拖拉机驱动轴Word格式.docx
- 文档编号:6940416
- 上传时间:2023-05-07
- 格式:DOCX
- 页数:20
- 大小:29.94KB
拖拉机驱动轴Word格式.docx
《拖拉机驱动轴Word格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《拖拉机驱动轴Word格式.docx(20页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
对材料选择、热处理后的变形与断裂分析有一定扩散。
在编写的过程中得到了老师同学的大力支持,由于编者水平有限,设计中难免还存在错误和不妥之处,殷切希望广大读者批评指正。
编者:
张淼
2011年02月
1.1驱动轴简介
驱动轴是装载机工作装置的一种,是一种可以推进装载机光滑度,使得所述驱动轮可按照不同的角速度转动的装置,通过花键及锥度部分紧配合将扭矩由行星架传到后轮上的装置。
1.2驱动轴的工作条件、性能要求、材料
(1)工作条件:
驱动轴受、扭转、剪切、拉压、冲击等交变应力,还可造成驱动轴的扭转和弯曲振动,产生附加应力;
应力分布不均匀;
驱动轴颈与轴承有滑动摩擦。
(2)性能要求:
驱动轴的失效形式主要是疲劳断裂和轴颈严重磨损。
因此材料要有高强度、一定的冲击韧性、足够弯曲、扭转疲劳强度和刚度,轴颈表面有高硬度和耐磨性。
(3)驱动轴材料:
锻钢驱动轴:
优质中碳钢和中碳合金钢,如
40、45、35Mn240Cr,45Cr、35CrMo钢等;
(4)45Cr材料的选择
这类材料是中碳合金钢,采用调质(或正火)热处理来提高并改善加工性能。
近年在大功率发动机较广泛应用一种新钢种,即合金调质钢,即通过添加Si、CnTi等合金元素细化晶粒,强化钢的基体,提高钢的强度。
1.3合金调质钢
所谓调质钢,一般是指含碳量在0.3-0.6%的中碳钢.一般用这类钢制作的零件要求具有很好的综合机械性能,即在保持较高的强度的同时又具有很好的塑性和韧性,人们往往使用调制处理来达到这个目的,所以人们习惯上就把这一类钢称作调质钢.。
各类机器上的结构零件大量采用调质钢,是结构钢中使用最广泛的一类钢。
a用途
合金调质钢广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件,如齿轮、轴类件、连杆、螺栓等。
b性能要求
调质件大多承受多种工作载荷,受力情况比较复杂,要求高的综合机械性能,即具有高的强度和良好的塑性、韧性。
合金调质钢还要求有很好的淬透性。
但不同零件受力情况不同,对淬透性的要求不一样。
c成分特点
(1)中碳:
碳质量分数一般在0.25%〜0.50%之间,以0.4%居多;
(2)加入提高淬透性的元素Cr、Mn、Ni、Si等:
这些合金元素除了提高淬透性外,还能形成合金铁素体,提高钢的强度。
如调质处理后的45Cr钢的性能比45钢的性能高很多;
(3)加入防止第二类回火脆性的元素:
含Ni、Cr、Mn的合金调质钢,高温回火慢冷时易产生第二类回火脆性。
在钢中加入Mo、W可以防止第二类回火脆性,其适宜含量:
Mo的质量分数为0.15%〜0.30%,或W的质量分数为0.8%〜1.2%。
d性能特点
调质钢在化学成分上的特点是,碳含量0.3-0.5%,并含有一种或几种合金元素,具有较低或中等的合金化程度。
钢中合金元素的作用主要是提高钢的淬透性和保证零件在高温回火后获得预期的综合性能。
热处理工艺是在临界点以上一定温度加热后淬火成马氏体,并在
500C-650C回火。
热处理后的金相组织是回火索氏体。
这种组织具有强度、塑性和韧性的良好配合。
