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摘要：齒輪是輪緣上有齒能連續(xù)嚙合傳遞運動和動力的機械元件，是能互相嚙合的有齒的機械零件，是機械傳動中應用最廣泛的零件之一。在齒輪的制造過程中,合理選擇材料與熱處理工藝,是提高承載能力和延長使用壽命的必要保證。常用齒輪材料鍛鋼、鑄鋼、鑄鐵、有色金屬、非金屬材料等的選擇及熱處理工藝進行了分析。 一.齒輪結構：
二.齒輪的分類： 按其外形分為：圓柱齒輪、錐齒輪、非圓齒輪、齒條、蝸桿蝸輪 按齒線形狀分為：直齒輪、斜齒輪、人字齒輪、曲線齒輪 按輪齒所在的表面分為：外齒輪、內(nèi)齒輪 按制造方法可分為：鑄造齒輪、切制齒輪、軋制齒輪、燒結齒輪
三.常用齒輪材料及熱處理工藝的選擇: 1.高承載能力的重要齒輪，如汽車、拖拉機、礦山機械及航空發(fā)動機等齒輪 汽車、拖拉機等齒輪主要分裝在變速箱和差速器中，推動汽車、拖拉機運行,所以傳遞功率、沖擊力及摩擦壓力都很大, 工作條件比較差。因此在耐磨性、疲勞強度、心部強度和沖擊韌性等方面的要求均比較高，因此選用滲碳鋼經(jīng)滲碳、淬火及低溫回火后使用最為合適。小模數(shù)齒輪一般采用20Cr和20CrMnTi,而較大模數(shù)齒輪采用30CrMnTi 鋼。 工藝路線一般為:備料——鍛造——正火——機械粗加工、半精加工——滲碳+ 淬火+ 低溫回火——噴丸——校正——精加工 2.中等承載能力的齒輪，主要用于切削機床齒輪 機床齒輪大多用于齒輪箱,傳遞動力,改變運動速度和方向,工作條件相對較好,載荷不大,工作平穩(wěn)無強烈沖擊,轉速也不高,屬工作條件較好的齒輪。因此,要求綜合力學性能好,一般選用調質鋼制造, 如40 鋼、45 鋼、40Cr、40SiMn 等。 工藝路線一般為:備料——鍛造——正火——機械粗加工——調質——機械半精加工——高頻感應淬火+ 低溫回火——磨削 3.較低承載能力的齒輪 較低承載能力的齒輪一般選用中碳鋼(40、45)或低合金中碳鋼(40Cr、40Mn、40MnB等)制造,進行調質處理,調質后硬度約為200～300HB。相互配對使用的小齒輪硬度稍高(相差大約在70～120HB),對齒輪的使用壽命有利。 工藝路線一般為:備料——鍛造——正火——機械粗加工——調質——機械精加工 四.齒輪在熱處理后應滿足下列性能要求：
五.幾種常用的齒輪村料： 1鍛鋼。鋼材的韌性好，耐沖擊，還可通過熱處理或化學熱處理改善其力學性能及提高齒面的硬度，故適于用來制造齒輪除尺寸過大或者是結構形狀復雜的齒輪宜鑄造外，一般都用鍛鋼制造齒輪，常用的是含碳量在0.15%~0.6% 的碳鋼或合金鋼。齒輪根據(jù)齒面硬度分為兩大類：HB＜350 時，稱為軟齒面；HB＞350時，稱為硬齒面。 2鑄鋼。當齒輪直徑d＞400mm ，結構復雜，鍛造有困難時，可采用鑄鋼。常用材料的型號為ZG45、ZG55。鑄鋼的耐磨性及強度均較好，但應經(jīng)退火及?；幚恚匾獣r也可進行調質 3鑄鐵。鑄鐵性質較脆，抗膠合及抗點蝕能力強，但抗沖擊耐磨性差。這類齒輪常用于工作平穩(wěn)，功率不大低速或尺寸較大形狀復雜的場合，能在缺油條件下工作，適于開式傳動。 4非金屬材料。對高速、輕載及精度不高的齒輪傳動，為了降低噪聲，常用非金屬材料（如夾布塑膠、尼龍等）做小齒輪，大齒輪仍用鋼或鑄鐵制造。小齒輪常用的材料：布質、木質、塑料、尼龍。特點：適于高速輕載。 六.幾種齒輪的新型材料 1、無鎳或低鎳鋼齒輪材料 為滿足煤礦嚴酷的工況條件，國外煤礦機械重載齒輪多采用含鎳及鉬的齒輪材料。