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1、二缸油泵凸轮轴材料课程设计 机械技术学院 材料11332班 名字：2015年9月30日课程设计任务书一、课程设计工作日自2015年9月28日至2015年9月30日星期五二、同组学生： 1、课程设计课题二缸油泵凸轮轴材料设计2、课程设计的主要项目和要求1）熟悉课题、查阅资料：要求充分熟悉本课题，并查阅大量有关本课题内容的资料。2）对所属零件进行受力和失效分析，提出性能要求。3）确定合金钢材料：要求在满足零件使用性能的前提下，兼顾经济型和工艺性，合理选择材料。4）确定热处理工艺方法和设备：要求选定热处理方法和热处理设备。5)编写说明书：明确本课题设计方案的内容、确定原则和理由。6)编制热处理工艺卡
2、。3、上交资料1) 设计说明书一套2) 热处理工艺卡一套3) 课程设计小结一份 目 录一、二缸凸轮轴的受力情况及工作环境、失效分析41.1 凸轮轴的受力情况及工作环境1.2 凸轮轴的失效分析二、二缸凸轮轴的性能要求7三、材料合金元素作用分析53.1 材料合金元素的作用分析3.2 材料冷加工工艺分析3.3 材料热处理工艺分析3.4 材料原材料价格的对比3.5 材料加工工艺经济性成本对比3.6 材料最终性能比较四、 热处理工艺方案设计114.1 二缸凸轮轴选用的热处理设备4.2 制定工艺流程4.3 制定热处理工艺流程4.4 凸轮轴装炉量选取五、结论18附录1 热处理工艺卡21附录2参考文献22课程
3、设计小结23 二缸油泵凸轮轴材料设计一、凸轮轴的工作环境和失效分析1）凸轮轴的工作环境凸轮轴承受周期性的冲击载荷。凸轮与挺柱之间的接触应力很大，相对滑动速度也很高，因此凸轮工作表面的磨损比较严重。针对这种情况，凸轮轴轴颈和凸轮工作表面除应该有的较高的尺寸精度、较小的表面粗糙度和足够的刚度外，还应有较高的耐磨性和良好的润滑。凸轮轴的主体是一根与气缸组长度近似相同的圆柱形棒体。上面套有若干个凸轮，用于驱动气门。凸轮轴是通过凸轮轴轴颈支撑在凸轮轴轴承孔内的，因此凸轮轴轴颈数目的多少是影响凸轮轴支撑刚度的重要因素。如果凸轮轴刚度不足，工作时将发生弯曲变形，影响配气定时。凸轮轴是发动机配气系统中重要的部
4、件，凸轮轴的旋转是依靠曲轴带传动的，用来保证各个气缸内进，排气门按一定的时间正常开启和关闭，保证发动机充分换气，使进、排气门持久地保燃烧室的密封性，确保发动机具有良好的可持续性和动力性。凸轮轴在工作过程中承受连杆挤压应力的作用，另外受到一定的弯曲载荷和扭矩的作用，同时又要承受周期性变化的挤压应力以及与挺杆相接触产生的滑动带滚动摩擦的作用，也受到周期性的冲击载荷和磨损。凸轮轴的损坏形式多为接触疲劳破坏、凸轮磨损、表面麻点和块状剥落等。 凸轮轴的结构简图2）凸轮轴的失效分析凸轮轴在工作过程中除承受一定的弯曲和扭转载荷外，主要是凸轮部分承受周期变化的挤压应力以及与挺杆体相接处产生的滑动带滚动的摩擦。
5、凸轮轴的主要失效方式是凸轮的粘着磨损和凸轮表面因挤压应力的反复作用而造成的麻点或表面脱落，以及凸轮尖的磨损，所以要求凸轮轴除具有相应的强度和硬度外，还应具有良好的抗擦伤性，抗接触疲劳能力和耐磨性。其中弯曲应力按下式计算：公式中： p-凸轮上的作用力（kgf），p=ps+pj+pg； Ps-换算到挺柱端的气门弹簧力（kgf）；pj-换算到挺柱端的配气机构； pg-换算到挺柱端的气缸中气体压力与进、排气管中气体的压力差与气门头部面积的乘积（kgf）； l-两支点到凸轮之间的距离（mm）； l1，l2-由支点到凸轮之间的距离（mm）； db-凸轮轴最小直径（mm）； dn-空心凸轮轴的内径（mm）；
