40Cr车床主轴热处理工艺设计教学文案.doc

40Cr车床主轴热处理工艺设计

精品资料

攀枝花学院
学生课程设计（论文）

题 目 40Cr车床主轴热处理工艺设计
学生姓名： X X X
学 号： 201111102XXX
所在院(系)： 材料工程学院
专 业： 20XX级材料成型及控制工程
班 级： 材料成型及控制工程
指 导 教 师： X X X 职称： 讲 师

2013年12月15日
攀枝花学院教务处制
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攀枝花学院本科学生课程设计任务书
题　目
40Cr车床主轴热处理工艺设计
1、课程设计的目的
使学生了解、设计40Cr车床主轴的热处理工艺，融会贯通相关专业课程理论知识，培养学生综合运用所学知识、分析问题和解决问题的能力。
2、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）
内容
① 明确设计任务（包括用途、服役条件及性能要求）
② 绘出热处理件零件图
③ 给出设计方案
④ 写出设计说明
⑤ 设计质量检验项目
⑥ 设计热处理工艺卡片
⑦ 40Cr车床主轴的热处理缺陷及预防或补救措施
要求：
① 通过查找资料充实、完善各项给定的设计内容。
② 分析热处理过程中可能出现的缺陷，针对这些缺陷提出预防措施或补救措施。
③ 提交设计说明书（报告），2千字以上。
3、主要参考文献
① 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.
② 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
③ 王建安. 金属学与热处理[M]. 北京：机械工业出版社，1980
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 夏立芳主编. 金属热处理工艺学. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 2005
⑦ 中国机械工程学会热处理分会．热处理工程师手册［Ｍ］．机械工业出版社．2003．第一版.
⑧ 张玉庭主编．热处理技师手册［Ｍ］．机械工业出版社．2006．第一版
⑨ 中国机械工程学会热处理学会．热处理手册［Ｍ］．机械工业出版社．2003．第三版.
4、课程设计工作进度计划
第16周：对给定题目进行认真分析，查阅相关文献资料，做好原始记录。
第17周：撰写课程设计说明书，并进行修改、完善，提交设计说明书。
指导教师（签字）

日期
年 月 日
教研室意见：

年 月 日
学生（签字）：
接受任务时间： 年 月 日
注：任务书由指导教师填写。

课程设计（论文）指导教师成绩评定表
题目名称

评分项目
分值
得分
评价内涵
工作
表现
20%
01
学习态度
6

遵守各项纪律，工作刻苦努力，具有良好的科学工作态度。
02
科学实践、调研
7

通过实验、试验、查阅文献、深入生产实践等渠道获取与课程设计有关的材料。
03
课题工作量
7

按期圆满完成规定的任务，工作量饱满。
能力
水平
35%
04
综合运用知识的能力
10

能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题，能正确处理实验数据，能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。
05
应用文献的能力
5

能独立查阅相关文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。
06
设计（实验）能力，方案的设计能力
5

能正确设计实验方案，独立进行装置安装、调试、操作等实验工作，数据正确、可靠；研究思路清晰、完整。
07
计算及计算机应用能力
5

具有较强的数据运算与处理能力；能运用计算机进行资料搜集、加工、处理和辅助设计等。
08
对计算或实验结果的分析能力（综合分析能力、技术经济分析能力）
10

具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能力。
成果
质量
45%
09
插图（或图纸）质量、篇幅、设计（论文）规范化程度
5

符合本专业相关规范或规定要求；规范化符合本文件第五条要求。
10
设计说明书（论文）质量
30

综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；实验正确，分析处理科学。
11
创新
10

对前人工作有改进或突破，或有独特见解。
成绩

指导教师评语

指导教师签名： 年　月　日

目录

1.摘要……………………………………………………………………………….1
2 设计分析
2.1车床的使用工况及性能要求析……………………………………………...…..6
2.2 40Cr钢的成分及性能点…………………………………………………..…6
2.2.1 40Cr钢的元素成分及其作用…………………………………………….6
2.2.2 40Cr钢的性能………………………………………………………….6
2.3 热处理技术条件………………………………………………………….…..7
3 热处理工艺分析
3.1 锻坯正火…………………………………………………………………….7
3.1.1锻坯正火的作用………………………………………………………….8
3.1.2 热处理工艺………………………………………………………..…….8
3.1.3 操作技巧……………………………………………………………..….9
3.2调质……………………………………………………………………….....9
3.2.1 调质目的…………………………………………………………………9
3.2.2 热处理工艺……………………………………………………………….10
3.2.3 操作技巧………………………………………………………………….10
3.3 锥孔及外锥体的局部淬火………………………………………………………10
3.3.1 局部淬火方式……………………………………………………………..10
3.3.2 热处理工艺………………………………………………………………..10
3.3.3 操作技巧……………………………………………………………….…10
3.4 花键高频淬火…………………………………………………………………11
3.4.1 淬火方式…………………………………………………………………11
3.4.2 花键高频淬火工艺参数……………………………………………………11
3.4.3 花键回火工艺参数……………………………………………………..…11
3.4.4 操作技巧………………………………………………………………….11
4 结语………………………………………………………………………………12
参考文献……………………………………………………………………..……..12

