基于Deform-3D 齿轮热处理工序设计
摘要：齿轮作为机械设备中关键的零部件，它广泛的应用于汽车、轮船、飞机等工业领域。由于齿轮传动的优点明显，故而成为了机器中所占比例最大的传动形式。而在传统的 45 钢制造工艺中，淬火阶段的裂纹，开裂问题一直困扰着人们，因此要设计制定优化的热处理工
序解决目前所面临的问题。
本文采用有限元分析软件Deform-3D 模拟 45 钢齿轮的正火、调质处理工艺，研究加热温度、保温时长、冷却速度对 45 钢齿轮热处理过程的影响。同时通过应力、应变、温度场等多种仿真模拟分析，找出 45 钢齿轮热处理过程的最佳工艺参数。
关键词：45 钢；Deform-3D；热处理工艺；仿真模拟；最佳工艺参数
Heat Treatment Process Design of Gear
Abstract ：As a key part of mechanical equipment, gear is widely used in automobile, ship, aircraft and other industrial fields. Due to the obvious advantages of gear transmission, it has
become the largest proportion of the transmission form in the machine. In the traditional manufacturing process of 45 steel, the problem of cracks and cracks in the quenching stage has been puzzling people, so it is necessary to design and formulate an optimized heat treatment process to solve the current problems.
In this paper, the finite element analysis software DEFORM-3D is used to simulate the normalizing and tempering process of 45 steel gear. The effects of heating temperature, holding time and cooling speed on the heat treatment process of 45 steel gear are studied. At the same time, through the simulation analysis of stress, strain and temperature field, the best process parameters of 45 steel gear heat treatment process are found.
Key Words:45 steel；Deform-3D；Heat treatment process；Analogue simulation；Optimum process parameter
1.绪论
1.1引言
齿轮，作为机械设备中关键的零部件，它广泛的应用于汽车、轮船、飞机等工业领域。齿轮传动是非常常见的一种机械传动方式，相比于链条、带等传动方式，齿轮传动具有传动比准确、功率范围大、结构紧凑、使用寿命长等优点,所以齿轮成为许多机械产品不可或缺的传动部件，更是机器中所占比例最大的传动形式。近年来，随着我国工业化进程的加快，汽车、高铁、航空航天等行业的快速发展，对齿轮产品的承载性、可靠性等多方面的要求也在相应提高，存在“六高、三化、二低”趋势。“六高”趋势，“六高”是指：齿轮本身具有的高承载力、高精度、高可靠性、高速度、高齿面硬度、高传动效率，这是齿轮作为传动机械原件本身所必须具备的性能，也是不断努力提高的方向。“三化”指的是在工业现代化要求下，为了满足客户同时提高组织生产效率的模块化、小型化和多样化。“二低”是指为了符合环保法规政策所产生的低噪声，以及为了企业效益的低成本趋势。热处理在齿轮制造的过程中占据着极其重要的地位，因此如何设计齿轮的热处理工艺，即制定合理的热处理规程便是目前所要解决的。
目前，我国齿轮制造量非常大，因此改进相应的热处理工艺，对于齿轮的合格率、制造成本等方面有重要意义，如 45 钢齿轮常用水进行冷却，造成裂纹、开裂的废品一直是工人很大的困扰。本文将对于这一点进行改进讨论。
1.2齿轮的概况
1.2.1齿轮的工作条件
齿轮在进行工作时传递转矩、调整速度和改变运动方向，因此齿面受到脉动接触应力和摩擦力的双重作用以及起动、变档时的冲击力，齿根受到脉动弯曲应力的作用[1]。
1.2.2齿轮的失效形式主要有以下几个方面：
（1）断齿。这是在工作过程时由于弯曲疲劳造成的脆性断裂，还有因为冲击载荷过大造成的过载断裂
（2）齿面磨损。在两个齿轮的咬合过程中，齿面上会产生很大的压强，齿面接触处摩擦，使得齿厚变小，导致其表面发生了塑性变形而变得凹凸不平，金属之间发生接触与黏合，齿轮在滑动的过程中，两者又产生磨损，因而又产生了新的摩擦力。齿面磨损是齿轮失效的的主要形式。
（3）齿面点蚀。在交变接触应力的作用下，齿面产生微裂痕，微裂痕的发 展引起点状剥落，这也是齿轮的主要失效形式之一。
1.2.3齿轮的性能要求
综合分析齿轮的工作条件和失效形式，我们可以得出齿轮需具备以下特性才能保证很长的使用寿命：表面有高的硬度和良好的耐磨性；良好的抗弯疲劳强度、高的静弯曲强度和接触疲劳强度；心部具有最佳的强度和冲击韧性，抗冲击性强； 较好的热处理性能，热处理变形小【1】。
目录
1.绪论 1
1.1引言 1
1.2齿轮的概况 1
1.2.1齿轮的工作条件 1
1.2.2齿轮的失效形式 1
1.2.3齿轮的性能要求 1
1.2.4齿轮用钢的选择 1
1.3本文的内容概论 2
2.45 钢的特性 2
2.145 钢的化学组成 2
2.245 钢的热处理现状 2
2.345 钢的用途 2
2.445 钢齿轮的制造工艺 2
3.正火工艺的模拟 2
3.1Deform-3D 软件的概况 3
3.2仿真模型 3
3.3正火工艺的各项参数的设定 4
3.3.1正火温度 4
3.3.2正火的保温时长 5
3.4Deform-3D 模拟正火流程 6
3.5模拟结果 6
4.调质工艺的模拟 9
4.1淬火的保温时长 9
4.2冷却介质的选择 9
4.3回火温度的确定 9
4.4回火时间 9
4.5回火的冷却介质 10
4.6调质处理的模拟 10
4.7调质模拟结果分析 10
4.7.1温度场 10
4.7.2应力分析 11
4.7.3组织和硬度分析 14
5.调质工艺的改进 17
5.1相变基理与应力分析 17
5.2冷却的三阶段 18
5.3冷却介质的分析 18
5.4淬火的冷却改进 19
5.5淬火的改进模拟 19
5.6改进工艺的回火 22
6齿轮表面的高频淬火 22
6.1高频淬火工艺概况 23
6.2.频率和温度的选择 23
6.3高频感应淬火的冷却介质 23
6.4低温回火 23
7.总结与展望 24
7.1全文总结 24
7.2本文的局限性 24
7.3未来展望 24
致谢 24
参考文献 26
参考文献
[1]王忠诚.零件整体热处理与典型实例[M].化学出版社.2014.01.
[2]高美兰，白树全.工程材料与热加工基础[M] 机械工业出版社.2015.5 [3]胡建军，李小平.Deform-3D 塑性成形 CAE 应用教程[M]北京大学出版社.2011.01
[4]马伯龙，杨满.热处理技术图解手册[M]机械工业出版社.2015.3
[5]王广生.金属热处理缺陷分析及案例[M] 机械工业出版社.2007.10.1 [6]45 钢齿轮的热处理工序制定
[7]叶宏.金属热处理原理与工艺[M].化学出版社.2011.07:64-65 [8]45 钢高频淬火.西安工业大学.2016.05.4
