齒輪軸

根據(jù)軸線形狀的不同，軸可以分為曲軸和直軸兩類。

根據(jù)軸的承載情況，又可分為：

①轉(zhuǎn)軸，工作時(shí)既承受彎矩又承受扭矩，是機(jī)械中最常見的軸，如各種減速器中的軸等。

②心軸，用來(lái)支承轉(zhuǎn)動(dòng)零件只承受彎矩而不傳遞扭矩，有些心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，如鐵路車輛的軸等，有些心軸則不轉(zhuǎn)動(dòng)，如支承滑輪的軸等。

③傳動(dòng)軸，主要用來(lái)傳遞扭矩而不承受彎矩，如起重機(jī)移動(dòng)機(jī)構(gòu)中的長(zhǎng)光軸、汽車的驅(qū)動(dòng)軸等。

齒輪軸主要承受交變載荷，沖擊載荷，剪切應(yīng)力和接觸應(yīng)力大。軸部易產(chǎn)生裂紋，齒部易磨損。因此對(duì)齒輪軸的心部要求有一定的強(qiáng)度和韌性，有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力。表面還應(yīng)具有一定的硬度和耐磨性。

在設(shè)計(jì)中，齒輪軸的運(yùn)用一般無(wú)外乎一下幾種情況：

1、齒輪軸一般是小齒輪（齒數(shù)少的齒輪）

2、齒輪軸一般是在高速級(jí)（也就是低扭矩級(jí)）

3、齒輪軸一般很少作為變速的滑移齒輪，一般都是固定運(yùn)行的齒輪，一是因?yàn)樘幵诟咚偌?jí)，其高速度是不適進(jìn)行滑移變速的。

4、齒輪軸是軸和齒輪合成一個(gè)整體的，但是，在設(shè)計(jì)時(shí)，還是要盡量縮短軸的長(zhǎng)度，太長(zhǎng)了一是不利于上滾齒機(jī)加工，二是軸的支撐太長(zhǎng)導(dǎo)致軸要加粗而增加機(jī)械強(qiáng)度（如剛性、撓度、抗彎等）

正火是將鋼件加熱到上臨界點(diǎn)(AC3或Acm)以上40~60℃或更高的溫度，保溫達(dá)到完全奧氏體化后，在空氣中冷卻的簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)的熱處理工藝，其目的是在于使晶粒細(xì)化和碳化物分布均勻化。

正火后的組織：亞共析鋼為F+S，共析鋼為S，過(guò)共析鋼為S+二次滲碳體，且為不連續(xù)。

（1）．正火加熱溫度

通常對(duì)于亞共析鋼正火的加熱溫度通常為Ac3以上30～50℃,而對(duì)于中碳合金鋼的正火溫度正火溫度通常為Ac3以上50～100℃，保溫一定時(shí)間后取出噴霧冷卻這種冷卻方式稱為高溫正火。由鐵碳合金相圖如圖6可知42CrMo的加熱溫度范

（2）．正火加熱保溫時(shí)間

保溫時(shí)間,這個(gè)問(wèn)題比較復(fù)雜,一般由試驗(yàn)確定,但也有個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式:t = αKD t—保溫時(shí)間(min) α—加熱系數(shù)(min/mm) K—工件加熱是的修正系數(shù) D—工件的有效厚度(mm)

工件有效厚度的計(jì)算原則是:薄板工件的厚度即為其有效厚度;長(zhǎng)的圓棒料直徑為其有效厚度;正方體工件的邊長(zhǎng)為其有效厚度;長(zhǎng)方體工件的高和寬小者為其有效厚度;帶錐度的圓柱形工件的有效厚度是距小端2L/3(L為工件的長(zhǎng)度)處的直徑;帶有通孔的工件,其壁厚為有效厚度. 一般情況下，碳鋼可以按工件有效厚度每25毫米為一小時(shí)來(lái)計(jì)算，合金鋼可以按工件的有效厚度每20毫米一小時(shí)來(lái)計(jì)算保溫時(shí)間，加熱時(shí)間應(yīng)為2～3小時(shí)左右。

