20CrMnTi鋼滲碳齒輪軸軸熱處理工藝及切削加工刀片參數

 摘要：通過對齒輪軸軸工作條件的分析，提出工藝要求并選定材料為20CrMnTi。然后通過鍛造.940±10℃正火.900~920℃滲碳+淬火以及180±10℃回火等一系列工藝，最終得到滿足工藝要求的齒輪軸軸。

前言：減速箱上的一些零件既要求表面有較高的硬度，保持高的耐磨性，又要求零件的心部有較高的韌性，以確保整個零件獲得足夠大的強度，因此該零件大多采用低碳鋼或低碳合金鋼制造。齒輪軸軸是減速箱結構中的重要零件，擔負著傳遞動力`改變運動速度和運動方向的任務。根據齒輪軸軸工作的特點，應選用低碳合金鋼或中碳鋼等，齒輪軸軸經過正火或調質，最后進行滲碳或化學熱處理，既保證了齒輪軸區基體組織的綜合力學性能，又增加了齒輪軸軸的耐磨性`抗咬合性，提高了齒輪軸軸的疲勞強度和沖擊韌性，延長了齒輪軸軸的使用壽命。

一．齒輪軸軸工作條件和性能要求

減速箱中齒輪軸軸，擔負著傳遞動力`改變運動速度和運動方向的任務。在速度變化和承受載荷時通常受到彎曲應力，摩擦應力，扭轉應力等。與齒輪軸配合帶動其它機件運動和向外輸出動力（功率）。

對于軸部分來說，傳遞動力過程中主要承受彎曲——扭轉載荷和一定的沖擊載荷的作用，要求有較高的靜扭轉強度和扭轉疲勞壽命，良好的耐疲勞性能及沖擊韌性。通常在齒輪軸和軸的交界部位會產生應力集中，在長期的運轉和工作當中，在應力集中區易產生疲勞破壞，因此，彎曲和疲勞斷裂是齒輪軸軸的主要破壞形式。[4]

對于齒輪軸部分來說，其工作時通過齒面的接觸來傳遞動力，其承受主要載荷作用在齒輪軸牙頂上，而齒根受到彎曲應力的作用，其周期性的變化應力使牙齒疲勞斷裂或脆性折斷，而齒面受到接觸應力的作用，在壓力過大而潤滑又不充分時易發生粘著磨損，嚴重的會使齒面撕裂，因此受力狀態十分復雜，必須經過化學熱處理才能滿足其工作要求。

對要求表面硬度高，而心部具有良好韌性的工件，如齒輪軸，齒輪軸軸，活塞銷，以及其它軸類零件，一般采用低碳鋼加工成型后對其進行滲碳處理。在工作過程中齒面的磨損最大，而且齒根承受變載后的沖擊及周期性交變彎曲載荷，使用過程中有時出現脆性斷裂或疲勞斷裂，工作齒面受到較大的脈沖式接觸壓應力及摩擦應力作用，在傳遞動力的過程中既有滾動也有滑動，加上外來硬質點的磨損，因而會造成接觸疲勞麻點急深層的快狀剝落，另外在承載時受到變動的載荷扭矩和沖擊作用，使齒端損壞。歸納起來有三種應力的作用，即彎曲應力，摩擦應力和接觸應力。

齒輪軸的主要失效形式為斷齒、磨損、疲勞斷裂及齒面蝕坑等，一般具體表現如下。

①齒輪軸齒面磨損。是指在咬合過程中，齒面上會產生很大的壓強，使其表面發生了塑性變形而變得凸凹不平，金屬之間發生接觸和黏合，齒輪軸在滑動過程中，二者之間產生磨損，因此又產生了新的摩擦力，齒面磨損是齒輪軸面相互摩擦的結果。

②彎曲疲勞斷裂。是齒輪軸咬合在齒根部會受到最大振幅的脈動作用，或交變彎曲應力的作用，造成齒部的斷裂。

③齒面磨損斷裂。齒輪軸在工作過程中，由于齒面上的接觸應力超過了材料本身的疲勞極限強度，會產生接觸疲勞斷裂。

④表面麻點剝落、淺層剝落和深層剝落等。[6]