调质钢的质量要求,除一般的冶金方面的低倍和高倍组织要求处,主要为钢的力学性能以及与工作可靠性和寿命密切相关的冷脆性转变温度、断裂韧性和疲劳抗力等。
在特定条件下,还要求具有耐磨性、耐蚀性和一定的抗热性。
由于调质钢最终采用高温回火,能使钢中应力完全消除,钢的氢脆破坏倾向性小,缺口敏感性较低,脆性破坏抗力较大,但也存在特有的高温回火脆性。
大多数调质钢为中碳合金结构,屈服强度(。
0.2在490-1200Mpa。
以焊接性能为突出要求的调质钢,为低碳合金结构钢,屈服强度
(。
0.2一般为490-800Mpa,有很高的塑性和韧性。
少数沉淀硬化型调质钢,屈服强度(。
0.2可到1400Mpa以上,属高强度和超高强度调质钢。
e常用的合金调质钢按淬透性和强度分为4类:
1低淬透性调钢;
2中淬透性调质钢;
3较高淬透性调质钢;
4高淬透性调质钢。
2.145Cr钢的基本性质
40拖拉机驱动轴系拖拉机后轮的传动轴,它直接与后轮轮镉相
连接,在工作中受到扭转和弯曲的复合疲劳载荷的作用,而其中又
以扭转疲劳为主,因此,要求其材料应具备良好的综合力学性能。
部
分优质中碳碳素机构钢和合金结构钢经调质处理后其性能可满足上
述零件的要求,但如果上述钢材制备的零件热处理工艺控制不当,或者零件结构设计存在缺陷,都将影响零件的正常工作。
45Cr钢是我国目前用量最大的中合金调质钢之一,广泛用于轴
类、连杆、螺栓和齿轮等。
2.345Cr钢的化学成分及分析
2.3.1化学成分(质量分数%)
碳C:
0.42〜0.49
铭Cr:
0.80〜1.10
硅Si:
0.17〜0.37
镒Mn:
0.50〜0.80
硫S:
允许残余含量M0.035
磷P:
镣Ni:
允许残余含量M0.030
铜Cu:
2.3.2材料中含碳量及合金元素的作用
a45Cr钢中含碳量的作用
含碳量0.42%~0.50%Z保证调质后,碳化物有足够的体积分数,通过弥散硬化获得所需要的强度,碳含量分数也不宜过高,以防止塑性与韧性指标下降。
b合金元素的作用
铭、硅、猛钢中的作用是可以提高钢的淬透性,硅、猛固溶于铁素体中还可以起到固溶强化作用,硅还可显著提高钢的回火稳定性,铭、镣可提高钢的冲击韧度,改善钢的热处理性能,提高钢的强度,使钢中碳化物非常细小、均匀,从而大大提高钢的耐磨性和接触疲劳强度,另外Cr还可提高钢的耐蚀性。
磷是有害元素。
在奥氏体中的溶解度低,易偏析形成磷共晶-呈低熔点共晶形态分布在晶界和树枝晶间。
由于严重偏析,导致正常含磷量的奥氏体猛钢中,也会出现磷共晶组织。
2.4组织转变
热处理铸态珠光体球铁不需要进行热处理,节约能源、降低成本,避免了热处理变形,也缩短了生产周期。
一般采用加铜促进珠光体的生成和稳定。
小型铸件也可以通过控制硅锭含量和冷却速度获得珠光体组织。
除铸态球铁靠合金化获得外,一般通过热处理手段获得。
通过热处理消除组织中一次渗碳体,使粗大的珠光体、铁素体转变为细珠光体,使组织均匀并消除内应力。
图1-1无渗碳体时的正火工艺
(1)
普通正火
图1-1
目的是获得珠光体或索氏体球铁。
铸态组织珠光体<
80%〜90%时施行,可获得珠光体为主要基体组织,但有少量牛眼状铁素体。
铸态组织无渗碳体、三元或复合磷共晶时可采用图1无渗碳体时的正火工艺。
2.5淬透性
淬透性能相同的钢调质到相同硬度时,抗拉强度基本相同,硬度
与抗拉强度大致成直线关系。
各种成分的合金钢调质到各种硬度值时,硬度值为400HB(抗拉强度约为1400MPa时,屈强比值最高,约为0.9,淬火状态的组织对屈强比有很大影响。
调整增加钢材淬透性的合金元素的含量,可以得到相同的淬透性能,得到相同的抗拉强度和屈服强度。