（3）．正火的目的

正火的主要目的是消除鍛造缺陷，使其成分均勻,硬度和韌性好，并改善材料的切削性,也為調(diào)質(zhì)做好了組織準(zhǔn)備。

正火主要用于鋼鐵工件。一般鋼鐵正火與退火相似，但冷卻速度稍大，組織較細(xì)。有些臨界冷卻速度（見淬火）很小的鋼，在空氣中冷卻就可以使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，這種處理不屬于正火性質(zhì)，而稱為空冷淬火。與此相反，一些用臨界冷卻速度較大的鋼制作的大截面工件，即使在水中淬火也不能得到馬氏體，淬火的效果接近正火。鋼正火后的硬度比退火高。正火時(shí)不必像退火那樣使工件隨爐冷卻，占用爐子時(shí)間短，生產(chǎn)效率高，所以在生產(chǎn)中一般盡可能用正火代替退火。對(duì)于含碳量低于0.25%的低碳鋼，正火后達(dá)到的硬度適中，比退火更便于切削加工，一般均采用正火為切削加工作準(zhǔn)備。對(duì)含碳量為0.25～0.5%的中碳鋼，正火后也可以滿足切削加工的要求。對(duì)于用這類鋼制作的輕載荷零件，正火還可以作為最終熱處理。高碳工具鋼和軸承鋼正火是為了消除組織中的網(wǎng)狀碳化物，為球化退火作組織準(zhǔn)備。

42CrMo的工藝流程中的正火的主要用于大型鍛件，可作為最后熱處理，從而避免淬火時(shí)較大的開裂傾向。一般均安排在毛坯生產(chǎn)之后，切削加工之前，或粗加工之后，半精加工之前。正火的目的是為了細(xì)化晶粒、改善組織，提高切削加工性能，為淬火和最終熱處理做好準(zhǔn)備。

圍為850～900℃。加熱溫度過(guò)低先共析鐵素體未能全部溶解而達(dá)不到細(xì)化晶粒的作用，加熱溫度過(guò)高會(huì)造成晶粒粗化惡化鋼的力學(xué)性能，所以我們可以選著870℃。

調(diào)質(zhì)處理：淬火后高溫回火的熱處理方法稱為調(diào)質(zhì)處理。高溫回火是指在500-650℃之間進(jìn)行回火。調(diào)質(zhì)可以使鋼的性能，材質(zhì)得到很大程度的調(diào)整，其強(qiáng)度、塑性和韌性都較好，具有良好的綜合機(jī)械性能。調(diào)質(zhì)處理后得到回火索氏體?；鼗鹚魇象w(tempered sorbite)是馬氏體于回火時(shí)形成的，在在光學(xué)金相顯微鏡下放大500~600倍以上才能分辨出來(lái)，其為鐵素體基體內(nèi)分布著碳化物（包括滲碳體）球粒的復(fù)合組織。它也是馬氏體的一種回火組織，是鐵素體與粒狀碳化物的混合物。此時(shí)的鐵素體已基本無(wú)碳的過(guò)飽和度，碳化物也為穩(wěn)定型碳化物。常溫下是一種平衡組織。 ?

時(shí)效處理：為了消除精密量具或模具、零件在長(zhǎng)期使用中尺寸、形狀發(fā)生變化，常在低溫回火后（低溫回火溫度150-250℃）精加工前，把工件重新加熱到100-150℃，保持5-20小時(shí)，這種為穩(wěn)定精密制件質(zhì)量的處理，稱為時(shí)效。對(duì)在低溫或動(dòng)載荷條件下的鋼材構(gòu)件進(jìn)行時(shí)效處理，以消除殘余應(yīng)力，穩(wěn)定鋼材組織和尺寸，尤為重要。 ?

