主动螺旋锥齿轮材料选择及工艺设计汇总.docx

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主动螺旋锥齿轮材料选择及工艺设计汇总

目录

0前言 ...............................................................................1

1装载机主动螺旋锥齿轮的服役条件及性能要求........1

1.1 主动螺旋锥齿轮零件的服役条件 .................................2

1.2 主动螺旋锥齿轮的性能要求 ........................................2

1.3主动螺旋锥齿轮的技术要求.......................................6

2 主动螺旋锥齿轮材料的选择 ......................................3

2.1齿轮材料选择的基本原则.........................................3

2.2主动螺旋锥齿轮常用材料.........................................4

2.3选出主动螺旋锥齿轮材料...........................................5

3 20CrMnTi螺旋锥齿轮加工工艺制定及分析 ..........6

3.1锻造 ..........................................................................6

3.2 正火 ..........................................................................6 

3.3 高温回火....................................................................7

3.4 渗碳...........................................................................7

3.5淬火及低温回火..........................................................9

3.6喷丸处理..................................................................10

3.7磨齿.........................................................................10

4 锥齿轮热处理过程可能产生的缺陷及预防措施 ...11

5 锥齿轮使用中可能出现的失效形式及分析 ..........13

6 心得体会 .................................................................. 15

装载机主动螺旋锥齿轮材料的选择及工艺设计

0前言

装载机是一种广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等建设工程的土石方施工机械，它主要用于铲装土壤、砂石、石灰、煤炭等散状物料，也可对矿石、硬土等作轻度铲挖作业。

换装不同的辅助工作装置还可进行推土、起重和其他物料如木材的装卸作业。

在道路、特别是在高等级公路施工中，装载机用于路基工程的填挖、沥青混合料和水泥混凝土料场的集料与装料等作业。

此外还可进行推运土壤、刮平地面和牵引其他机械等作业。

由于装载机具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点，因此它成为工程建设中土石方施工的主要机种之一。

装载机的铲掘和装卸物料作业是通过其工作装置的运动来实现的。

装载机工作装置由铲斗、动臂、连杆、摇臂和转斗油缸、动臂油缸等组成。

整个工作装置铰接在车架上。

铲斗通过连杆和摇臂与转斗油缸铰接，用以装卸物料。

动臂与车架、动臂油缸铰接，用以升降铲斗。

铲斗的翻转和动臂的升降采用液压操纵。

装载机作业时工作装置应能保证：

当转斗油缸闭锁、动臂油缸举升或降落时，连杆机构使铲斗上下平动或接近平动，以免铲斗倾斜而撒落物料；当动臂处于任何位置、铲斗绕动臂铰点转动进行卸料时，铲斗倾斜角不小于45°，卸料后动臂下降时又能使铲斗自动放平。

目前国产装载机正在从低水平、低质量、低价位、满足功能型向高水平、高质量、中价位、经济实用型过渡。

从仿制仿造向自主开发过渡，各主要厂家不断进行技术投入，采用不同的技术路线，在关键部件及系统上技术创新，摆脱目前产品设计雷同，无自己特色和优势的现状，从低水平的无序竞争的怪圈中脱颖而出，成为装载机行业的领先者。

