齿轮零件选材及工艺分析

在机床、汽车、拖拉机中，速度调节和功率传递主要取决于齿轮机床、汽车和拖拉机。

齿轮工作时的一般应力情况如下：

（1）齿承受较大的交变弯曲应力；

(2)换当、启动或啮合不均匀时承受击力；

（3）齿面相互滚动、滑动，并承受接触压应力。

因此，齿轮的损坏形式主要是齿的断裂、齿表面的剥落和过度磨损。因此，齿材要求具有以下主要性能：

（1）高弯曲疲劳强度和接触疲劳强度；

（2）齿面具有高硬度和耐磨性；

(3)齿轮心有足够高的强度和韧性。

此外，还需要更好的热处理工艺，如变形小、变形有一定规律等。

以机床、汽车、拖拉机两种齿轮为例。

(1)机床齿轮

机床中的齿轮承担着传递动力、改变运动速度和方向的任务。一般来说，机床中的大部分齿轮精度都是7级精度（GB179-83规定，精度分为12级和1级、2、3、..12表示，数字越大，精度越低)。只是在他度传动机构中要求更高的精度。

与矿山机械和动力机械中的齿轮相比，机床齿轮的工作条件也属于运行平稳、负荷小、条件好的一类。实践证明，一般机床齿轮采用碳钢制造，经高频感应热处理，硬度、耐磨性、强度和韧性能满足要求，县市频淬火具有变形小、生产率高的优点。

以C616机床中齿轮为例进行分析。

1、高频淬火齿轮工艺线

下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→高频淬火及回火→精磨

2、热处理过程的作用正火处理是锻造齿轮毛坯的必要热处理过程，可使同批毛坯具有相同的硬度，便于切割加工，使组织均匀，消除锻造应力。对于一般齿轮，正火处理也可作为高频淬火前的最终热处理过程。

调质处理可使齿轮具有较高的综合机械性能，提高齿轮心脏的强度和韧性，使齿轮承受较大的弯曲应力和冲击力。调质后的齿轮在淬火过程中变形较小，因为它们是回火索氏体。

高频淬火和低温回火是赋予齿轮表面性能的关键过程。通过高频淬火，提高了齿轮表面的硬度和耐磨性，增强了齿轮表面的抗疲劳损伤能力。为了消除淬火应力，高频淬火后应进行低温回火（或自回火），非常有利于防止磨削裂纹的产生，提高抗冲击性。

3、齿轮高频淬火后的变形一般表现为内孔缩小，外径不变或减小。当齿轮外径与内径之比小于1.5时，内径略有膨胀；当齿轮有键槽时，内径向键槽方向膨胀，形成椭圆形，齿间椭圆形，齿间稍有变形，齿形变化较小，一般表现为0.002~0.005㎜。这些微小的变形对生产影响不大，因为一般机床使用的7级精度齿轮，淬火回火后，必须经过滚动和推孔才能成为成品。

高频淬火齿轮通常采用碳含量为0.40~0.50%的碳钢或低合金钢(400、45、40Cr、45Mn2、405MnB等。)制造。批量生产时，一般要求选择含碳量，以保证质量。45钢限制在0.42~0.47%C，0.37~0.42%限制40Cr钢C。经高频淬火和低温回火后，淬火层为中碳回火马氏体，心脏为毛坯热处理（正火或调质）后的组织。

（2）汽车、拖拉机齿轮

汽车和拖拉机齿轮主要安装在变速箱和差速器中。在变速箱中，发动机、典轴和主轴齿轮的速度比发生变化；在差速器中，通过齿轮增加扭转力，调整左右两个车轮的转速，通过齿轮将发动机的动力传递给主动轮，驱动汽车和拖拉机运行。汽车和拖拉机齿轮的工作条件比机床齿轮重得多，对耐磨性、疲劳强度、心脏强度和冲击韧性的要求高于机床齿轮。实践证明，汽车和拖拉机齿轮采用渗碳钢制成，经渗碳热处理后更适合使用。

以下是JN-150型载重车(载重8万辆)㎏）以变速箱第二轴的二、三档齿轮(如图)为例进行分析。

图片1.png1、选用钢；汽车和拖拉机齿轮的生产特点是批量大，产量高。因此，在选择钢材时，必须在满足机械性能的前提下，对工艺性给予足够的重视。

20crmnti钢具有较高的机械性能。渗碳淬火低温回火后，表面硬度为HRC58~62，心硬度为HRC30~45。20crmnti工艺性能良好。锻造后，正火一般用于提高其切割加工性能。

20crmnti钢具有良好的热处理工艺和淬透性。由于合金元素钛对过热不敏感，渗碳后可直接冷却淬火。此外，还具有渗碳速度快、过渡层均匀、渗碳淬火后变形小等优点，非常有利于制造形状复杂、变形小的齿轮零件。

20crmnti钢可制造截面为30crmnti钢㎜以下是高速中等载荷、冲击、摩擦等重要部件，如齿轮、齿轮轴等渗碳部件。当碳含量达到上限时，也可用于制造40个截面㎜下面，模数大于10的20crMnTi齿轮等。

根据JN-150g载重汽车变速箱二、三档齿轮的规格和工作条件，选用20crmnTi钢制造更为合适。

2、二轴齿轮的工艺路线。

下料→锻造→正火→机械加工→渗碳、淬火和低温回火→喷丸→磨内孔及换档槽→装配

3、热处理过程的作用。

4、热处理技术条件及热处理技术条件

热处理技术条件：

表面渗碳含量：0.8～1.05%C;

渗碳层厚度：0.8～1.3㎜;

淬火后的硬度：HRC≮59；

回火后表面硬度：HRC58～64；

心脏硬度：HRC333～48。

齿轮主要尺寸：

齿数（Z）=32；模数（m）=5.5；

公法线长度（L）=74.88-0.16+0.24；键宽=10-0.09+0.03。

变形要求：

公法线摆动小于0.0555㎜；

键宽变形不超过0.005㎜；

齿向变形不超过0.017㎜。

热处理工艺：在JT-75井炉内进行渗碳。渗碳温度为9200～940℃，确定为5小，渗碳后预冷至840℃～直接淬火(油冷)860℃，淬火后再经过淬火≤低温回火200℃。

台下二轴齿轮通过渗碳、淬火和低温回火得到的统计结果:

表层含碳量：不超过1.05%

表面硬度(回火后)：HRC62～63

心脏硬度(回火后)：HRC40～43

公法线长度膨胀：0.02～0.04㎜

内孔缩小：0.05～0.1㎜

键宽缩小：0.05㎜

根据上述变形规律，生产中进一步采用冷热加工方法，使变形控制在所需技术条件范围内。

除高频淬火齿轮和渗碳齿轮外，还有碳氮共渗齿轮；根据不同的应力条件和性能要求，齿轮也可采用中碳合金进行调质和氮化处理；以及铸铁和铸钢制造的齿轮。