近年來，我國多數(shù)國產(chǎn)煤礦機械的重載齒輪大都采用18Cr2Ni4WA鋼。該鋼種的采用基本上消除了斷齒等早期失效現(xiàn)象，但這種材料價格偏高，且熱處理工藝復雜。料價格偏高，且熱處理工藝復雜。中國礦業(yè)大學對無鎳齒輪鋼15CrMn2SiMo及低鎳齒輪鋼18CrMnNiMo進行了試驗研究，結果表明，上述無鎳和低鎳齒輪鋼的靜強度及滲碳淬火后的靜彎性能與18Cr2Ni4WA相接近；前者的沖擊韌性值甚至優(yōu)于18Cr2Ni4WA；無鎳基低鎳鋼的疲勞性能也可與18Cr2Ni4WA相媲美。效果良好。煤炭科學研究總院太原分院在采掘機械重載齒輪材料的選擇方面也就無鎳齒輪鋼15CrMn2SiMo及低鎳齒輪鋼18CrMnNiMo代替18Cr2Ni4WA問題進行了深入的研究,結果表明，18CrMnNiMo完全可以代替18Cr2Ni4WA。 2、低碳空冷貝氏體鋼 天津盛昌齒輪有限公司和天津熱處理研究所聯(lián)合對低碳貝氏體鋼及其滲碳工藝在轎車齒輪上的應用進行了深入研究，結果表明，低碳空冷貝氏體鋼經(jīng)930℃滲碳2h，強滲與擴散時間比為1比1。工件表面含碳量為0.85％。對比試驗表明，低碳貝氏體鋼經(jīng)過滲碳氣淬后，工件變形量明顯小于20CrMnTi鋼。低碳貝氏體鋼不但滲碳工藝性能良好，力學性能優(yōu)良，而且可采用滲碳氣冷淬火從而減少小轎車齒輪滲碳淬火變形量，并可較經(jīng)濟的提高其制造精度和性能，對轎車變速器齒輪、后橋齒輪等零件具有重要推廣應用價值。 3、準貝氏體滲碳鋼 西北工業(yè)大學研制成功的系列準貝氏體鋼，具有高強高韌、工藝簡單、成本低廉等優(yōu)點，已得到廣泛應用。為了將其用于滲碳零件，又設計出準貝氏體滲碳鋼BZ18Q，其具有優(yōu)異的綜合力學性能。將BZ18Q準貝氏體鋼用于某汽車輸出軸五檔齒輪，滲碳油冷后根據(jù)汽車齒輪相關標準，對隨爐試樣進行評定檢測，結果符合有關技術要求。將準貝氏體鋼齒輪裝車路試，行車一定歷程后拆下進行檢驗，發(fā)現(xiàn)齒輪跨球距在跑車前后基本無變化，嚙合齒面光滑無麻點。試驗表明，BZ18Q準貝氏體滲碳鋼可用于制造汽車齒輪，并可替代一些含鎳較多的優(yōu)質合金滲碳鋼。 4、鑄鋼齒輪 在齒輪的設計制造中，常采用含碳量約 0.4%的碳鋼或合金鋼，如：ZG 310～570、ZG340～640、ZG35SiMn及ZG42SiMn等。鑄鋼的機械性能不及鍛軋制鋼材，但流動性較好，鑄鋼的強度雖與球墨鑄鐵相近，但其沖擊韌性和疲勞強度均比球墨鑄鐵高得多。因此，鑄鋼常用于制造對強度要求不很高，但形狀復雜、直徑較大的齒輪。 七.選擇齒輪材料的原則 齒輪材料的種類很多，在選擇時應考慮的因素也很多。一般情況下，齒輪的工作條件不同，輪齒的破壞形式不同，是確定齒輪強度計算準則和選擇材料與熱處理的根據(jù)。 1、齒輪材料必須滿足工作條件的要求。工作條件的要求是選擇齒輪材料時首先應考慮的因素，合金鋼常用于制作高速、重載并在沖擊載荷下工作的齒輪，如用于飛機的齒輪，要滿足質量小、傳遞功率大和可靠性高的要求，因此必須選擇力學性能高的合金鋼，如要求齒輪尺寸盡可能小，應采用表面硬化處理的高強度合金鋼。礦山機械中的齒輪傳動，一般功率很大、工作速度較低、周圍環(huán)境中粉塵含量極高，則往往選擇鑄鋼或鑄鐵等材料。家用及辦公用機械的功率很小，但要求傳動平穩(wěn)、低噪聲或無噪聲，以及能在少潤滑或無潤滑狀態(tài)下正常工作，因此常選用工程塑料作為齒輪材料。 