万能分度头蜗杆热处理

　摘要

蜗杆是机床摆动部件的重要组成部分，当蜗杆螺旋表面和齿面相对滑动时，容易磨损，因此蜗杆经常通过化油淬火处理渗出钢，以获得更高的硬度，防止蜗杆螺旋表面磨损。材料经过特殊处理后可获得优良的力学性能，而作为一种重要的处理手段之一，热处理工艺可以改变材料的内部组织结构，达到提高材料力学性能的目的。本文选用的材料是较为常用的渗碳齿轮钢20Cr。

为制定合理的热处理工艺，本文通过对零件服役条件、失效形式、性能分析来选择合适的材料，制定出正确的工艺流程，工艺过程中要准确掌握各种零件热处理加热温度、时间和保温时间及冷却方式等。最终获得最佳的热处理工艺为：机加工后正火→渗碳处理→淬火→低温回火，最终得到合适的组织和性能。

　关键词：万能分度头蜗杆，20Cr，热处理

1.绪论

　　1.1.选题背景及研究意义

在此次实验的过程中，我们主要研究的部分是机床的摆动部件-蜗杆，在日常的工业生产过程中，如果蜗杆和齿轮的表面产生滑动情况，那么极易对蜗杆进行损坏。严重时会影响到工业生产的连续。所以为了保持蜗杆有更高的硬度，我们会通过化学研究理论就是淬火对渗出钢进行处理，防止因为相对滑动而产生的零部件的磨损。在特定的工业生产领域中，相关的材料经过淬火技术可以获得比较之前更高的物理学性能，原因是通过热处理工艺可以改变材料输出的内部结构，从而达到提高力学根本目的。

本课题设计了蜗杆的热处理工艺设计。主要的工艺过程包括常用的方式是零部件加工后进行正火操作，之后会进行渗碳的处理，第三步是进行淬火，最后一步是进行低温的回火，从而保证零部件的组织和性能得到很大的提升。由于本身尺寸精确，因此要求具有高的硬度，高的耐磨性和高的尺寸稳定性以及一定的韧性。为了满足上述性能要求，选用合金工具钢（40Cr）。

当中高速的齿轮在工作状态中时，所有的力量通过齿轮表面的的面进行转移，齿的位置要承受巨大的力量。在齿轮相互摩擦的位置还会有很大的摩擦力的产生。当受力不均匀的时候和外力的作用下，会产生强大的冲击力，损坏齿轮。主要表现为：齿轮断裂和齿轮的磨损严重。所以我们的齿轮要通过热处理的方法提高寿命。

为更好的实现机械设备运转，齿轮传动需要具备以下功能：1.传递的准确性。我们设计的机械设备在做进行工作时，齿轮需要按设定的方向和角度进行传动。2.传递的平稳性。加入我们设计的齿轮不平稳，会导致震动和错位，会让齿轮的零件有磨损，缩短我们齿轮和整个机器的寿命。第三，传递的均匀性。齿轮在工作时是通过齿轮的两面的齿进行咬合作业，如果传递力度不均匀，将会因为应力的作用导致齿面力量不均匀，载荷不统一，受力不均产生损伤，影响寿命和磨损。第四，传递的间隙性。我们都知道，物体会受到冷热不均而产生的热胀冷缩的变化，我们的齿轮在进行作业时，会产生高温，温度的变化使齿轮的体积和表面发生变化，所以我们在啮合齿轮的非接触齿面要保留一定的间隙，来弥补热胀冷缩和作业当中的弹性的变化以及我们生产当中存在的微粒。

在目前主流的齿轮传动系统中，蜗杆传动是一种应用范围广，可识别性高的传动方式。他主要是通过斜齿轮变化而来。动力传输的原理是传递两个轴之间的动力。就是他还被广泛的运用在各个行业中间。从分类上来看它属于空间的啮合传动，他的优点非常的多，常见的有蜗杆轴可以形成任意角度、传动比比常有的齿轮更大，在工作状态中它的运行更加平稳、在结构紧凑的同时还能够实现自动锁止。与之相对应的是它也存在有相应的缺点，为了对缺点进行改进，于是锥蜗杆被发明出来，这种齿轮装置现在被普遍使用在现代化的机械当中。他拥有两个齿面，所以他的齿数多、传导性能好，承载能力强。传动过程较为平稳，效率非常高。

