1、20CrMo钢汽车拖拉机变速箱齿轮气体渗碳热处理生产线 课程设计任务书设计题目20CrMo钢汽车、拖拉机变速箱齿轮气体渗碳热处理生产线 学生姓名 学生学号 专业班级 指导老师 设计题目20CrMo钢汽车、拖拉机变速箱齿轮气体渗碳热处理生产线成绩课 程 设 计 主 要 内 容各位同学根据设计题目，编制课程设计任务书，其中应包括如下内容：制定热处理工艺、工作制度、年时基数、生产纲领，选择所需要的热处理设备，最后应给出参考文献，并绘制出设备在车间的平面布置图。具体要求如下：（1）确定工件的形状、尺寸，制定出车间的工作制度、年时基数、生产纲领；（2）对于没有给出材料的零件，选择材料，要论述工件的服役条
2、件及对材料性能的要求；（3）确定工件的加工工艺流程，制定热处理工艺，并且，加以论述其依据；（4）根据热处理工艺选择适当的热处理设备，对主要的加热设备的炉体结构、炉膛尺寸、功率要进行计算和论述，根据生产率确定所需要的台数；（5）合理地设计工件的热处理生产线，画出设备在车间里面的平面布置图（该图要求用计算机绘制，并用A3纸打印出来，图中设备用参考图例画出，其它的要按照国家标准画出）；（6）设计任务书按照如下顺序进行装订：封面、表格、目录、具体内容、参考文献；设计任务书封面、表格请见后面附件，表格中设计题目、课程设计主要内容部分由同学填写，设计任务书除了封面、表格、目录以外，其余每页应该标注页码，并
3、在目录部分自动生成。（7）用同学名字作为文件夹名称，内含设计任务书的Word文档和车间平面布置图CAD文档，两个文件均用同学名字，和课程设计纸质材料一起上交。（8）有关参考文献请参见目录，例如马永杰编著，热处理技术与装备，北京：化学工业出版社，2008，共计16本。指 导 教 师 评 语目录一、 生产线设计任务书概述 1二、 汽车、拖拉机变速箱齿轮工作条件与性能要求 11、齿轮的受力情况 12、齿轮的失效形式 12.1 齿轮磨损失效 12.1.1 齿面磨损 12.1.2 提高齿轮耐磨性的方法 12.2 齿轮接触疲劳失效 22.2.1 齿轮接触疲劳 22.2.2 提高齿轮抗接触疲劳的方法 22.
4、3 齿轮弯曲疲劳失效 22.3.1 齿轮弯曲疲劳 22.3.2 提高齿轮弯曲疲劳强度的方法 23、变速箱齿轮的受力情况与性能要求 23.1变速箱齿轮的工作情况 23.2 变速箱齿轮的性能要求 3三、 确定工件形状、尺寸，制定车间工作制度、年时基数和生产纲领 31、变速箱齿轮的设计 31.1 合理选用模数 32.2 合理选用压力角 33.3 合理选用螺旋角 33.4 合理选用正角度变位 33.5 提高齿顶高系数 42、变速箱齿轮形状和尺寸 43、车间的生产纲领 44、车间的工作制度及年时基数 53.1 工作制度 53.2 年时基数 5四、 材料选择和介绍 61、材料的选择 62、材料成分及组分的
5、作用 62.1 化学成分 62.2 主要组分的作用 6五、 制定热处理工艺 61、变速箱齿轮热处理技术要求 61.1 热处理技术要求 61.2 制定热处理工艺依据 62、变速箱齿轮加工流程 73、变速箱齿轮预备热处理 74、变速箱齿轮气体渗碳 74.1 气体渗碳的概念和应用 74.2 气体渗碳方式 74.3 变速箱齿轮气体渗碳工艺 84.4 变速箱齿轮气体渗碳工艺曲线 85、变速箱齿轮渗碳后热处理 9六、 热处理设备选择与计算 91、热处理设备选型的原则和依据 91.1 热处理设备选择的原则 91.2 热处理设备选择的依据 102、热处理设备的选型 102.1 热处理炉型的选型 102.2 热
