40钢车床主轴的热处理工艺设计

攀枝花学院

学生课程设计（论文）

题 目： 40钢车床主轴的热处理工艺设计 学生姓名： X X X

学 号： XXXXXXXXX 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16日 攀枝花学院教务处制

攀枝花学院本科学生课程设计任务书

题 目 40钢车床主轴的热处理工艺设计 1、课程设计的目的 使学生了解、设计40钢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）40钢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。报告格式请参照“毕业论文（设计）”格式。 3、主要参考文献 [1] 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 [2] 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. [3] 张玉庭主编．热处理技师手册［Ｍ］．机械工业出版社．2006．第一版 [4] 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 第十四周：对给定的题目进行认真分析，查阅相关文献资料，做好原始记录。 第十五周：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） 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。

孙青竹 日期 2013年11 月 25 日

课程设计（论文）指导教师成绩评定表

题目名称 评分项目 工作 表现 20% 01 02 03 04 05 06 07 08 学习态度 科学实践、调研 课题工作量 综合运用知识的能力 应用文献的能力 设计（实验）能力，方案的设计能力 计算及计算机应用能力 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） 插图（或图纸）质量、篇幅、设计（论文）规范化程度 设计说明书（论文）质量 创新 分值 6 7 7 10 5 5 5 10 得分 评价内涵 遵守各项纪律，工作刻苦努力，具有良好的科学工作态度。 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。 按期圆满完成规定的任务，工作量饱满。 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。 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。 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。 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。 具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能力。 能力 水平 35% 成果 质量 45% 09 10 11 5 30 10 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。 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。 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

摘要……… ……………………………………………………………………….1 1 引言…………………………………………………………………………....2 2 设计分析

2.1车床的使用工况及性能要求析……………………………………………...…..3 2.2 40号钢的成分及性能点…………………………………………………..…3 2.2.1 40号钢的元素成分及其作用…………………………………………….3 2.2.2 40号钢的性能…………………………………………………………..3 2.3 热处理技术条件………………………………………………………….…..4

3 热处理工艺分析

3.1 锻坯正火…………………………………………………………………….5 3.1.1锻坯正火的作用………………………………………………………….5 3.1.2 热处理工艺………………………………………………………..…….5 3.1.3 操作技巧……………………………………………………………..….5 3.2调质……………………………………………………………………….....5 3.2.1 调质目的…………………………………………………………………5 3.2.2 热处理工艺……………………………………………………………….5 3.2.3 操作技巧………………………………………………………………….6 3.3 锥孔及外锥体的局部淬火………………………………………………………6 3.3.1 局部淬火方式……………………………………………………………..6 3.3.2 热处理工艺………………………………………………………………..6 3.3.3 操作技巧……………………………………………………………….…6 3.4 花键高频淬火…………………………………………………………………7 3.4.1 淬火方式…………………………………………………………………7 3.4.2 花键高频淬火工艺参数……………………………………………………7 3.4.3 花键回火工艺参数……………………………………………………..…7 3.4.4 操作技巧………………………………………………………………….8 3.5 40钢选择及加工路线和热处理………………………………………………… .8

3.5.1 材料选择………………………………………………………………… .8 结语………………………………………………………………………………9 参考文献……………………………………………………………………..……..9

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。而45号钢为优质碳素结构用钢，硬度不高且容易切削加工，直接用在车床主轴上不太合适，所以需要对45号钢进行适当的热处理。在主轴大端上需要使用锻坯正火，消除毛坯的锻造应力，降低硬度以改善切削加工性能，然后再进行调质，使主轴具有良好的综合力学性能，最后经过淬火后高温回火，其硬度可达220～250 HBS，提高主轴的硬度，使主轴能达到良好的工作性能。在锥孔进行局部淬火使键槽部位不淬硬，提高耐磨性；在花键部分可采用高频淬火减少变形并达到表面淬硬。车床主轴经过适当的热处理工艺，可以达到良好的工作性能，使主轴能在正常的工作中有足够的硬度，且在花键等部分有良好的耐磨性。