6、扭曲应力按下式计算： (kgf/mm2) 公式中： ; -驱动其他组件的力矩（kgf/mm）; -各个凸轮上的力矩和（kgf/mm）；挠度按下列公式计算： (mm)公式中：E-凸轮轴材料的弹性模量二、凸轮轴零件性能要求1.要求凸轮轴具有相应的强度和硬度外，还应具有良好的抗擦性，抗接触疲劳能力和耐磨性。2. 凸轮轴要有一定的抗弯强度和足够的韧性，能承受一定的抗扭转载荷，保证受力后无明显变形。3. 轴在工作过程中产生磨损，刮伤，断裂等缺陷。4. 凸轮轴需要较好的耐磨性能和切削加工性能。凸轮轴需要具有准确的尺寸，轴颈要有中等的抗弯强度和抗扭转载荷以及中等的韧性和耐磨性。三、材料合金元素作用分析凸轮轴
7、的材料选项主要取决于在发动机的工作条件，使用工况；凸轮-挺杆间的最大接触力，相对滑动速润滑条件，润滑油的品种，匹配挺杆的材料，硬度，表面状况和凸轮轴表面要有较高的粗糙度，中等强度和硬度以及一定的耐磨性，防止凸轮工作载荷。目前制造凸轮的材料，工艺种类较多，可分为钢和铸铁两大类。根据二缸油泵凸轮轴的服役条件，受力和失效的情况，一般凸轮轴选用渗碳钢和中碳钢，对于大马力的高速发动机凸轮轴采用镍铬钼合金铸铁，故初步选取45#和QT700-2两种材料。1、合金元素的作用分析45钢的合金元素作用分析C：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低；含碳量还会降低钢的耐大气腐蚀能力。45钢是含碳量
8、在0.45%的优质钢。强度较高，塑性和韧性尚好，用于制作承受负荷较大的小截面调制件和应力较小的大型正火零件QT700-2的合金元素作用分析C：碳是球磨铸铁的基本元素，碳有助于石墨化。球墨铸铁的碳当量通常控制在共晶成分或稍高于共晶成分（4.3%4.6%，质量分数），以利于球化和避免白口组织，含碳量较高时，铁液的石墨化能力强，形成的石墨核心多，细化是石墨球，提高石墨球的圆整度，铁液流动性也较好，有利于提高铸件减震性和减磨性。但是，碳含量过高，会引起石墨漂浮。QT700-2含碳量为3.08-3.30，为珠光体型球磨铸铁，具有较高强度，耐磨性，低韧性。适于对强度要求较高的零件，如柴油机和汽油机的曲轴，
9、凸轮轴，部分磨床，铣床，车床的主轴，球磨机齿轴，小型水轮机主轴等。2、材料冷加工工艺分析1） 以45#为凸轮抽材料加工工艺流程为锻造调质（850870摄氏度加热)-空冷至室温，此时硬度217HBW-淬火（温度840摄氏度），介质水，此时硬度55HRC。2） QT700-2为珠光体球墨铸铁，常规采用铸态或正火热处理。这是一种材料。但这种材料加工后再通过其它热处理可以达到55HRC：(1)、等温淬火的球铁（ADI）抗拉强度一般也就在13001600MPa，折算后约50HRC。但这时已不是QT700-2了。(2)、如对QT700-2做感应淬火（高频/中频-视硬化层深度要求）表面可以达到50HRC以上
10、。但心部仍为QT700-2。3、材料热处理工艺分析1）45钢作为凸轮轴的预先热处理为正火，以使其得到良好的力学性能； 最终热处理为淬火+低温回火，以降低淬火应力，获得良好的强度、硬度。45钢凸轮轴的技术要求为凸轮、支承轴径和偏心轮的表面硬度为5563HRC，硬化层深度为25mm。对于材料为中碳钢的凸轮轴来说，由于感应淬火是易控制、节能、生产率高、产品质量好、便于实现机械化自动化的热处理工艺，因此在实际热处理过程中得到了极为广泛的应用，它避免了使用等时工件必须完全加热的弊端。考虑到发动机凸轮轴要求的硬化层深。2） 球墨铸铁的预先热处理为：去应力退火 目的是增加基体组织中珠光体的含量，并使其细化，