6、处理炉生产率 102.3 推杆式炉的设计 102.3.2 正火推杆式炉的设计 112.3.3 气体渗碳推杆式炉设计 122.3.4 回火推杆式炉的设计 132.4 淬火油槽的设计 132.4.1 淬火油需要考虑的因素 142.4.2 淬火油槽及其辅助设备的设计 142.4.3 淬火油槽的防火 142.5 其他辅助设备的选择 152.5.1 气氛控制执行器 152.5.2 清洗设备 152.5.3 清理及强化设备 152.5.4 校直设备 162.5.5运输设备 163、推杆式炉热处理主要技术参数 16七、 热处理车间的布置 171、热处理车间厂房要求 171.1 车间厂房位置的要求 171.2
7、 车间厂房的结构要求 171.3 车间厂房的宽度、高度要求 172、热处理车间内的平面布置 172.1 热处理车间平面布置的原则 172.2 热处理车间设备平面布置间距要求 183、热处理设备平面布置方法 19八、 参考文献 19 20CrMo钢汽车、拖拉机变速箱齿轮气体渗碳热处理一、 生产线设计任务书概述本任务书主要对汽车、拖拉机变速箱齿轮所给出的材料20CrMo进行成分分析。并分析了变速箱齿轮的工作条件和失效形式，提出了改善方法热处理。制定了热处理工艺,选择热处理设备，重点阐述了气体渗碳热处理工艺。最后对生产20CrMo变速箱齿轮的热处理生产车间进行设计，并作出车间平面布置图。本任务书重点
8、是针对热处理工艺方面，对齿轮的设计没有做深层次的研究。只是对20CrMo钢制作变速箱齿轮气体渗碳热处理工艺做了较深层次的研究。二、 汽车、拖拉机变速箱齿轮工作条件与性能要求1、齿轮的受力情况齿轮在传递动力及改变速度的运动过程中，啮合齿面之间既有滚动，又有滑动，而且轮齿根部还受到脉动或交变弯曲应力的作用。齿面和齿根在上述不同应力作用下导致不同的失效形式。齿轮所受到应力主要有三种，即摩擦力、接触应力和弯曲应力。2、齿轮的失效形式2.1 齿轮磨损失效2.1.1 齿面磨损齿面上实际存在着凹凸不平，局部会产生很大的压强而引起金属塑性变形或嵌入相对表面，当啮合齿面相对滑动时便会产生摩擦力，齿面磨损就是由于
9、相互摩擦的结果。齿轮磨损一般有下面几种：氧化磨损、冷胶合磨损、热胶合磨损和磨粒磨损等。2.1.2 提高齿轮耐磨性的方法（1）减少非热影响引起的磨损，诸如氧化磨损、磨粒磨损及冷胶合磨损，这是提高齿面表面的塑变抗力，即提高齿面硬度的另一方法。一般采用表面硬化处理。其中渗碳、碳氮共渗、渗氮、氮碳共渗等处理可以是齿面具有良好的耐磨性。（2）减少摩擦热而引起的胶合磨损的关键是降低啮合齿面间的摩擦力，亦即着力减少齿面之间的摩擦系数。通常采用提高基体硬度并在表面形成软层的方法。2.2 齿轮接触疲劳失效2.2.1 齿轮接触疲劳齿轮的接触疲劳破坏是由于作用在齿面上的接触应力超过了材料的疲劳极限而产生的。在齿轮的
10、使用过程中可以看到，软齿面齿轮往往以麻点破坏为主，硬齿面齿轮则以疲劳剥落为主。一般齿面疲劳破坏的主要形式：表面麻点、浅层剥落和深层剥落。2.2.2 提高齿轮抗接触疲劳的方法（1）麻点的形成与表面金属的塑性变形密切相关，而且由于摩擦力的存在，疲劳裂纹大多在表面萌生，裂纹的扩展则是由于润滑油的挤入而产生油楔作用的结果。提高齿面的硬度，改善齿面的接触状况，可以有效地提高麻点破坏的抗力。（2）冶金因素。降低钢中非金属夹杂物、控制钢材的纤维流向(表1为钢材的纤维流向与接触疲劳寿命的关系)、齿面脱碳、黑色组织和碳化物形态及分布。表1 钢材的纤维流向与接触疲劳寿命的关系类型工作面与纤维流向夹角寿命比02.5