2、擇齒輪材料應考慮齒輪尺寸的大小、毛坯成形方法及熱處理工藝。大尺寸的齒輪一般采用鑄造毛坯，可選用鑄鋼或鑄鐵作為齒輪材料。中等或中等以下尺寸要求較高的齒輪常選用鍛造毛坯，可選擇鍛鋼制作。尺寸較小而又要求不高時，可選用圓鋼做毛坯。 3、擇金屬制的軟齒面齒輪材料，應使配對兩輪齒面的硬度差應保持為30~50。小齒輪與大齒輪的齒面具有較大的硬度差（如小齒輪齒面為淬火并磨制，大齒輪齒面為?；蛘{質），且速度又較高時，較硬的小齒輪齒面對較軟的大齒輪齒面會起較顯著的冷作硬化效應，從而提高了大齒輪齒面的疲勞極限。因此，當配對的兩齒輪齒面具有較大的硬度差時，大齒輪的接觸疲勞許用應力可提高20%，但應注意硬度高的齒面，粗糙度值也要相應地減小。 4、擇齒輪材料應力求材料的品種少，便于管理，考慮資源和供應情況。 5、齒輪材料要考慮制造單位的設備及技術情況。 八.中國齒輪工業(yè)的發(fā)展： 中國齒輪工業(yè)在“十五”時期的發(fā)展： 2005年齒輪行業(yè)的年產(chǎn)值由2000年的240億元增加到683億元，年復合增長率23.27%，已成為中國機械基礎件中規(guī)模最大的行業(yè)。就市場需求與生產(chǎn)規(guī)模而言，中國齒輪行業(yè)在全球排名已超過意大利，居世界第四位。 2006年，中國全部齒輪、傳動和驅動部件制造企業(yè)實現(xiàn)累計工業(yè)總產(chǎn)值102628183千元，比上年同期增長24.15%；實現(xiàn)累計產(chǎn)品銷售收入98238240千元，比上年同期增長24.37%；實現(xiàn)累計利潤總額5665210千元，比上年同期增長26.85%。 2007年1-12月，中國全部齒輪、傳動和驅動部件制造企業(yè)實現(xiàn)累計工業(yè)總產(chǎn)值136542841千元，比上年同期增長30.96%；2008年1-10月，中國全部齒輪、傳動和驅動部件制造企業(yè)實現(xiàn)累計工業(yè)總產(chǎn)值144529138千元，比上年同期增長32.92%。 中國齒輪工業(yè)在“十一五”時期的發(fā)展： 中國齒輪制造業(yè)年銷售額可達到1300億元，人均銷售額上升到65萬元/年，在世界行業(yè)排名中達到世界第二。2006-2010年將新增設備10萬臺，即每年用于新增設備投資約60億元，新購機床2萬臺，每臺平均單價30萬元。到2010年，中國齒輪制造業(yè)應有各類機床總數(shù)約40萬臺，其中數(shù)控機床10萬臺，數(shù)控化率25%（高于機械制造全行業(yè)平均值17%）。 中國齒輪工業(yè)在“十二五”時期的發(fā)展： 十二五時期是中國齒輪行業(yè)發(fā)展的黃金期，未來十年，齒輪行業(yè)應加快朝由大變強的目標邁進，調結構、上水平是重要任務，也是目前行業(yè)亟待扭轉的關鍵問題。 九.結束語 近年來我國在齒輪材料研制開發(fā)方面取得了一定的成就，但還有很多不足。通過開展齒輪材料篩選試驗的研究，使我國齒輪材料系列化、規(guī)范化。在努力開發(fā)新的齒輪熱處理工藝和設備的基礎上，加快引進、吸收和合理利用國外先進工藝和設備的步伐，使我國齒輪用材水平提高到一個新高度。 鴻圖教育Proe/Creo產(chǎn)品設計課程大綱 2021-07-22 
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