11、提高铸铁的强度、硬度和耐磨性，如发动机的缸套、滑座和轴套等铸件均要进行正火。此外，还能将铸态珠光体球铁进行调质和等温淬火，以获得高的强度和硬度； 球墨铸铁的最终热处理为：回火 其组织由P+少量F变为回火索氏体。回火索氏体是马氏体于高温回火（500600）时形成的，具有良好的韧性和塑性，同时具有较高的强度，因此具有良好的综合力学性能。铸铁凸轮轴的技术要求为凸轮、支承轴径和偏心轮的表面硬度为4858HRC，硬化层深度为25mm。感应加热可提高凸轮轴的强度和耐磨性，确保其在工作过程中具有高得疲劳强度和使用寿命。4.材料原材料价格的对比材料45#QT700-2市场价格3500/t15800元/t5、
12、材料加工工艺经济性成本对比45钢是中碳钢，表面硬度低，不耐磨，如果需要较高的表面硬度，可以对45钢进行调质和表面淬火来使工件的表面硬度得到提高，对心部强度要求不高的表面淬火零件常见的有曲轴，传动轴，齿轮，蜗杆，键，销等。但在水淬时有形成裂纹的倾向，所以用来制作形式负责的零件时应在热水或油中淬火。QT700-2是球墨铸铁，硬度为4251HRC需要等温淬火，具有良好的铸造性能，好的减震性，良好的耐磨性能，良好的切削加工性能淬火后可达到58HRC.6、材料最终性能比较材料最终热处理工艺性能HRCs/Mpab/Mpa(%)45淬火60-6438066035低温回火58-620.2/Mpab/Mpa(%
13、)QT700-2等温淬火62-654207003回火60-620.2/Mpab/Mpa(%)综上所述材料的热处理以及各自的性能，可得出：QT700-2通过球化和孕育处理，显著地提高了铸铁的机械性能，完全符合凸轮轴的各项性能要求；而45钢通过特定的热处理工艺，使得其组织B下少量M少量残余A，再结合二缸柴油机马力和功率较小的特点，45钢也能满足柴油机上凸轮轴的性能的要求。因此，在两种材料都能满足机器使用的前提下，选择经济性稍好的45钢来作为凸轮轴的材料。五、热处理工艺方案1、二缸凸轮轴选用的热处理设备按工艺要求、工件的形状和重量选择合适加工的热处理设备，现选取RX3-45-9箱式电阻炉、BJ2-6
14、5-9井式电阻炉和RX5-35-3箱式回火炉三种热处理设备。此外，热处理中所用到的工夹具应能保证工件均匀加热、冷却。热处理工艺热处理设备设备成本正火RX3-45-9箱式电阻炉24000淬火BJ2-65-9井式电阻炉25000低温回火RX5-35-3箱式电阻炉180002、制定热处理工艺流程预先热处理：正火最终热处理：淬火+低温回火1） 正火：45#作为凸轮轴的预先热处理为正火，消除锻造过程中的过热缺陷、细化组织、消除锻造应力，并为作为淬火前的预先热处理，同时改善其力学性能和可加工性能，为接下来的机械加工做好准备。45钢的最佳正火温度为+3050，所以选择正火温度为860；正火的保温时间t=D
15、（min） -加热系数(min/mm)； D-工件有效尺寸（mm)； 碳钢和合金钢在空气电阻炉与盐浴炉中的加热系数（)钢材(空气电阻炉）/(min/mm)(盐浴炉）/(s/mm）碳钢0.91.12530合金钢1.31.65060取=1.0,则t为30min。 温度(）保温时间（min)HRC880302186030258403019 正火温度不同对45钢力学性能的影响1保温时间（min)温度（）HRC458602330860252586020 正火保温时间的不同对45钢力学性能的影响I温度（）保温时间（min)HRC880452086045218404518 正火温度不同对45钢力学性能的影响
16、2温度（）保温时间（min)HRC880251886025208402517正火温度不同对45钢力学性能的影响3温度（）保温时间（min)HRC840251784030228404518 正火保温时间的不同对45钢力学性能的影响II温度（）保温时间（min)HRC880251888030238804520 正火保温时间的不同对45钢力学性能的影响III由上图可知硬度达到峰值时，温度选择860，保温时间为30min温度：860保温时间：30min冷却介质：空气2）淬火：如下图所示。45钢的淬火温度在820840度左右，在实际操作中，一般是取上限的。偏高的淬火温度可以使工件加热速度加快，表面氧化减