1 引言

通过对车床主轴的工作条件及性能要求分析，根据要求选用适当的材料，通过对40号钢的材料成分特点及性能特点，确定车床主轴的热处理工艺。首先，分析零件的使用工况及性能，根据要求选用材料；然后，确定加工工艺流程，针对流程中的具体热处理工艺查看热处理手册查找钢种的方法、参数等做出设计。最后，根据钢种设计写出总结。

关键词：

40号钢，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 40号钢的成分及性能特点

2.2.1 40号钢的元素成分及其作用

45号钢的元素成分及作用如下表：

表2.1 45号钢的元素成分及作用

元素 含量 C 0.42～0.50% 作用 Si 0.17～0.37% 固溶强化 Mn 0.50～0.80% 提高淬透性 提高回火稳定性 Cr <=0.25% [1]

2.2.2 40号钢的性能

为了了解40号钢的性能我们查热处理手册得到的标准性能如下： 按照GB/T699-1999标准规定的40钢推荐热处理制度为850℃正火、840℃淬火、600℃回火，达到的性能为屈服强度≥355MPa。而标准规定的抗拉强度为600MPa，屈服强度为355MPa，伸长率为16％，断面收缩率为40％，冲击功为39J

[2]

。所以需要我们根据40号钢的标准规定根据要求进行热处理。

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体调质后硬度为220～250 HBW； ②锥孔和外锥体硬度为45～5O HRC； ③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45号钢的特点，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坯正火的温度应该保持在850±10℃ 。 ②锻坯正火过程中应该保温1．5 h，空冷。 ③用的设备为井式炉或箱式炉(额定温度950℃)。 ④测时的硬度应小于或者等于217 HBW[3]。

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40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45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 设备 加热频率 灯丝电压 阳极电压 阳极电流 栅级电流 槽路电压 25O kHz 33 V 12000 V 7 A 1.2A 5 000 V GP～100一L3高频淬火机床 工件转速 移动速度 加热温度 冷却介质及 冷却方式 感应器型号 350 r／min 2 min／s 850±10℃ 25℃清水(O．3Mpa) 喷淋冷却 55 mm × 10 mm (内径×高度) [4]

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 花键回火工艺参数回火 设备 回火温度 180℃ 检测 技术条件 硬度 允许变形量

48～53 HRC ≤O．30 mm 检验方法 洛氏硬度计机检 顶尖、百分表检查 空气回火炉 保温时间 6 h [5]

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。

3.5.1材料的选择

主轴是车床上传递动力的零件，传递着动力和各种负荷，它的合理选材直接影响整台车床的精度和使用寿命。其主要实效形式如下：

1 受横向力并传递扭矩，承受交变弯曲应力和扭应力，常常发生疲劳断裂。 2、轴颈和花键等部位发生相对运动，承受较大的摩擦，轴颈表面产生过量的磨损。

3、承受一定的过载和冲击和载荷，产生过量弯曲变形，甚至发生折断或扭断。

所以所选的材料应满足：良好的综合力学性能，即具有较高的强度刚度、足够的韧性、疲劳强度、变形小及对应力集中的敏感性低等性能以防止过载和冲击断裂，还要有良好的切削加工性，高的表面硬度和良好的耐磨性，以防止轴颈摩损。在设计时要充分考虑：

1、主轴的工作特性和技术要求。主轴的摩檫和磨损情况;主轴的载荷大小和载荷性质。

2、主轴热处理的要求。主轴的工作状况;主轴精密度和光洁度;主轴弯曲载荷和扭转力矩;主轴转速;主轴有无冲击载荷。

3、主轴热处理加工工艺实行的可能性以及经济性。

轴的常用材料为碳素钢和合金钢。

合金钢比碳素钢具有更高的机械性能和更好的热处理性能。含不同合金的钢可获得各种特殊性能。因此，对于载荷大并要求尺寸小，重量轻、耐高温或耐磨性、抗腐蚀性能要求高的轴可采用合金钢。合金钢对应力集中的敏感性高，因此设计时应从结构上避免或减小应力集中，并降低其表面粗糙度的数值。由于在常温下合金钢的弹性模量与一般碳素钢差不多，故选合金钢对提高轴的刚度没有实效。

