外圆、锥孔、外锥体）。

3热处理工艺分析

3．1锻坯正火

3.1.1锻坯正火的作用

在进行热处理过程中，锻坯正火可以消除毛坯的锻造应力，降低材料的硬度以改善切削加工性能，同时也均匀组织、细化晶粒，以利于切削加工，并为下一步的热处理作组织准备。

这一步是热处理的前奏，所以在热处理工艺中有着至关重要的作用。

3.1.2热处理工艺

经过锻坯正火后，材料的组织达到了良好的热处理效果，所以需要我们再做出适当的热处理来达到材料需要的硬度，热处理工艺如下：

1）锻坯正火的温度应该保持在850±10℃。

2）在锻坯正火过程中应该保温1．5h，空冷。

3）使用的设备为井式炉或箱式炉（额定温度950℃）。

4）检测时的硬度应小于或者等于217HBW[3]。

3.1.3操作技巧

在这个过程中，材料可能会受到很多原因而不能满足我们的要求，所以需要我们有很好的操作技巧来克服这些困难。

在锻坯正火的热处理工艺中我们多采用多件集中装炉，出炉时工件必须相互间隔20mm以上空冷，也可用风扇强制冷却，以确保冷却速度≥100℃／h。

3.2调质

3.2.1调质目的

在进行调质过程中我们的目的是获得均匀细密的回火索氏体组织，细密的索氏体金相组织有利于零件精加工后获得光洁的表面。

同时，也使主轴具有良好的综合力学性能，经淬火后高温回火，其硬度可达220～250HBS。

45号钢的调质 

45号钢是中碳结构钢，冷热加工性能都不错，机械性能较好，且价格低、来源广，所以应用广泛。

它的最大弱点是淬透性低，截面尺寸大和要求比较高的工件不宜采用。

3.2.2热处理工艺

材料进行调质过后，硬度达到了220～250HBS，然后我们需要进行热处理工艺，其如下：

淬火时的温度应该保持在840±10℃。

45号钢淬火温度在A3+（30~50）℃，在实际操作中，一般是取上限的。

偏高的淬火温度可以使工件加热速度加快，表面氧化减少，且能提高工效。

为使工件的奥氏体均匀化，就需要足够的保温时间。

如果实际装炉量大，就需适当延长保温时间。

不然，可能会出现因加热不均匀造成硬度不足的现象。

但保温时间过长，也会也出现晶粒粗大，氧化脱碳严重的弊病，影响淬火质量。

我们认为，如装炉量大于工艺文件的规定，加热保温时间需延长1/5。

淬火过程中应该保温1.5h，水冷。

因为45号钢淬透性低，故应采用冷却速度大的10%盐水溶液。

工件入水后，应该淬透，但不是冷透，如果工件在盐水中冷透，就有可能使工件开裂，这是因为当工件冷却到180℃左右时，奥氏体迅速转变为马氏体造成过大的组织应力所致。

因此，当淬火工件快冷到该温度区域，就应采取缓冷的方法。

由于出水温度难以掌握，须凭经验操作，当水中的工件抖动停止，即可出水空冷（如能油冷更好）。

另外，工件入水宜动不宜静，应按照工件的几何形状，作规则运动。

静止的冷却介质加上静止的工件，导致硬度不均匀，应力不均匀而使工件变形大，甚至开裂。

45号钢调质件淬火后的硬度应该达到HRC56~59，截面大的可能性低些，但不能低于HRC48，不然，就说明工件未得到完全淬火，组织中可能出现索氏体甚至铁素体组织，这种组织通过回火，仍然保留在基体中，达不到调质的目的。