11、451.8901.0 2.3 齿轮弯曲疲劳失效2.3.1 齿轮弯曲疲劳齿轮的弯曲疲劳破坏是齿根部受到的最大振动幅的脉动或交变弯曲应力超过了齿轮材料的弯曲疲劳极限而产生的。2.3.2 提高齿轮弯曲疲劳强度的方法提高齿轮弯曲疲劳强度的基本途径是提高齿根处材料的强度（硬度）及改善应力状态。改善齿轮弯曲疲劳强度通过一些物理冶金因素如：降低非金属夹杂物含量、防止材料表面脱碳、控制材料的金相组织、保留残留压应力、提高材料的心部硬度等。3、变速箱齿轮的受力情况与性能要求3.1变速箱齿轮的工作情况变速箱齿轮为汽车、拖拉机等发动机的重要部件，用于改变发动机曲轴和传动轴的速度比。故齿面在较高的载荷（冲击载荷和交变
12、载荷等）下工作，因此磨损快。在工作过程中，通过齿面的接触传递动力，两齿面在相对运动过程中，既有滚动也有滑动，存在较大的压应力和摩擦力，经常换挡使齿端部受到冲击。3.2 变速箱齿轮的性能要求从上述齿轮的失效和变速齿轮的工作情况来看，要求变速箱齿轮具有较高的抗弯强度、接触疲劳和良好的耐磨性，心部有足够的强度和冲击韧性。三、 确定工件形状、尺寸，制定车间工作制度、年时基数和生产纲领1、变速箱齿轮的设计1.1 合理选用模数模数是齿轮的一个重要的基本参数、模数越大，齿厚也就越大，齿轮的弯曲强度也越大，它的承载能力也就越大。反之模数越小，齿厚就越薄，齿轮的弯曲强度也就越小。考虑到变速箱齿轮其承受的弯曲应力
13、较大，本设计选择变速箱齿轮的模数m=3。2.2 合理选用压力角齿轮的渐开线齿形取决于基圆的大小，基圆的大小受到压力角的 。对于同一分度圆的齿轮而言，若其分度圆压力角不同，基圆也就不同。分度圆相同时压力角越大，基圆直径就越小，渐开线就越弯曲，轮齿的齿根就会变厚，齿面曲率半径增大，从而可以提高轮齿的弯曲强度和接触强度。本设计选择我国规定的标准压力角=20。3.3 合理选用螺旋角与直齿轮相比，斜齿轮具有传动平稳，重合度大，冲击小和噪声小等优点。变速箱齿轮大多数使用斜齿轮。从理论上讲，螺旋角越大越好，但螺旋角增大，会使轴向分力也增大，从而使得传递效率降低了。为了保证齿轮传动的平稳性、低噪声和少冲击，本
14、设计选择螺旋角=30。3.4 合理选用正角度变位对于良好润滑条件的硬齿面齿轮传动，一般认为其主要危险是在循环交变应力作用下，齿根的疲劳裂纹逐渐扩张造成齿根断裂而失效。变速箱中的齿轮，为了避免齿轮折断，应尽量提高齿根弯曲强度，运用正变位。一般变位系数越大，齿形系数值越小，齿轮上弯曲应力越小，齿轮弯曲强度就越高。硬齿面的齿轮传动中，齿面点蚀剥落也是失效原因之一，增大啮合角可降低齿面间的接触应力和最大滑动率，能大大提高抗点蚀能力。而增大啮合角，则必须对一副齿轮都实行正变位，这样既能提高齿面的接触强度，又可提高齿根的弯曲强度。但是对于斜齿轮传动，变位系数过大，又会是齿轮总的接触线长度缩短，反而降低其承