調(diào)質(zhì)鋼有碳素調(diào)質(zhì)鋼和合金調(diào)質(zhì)鋼二大類，不管是碳鋼還是合金鋼，其含碳量控制比較嚴(yán)格。如果含碳量過(guò)高，調(diào)質(zhì)后工件的強(qiáng)度雖高，但韌性不夠，如含碳量過(guò)低，韌性提高而強(qiáng)度不足。為使調(diào)質(zhì)件得到好的綜合性能，一般含碳量控制在0.30~0.50%。 ?

調(diào)質(zhì)淬火時(shí)，要求工件整個(gè)截面淬透，使工件得到以細(xì)針狀淬火馬氏體為主的顯微組織。通過(guò)高溫回火，得到以均勻回火索氏體為主的顯微組織。小型工廠不可能每爐搞金相分析，一般只作硬度測(cè)試，這就是說(shuō)，淬火后的硬度必須達(dá)到該材料的淬火硬度，回火后硬度按圖要求來(lái)檢查。

1）．淬火溫度的選擇。

42CrMo鋼，含碳量為0.42%，屬于亞共析鋼，含碳量為0.42%鋼的Ac3為800℃，由亞共析鋼淬火溫度要求T=Ac3+30~50（℃）可得，淬火溫度T=830~850（℃），我們可以設(shè)定在840℃。

熱處理類型 正火 熱處理硬度 約220HBS

加熱溫度℃ 870℃ 加熱速度 約300℃/h

保溫時(shí)間 1h 冷卻速度 約20℃/s

2）．淬火保溫時(shí)間的確定。

根據(jù)有效長(zhǎng)度Φ/2=80/2=40mm，可查知，保溫時(shí)間要大于56min，為保證獲得理想組織可選1h。

3）．確定淬火介質(zhì)。

根據(jù)零件使用要求，根據(jù)圖7可知要求淬火后心部硬度大于HRC23時(shí)，至水冷端距離小于33mm方可達(dá)到要求，在圖8中可查出之水冷端距離小于33mm的油中淬火約最大直徑為87mm，符合要求（42CrMo鋼的淬透性高，所以應(yīng)盡量選擇油淬，可增加奧氏體的穩(wěn)定性）。

4）．確定回火溫度。

不同含碳量與回火溫度的曲線中（《鋼的熱處理》胡光立、謝希文 西北工業(yè)大學(xué)出版社。）查出含碳量為0.4~0.5%的曲線帶，再在縱坐標(biāo)上查出HRC=35~40，取中值36其曲線帶相交的點(diǎn)即為加熱溫度，大約為480℃

5）．確定回火保溫時(shí)間。

由于回火保溫時(shí)間為480℃，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可知回火保溫時(shí)間大約為1~1.5h。 回火后空冷即可。

6）．調(diào)質(zhì)的目的。

調(diào)質(zhì)使工件具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，即高強(qiáng)度和高韌性的適當(dāng)配合，還可提高一定的耐磨性，以保證零件長(zhǎng)期順利工作。

感應(yīng)淬火即感應(yīng)加熱就是利用電磁感應(yīng)在工件內(nèi)產(chǎn)生渦流而將工件進(jìn)行加熱。中頻,頻率1000HZ用于容煉，高頻,用于金屬表面淬火，退火，中頻2.5KCHZ用于內(nèi)部組織調(diào)質(zhì),熱烘裝,等。

感應(yīng)加熱淬火加熱速度快，淬火質(zhì)量好，較一般淬火硬度高，得到極細(xì)馬氏體，且淬硬層深度易于控制，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。

感應(yīng)加熱淬火的原理是：電磁感應(yīng)產(chǎn)生同頻率的感應(yīng)電流即渦流。渦流在工件截面上的分布是不均勻的，心部幾乎等于零，而表面電流密度極大，稱為“集膚效應(yīng)”，頻率愈高，電流密度極大的表面層愈薄。依靠這種電流和工件本身的電阻，使工件表面迅速加熱到淬火溫度，而心部溫度仍接近室溫，然后立即噴水冷卻，使工件表面淬硬。

齒輪軸的工作能力一般取決于強(qiáng)度和剛度，齒輪軸經(jīng)過(guò)淬火，使齒輪軸的剛度強(qiáng)度都提高了，從而更加耐用，質(zhì)量更高。常用齒輪軸淬火設(shè)備有以下幾種：