回火时温度应该保持在580±l0℃。

45号钢淬火后的高温回火，加热温度通常为560~600℃，硬度要求为HRC22~34。

因为调质的目的是得到综合机械性能，所以硬度范围比较宽。

但图纸有硬度要求的，就要按图纸要求调整回火温度，以保证硬度。

如有些轴类零件要求强度高，硬度要求就高；而有些齿轮、带键槽的轴类零件，因调质后还要进行铣、插加工，硬度要求就低些。

关于回火保温时间，视硬度要求和工件大小而定，我们认为，回火后的硬度取决于回火温度，与回火时间关系不大，但必须回透，一般工件回火保温时间总在一小时以上。

调质使用的设备为井式炉（额定温度950℃）。

检测时硬度220～25OHBS。

3.2.3操作技巧

由于工件尺寸超过45钢淬火水冷的临界尺寸，因此淬火前主轴各部位需经粗加工，留4～5mm（包括内孔）加工余量进行调质，确保调质层的有效保留。

调质热处理多件集中装炉时，应垂直吊挂且工件必须相互间隔20mm以上，以确保工件加热均匀、变形小。

3．3锥孔及外锥体的局部淬火

3.3.1局部淬火方式

外锥体键槽部位不淬硬，应用石棉绳等物填充加以保护，锥孔和外锥体部分可采用盐浴快速加热并水淬，经回火后，其硬度应达45HRC。

3.3.2热处理工艺

热处理工艺：

淬火900±10℃，保温20min，水冷。

设备：

盐浴炉（额定温度950℃）。

回火：

180～200℃，保温2～2．5h，空冷。

设备：

硝盐回火炉（额定温度600℃）。

检测：

硬度45～50HRC[3]。

3.3.3操作技巧

采用超过45钢正常淬火温度的900℃进行快速加热，使锥孔及外锥体的表面快速达到淬火温度，进行淬火冷却，可以保证锥孔及外锥体表面的硬度和性能要求，又可减小锥孔及外锥体的局部加热对轴颈部位的影响，减小热处理变形量。

3．4花键高频淬火

3.4.1淬火方式

花键部分可采用高频淬火以减少变形并达到表面淬硬，经回火后，表面硬度可达48～53HRC。

3.4.2花键高频淬火工艺参数

花键高频淬火工艺参数如下表：

表3.1花键高频淬火工艺参数

设备

GP～100一L3高频淬火机床

加热频率

25OkHz

工件转速

350r／min

灯丝电压

33V

移动速度

2min／s

阳极电压

12000V

加热温度

850±10℃

阳极电流

7A

冷却介质及

冷却方式

25℃清水（O．3Mpa）

喷淋冷却

栅级电流

1.2A

槽路电压

5000V

感应器型号

55mm×10mm

（内径×高度）

3.4.3花键回火工艺参数

花键回火工艺参数如下表：

表3.2花键回火工艺参数[5]

回火

设备

空气回火炉

回火温度

180℃

保温时间

6h

检测

技术条件

检验方法

硬度

48～53HRC

洛氏硬度计机检

允许变形量

≤O．30mm

顶尖、百分表检查

3.4.4操作技巧

由于花键部位存在直角过渡，为避免淬硬层过深，应力集中造成尖角开裂，一般采用高频而不是中频设备进行淬火，淬硬层深度可达1～2mm。

同时，淬火后的及时回火，也能减缓尖角部位的开裂倾向。

另外由于采用立式高频淬火机床，工件的重心应偏下，所以应将主轴的锥头置于机床下方的旋转卡盘或顶尖上（采用卡盘时，必须配置相应的夹持工装；采用顶尖时，必须配置与内锥孔相配合的锥杆，以带动主轴均匀旋转），主轴的上端采用顶尖顶持。

鉴于花键高频淬火的硬化层深，使用花键部位淬火后的加工余量一般为0．5～0．6mm，其余轴颈部位留加工余量1～1．5mm。

对于变形量超标的产品，尽量采用磨削加工保证。

4结语

总之，由于轴较长，且锥孔与外锥体对两轴颈的同心度要求高，故锥部淬火应与花键淬火分开进行，这样可减少淬火变形，并且锥部淬火及回火后，需用粗磨来纠正淬火变形。

然后再进行花键的加工与淬火。

最后用精磨来消除总的变形，从而保证主轴的装配质量。

参考文献

[1]崔忠析主编.金属学与热处理（第二版）[M].北京：

机械工业出版社，2007.5

[2]王建安.金属学与热处理[M].北京：

机械工业出版社，1980

[3]崔明择主编.工程材料及其热处理[M].北京：

机械工业出版社，2009.7

[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

[6]樊东黎,王广生.热处理手册[M].北京:

机械工业出版社,2001.

[7]吴元徽.国家职业资格培训教材热处理工（高级）[M].北京:

机械工业出版社,2007.

[8]吴元徽.国家职业资格培训教材热处理工（技师、高级技师）[M].北京:

机械工业出版社,2008.