15、载能力；同时，变位系数越大，由于齿顶圆要随之增大，其齿顶厚度将会变小，这会影响齿顶的强度。所以变速箱齿轮的总变位系数要根据实际情况来选定。本设计对齿轮设计不是重点,所以在此也不做格外的要求，但是对齿轮的基本设计还是有必要的。3.5 提高齿顶高系数齿顶高系数影响这重合度，在斜齿轮中主要影响断面重合度，从而影响齿轮传动平稳度。但是，齿顶高系数越大，齿顶厚度就会越薄，从而影响齿顶强度。因此，在保证不根切和齿顶强度足够的情况下，增大齿顶高系数。本设计选用齿顶高系数为1.0。表2 变速箱齿轮的基本参数齿顶圆直径da(mm)法向模数mn(mm)齿轮齿数Z螺旋角法向压力角n齿顶高ha(mm)196.2563
16、5530203齿根圆直径df端面模数mt(mm)分度圆直接d(mm)全齿高 h(mm)端面压力角t齿根高hf(mm)187.7563.461190.5266.7522.803.752、变速箱齿轮形状和尺寸根据上述齿轮的设计可以得出变速箱齿轮的尺寸如下图所示：汽车、拖拉机变速箱齿轮（20CrMo）3、车间的生产纲领生产纲领是指车间承担的热处理件生产量，是根据项目产品产量已经单台产品热处理件数量、重量和零件热处理工艺要求，同时结合产品特点、企业生产工艺水平确定的备（废）品率基数出产品热处理纲领，然后加上辅助专业提出的工具机修件数量总和编制而成的。估算单个变速箱齿轮的重量：质量m=V 取7.9g/c
17、m3m(19019026+949416-606042)47.9=5.763kg表3 热处理生产纲领表产品材料日产件数 个工件重量kg年热处理件重/t备注计划量备品量实际量齿轮20CrMo781 5.76311204、车间的工作制度及年时基数3.1 工作制度本车间生产变速箱齿轮，其包括锻造、预热处理、渗碳、最终热处理等工序，采用二班制，阶段工作制。3.2 年时基数设备设计年时基数 设备设计年时基数为设备在全年内的总工时数，等于在全年工作日内应工作的时数减去各种时间损失，即 F 设 =D设 Nn(1-b%)式中：F设设备年时基数；D设设备全年工作日，等于全年日数（365）天全年假日（10）天全年星
18、期双休日（106天）=249天；N每日工作班数；n每班工作时数，一般为8小时，第三班是6.5小时；b损失率，时间损失包括设备检修及事故损失，工人非全日缺勤而无法及时调度的损失，以及每班下班前设备和场地清洁工作所需的停工损失。见表4为设备的年时基数表4 热处理车间设备设计年时基数项目生产性质工作班制全年工作日每班工作时数年时基数一般设备及热处理设备阶段工作制32498、6.55378.4工人设计年时基数 热处理车间工人年时基数可依下式计算 F人=D人 n(1-b%)式中：F人工人年时基数（h）；D人工人全年工作日（249天）；b时间损失率，一般取4%；时间损失包括病假、事假、探亲假、产假及哺乳、
19、设备清扫、工作休息等工时 损失。见表5为热处理工人车间时年基数表5 热处理车间工人车间设计年时基数项目全年工作日工作班制每班工作时数年时基数一般工作条件24938、6.55378.4四、 材料选择和介绍1、材料的选择根据该齿轮的工作特点，结合其使用要求，应该选用该低合金渗碳钢，一是含有较多的合金元素，确保了渗碳后淬透性，减少齿轮的变形量，二是齿轮基体的强度和韧性得到了保障，能够满足齿轮的工作要求。给定的材料为20CrMo气体渗碳钢，用来制作变速箱齿轮是适合的，该钢的淬透性和心部强度较高。含碳量低故可使齿轮心部具有良好的韧性；2、材料成分及组分的作用2.1 化学成分碳 C：0.180.23 硅