齿轮在装载机工作过程中起着重要的作用，本文着重介绍装载机螺旋锥齿轮材料的选择以及其制作工艺。

1装载机主动螺旋锥齿轮的服役条件及性能要求

1.1主动螺旋锥齿轮零件的服役条件

齿轮在装载机工作过程中起着传递动力和改变速度的作用，啮合齿面间既有滚动、又有滑动，轮齿根部还受到脉动或交变弯曲的作用。

在由此而引起的各种应力的作用下，齿轮将发生轮齿折断、齿面胶合、齿面疲劳及齿面磨损等失效情况。

引起齿轮失效的主要应力有：

摩擦力、接触应力和弯曲应力。

根据齿轮失效的形式和原因，在选择齿轮材料及热处理方法是应从以下几个方面考虑：

（1）齿轮表面有足够的硬度。

齿面存在实际上的凹凸不平，因而局部会产生很大的压强，引起金属塑性变形或嵌入相对表面，导致金属直接接触和粘着，当啮合齿面相对滑动是，产生了摩擦力。

齿面磨损就是由于相互摩擦的结果。

减少这类磨损的关键是提高轮齿表面的塑变抗力，即提高齿面硬度。

提高齿面硬度还可以改善齿面接触状态，从而提高齿面的抗疲劳能力。

（2）轮齿芯部要有足够的强度和韧性，以保证在变载或冲击载荷作用下，轮齿有足够的抗冲击能力。

（3）大小齿轮应有一定的硬度差，以提高其抗胶合能力。

（4）考虑材料加工性和经济性。

1.2主动螺旋锥齿轮的性能要求

螺旋锥齿轮是装载机的主要传动零件，主动螺旋锥齿轮是将汽车变速器传过来的动力传递给从动锥齿轮，从动锥齿轮再将动力传递给差速器。

因此，零件结构上主动螺旋锥齿轮是齿轮轴，一端是花键，与变速器动力输出轴相连，另一端是螺旋锥齿轮；从动锥齿轮是盘状齿轮，直径大于主动螺旋锥齿轮，起到减速作用，同时沿圆周均布一些螺栓孔，使从动锥齿轮通过螺栓固定在差速器壳上，将减速后的动力传递给差速器。

主动锥齿轮既有高的传动速度，同时又传递较大的扭矩，而且在装载和刹车时承受冲击载荷。

这类齿轮的主要失效方式有磨损、点蚀和断裂。

故主动螺旋锥齿轮应满足如下性能要求：

良好的力学性能；

良好的渗碳淬火性能；

良好的抗冲击性能；

良好的心部硬度；

良好的热变形性能。

1.3主动螺旋锥齿轮的技术要求

综合上述主动螺旋锥齿轮的服役条件及性能要求，提出如下技术要求：

锻件不得有任何锻造缺陷。

正火处理HB179-217。

表面渗碳硬度为HRC58-62，心部硬度为HRC32-45，过渡层硬度变化应该缓慢直到基体低碳，渗碳深度为1.0～1.4mm，含碳量为0.8%～1.05%。

金相检验标准应符合《汽车渗碳齿轮金相检验标准》（JB1673-75）规定。

低温回火做喷丸处理。

2主动螺旋锥齿轮材料的选择

2.1齿轮材料选择的基本原则

齿轮材料的种类很多，在选择时应考虑以下几点因素，以选择出适合的材料：

（1）齿轮材料必须满足工作条件的要求。

例如，用于飞行器上的齿轮，要满足质量小、传递功率大和可靠性高的要求，因此必须选择机械性能高的合金钢；矿山机械中的齿轮传动，一般功率很大、工作速度较低、周围环境中粉尘含量极高，因此往往选择铸钢或铸铁等材料；家用及办公用机械的功率很小，但要求传动平稳、低噪声或无噪声、以及能在少润滑状态下正常工作，因此常选用工程塑料作为齿轮材料。