因此,在选择合金元素时应优先选择增加淬透性能作用显著而价格较低的元素,如硼、猛、铭等。
但是合金元素不同的钢要调质到相同的硬度所采用的回火温度各不相同,即各种钢的抗回火性能不同。
淬透性能相同的钢调质到相同硬度时,抗拉强度和屈服强度虽基本相同,但是脆性破坏倾向差别很大,低温冲击试验尤为明显。
成分不同的钢调质后硬度与疲劳极限的关系不同。
硬度在35HR®
下时疲劳极限和硬度成直线关系,疲劳极限的波动范围为130MPa硬度超
过35HRCW,疲劳极限的波动范围变宽。
如硬度为55HRCW,疲劳极限的波动范围达380MPa
这种钢与40Cr钢相比,钢的强度、耐磨性及淬透性均较高,在油中临界淬透直径达12〜45mm在水中临界淬透直径达26〜71mm但韧性却较低;
中碳调制钢,冷锲模具钢。
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160HB琵坯的切削性能。
在温度550-57OC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
3.1热处理工序位置及热处理工艺选择:
热处理是机械制造过程中的重要工序。
驱动轴的热处理工序位置及热处理工艺选择、安排是否得当,对于零件的质量及切削加工性能起着至关重要的作用。
根据热处理的目的及工序位置不同,热处理分为预备热处理和最终热处理。
3.1.1预备热处理的工序位置及热处理工艺选择:
为消除经过锻造的驱动轴的内应力、细化晶粒、均匀组织,并改善切削加工性能,为淬火作好组织准备,一般在锻造之后、切削加工之前,可采用退火或正火作为预备热处理。
由于驱动轴尺寸较小,且厚度较均匀,在正火、退火均可使用的前提下,为提高工作效率,宜选用正火作为预备热处理。
3.1.2最终热处理的工序位置:
最终热处理包括各种淬火、回火、表面热处理等。
零件最终热处理之后,即可获得所需的力学性能:
因零件硬度较高,除磨削加工之外不宜进行其他形式的切削加工,故最终热处理均安排在半精加工之后,磨削加工之前。
3.1.3最终热处理工艺方法选择:
根据驱动轴的工作条件及失效形式,对驱动轴的技术条件要求如下:
根据以上技术条件,驱动轴材料:
45Cr采用的最终热处理工艺为:
先调质,使表面保持较高的强度和冲击韧性;
之后表面淬火,使轴表面硬度达到高硬度要求,心部仍维持较低的硬度。
3.2热处理工艺
45Cr是合金调质钢中最常用的钢种,下面以45Cr制造的拖拉机的驱动轴说明其热处理工艺方法的选定和工艺路线的安排。
驱动轴是发动机中一个重要的连接零件,在工作时它承受冲击性的、周期变化的拉应力和装配时的预应力,要求它具有足够的强度、冲击韧性和
抗疲劳性能。
根据技术要求,其工艺路线及热处理方案可能有以下几种。
方案1:
驱动轴的生产工艺路线如下
下料7锻造7退火(或正火)7机加工(粗加工)7调质7机加
工(精加工)直径90圆柱面与花键两处高频淬火r检验r装配。
该方案的优点:
工艺简单,特别是调质工艺,因为调质后再进行机械加工,无需考虑脱碳问题。
该方案的缺点是:
加工余量大,特别是原材料浪费,调质效果不好。
该种钢油淬火时临界直径约为25~30mm今传递扭矩危险断面处毛杯直径大于55mm根据该种钢的端淬曲线可以推知,即使在表面也得不到半马氏体区,实际上只能得到网状铁素体及细片状珠光体组织。
花键与锥度交界处恰好是花键高频淬火过渡区,此处的强度比
未经表面淬火的还差,而又是应力集中的危险断面。
方案2:
下料r荒车及钻直径23孔(应留加工余量,以备扩孔成直径23)7机加工(粗加工)7调质7机加工成型7直径90圆柱面、锥度及花键部分高频淬火r检验r装配。