綜上所述，齒輪軸軸應具有以下的力學性能：

具有足夠的強度，減少軸頸的翹曲變形，提高自抗震能力。

表面有高的硬度`彎曲疲勞強度`扭轉強度和耐磨性。

良好的抗疲勞強度和沖擊韌性，心部有最佳的強度和沖擊韌性。

從齒輪軸軸的工作條件來看，在耐磨性`疲勞強度與心部強度`沖擊韌性等方面配合要求比較高，在某種程度上高頻淬火或調質很難滿足使用要求，而滲碳鋼經過滲碳`淬火和低溫回火就能很好的保證工作的需要。因此，對齒輪軸軸進行表面處理，可提高表面硬度和耐磨性，同時耐腐蝕和疲勞強度明顯提高。

齒輪軸軸滲碳的技術要求：表面含碳量為0﹒8﹪~1﹒05﹪，滲碳層厚度為0﹒9㎜~1﹒3㎜，滲碳淬火表面硬度不小于58~63HRC；低溫回火表面硬度為58~64HRC，心部硬度為32~45HRC；變形量小和心部組織符合要求。

加工20crmnti齒輪軸（淬硬鋼，淬火料，20crmnti齒輪軸）的專用刀片切削參數

加工20crmnti齒輪軸（淬硬鋼，淬火料，20crmnti齒輪軸）的專用刀片、立方氮化硼專用刀片----BN-S20和BN-H20牌號，分別用于粗加工和精加工。該兩種牌號車刀能有力的提高加工效率，節約生產時間，減少生產成本。該專用刀片也可車加工、銑削，鏜加工調質鋼、氮化鋼、氮化件、滲碳20crmnti齒輪軸（滲碳20crmnti齒輪軸件）、熱處理后的高硬度20crmnti齒輪軸（熱后加工，熱后硬加工）、模具鋼（淬火后或調制后的）、20CrMnTi、SUJ2高碳鉻軸承鋼，Cr12MoV、硬度值在HRC45以上（HRC58，HRC62，HRC60，HRC65等更高硬度的）20crmnti齒輪軸件。

       20crmnti齒輪軸時有以下特點：(1)硬度高、強度高，幾乎沒有塑性：這是20crmnti齒輪軸的主要加工削特點。當20crmnti齒輪軸的硬度達到HRC50～60時，屬于最難加工的材料。(2)切削力大、切削溫度高：為了改善切削條件，增大散熱面積，專用刀片選擇較小的主偏角和副偏角。這時會引起振動，要求要有較好的工藝系統剛性。(3)不易產生積屑瘤：20crmnti齒輪軸的硬度高、脆性大，加工加工易產生積屑瘤，被加工表面可以獲得較低的表面粗糙度。(4)刀刃易崩碎、磨損：由于20crmnti齒輪軸的脆性大，車加工屑與刀刃接觸短，切削力和切削熱集中在專用刀片刃口附近，易使刀刃崩碎和磨損。(5)導熱系數低：一般20crmnti齒輪軸的導熱系數為7.12 W/(m?K)，約為45號鋼的1/7。由于20crmnti齒輪軸的導熱系數低，切削熱很難通過切屑帶走，加快了專用刀片磨損。

華菱超硬刀片20crmnti齒輪軸時的切削參數

1）用華菱超硬刀片精20crmnti齒輪軸時：淬硬工件硬度高于45HRC，效果最好，工件硬度越高，切削線速度宜取低值，如車硬度為70HRC的工件，其切削速度宜選用60-80m/min；通常在切削硬度為HRC55～65的材料時，超硬專用刀片的切削速度應在50～120m／min。銑削時的Vc=100～160m/min，每分鐘進給量Vf=70～160mm/min；鉸削時Vc= 60～130m/min，ap=0.1～0.2mm，f=0.07～0.2mm/r。

2）淬硬工件大余量加工時：由于淬火變形等其他原因，當淬硬工件車加工余量大于1mm時；專用刀片的切削阻力是精加工時的6-9倍。這時采用較小的進給量來降低切削阻力是最有效的辦法；如果是對20crmnti齒輪軸進行斷續切削加工，線速度設為精加工的2/3為佳;華菱BN-S20可以實現大縱深加工的同時，亦可承受間斷切削加工的沖擊。

3）當精車20crmnti齒輪軸的切深在0.1～0.3mm，進給量在0.05～0.025mm/r，精車后的工件表面粗糙度為Ra0.3～0.6μm，尺寸精度可達0.013mm。若能采用剛性好的標準數控車床加工，專用刀片的剛性好和刃口鋒利，則精車后的工件表面粗糙度可達Ra0.3μm，尺寸精度可達0.01mm，可達到用數控磨床加工的水平。

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20CrMnTi鋼滲碳齒輪軸軸熱處理工藝及切削加工刀具參數