航空齿轮生产工艺课程设计

1 前言

零件设计是一个工程技术人员应该具备的最基本的专业技能。零件分析是认识零件的过程，是确定零件表达方案的前提，一个好的视图表达方案离不开对零件的全面、透彻、正确分析。零件分析也是确定零件的尺寸标注以及确定零件的技术要求的前提，因此，零件分析是绘制零件图的依据。零件的工艺结构分析就是要求设计者从零件的材料、铸造工艺、机械加工工艺乃至于装配工艺等各个方面对零件进行分析，以便在零件的视图选择过程中，考虑这些工艺结构的标准化等特殊要求和规定，使零件视图表达更趋完整、合理。

课程设计可以培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题的能力，是锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。热处理生产工艺过程设计是金属材料工程专业课程教学的一个重要环节。通过这一环节，可以使我们初步掌握典型零部件生产工艺过程；掌握典型零件的选材、热处理原则和工艺制定原理；理论联系实际，综合运用基础课及专业课程多方面的知识去认识和分析零部件热处理生产过程的实际问题，培养解决问题的能力。

热处理工艺是整个机器零件和工模具制造的一部分，热处理是通过改变钢的内部组织结构，以改善钢的性能，通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。热处理工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料性能潜力、降低结构重量、节省能源，而且能够提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命。

任何一种热处理工艺都不是绝对的完美，所以经热处理后的材料会有不同程度的缺陷，对零件的缺陷进行分析也是零件设计必不可少的步骤。合理选择检验设备以及正确的检验方法是做好检验的必要条件。

通过课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，我们才能从中获得真正的知识，有了真正的知识，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

2 零件图分析

图1 零部件图

技术要求：1）氮化处理氮化层深度：>0.5mm 2）表面硬度：550-700HV

服役条件：航空齿轮使用来传递动力和改变运行速度的，因此在功率传递机构如减速器中，使用各种形式的齿轮，有较高的传动速度，受重载和冲击。齿轮工作时，一对啮合的齿轮面之间相互滑动，从而产生很大的摩擦力，而且轮齿根部还受到脉动和交变弯曲应力作用。

失效形式：①由摩擦力造成的齿面磨损；②齿轮间的接触，产生了接触应力，一旦超过材料疲劳极限，就会造成齿轮的接触疲劳破坏，如；表面麻点和疲劳剥落；

③齿轮根部还承受交变的弯曲应力，易造成弯曲疲劳破坏，如齿根折断。

性能要求：①良好的力学性能：a、高的齿面塑变抗力，即高的齿面硬度；b、高接触疲劳强度；c、高弯曲疲劳强度；d、良好的抗冲击性能，即良好的心部韧性。

②良好的工艺性能：a、良好的淬透性；b、良好的切削加工性能

3 材料选择

3.1 初步选材

根据航空齿轮的性能和技术要求，选定的材料应该具有高强度、高韧性以及良好的淬透性。铸铁容易铸成复杂的形状，容易切削，成本低，但其抗弯强度、耐冲击和耐磨性能差，故常用于受力不大、无冲击、低速的齿轮；有色金属亦强度低、承受轻载，故均不宜制造航空齿轮。此外，中碳钢虽然调质处理后有较好的综合力学性能，但淬透性差，工艺性能差，切削加工性能较差，且淬火后变脆，变形也大，故不适宜制造精度要求高的航空齿轮。故初步确定符合要求的材料为含碳量范围w(C)为0.1%-0.2%的高淬透性钢，渗碳后进行淬火、低温回火使用。

3.2 确定材料

铸铁容易铸成复杂的形状，容易切削，成本低，但其抗弯强度、耐冲击和耐磨性能差，故常用于受力不大、无冲击、低速的齿轮；有色金属亦强度低、承受轻载，故均不宜制造航空齿轮。此外，中碳钢虽然调质处理后有较好的综合力学性能，但淬透性差，工艺性能差，切削加工性能较差，且淬火后变脆，变形也大，故不适宜制造精度要求高的航空齿轮。高速重载的齿轮用钢，通用的有以下几种：

表1 常见齿轮用钢性能对比

材料比较项性能价

格

适用范围

12Cr2Ni 4A 具有高的综合力学性能，是高淬透性渗碳钢，冲

击韧度高，但有回火脆性和形成白点倾向，且工

艺性能差

较

低

适用于制造截面较大、且承

受重载荷的渗碳零件，如高

负荷齿轮

18Cr2Ni 4WA 高淬透性，有较好的强韧性配合，缺口敏感性小，

可进行渗碳和氮化处理，也可在其它热处理条件

高适用于大截面、高强度又需

要良好韧度和缺口敏感性

下使用，渗碳后工件变形小，表面高硬度高耐磨，

工艺性能比较差，如切削性、磨削性较差

小的重要渗碳件，如齿轮

续表常用齿轮性能对比

38CrMoA lA 经表面氮化处理后，有高表面硬度高耐磨，零件

之间发生咬死和卡伤的倾向小，且有高的疲劳强

度，小的缺口敏感性，还有抗水、油等介质腐蚀

的能力，有一定的耐热性，在低于渗氮温度下受

热可保持高硬度

高工艺温度低，变形小，适用

于精密机床主轴，高精度，

高可靠性的齿轮，如航空齿

轮

航空齿轮承受剧烈的交变载荷和冲击载荷，所受应力复杂，工况恶劣，使得齿轮在精度、强度、耐久性和可靠性等方面有更高要求。38CrMoAlA的氮化处理虽然比12Cr2Ni4A和18Cr2Ni4WA的渗碳处理费用高，但对于空用齿轮来说，高性能占主导，故综合考虑选用38CrMoAlA作为航空齿轮材料更适合。

3.3 20Cr2Ni4A的化学成分、相变点及合金元素作用

3.3.1 钢的化学成分

表2 38CrMoAlA的化学成分】

【1

牌号

化学成分（%）

C Si Mn Cr Mo Al

38CrMoAlA 0.35～

0.42 0.20～

0.45

0.30～

0.60

1.35～

1.65

0.15～

0.25

3.25～

3.65

3.3.2 38CrMoAlA的相变点

表3 38CrMoAlA的相变点】

【2