克服了第一方案的调质效果不良,以及锥度与花键交界危险断面处的弱点,其使用性能将比第一方案大为改善。
加工余量大,特别是原材料浪费,加工工序和工序间周转长,成本高。
方案3:
法兰盘:
下料7锻造7机加工(粗加工)7调质7机加工成形(花键孔只加工内孔,键槽未拉)r直径90圆柱面外圆高频
淬火-拉削花键孔-检验。
花键轴:
棒料钻孔料-调质-机加工成形-花键中频淬火
省料,在大量生产中花键可向钢厂订购管材;
调
质效果好,基本上与该种钢的临界直径相适应;
感应加热淬火工艺单一,操作方便、质量稳定,因为直径90外圆高频淬火的目的是提高耐磨性,其与法兰盘连接处直径大,应力小,故强度足够。
增加了法兰盘拉削内花键孔的工艺,但省去了锻造拔制锥度及花键部分直径的工序,简化了花键轴的加工。
所以米用第三种方案,制造陈本提局不多,而寿命大幅度提局,总的经济效果是良好的。
时间
图3-2
退火(或正火)作为预先热处理,是为了改善锻造组织,细化晶粒,有利于切削加工,并为随后的调质热处理做好组织准备。
调质热处理一一淬火:
加热温度840士10C,油冷,获得马氏体
组织;
回火:
加热温度525士25C,水冷(防止第二类回火脆性)。
经过调质处理后金相组织应为回火索氏体,不允许有块状铁素体出现,否则会降低强度和韧性。
3.3调质处理及设备
淬火+高温回火=调质,调质是淬火加高温回火的双重热处理,其目的是使工件具有良好的综合机械性能。
随着回火温度的增加,碳化物的颗粒就增大,屈服点和拉伸强度就下降,降低硬度和脆性,延伸率和收缩率就升高。
其目的是消除淬火产生的内应力,以取得预期的力学性能。
回火分高温回火、中温回火和低温回火三类。
3.4调质处理的特点
调质可以使钢的性能,材质得到很大程度的调整,其强度、塑性和韧性都较好,具有良好的综合机械性能。
调质处理后得到回火索氏体。
回火索氏体是马氏体于回火时形成的,在在光学金相显微镜下放大500〜600倍以上才能分辨出来,其为铁素体基体内分布着碳化物(包括渗碳体)球粒的复合组织。
它也是马氏体的一种回火组织,是铁素体与粒状碳化物的混合物。
此时的铁素体已基本无碳的过饱和度,碳化物也为稳定型碳化物。
常温下是一种平衡组织。
3.5淬火目的及设备:
常用的淬火设备是箱式热处理炉。
钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac3(亚共析钢)或Ac1(过
共析钢)以上某一温度,保温一段时间,使之全部或部分奥氏体
化,然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下(或Ms附近
等温)进行马氏体(或贝氏体)转变的热处理工艺。
淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变,得到马氏体或贝氏体组织,然后配合以不同温度的回火,以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等,从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求。
也可以通过淬火满足某些特种钢材的的铁磁性、耐蚀性等特殊的物理、化学性能。
淬火能使钢强化的根本原因是相变,即奥氏体组织通过相变
而成为马氏体组织(或贝氏体组织)。
回火缺陷及其预防和补救
常见的回火有硬度过高或过低,硬度不均匀,以及回火产生变形及脆性的等。
回火硬度过高,过低或不均匀,只要由于回火温度过低,过高或
炉温不均匀造成。
回火后硬度过高还可能由于回火时间过短。
这些问
题可以采用调整回火温度等措施来控制。
硬度不均匀的原因,可能由于装炉量过多,或选用加热炉不当所致。