超音頻淬火設(shè)備

高頻淬火設(shè)備

中頻淬火設(shè)備

淬火機(jī)床

淬火已成為現(xiàn)代工業(yè)中一種不可缺少，而且日益重要的加工工藝方法。因此感應(yīng)淬火設(shè)備的發(fā)展也是日益壯大。選用好的淬火設(shè)備，能使工作事半功倍。

材料要有很好的力學(xué)性能，常采用42CrMo鋼經(jīng)正火，調(diào)質(zhì)，感應(yīng)加熱淬火加低溫回火已達(dá)到所要求的性能。42CrMo鋼屬于超高強(qiáng)度鋼，具有高強(qiáng)度和韌性，淬透性也較好，無(wú)明顯的回火脆性，調(diào)質(zhì)處理后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力，低溫沖擊韌性良好。該鋼適宜制造要求一定強(qiáng)度和韌性的大、中型塑料模具。42CrMo為中碳合金鋼，預(yù)備熱處理是正火，主要目的是為了獲得一定的硬度，便于鋼坯的切削加工，為調(diào)質(zhì)做好組織準(zhǔn)備。調(diào)質(zhì)的目的是為了提高軋機(jī)齒輪軸的綜合力學(xué)性能。中頻感應(yīng)加熱表面淬火是使零件表面得到高的硬度和耐磨性，而心部仍保持一定的強(qiáng)度及較高的塑性、韌性。

42CrMo是合金鋼 ,用于條件苛刻的軸類及結(jié)構(gòu)件

42CrMo鋼中含有的合金元素Cr，Mo。其中鉻能增加鋼的淬透性并有二次硬化作用?？商岣吒咛间摰挠捕群湍湍バ远皇逛撟兇啵缓砍^(guò)12%時(shí)。使鋼有良好的高溫抗氧化性和耐氧化性介質(zhì)腐蝕的作用。還增加鋼的熱強(qiáng)性，鉻為不銹耐酸鋼及耐熱鋼的主要合金元素。鉻在調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼中的主要作用是提高淬透性。使鋼經(jīng)淬火回火后具有較好的綜合力學(xué)性能，在滲碳鋼中還可以形成含鉻的碳化物，從而提高材料表面的耐磨性。而鉬在鋼中能提高淬透性和熱強(qiáng)性。防止回火脆性，增加剩磁和矯頑力以及在某些介質(zhì)中的抗蝕性，在調(diào)質(zhì)鋼中，鉬能使較大斷面的零件淬深、淬透，提高鋼的抗回火性或回火穩(wěn)定性，使零件可以在較高溫度下回火，從而更有效地消除（或降低）殘余應(yīng)力，提高塑性。所以在生產(chǎn)中常常選用42CrMo作為軋機(jī)齒輪軸的材料。其綜合力學(xué)性能優(yōu)良符合質(zhì)量要求。

通過(guò)對(duì)42CrMo鋼熱處理工藝和合金元素作用的分析，明確在執(zhí)行熱處理工藝過(guò)程中所需要注意的問(wèn)題。能夠正確確定加熱溫度、時(shí)間，保溫時(shí)間，冷卻方式，其目的就是通過(guò)正確的熱處理工藝，達(dá)到所需要的性能，保證質(zhì)量。

齒輪軸的加工工藝（以45號(hào)鋼為例）：一、毛坯下料二、粗車三、調(diào)質(zhì)處理（提高齒輪軸的韌性和軸的剛度）四、精車齒坯至尺寸五、若軸上有鍵槽時(shí)，可先加工鍵槽等六、滾齒七、齒面中頻淬火（小齒輪用高頻淬火），淬火硬度HRC48-58（具體硬度值需要依據(jù)工況、載荷等因素而定）八、磨齒九、成品的最終檢驗(yàn)

它有整體式和分體式兩種。為保證行星齒輪和行星齒輪軸之間有良好的潤(rùn)滑，故在其軸頸上銑有平面供潤(rùn)滑用。