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。40Cr是我国GB的标准钢号，40Cr钢是机械制造业使用最广泛的钢之一。调质处理后具有良好的综合力学性能，良好的低温冲击韧性和低的缺口敏感性。钢的淬透性良好，水淬时可淬透到Ф28～60mm,油淬时可淬透到Ф15～40mm。这种钢除调质处理外还适于氰化和高频淬火处理。切削性能较好，当硬度为HB174～229时，相对切削加工性为60%。该钢适于制作中型塑料模具。

关键词：40Cr，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。

图1 C6132卧式车床主轴零件图

2.2 40Cr钢的成分及性能特点
2.2.1 40Cr钢的元素成分及其作用
40Cr钢的元素成分及作用如下表：
表2.1 40Cr钢的元素成分及作用[1]
元素
C
Si
Mn
Cr
含量
0.37~0.44
0.17~0.37
:0.50~0.80
0.80~1.10
作用

固溶强化
提高淬透性
提高回火稳定性
2.2.2 40Cr钢的性能
为了了解40Cr钢的性能我们查热处理手册得到的标准性能如下：
中碳调质钢，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。

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220～250 HBW；
2)内锥孔和外锥体硬度为45～5O HRC；
3)花键部分硬度为48～53 HRC[3]。
在进行热处理前，我们结合车床主轴的力学性能以及40Cr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。

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1．5 h，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217 HBW[3]。

温
度 Ac3（550~600）
/t

加热 保温6~8 空冷

0 时间/h
去应力退火工艺曲线
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20 mm 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220～250 HBS。
3.2.2 热处理工艺
材料进行调质过后，硬度达到了220～250 HBS，然后我们需要进行热处理工艺，其如下：
1） 淬火时的温度应该保持在840±10℃ 。
2） 淬火过程中应该保温1．5 h，水冷。
3） 回火时温度应该保持在580±l0℃ 。
4） 回火时应该保温2～2．5 h，空冷。
5）调质使用的设备为井式炉(额定温度950℃)。
6）检测时硬度220～25O HBS。[3]
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～ 5 mm(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20 mm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45 HRC。
3.3.2 热处理工艺
热处理工艺：淬火900±10℃ ，保温20 min，水冷。
设备：盐浴炉(额定温度950℃)。
回火：180～200℃ ，保温2～2．5 h，空冷。
设备：硝盐回火炉(额定温度600℃)。
检测：硬度45～50 HRC[3]。
3.3.3 操作技巧
采用超过40Gr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48～53 HRC。
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[4]
设备
GP～100一L3高频淬火机床
加热频率
25O kHz
工件转速
350 r／min
灯丝电压
33 V
移动速度
2 min／s
阳极电压
12000 V
加热温度
850±10℃
阳极电流
7 A
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
5 000 V
感应器型号
55 mm × 10 mm
(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
6 h
检测
技术条件
检验方法
硬度
48～53 HRC
洛氏硬度计机检
允许变形量
≤O．30 mm
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0．5～0．6 mm，其余轴颈部位留加工余量1～1．5 mm。对于变形量超标的产品，尽量采用磨削加工保证。

6 热处理工艺卡片

零件名称： 40Cr车床主轴
热处理工艺卡
处理要求： 下料、锻造、预备热处理(完全退火)、机械加工、淬火+低温回火、平磨、组装
热处理技术要求：恰当控制温度和时间
硬度：大于等于170HBW
材料：A钢
工序号
名称
设 备
工具
装 料
工 艺 规 范
冷 却
备 注

工具数量
一工具装数量/
件
温度/℃
加热时间
保温时/h间
合计
介质
温度/℃

1
锻造加热

1000~1050
--
--
--
炉冷

2
完全退火

1180~1200
5min
1h
1h
油

3
渗碳

900~950
5min
2h
2h
渗碳气氛

4
淬火

10
1h
1-2
2-3h
空气

5
低温回火

170～180
2h
3-5

6

7

8

9

10

更该日期

更改
单号

更改
标准
更改者

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。40Cr钢属于中碳调质钢，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。

参考文献

① 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.
② 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
③ 王建安. 金属学与热处理[M]. 北京：机械工业出版社，1980
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 夏立芳主编. 金属热处理工艺学. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 2005
⑦ 中国机械工程学会热处理分会．热处理工程师手册［Ｍ］．机械工业出版社．2003．第一版.
⑧ 张玉庭主编．热处理技师手册［Ｍ］．机械工业出版社．2006．第一版
⑨ 中国机械工程学会热处理学会．热处理手册［Ｍ］．机械工业出版社．2003．第三版.