如果回火在气体介质炉中进行,炉内应有气扇,否则炉内温度不可能均匀。
回火后工件发生变形,常由于回火前工件内应力不平衡,回火时应力松弛或产生应力重分布所致。
回火后脆性的出现,主要由于所选回火温度不当,或回火后冷却速度不够所致。
因此防止脆性的出现,应正确选择回火温度和冷却方式。
一旦出现回火脆性,可以采取重新加热回火,然后加速回火后冷却速度的方法消除。
淬火温度850C士10C,油冷;
回火温度520C士10C,水、油空冷。
45Cr调质以后的硬度大概在HRC32-3M间
45Cr--830-860C油淬-->
55HRC
150C回火--57HRC
200C回火--56HRC
300C回火--50HRC
400C回火--43HRC
500C回火--34HRC
550C回火--32HRC
600C回火--28HRC
650C回火--24HRC
3.7硬度试验
把经常规热处理和亚温淬火处理后的试样制成样品,在洛氏硬度
试验机上进行硬度测试。
3.8拉伸试验
经热处理后的棒材按GB22821987加工成标准短试样,室温下在WE260S液压式万能材料试验机上进行拉伸试验。
3.9热处理后的力学性能
淬火加热温度(C):
840;
冷却剂:
油
回火加热温度(C):
520;
水、油
抗拉强度。
b(MPa):
>
1030(105)
屈服强度。
s(MPa):
835(85)
伸长率55(%):
9
断面收缩率小(%):
40
冲击功Akv(J):
39
冲击韧性值akv(J/cm2):
49(5)
布氏硬度(HBS100/3000)(退火或高温回火状态):
M217
4.1钢的表面热处理
定义:
仅对工件表层进行热处理以改变其组织和性能的工艺称为表面热处理。
分类:
表面淬火和化学热处理
目的:
生产中常常采用表面热处理的方法,以达到强化工件
表面的目的。
应用:
1.某些在冲击载荷、交变载荷及摩擦条件下工作的机械零件,如主轴、齿轮、曲轴等。
2.某些工作表面要承受较高的应力,要求工件的这些表面层具有高的硬度、耐磨性及疲劳强度,而工件的心部要求具有足够的塑性和韧性。
4.2钢的表面淬火
将工件的表层迅速加热到淬火温度进行淬火的工艺方法称为表面淬火。
性能:
工件经表面淬火后,表层得到马氏体组织,具有高的硬度
和耐磨性,而心部仍为淬火前的组织,具有足够的强度和韧性。
感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、激光加热表面淬火、电接触加热表面淬火
4.3感应加热表面淬火及设备
利用感应电流通过工件所产生的热效应,使工件表面迅速
加热并进行快速冷却的淬火工艺称为感应加热表面淬火。
4.3.1设备:
高频淬火是指利用高频电流(30K-1000KHZ)使工件表面局部进行加热、冷却,获得表面硬化层的热处理方法。
这种方法只是对工件一定深度的表面强化,而心部基本上保持处理前的组织和性能,因而可
获得高强度,高耐磨性和高韧性的综合。
又因是局部加热,所以能显著减少淬火变形,降减能耗。
正是因为高频淬火拥有上述这些特点,因而在机械加工行业中广泛被采用。
分类及应用:
高频感应加热、中频感应加热和工频感应加热
高频感应加热表面淬火:
常用频率为200〜300kHz,淬硬层深度为0.5〜2.0mm
适用:
中、小模数的齿轮及中、小尺寸的轴类零件的表面淬火
中频感应加热表面淬火:
常用频率为2500〜8000Hz,淬硬层深度为2~10mm
较大尺寸的轴类零件和大模数齿轮的表面淬火;
工频感应加热表面淬火:
电流频率为50Hz,淬硬层深度为10-
20mm
较大直径机械零件的表面淬火,如轧辐、火车车轮等