　1.2.蜗杆传动简介

蜗杆传动相比较传统的传动方式有很多的优点。从目前我们设计的情况来看，蜗轮齿的齿数相比较蜗杆具备较多的齿数，因而带动它的传动比比常规的齿轮更大。第二是它的结构非常的紧凑，在有限的空间中可以实现更大的传动比。同时与普通的齿轮相比，它的工作状态异常的稳定。原因是通过他的初步设计，在任何工作条件下啮合齿数远远大于两个齿数，同时因为其表面是螺旋面的原因，所以他能够源源不断地提供动力的传输。

与它的优点相对应的是它也存在比较明显的缺点。第一部分是它的效率比较低，因为要获得较大的传动比，所以他是单头的设计，通过与其他齿轮之间相互的摩擦抵消掉了大部分的传动势能，在这种情况下就会产生效率低的情况。同时为了获得较大的传动比，它的传动头和蜗杆的制作材料我们通常选用青铜，众所周知，青铜是一种比较稀有的贵金属，因为材质的稀缺性，所以就导致他的贵金属的消耗比其他的齿轮要高很多。

蜗杆传动最具有代表性的是阿基米德圆柱蜗杆传动，因为其应用范围最广，市场上最为常见，所以他具备可操作性和易安装性，同时他也可以对轴向位引起的变化。没有达到很高的敏感度。存在的缺点是它的润滑情况相比较其他齿轮来讲会有少许的差别，从而导致他有较高的磨损性，使用寿命大打折扣，从力学的角度上来讲，它的力学承载能力也比较低。

制造一个好的齿轮需要具备下列几项重点环节：1.先进的加工设备和母机床2.有针对性的加工工艺，3.合理的施工现场和齿轮所需要的具体的参数。我国目前的齿轮的加工仍然处在基础的水平，没有规范化的流程和工序，无可靠的经验可以借鉴，缺失比较细致和全面的流程施工图。没有形成标准化的作业流程。然而对应实际的生产加工过程，我们需要有一套完整切标准的作业流程，以质量为根本目标进行生产。

而据现在的了解和数据，我国大部分齿轮加工制造行业仍然使用的传统工艺是：

不可否认的是此种加工方法降低了齿轮的制作成本，满足粗放型的齿轮的要求。因为生产成本因素和性价比的因素，被我们广泛使用，形成粗放的加工工艺。但是随着我们的加工精度的要求逐渐的增高，和智能设备的要求，这种方式的弊端逐步的显示出来，已经不能适应现代工业生产的要求和现代企业的认可。

蜗轮另外一个特点是它的形状较为奇特。在我们对相关的数据进行测量的时候，带来很大的不方便和繁琐的手续。对此我们会建立相应的参数化设计方法来测量相关的数据，是相互联系的，是当测量模型发生改变，取得的数据和参数也会随之改变。所以在初期我们建立模型方法时，就要满足各个方面的需求，提高冗余量。

随着改革开放的不断完善和工业化水平的不断提高。蜗杆传动技术在特定的环境和方面有了质的飞跃和显著的提高。同时随着市场化进程的不断加快，他被广泛的运用于各个生产领域。在参数要求方面，为了提高他的传输性能，一起提高它的传输效率，我们在齿轮的轮廓，方向，传动材料以及角度和零部件的耐磨程度，精度进行了一系列的研究和分析。同时我们在研究过程中也会参考润滑剂在传动过程中能够提高相应数据的能力。特别是在一些特定的温度和特殊的工作环境下，如果采用润滑的方式会对蜗杆传动有很好的保护，延长其工作时间和工作寿命。

　1.3.蜗杆国内外发展状况

我国制造业随着经济的发展而快速发展，技术进步以及工艺的提升，使得齿轮在精度、硬度以及使用范围更加广泛。齿轮分为内齿轮和外齿轮，内齿轮机械设备的核心，对制造精度要去极高，如果制造精度较差的话，会造成齿轮异响、转动中产生裂齿甚至损害变速箱等情况。相较于外齿轮，内齿轮质量好坏直接影响着整个机械动力的传递以及整机设备的使用寿命。齿轮的工艺流程是复杂而严谨的，从开始的毛坯锻造到机加工再到最后的热处理，而具体怎么做，则需要区别对待，根据不同的施工环节和对不同齿轮的不同的精度要求来合理安排加工。