20、Si：0.170.37 锰 Mn：0.400.70 磷 P：0.030 硫 S：0.025 铬 Cr：0.801.10 钼 Mo：0.150.25 （质量分数，%）2.2 主要组分的作用合金元素Cr和Mo的存在提高了淬透性，心部得到低碳马氏体组织，增强了钢的强度；而Cr、Mo元素还有促进渗碳、提高渗碳速度的作用，对高温渗碳温度敏感；Cr和Mn元素能促进回火脆性的显著增大，而Mo能有效的抑制高温回火脆性，并且能够提高回火稳定性。在渗碳时，晶粒容易长大，Mo在一定程度下能够降低晶粒长大倾向。五、 制定热处理工艺1、变速箱齿轮热处理技术要求1.1 热处理技术要求汽车、拖拉机变速箱齿轮常用钢种为20C
21、rMnTi、20CrMo等，对其渗碳工艺有指定的技术要求：层深：mn3时，0.61.0；3 mn5时，1.11.5齿面硬度：5864HRC心部硬度：mn5时，3245HRC;mn5时，2945HRC本设计的法向模数mn=3，根据上述技术要求，层深选择：0.61.0，实际选择层深为1；齿面硬度选择：5864HRC；心部硬度选择：3245HRC。1.2 制定热处理工艺依据20CrMo钢材料的零界温度Ac1=743、Ac3=818、Ar1=504、Ar3=746、Ms=400。在制定热处理工艺的过程中，都会以这些温度作为主要依据。2、变速箱齿轮加工流程该齿轮加工工艺流程为：下料毛坯锻造成型（始锻温度
22、1200，终锻温度800）预备热处理（正火）切削加工气体渗碳最终热处理喷丸（砂）精加工。3、变速箱齿轮预备热处理20CrMo钢变速箱齿轮在加工时要求有较高的光洁度，良好的切削加工性，使插齿的切削呈卷曲带状，减轻机床负荷也延长刀具的寿命；消除经过锻造的变速箱齿轮毛坯的内应力、细化晶粒、均匀组织等。因此要进行正火处理，以满足上述要求。其正火工艺温度为9201000（常用950970），透烧后空冷，得到均匀分布的片状珠光体和铁素体，硬度HBS为156207（179217）。一般选择正火温度时，如果设备条件允许，尽可能选用高于渗碳温度3050正火。本设计选择正火温度为950，保温2小时后空冷。4、变速
23、箱齿轮气体渗碳4.1 气体渗碳的概念和应用气体渗碳是将工件装入密闭的渗碳炉内，通入气体化学剂（甲烷、乙烷等）或液体化学剂（煤油或苯、酒精、丙酮等），在高温下分解出活性碳原子，渗入工件表面，以获得表面层的一种渗碳操作工艺。气体渗碳是为了获得高碳的表面层，提高工件表面的硬度和耐磨性，而心部仍保持原有的高韧性和高塑性，并提高工件的抗疲劳性能。气体渗碳可应用于可控气氛中进行，应用比较广泛，用于处理低碳钢、低合金钢制作的、在冲击条件下工作的渗碳耐磨件，如汽车、拖拉机齿机、活塞销、风动工具、机床主轴等。4.2 气体渗碳方式气体渗碳方法有滴注式气体渗碳、吸热式气体、直生式气体渗碳和氮基气氛气体渗碳，目前生产
24、中较多的是采用滴注式气体渗碳。本设计采用滴注式气体渗碳的方式。滴注式气体渗碳的渗碳剂一般有甲醇（形成载气），煤油、丙酮、醋（乙）酸乙酯（形成富化气）等。本设计采用典型的渗碳滴注剂甲醇-煤油，其中甲醇是稀释剂，煤油是渗碳剂。煤油价格低廉，渗碳能力强，是工业生产常采用的滴注剂。甲醇-煤油滴注剂中煤油的含量一般在15%30%范围内。高温下甲醇的裂解产物H2O、CO2等将CH4和C氧化，可使炉气成分和碳势保持在一定的范围内，可以采用CO2红外仪进行控制。为了保证甲醇与煤油裂解反应充分进行，炉体应保证四个条件:炉气静压1500Pa;滴注剂必须直接滴入炉内；加溅油板；滴注剂通过400700温度区的时间0.