17、少。为使工件的奥氏体均匀化，就需要足够的保温时间,一般为1min/mm,如果实际装炉量大，就需适当延长保温时间。不然，可能会出现因加热不均匀造成硬度不足的现象。但保温时间过长，也会也出现晶粒粗大，氧化脱碳严重的弊病，影响淬火质量其中，在加热阶段，淬火前650保持一段时间，然后升到85010保温1-2小时。因为45钢淬透性低，故应采用冷却速度大的10%盐水溶液,45号钢水淬容易有软点的.。水温要小于30。工件入水后，应该淬透，但不是冷透，如果工件在盐水中冷透，就有可能使工件开裂，这是因为当工件冷却到180左右时，奥氏体迅速转变为马氏体造成过大的组织应力所致。因此，当淬火工件快冷到该温度区域，就应
18、采取缓冷的方法。由于出水温度难以掌握，须凭经验操作，当水中的工件抖动停止，即可出水空冷（如能油冷更好）。另外，工件入水宜动不宜静，应按照工件的几何形状，作规则运动。静止的冷却介质加上静止的工件，导致硬度不均匀，应力不均匀而使工件变形大，甚至开裂。45钢调质件淬火后的硬度应该达到HRC5558，截面大的可能性低些，但不能低于HRC48，不然，就说明工件未得到完全淬火，组织中可能出现索氏体甚至铁素体组织，这种组织通过回火，仍然保留在基体中。温度（）保温时间（min)HRC820605484060588606052温度：840保温时间：1h冷却介质：水冷3） 回火：如下图所示。45钢回火的目的：a.
19、消除淬火应力，降低脆性b.稳定工件尺寸，由于M，残余A不稳定c.获得要求的强度、硬度、塑性、韧性因凸轮轴性能要求是较高的强度和硬度，还有一定的耐磨性。我们认为，回火后的硬度取决于回火温度，与回火的时间关系不大，但是必须回透，一般工件回火的保持温度时间总在1小时以上45钢回火温度与回火时间对硬度的影响得出低温回火的温度为200，保温时间为1h温度： 200保温时间：1h介质：空气硬度：5560HRC使其表面获得回火索氏体，已达到足够的硬度和耐磨性。 3、热处理的工艺分析与实施要点凸轮轴进行感应淬火硬化处理后，其奥氏体晶粒得到了细化，使表面硬度高，耐磨性以及疲劳性得到改善，另外具有变形小、效率高、
20、节能、自动化和机械化操作程度高。其流程为：选用感应圈淬火（900930）水淬油冷回火等。回火后可消除组织应力。1）感应加热的感应器应根据要求制作设计，其形状可制成仿形或圆形，其高度比凸轮轴高48mm，内径与轴径间隙在34mm之间，避免出现因间隙不等而造成硬度的明显差异，同时要观察感应器和凸轮轴彼此的位置相对固定。2）感应上的1.52mm的喷射孔，确保无堵塞，水压符合设计要求，凸轮轴可旋转或静止不动。大批生产时候，所有的凸轮轴上各淬火部位应是一次同时加热完成的，如分段加热则容易出现软带，直接影响到凸轮轴表面的耐磨性等，对其使用寿命等有直接的影响。4、凸轮轴装炉量选取装炉量根据工件所需要的尺寸大小
21、，电阻炉炉板尺寸规格来制定。针对不同形状的工件，有合理的装炉方式。装炉量过大时，应该延长保温的时间，大约延长1/5。工件的尺寸在设计尺寸的基础上增加5mm左右。装炉量=体积/工件尺*寸重量5、 技术要求45钢凸轮轴的技术要求为凸轮、支承轴径和偏心轮的表面硬度为5563HRC，硬化层深度为25mm；齿轮的硬度为4558HRC，硬化层深度为25mm五、结论：综合以上所述选择45钢材料，经过调质淬火低温回火热处理，达到了二缸油泵凸轮轴的材料设计要求。参考文献1傅成昌，傅晓燕.柴油机构造与使用M.北京.石油工业出版社.2012.52杨万成.潍柴发动机M.北京.机械工业出版社.2013.43梅尔库兹.材