现代工业技术得到了广泛的应用。作为蜗杆减少器的核心，蜗杆驱动器具有很长的应用历史。经典的直侧圆柱线驱，是历史上历史最悠久、使用最广泛的蜗杆驱动机制，但由于其瞬时接触线形状不利于液体动态压油膜的形成，导致润滑状态不佳，在齿的表面存在塑料危害区，因此不能满足产业发展的需要。

随着改革开放进度的不断深入，新材料和新工艺技术的不断进步。以及相应的理论研究的不断发展。使得蜗杆传播技术有了很大的进步和提高。通过对蜗杆，弧圆柱蜗杆，偏置蜗杆研究分析我们可以得知许多新型蜗杆传播也出来，为蠕虫传播技术开辟了一条新路[16-18]。

在现有的变速系统和机械的行业中，齿轮传动装置被广泛的应用，同时齿轮的传动装置是由多个齿轮互相组成和运转的，通过齿轮的啮合原理，一个力通过不同的齿轮半径和齿轮数量转换成需要的速度和扭矩力。虽然科技在不停的向前发展，但是就目前的科技水平来看，齿轮在各种工业和生活中的地位仍然是具有基础性和关键性的。相比较链条式的、液压类型的、塑料皮带类型的，齿轮传动更加的稳定和可靠。特点就是稳定性强，准确性强，精准度高，速率平稳。

　1.4.蜗杆生产现状

而据现在的了解和数据，我国大部分齿轮加工制造行业仍然使用的传统工艺是：

　2.设计技术要求及设计方案

万能分度头蜗杆的零件图及技术要求如图2-1所示。

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需要热处理的工件，在设计时，除了应考虑服役条件、承受载荷的大小和机械加工工艺外，还要要考虑热处理的变形、开裂所造成的产品报废。因此，结构的形状对于热处理的结果有着至关重要的作用。首先我们应该尽量简化和使用规则对称的零部件作为结构形状设计的初始目标，在保证均匀分布质量的情况下，可以减少零部件的变形和开裂在淬火的过程中，时，对于物体的表面积和形状，我们有以下的建议：球形的效果要好于正方体的效果，同时对比长方体的效果会更好。圆锥体的效果比圆柱体的效果会差，选择上我们尽量优于圆形的截面，方形的截面会要好于长方形的截面。

在可能的条件下，应尽量使功能孔的尺寸与位置均衡、对称、分布，也可以通过加开工艺孔或工艺槽来解决质量均衡问题；辅助孔应位于交叉刃口的延长线上，尤其不能靠近小锐角，以免成为裂纹的策源地。

③机械构件中工作的轮廓、形状和尺寸是各式各样的，往往不能遵循上述设计原则，对此可根据实际情况采取措施加以补救：a.设计成合理形状，淬火后再磨去不必要的部分；b.开切必要的孔槽使质量均衡；c.一个不平衡的工件，为了平衡质量、改善散热条件，可加开工艺孔；d.大型复杂工件可采用拼镶结构，以解决加工和热处理的困难；e.刻字、印痕的位置应远离应力集中程度高的孔。

为减少损失，避免事故，充分估计各种因素的影响，可采用设计、热加工和热处理几方面共同商讨，协同设计，避免因设计不当造成加工、为减少损失，避免事故，充分估计各种因素的影响，可采用设计、热加工和热处理几方面共同商讨，协同设计，避免因设计不当造成加工、热处理和使用上的问题。

查询资料可知，40Cr机床齿轮一般采用的是淬火+回火热处理工艺，其微观组织是回火马氏体+少许残余奥氏体，并残存一定的淬火应力。淬火应力的存在使得零件在长期使用或服役过程中，齿轮尺寸可能会产生变化，这对于精度要求极高的机床齿轮是不允许存在的。为保证齿轮的形状及尺寸稳定性更高，应当避免过多残余奥氏体和残余应力的存在。因此需要适当降低温度，为了进一步提高20Cr机床齿轮尺寸的稳定性，在精磨或研磨前，必须进行时效处理，进一步消除内应力，必要时，这种处理要重复多次。

低合金超高强度结构和合金钢调质钢经淬火加低温回火后，其韧性与碳的质量分数有关。如果碳含量的质量占比超过了4%在某种高强度低合金类的钢材中，钢的韧性特别是断裂韧度和其中20Cr的临界温度如表2-1所示。