而对形状复杂的轴可采用球墨铸铁。球墨铸铁具有良好的吸振性和耐磨性，对应力集中的敏感性低，且价格低廉，加工性好。但球墨铸铁的强度较低。

我们一般主轴承受交变弯曲应力和扭应力，在轻度或中等载荷、转速不太高，精度不很高，冲击、交变载荷不大的情况下，具有普通力学性能就能满足要求，一般采用40

钢制造。这类材料强度和塑形、韧性等综合机械性能较好，一般经正火、调质处理，而且材料来源方便，加工性、经济性好。

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。钢轴的毛坯多数用轧制的圆钢和锻件。锻件的内部组织比较均匀，强度较好，故重要的轴及大尺寸的轴或阶梯尺寸变化大的轴，应采用锻件。

综上，无其他特殊要求一般的车床主轴采用45 钢锻件毛坯制造即可。 二、加工工艺路线

下料→备锻造毛坯→正火→机械粗加工→调质→机械半精加工车外圆+钻中心孔+铣键槽→锥孔及外锥体的局部淬火、回火→车各空刀槽+粗磨(外圆、锥孔、外锥体)+滚铣花键→花键高频淬火、回火→精磨(外圆、锥孔、外锥体)。

三、热处理工艺分析

钢的热处理工艺主要分为：淬火、回火、正火、退火。

钢的淬火是将钢加热到临界温度（Ac3或Ac1）以上，保温一定时间使之奥氏体化后，以大于临街冷却速度进行冷却，过冷奥氏体转变为马氏体或贝氏体组织的一种工艺过程。

回火工艺是根据零件材料的化学成分，淬火组织、零件的几何形状、保温时间和冷却方式等。

一般来说，淬火后还必须进行相应的回火处理，以实现以下几个方面：（1）提高硬度和耐磨性（2）提高强韧性（3）提高硬磁性（4）提高弹性（5）提高耐蚀性和耐热性

将金属及合金加热、保暖和冷却，使其组织结构达到或接*衡状态的热处理工艺称为退火或正火。退火一般在炉内缓冷，正火一般是空冷，主要应用于各类铸锻焊工件的毛坯或半成品以消除冶金及热加工过程中产生的缺陷，并为以后的机械加工及热处理准备良好的组织状态。 锻造毛坯正火

目的：锻造可成轴的毛坯和获得合适的加工流线。而对于大锻件，截面较大的钢材、铸件，用正火来细化晶粒，均匀组织或消除魏氏组织，如果用退火，硬度太低，切削容易粘刀。所以采用正火提高强度，消除毛坯的锻造应力,降低硬度以改善切削加工性能,以利于切削加工,并为下一步的热处理作组织准备。 热处理工艺:850 ±10 ℃,保温1. 5 h ,空冷。 2 调质

目的：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。为了更好的发挥调质的效果，故安排在粗加工之后。

热处理工艺:淬火840 ±10 ℃,保温1. 5 h ,水冷; 回火580 ±10 ℃,保温2～2. 5 h ,空冷。 3 锥孔及外锥体的局部淬火

外锥体键槽部位不淬硬,应用石棉绳等物填充加以保护。因内锥孔和外圆锥面常与卡盘，顶尖相对摩擦，所以要增加其耐磨性。 热处理工艺:淬火900 ±10 ℃,保温20 min ,水冷。

操作技巧:采用超过45 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。

4 花键高频淬火

花键部位采用高频感应加热淬火和回火，以保证其耐磨性和高的精度。

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。

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。

参考文献

[1] 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 [2] 王建安. 金属学与热处理[M]. 北京：机械工业出版社，1980

[3] 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 [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