25、07s。4.3 变速箱齿轮气体渗碳工艺气体渗碳的工艺参数主要有：渗碳温度、渗碳时间、炉内气氛的碳势。一般情况下它们选择如下：渗碳温度：900950，在催渗剂的情况下，有时可降低至870。渗碳温度越高，渗碳速度越快，渗层越深，但温度过高会造成奥氏体晶粒粗大，降低零件的力学性能，并增加工件畸变，降低设备使用寿命。渗碳时间：一般情况下，渗碳层深度与渗碳温度、渗碳时间的关系可以利用Harris公式估算：式中：H渗碳层深，；T渗碳温度，K;t渗碳时间，h。根据变速箱齿轮热处理技术要求中层深1，选择渗碳温度为92010，渗碳时间为2.5小时。炉内气氛的碳势：指表征其在一定温度下改变工件表面碳含量能力的参数
26、，通常用低碳钢在含碳气氛中的平衡碳量来表示。炉内碳势越高，渗碳能力越强、渗碳速度越快，但深层中的碳浓度梯度越陡，当炉内碳势高于深层表面的吸碳能力时，还会在工件表面积成炭黑，反而是渗碳速度下降。因此碳势的测定、控制和调节，对保证渗碳质量和提高渗碳速度有非常重要的影响。4.4 变速箱齿轮气体渗碳工艺曲线通过上述选择的渗碳剂、渗碳温度、渗层深度及渗碳时间，制定出渗碳热处理工艺：在排气过程加热预热到92010并调整碳势2.5h；在甲醇-煤油碳势气氛下强渗扩散2.5h后，在1h内预冷到84010,保温1小时后油淬火。其工艺曲线如下：5、变速箱齿轮渗碳后热处理变速箱齿轮表面渗碳后，获得高硬度、高强度的表层
27、层和良好韧性的心部。为了消除淬火残余的应力，淬火后从室温加热1h升温到18010低温回火保温2小时。其工艺曲线如下图所示：六、 热处理设备选择与计算1、热处理设备选型的原则和依据1.1 热处理设备选择的原则设备选择的基本原则是质量安全可靠，能产出优质的产品，高的生产效率，低的生产成本和良好的工作环境。1少品种大批量生产的热处理设备的选型：选用安全可靠、生产率高、运行成本低的连续式热处理设备。2批量生产的热处理设备的选型：原则上以连续式热处理生产线为主，考虑产品种类问题，则所选用的设备便于工艺和生产调整。3多品种单件生产的热处理设备的选型：宜采用周期式热处理设备，或以周期式热处理设备组建局部机械
28、化、自动化联动线的方式。1.2 热处理设备选择的依据 零件热处理工艺要求、技术条件； 零件的形状、尺寸、重量和材质； 零件生产量和劳动量； 热处理所需的辅料及能源供应；车间劳动安全卫生和环保要求；设备投资和运行成本；与前后工序的关系和衔接；企业及车间的自动化、机械化、现代物流和现代管理要求；项目所在地及企业的特殊要求和条件。2、热处理设备的选型2.1 热处理炉型的选型选择热处理炉型时，应根据热处理件特点、工艺要求和批量，合理选择炉型。本设计是制造变速箱齿轮，应是比较大批量生产，选用推杆式连续渗碳淬火自动线。变速箱齿轮大致相同，但是在尺寸方面有些差异，因此我们选择连续式热处理设备。2.2 热处理
29、炉生产率热处理炉生产率是指某热处理炉在1h内完成某热处理工序零件的重量，即kg/h。它与炉型、炉膛尺寸、工艺类型、零件装夹方式等因素有关。表6为推杆式炉的生产率参数指标。表6 推杆式炉单位炉底面积的平均生产率参考指标单位：kg/(m2h) 炉子类型退火正火、淬火回火气体渗碳推杆式炉607012016010012535452.3 推杆式炉的设计2.3.1 推杆式炉的介绍推杆炉的应用和工作特点 推杆式可控气氛炉是指零件在热处理炉内的输送依靠液压或压缩空气驱动顶杆，一盘一盘进入炉中和自炉内顶出，用于中小零件的退火、正火、淬火、回火和渗碳、碳氮共渗等普通热处理和化学热处理等。推杆式炉以电能为热源，电流通过电热元件发热，借助辐射和对流方式传给零件，将零件加热到要求的工艺温度。该炉子有以下特点：炉膛内温度分布均匀，温差在38，满