表2-1 20Cr钢的临界温度（℃）

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　3.万能分度头蜗杆的热处理工艺

　　3.1.蜗杆材料

由于是机床齿轮，因此其工作环境较为恶劣，为密闭状态，因此，常采用稳定性比较好的目的是为了提高轧机齿轮轴的综合力学性能。为了加强加工零部件表面的硬度和耐磨损、和保持加工零部件内部的高强度和高延展性和可塑性，我们采用的方法是通过使用中频感应来进行加热表面淬火。我们通过对中碳合金钢热处理工艺的数据分析研究得知，同时加强注意所需要注意的问题在执行热处理工艺过程中。保证质量的精化具有很大的应用价值。

20Cr的化学成分如表3-1所示。

表3-1 20Cr的化学成分（%）

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3.2.正火工艺

在正常的工业生产和理论的研究过程中，正火处理主要是指将钢加热到Ac1或Acm以上30℃~50℃，同时是刚存在与特定的温度中保持特定的时间，将刚才表面的奥氏体进行均匀处理，从热处理龙中进行去除，然后放置在相应的冷却地方进行冷却。珠光体是通过正火工艺取得的他的温度需要低于其他连接速度，避免产生马氏体的转变。在正常的钢铁生产企业中，生产所需要的温度会远远大于理论的温度，所以在娱乐处理过程中应该采用上限的温度。

增加快速冷却的稳定性，促进了组织进一步均匀化。

正火处理选用的热处理设备为RX3箱式电阻炉见表3-2。

表3-2 RX3箱式电炉参数

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图3-1正火处理工艺图

　3.3.渗碳工艺

渗碳处理是把齿轮放入化碳介质，加热和保持温暖在900至950℃，添加碳到工件表面，然后淬火表面，以获得淬火马氏体组织。需要做渗碳处理的齿轮通常以0.10%至0.25%的。渗碳后进行淬火与回火，使其心部保持良好的韧性的同时，表层获得高的强度、硬度和耐磨性。使用RQ3-60-9D型井式气体渗碳炉进行渗碳处理，见表3-3。

表3-3 RQ3-60-9D型井式气体渗碳炉参数

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图3-2渗碳处理工艺图

　3.4.淬火工艺

淬火作为热处理中最重要的工艺，总是伴随着产品性能要求的逐步提高。淬火是钢加固的一个极其重要的过程，可以显著提高钢的强度和硬度。在不同温度下淬火和回火后，可以获得不同的强度、可塑性和韧性组合，以获得不同的机械特性，以满足不同的维修要求。保温1h后进行油淬。淬火工艺曲线见图3-3。

图3-3淬火处理工艺图

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回火工艺也是刚才企业生产过程中常用的技术手段和工作方法，通过对刚才进行回火公寓的操作。可以将碳化物转变为回火的相应物质，同时张翠火过程中产生的。物理应力进行相互抵消，在此过程中，方面产生的裂纹也可以通过这一步骤进行完美的愈合。他的主要目的是为了提高刚的强度，将刚才的组织进行稳定。提高强度的同，但并不会是刚才的组织发生其他的变化。在保证工件相应的技术要求的参数下能够很好的提高钢的刚性、耐磨性，使轴和齿轮部分得到优异的机械性能。

图3-4回火处理工艺图

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热处理工装的制造涉及若干加工技术与工艺装备，如铸造、锻造、切削加工、焊接、钳工等，一般是由专门部门按工装设计图样进行制造。对于零星工件或机修配件、工模具等，因数量少、规格多和结构变化大，一般应考虑以下问题：

①对工件结构和技术要求做具体分析，应最大限度地满足技术要求。

②保证工装能安全可靠地承载工件，完成热处理工艺过程，并具有较长的使用寿命。

③保证工件装载在工装上能够均匀地被加热、渗碳、碳氮共渗、均匀冷却。

④尽可能地多装载工件，以提高热处理生产效率，降低能源消耗。

本文热处理工艺过程中用到的工装包括：

箱式电炉常用的工装夹具：装料锹（用于往箱式电炉里装入小型工件或出料）；推料铲（用于太件装料或出料）；出料勺（用于出料）和铁夹等；

淬火工装夹具：淬火勺、淬火钳、淬火框以及根据工件形状设计的专用淬火加热和冷却的工具、挂具等；

回火工装夹具：回火框；回火篮和回火勺等

　4.常见热处理缺陷及防止措施

　　4.1.表层过渡渗碳

少量的粒状碳化物可以改善蜗杆的耐磨和接触疲劳强度性能，若块状、网状碳化物过多将使齿轮表层的脆性增大，易于脱落，使用时蜗杆塑性变形能力降低，耐冲击性减弱，网状分布。