感应加热表面淬火的基本原理:
工件放入用空心紫铜管绕成的
感应器内,给感应器通入一定频率的交流电,周围便存在同频率的交变磁场,于是在工件内部产生同频率的感应电流(涡流),如图4-1所示。
由于感应电流的集肤效应(电流集中分布在工件表面)和热效应,使工件表层迅速加热到淬火温度,而心部则仍处于相变点温度以下,
4.4火焰加热表面淬火
火焰加热表面淬火是采用氧-乙烷(或其它可燃气体)火焰,喷射在工件的表面上,使其快速加热,当达到淬火温度时立即喷水冷却,从而获得预期的硬度和有效淬硬层深度的一种表面淬火方法。
中碳钢(如35、40、45钢等)和中碳低合金钢(如40Cr、
45Cr等)。
还可用于对铸铁件(如灰铸铁、合金铸铁等)进行表面淬火。
适用于单件或小批量生产的大型工件,以及需要局部淬火的工具或工件,如大型轴类、大模数齿轮、锤子等。
4.5激光加热表面淬火
方法:
激光加热表面淬火是将激光束照射到工件表面上,在激光束能量的作用下,使工件表面迅速加热到奥氏体化状态,当激光束移开后,由于基体金属的大量吸热而使工件表面获得急速冷却,以实现工件表面白冷淬火的工艺方法。
特点:
激光是一种高能量密度的光源,能有效地改善材料表面的性能。
激光能量集中,加热点准确,热影响区小,热应力小。
4.645Cr钢的化学热处理
化学热处理是将工件置于一定温度的活性介质中保温,使一种或几种元素渗入它的表层,以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。
方法分类:
渗碳、渗氮、碳氮共渗以及渗金属等。
45Cr属于中碳钢,不需要进行渗碳处理,渗氮的目的是提高工件的表面硬度、耐磨性以及疲劳强度和耐蚀性。
考虑到驱动轴的经济性,在其轴承颈直径90处及花键部分使用高频淬火,硬度HRC>
53,淬硬层深度>
1.5mm,马氏体5〜6级。
所以不需要进行渗氮处理。
合金调质钢的最终性能决定于回火温度。
一般采用500C-650C
回火。
通过选择回火温度,可以获得所要求的性能。
为防止第二类回火脆性,回火后快冷(水冷或油冷),有利于韧性的提高。
合金调质钢常规热处理后的组织是回火索氏体。
对于表面要求耐磨的零件(如齿轮、主轴),再进行感应加热表面淬火及低温回火,表面组织为回火马氏体。
表面硬度可达55HR058HRC
合金调质钢淬透调质后的屈服强度约为800MPa,冲击韧性在
800kJ/m2心部硬度可达22HRG25HRC若截面尺寸大而未淬透时,性能显著降低。
4.745Cr热处理过程中的缺陷及防止
钢加热时的主要固态相变是非奥氏体相向奥氏体相的转变,即奥
氏体化的过程。
整个过程都和碳的扩散有关。
合金元素中,非碳化物形成元素如镣、钻等,降低碳在奥氏体中的激活能,增加奥氏形成的速度;
而强碳化物形成元素如机、钛、鸨等,强烈妨碍碳在钢中的扩散,显著减慢奥氏体化的过程。
钢冷却时的相变是指过冷奥氏体的分解,包括珠光体转变(共析分解)、贝氏体相变及马氏体相变。
由于钢中大都存在几种合金元素的相互作用,致使对钢冷却时相变的影响也复杂得多。
仅举合金元素对过冷奥氏体等温转变曲线的影响为例,大多数合金元素,除钻和铝外,均起减缓奥氏体等温分解的作用,但各类元素所起的作用有所不同。
不形成碳化物的(如硅、磷、镣、铜)和少量的碳化物形成元素(如机、钛、钳、鸨),对奥氏体到向珠光体的转变和向贝氏体的转变的影响差异不大,因而使转变曲线向右推
移。
碳化物形成元素(如机、钛、铭、钳、鸨)如果含量较多,将使奥氏体向珠光体的转变显著推迟,但对奥氏体向贝氏体的转
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 拖拉机 驱动