22、料选用手册M美国.化学工业出版社2005.54中国机械工程学会热处理学会.热处理手册.M北京.机械工业出版社.2013.75王中诚，王东. 汽车零件热处理实用技术 M. 北京：机械工业出版社，2013.6王忠诚，齐宝森，李杨. 典型零件热处理技术 M. 北京：化学工业出版社，2010.7王中诚. 零件整体热处理与典型实例 M. 北京：化学工业出版社，2013.8樊新民. 热处理工实用技术手册 M. 2版. 南京：江苏科学技术出版社，2010.9李书常. 简明典型金属材料热处理实用手册 M. 北京：机械工业出版社，2010.10马伯龙.热处理工操作质量保证指南.M北京；机械工业出版社，2012.
23、211王忠诚.热处理操作卡简明手册M北京；化学工业出版社，2008.1附录 热处理工艺曲线热处理工艺操作卡产品标记材料批号数量零件号45#每车数量规格尺寸零件名称二缸凸轮轴45化学成分/%力学性能CMnSiSPNiReMgb/mpas/mpa%45#0.420.500.170.370.500.800.030.0458029035技术要求:凸轮轴待加工表面不允许有氧化皮，折叠，夹层，裂纹，充不满等缺陷凸轮轴加工表面不允许有擦伤，烧伤，划痕，气孔，缩送，裂纹，凹陷，斑点等缺陷正火后硬度170-190HBS,最终热处理后表面硬度大于等于56HRC硬度（HRC）45#5558材料序号工序号工序名称设备
24、型号工具名称装炉加热冷却数量/件温度/加热温度加热时间保温时间冷却剂温度/时间方式45#1正火RX3-45-9箱式电阻炉4583086033min30min空气室温空冷2淬火BJ2-65-9井式电阻炉4581584033min60min水室温水冷3低温回火RX5-35-3箱式电阻炉4520020033min60min空气室温空冷课程小结这次合金钢及热处理工艺课程设计是要做一次论文，我们是第一组做的是二缸油泵凸轮轴材料设计，我们这组分了三个小组每个人负责不同的资源寻找我们都为了这次的课程设计尽心尽力，这一次的二缸油泵凸轮轴材料设计是属于柴油机发动机方面的。第一天我们去图书馆查询了关于柴油机发动机
25、方面的书，课题要求需要查找书籍。课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了工件热处理的工艺路线，工艺性能等等。对材料的合金元素冷加工工艺，材料热处理工艺有了更深刻的体会。回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说的是苦多余甜，但是可以学到很多很多东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识。通过这次课程设计是我懂得了理论与实际结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实
26、践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说是困难重重，但可喜的是最终都得到了解。本来是一周的课程设计由于国庆节放掉两天，剩余三天但这都不影响我们完成它，在课程设计时由于很多问题导致我们没有及时解决，经过问同学，问老师一系列的帮助我们才得以完成。在这次设计过程中，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。在此感谢我们的徐老师.，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次合金钢设计的每个细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。 由于本组的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师多多指教,我们十分乐意接受你的批评与指正。