　4.2.淬火后表面硬度偏低

　4.3.氧化和脱碳

化学理论研究的过程中有一项很重要的分析就是对于钢材的氧化，在氧化过程中，会在刚才的表面不可阻挡的产生积碳的效应。这样带来的后果是极其严重的。他会对零部件的表面的光洁度和钢材的耐磨性以及延展性产生重要的影响。为了阻止这样的情况的发生，我们在加工环节中会加入一个特定的脱碳的过程。脱碳主要是用于清理钢材表面的积碳。目前各大生产企业主要采用的方法是通过加热在表面添加脱氧剂，进而降低钢材表面的氧化程度。通过这样的方法可以有效提高钢材的非氧化程度。从而能够达到脱碳的实际的处理效果。

　4.4.淬火裂纹

在实际的淬火操作过程当中，刚的表面会通过应力的作用下产生细微的裂纹。产生裂纹的原因是因为刚才经过加工后立马进入。有过水的媒介当中温度急剧的下降，迟到刚才。需要面对的应力的要求逐步的增大，从颜色表面会产生相应的裂纹。是我产生的裂纹将会影响钢的强硬度水平。无论是横向还是纵向，网状和应力集中的裂纹都会对钢材的刚性产生重大的影响。在选材方面对形状复杂的零件选用淬透性较低的钢种，因此必须设法防止。为了防止淬火裂纹，首先应改善零件结构设计的工艺性，并正确选用钢材。在淬火技术方面，应特别注意在点以下Ms点以上快冷、在Ms慢冷，即遵守“先快后慢”的原则。

　4.5.渗碳层深度不均匀

有回火硬化（二次硬化）现象的高合金钢，硬度过高一般是因回火温度不够造成的，补救方法是按正常回火规范重新回火。回火后硬度不足主要是回火温度过高，补救办法是退火后重新淬火回火。出现硬度不合格时，首先要查找原因，检查是否发生混料，因为这也是引起淬火后硬度不合格的主要原因。回火脆性，是钢的一种热处理特性，而不是热处理缺陷。但如果不注意这种特性，有时就会成为回火缺陷的根源。回火脆性一般有两类，第一类是低温回火脆性，钢在250~400℃范围内产生，生产过程中无法通过改变工艺操作来消除，只能尽量避免在此温度范围内回火，或改用等温淬火工艺来代替淬火加回火；第二类是高温回火脆性，某些合金钢在450~575℃回火，或在稍高温度下回火后缓慢冷却，出现了冲击韧度下降的现象，所以也叫可逆回火脆性。

　5.检验项目

渗碳淬火后蜗杆的检验项目、内容和要求见表-1。

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　6.总结

热处理工艺的制定，必须居于工件的服役条件情况，不但要分析其性能要求，还要根据零件的外形条件，对其他不同的不为采用不同的热处理方法，只有这样才能取得良好的效果。

真是书到用时方恨少，通过这次毕业设计我真是深有体会。做课程设计之前，我没有一个完整的设计思路，这足以显示我学得不够精不够深，所学的知识没有形成一个完整的体系。不能运用自如，这可以说明我们实践太少，所学的知识没有及时的整理和消化学习尚欠努力。不过通过这次课程设计让我对典型零件的热处理生产工艺过程设计的方法、步骤、思路等有了深刻的了解，基本上可以把所学的专业课知识综合地运用于实践当中。

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致谢

在此特别感谢我的论文指导老师，您治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种良好的学习精神氛围。授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，还领会了基本的思考方式，从论文题目的选定到论文写作的指导，经由您悉心的点拨再经思考后的领悟常常让我有了“山重水复疑无路.柳暗花明又一村”。在设计过程中老师不仅仅提出了许多宝贵的意见和建议，而且更重要的是老师那认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我受益非浅，让我能顺利完成整个设计过程，在论文即将完成之际，我谨向老师表示深深的谢意。