总之，工作条件的要求是选择齿轮材料时首先应考虑的因素。

（2）应考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成型方法及热处理和制造工艺。

大尺寸的齿轮一般采用铸造毛坯，可选用铸钢或铸铁作为齿轮材料。

中等或中等以下尺寸要求较高的齿轮常选用锻造毛坯。

可选择锻钢制作。

尺寸较小而又要求不高时，可选用圆钢作毛坯。

齿轮表面硬化的方法有：

渗碳、氮化和表面淬火。

采用渗碳工艺时，应选用低碳钢或低碳合金钢作齿轮材料；氮化钢和调质钢能采用氮化工艺；采用表面淬火时，对材料没有特别的要求。

（3）正火碳钢，不论毛坯的制作方法如何，只能用于制作在载荷平稳和轻度冲击下工作的齿轮，不能承受大的冲击载荷；调质碳钢可用于制作在中等冲击载荷下工作的齿轮。

（4）合金钢常用于制作高速、重载并在冲击载荷下工作的齿轮。

（5）飞行器中的齿轮传动，要求齿轮尺寸尽可能小，应采用表面硬化处理的高强度合金钢。

（6）金属制的软齿面齿轮，配对两轮齿面的硬度差应保持为30～50HBS或更多。

当小齿轮与大齿轮的齿面具有较大的硬度差（如小齿轮齿面为淬火并磨制，大齿轮齿面为正火或调质），且速度又较高时，较硬的小齿轮齿面对较软的大齿轮齿面会起较显著的冷作硬化效应，从而提高了大齿轮齿面的疲劳极限。

因此，当配对的两齿轮齿面具有较大的硬度差时，大齿轮的接触疲劳许用应力可提高约20％，但应注意硬度高的齿面，粗糙度值也要相应地减小。

2.2主动螺旋锥齿轮常用材料

目前国内重载螺旋锥齿轮用材大致有20CrMo、20CrMnTi、20CrMoH、20CrNi3等。

上述材料可应用于装载机螺旋锥齿轮。

（1）20CrMnTi是渗碳钢，渗碳钢通常为含碳量为0.17%-0.24%的低碳钢。

汽车上多用其制造传动齿轮，是中淬透性渗碳钢中CrMnTi钢，其淬透性较高，在保证淬透情况下，具有较高的强度和韧性，特别是具有较高的低温冲击韧性。

20CrMnTi表面渗碳硬化处理用钢。

良好的加工性，加工变形微小，抗疲劳性能相当好。

主要用途有：

用于齿轮，轴类，活塞类零配件以及汽车，飞机各种特殊零件部位。

（2）20CrNi3调质或淬火低温回火后有良好的综合力学性能，低温冲击韧性也较好。

此钢有白点敏感倾向，高温回火有回火脆性倾向。

淬火到半马氏体硬度，油淬时可淬透Φ50～70mm。

可切削加工性良好，焊接性中等。

多用于制造高载荷条件下工作的齿轮、轴、蜗杆及螺钉、双头螺栓、销钉等。

（3）20CrMoH是广泛采用的一种结构钢，20CrMoH圆钢，20CrMoH合结钢，20CrMoH钢材找通丰实业，冶炼工艺稳定，淬透性好，碳氮共渗工艺性能良好，热处理后的变形量小，无回火脆性，加工制造性能和焊接性能均良好。

20CrMoH宜制造中、小模数齿轮、轴类等，还可用于中压以下汽轮机处在过热蒸气区压力级工作的叶片。

（4）20CrMo的淬透性较高，无回火脆性，焊接性相当好，形成冷裂的倾向很小，可切削性及冷应变塑性良好。

20CrMo一般在调质或渗碳淬火状态下使用，具有较好的耐磨性、承载能力较高。

用于制造在非腐蚀性介质及工作温度低于250℃、含有氮氢混合物的介质中工作的高压管及各种紧固件、较高级的渗碳零件，如齿轮、轴等。

2.3选出主动螺旋锥齿轮材料

20CrMnTi是性能良好的渗碳钢，其淬透性较高，在保证淬透情况下，具有较高的强度和韧性，特别是具有较高的低温冲击韧性。

具有良好的加工性，特加工变形微小，抗疲劳性能相当好。

经渗碳淬火后具有硬而耐磨的表面与坚韧的心部，具有较高的低温冲击韧性，焊接性中等，正火后可切削性良好。

用于制造截面<30mm的承受高速、中等或重载荷、冲击及摩擦的重要零件，如齿轮、齿圈、齿轮轴十字等。

因此，选用20CrMnTi做为装载机主动螺旋锥齿轮的材料。

3 20CrMnTi主动螺旋锥齿轮加工工艺制定及分析

根据上面零件技术要求，现对20CrMnTi齿轮制定出如下工艺路线：

下料→锻造→正火→粗加工→高温回火→渗碳+淬火+低温回火→