汽车曲轴零件的选材及热处理工艺与设备设计【字数：13375】
曲轴是发动机中最重要的零件之一，服役中承受较强的冲击载荷和惯性力。本设计通过Cro-E/ANSYS Workbench软件对曲轴的工况和失效形式进行了静力学分析和模态分析，提出对于大功率高速汽车发动机曲轴选择合适的材料及其热处理工艺与设备是提高曲轴性能的关键。通过对直列4缸、四冲程汽车曲轴材质及调质后各项性能指标的分析，选用优质合金结构钢35CrMo，制定合适的热处理工艺及其参数，可以最大限度的提高大功率汽车曲轴的性能。本文详细分析了各个热处理阶段参数的制定以及材料的组织和性能的变化，并确定曲轴的具体尺寸，进行热处理设备的设计，确定了炉型以及炉体、炉膛的相关尺寸，根据零件的尺寸和同一批曲轴零件生产量计算了加热炉的功率等参数。详细阐述了35CrMo曲轴在热处理过程中可能产生的缺陷，并给出了热处理质量检验的要求。
目录
1、汽车发动机曲轴的概述 1
1.1汽车曲轴的发展现状及前景 1
1.2曲轴的概述 1
1.3曲轴的工作原理 2
2、曲轴选材 3
2.1失效分析 3
2.1.1曲轴疲劳断裂 3
2.1.2曲轴磨损 3
2.2选材原则 4
2.2.1汽车曲轴材料选择的基本原则 4
2.2.2常用曲轴材料及其热处理工艺 4
2.3曲轴材料终选 5
2.3.1选材性能要求 5
2.3.2曲轴材料要求 6
2.4有限元强度校核分析 6
2.4.1建模及参数设定 7
2.4.2静力学分析 7
2.4.3模态分析 9
3、汽车曲轴加工工艺及热处理工艺评定 11
3.1曲轴的工艺设计及分析 11
3.1.1曲轴的热处理的技术要求 11
3.1.2 35CrMo曲轴的工艺路线 11
3.2钢的热处理原理概述 11
3.2.1概述 11
3.2.2热处理工艺 11
3.3预先热处理（正火+高温回火） 13
3.3.1正火 13
3.3.2回火 14
3.3.3预先热处理工艺 1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
4
3.3.4预先热处理后材料的组织与性能 14
3.4调质处理（淬火+高温回火） 15
3.4.1淬火 15
3.4.2高温回火 16
3.4.3 35CrMo曲轴调质热处理工艺 17
3.4.4调质处理后材料的组织与性能 17
3.5感应淬火+低温回火 18
3.5.1感应淬火 18
3.5.2低温回火 19
3.5.3 35CrMo曲轴高频淬火+低温回火工艺曲线 19
3.5.4曲轴高频淬火+低温回火后材料的组织和性能 20
4、 热处理设备的设计与选型 21
4.1热处理加热炉设计 21
4.1.1高温加热炉 21
4.1.2低温加热炉 23
4.1.3感应淬火设备 24
4.2淬火槽设计 25
5、 曲轴热处理过程中可能产生的缺陷及预防措施 28
5.1校直裂纹 28
5.2圆角处裂纹 28
5.3淬火硬度不足 28
6、 35CrMo曲轴热处理质量检验 29
6.1 外观检查 29
6.2 硬度检查 29
6.3 高频感应淬火后有效硬化层深度的检验 29
6.4 金相组织检查 29
7、35CrMo曲轴热处理工艺卡 30
结语 31
参考文献 32
致谢 33
汽车曲轴零件的选材及热处理工艺与设备设计
1、汽车发动机曲轴的概述
1.1汽车曲轴的发展现状及前景
曲轴是汽车发动机中最重要的零件之一，随着内燃机时代的到来，汽车的普遍使用，对汽车发动机曲轴的强度、耐磨性、抗冲击力等综合性能以及成本要求越来越高。因此，曲轴的选材、机械加工工艺和热处理工艺的改进和创新显得尤为重要，这也正是发动机制造产业的发展趋势。当今，国内外曲轴的材料主要有球铁和锻钢。锻钢有利于作为具有复杂结构的曲轴的材料，并且有利于实现轻量化设计，一般用作载重车和小客车曲轴材料；而球铁含碳量高，切削加工性能较好，并且没有由于锻造而在零件内部产生的内应力，在热处理工艺要比锻钢简单，球铁曲轴一般用于轻型载重车和小客车。球铁曲轴对于小功率发动机已经广泛使用，但对于大功率发动机，球铁的加工工艺还不成熟，可靠性不强，国内外还是用锻钢比较多，但球铁的推广使用也是目前曲轴材料的一个趋势[][]。
锻钢曲轴的热处理工艺已经相当成熟，随着发动机制造业的迅猛发展，部分传统的热处理工艺已经不再满足发动机零件的各项要求。采用高效的热处理工艺和复合加工的技术相结合，批量生产出性能更好、成本更低、技术多样化的汽车发动机曲轴是当今曲轴生产的一个挑战[][]。
1.2曲轴的概述
本设计选定的曲轴的形状和尺寸如图1.1所示。曲轴的各部分组成如图1.2所示，主要由曲柄、平衡块和前后端面三部分构成。前者由主轴颈、连杆轴承轴颈和曲柄形成。为了润滑轴颈表面，在每个轴颈表面上形成油孔。主轴颈、曲柄销与曲柄臂的连接处的圆角以过渡圆弧的方式连接，以降低连接处的应力集中。
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图1.1 曲轴的零件图
Fig 1.1 Part Drawing of Crankshaft
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图1.2 曲轴的构造
Fig 1.2 Construction of crankshaft
1.3曲轴的工作原理
内燃机提供热量，推动缸体中活塞做往复直线运动。活塞另一端与曲轴相连接，通过活塞，将内燃机的热量转化为曲轴的旋转力对外做功，从而实现曲轴对外输出动力。曲轴在输出动力的过程中需要承受交变载荷以及很多复杂作用力，因而要求曲轴具有较高的强度硬度、耐磨性和抗冲击性能。
2、曲轴选材
2.1失效分析
汽车曲轴的主要失效形式为曲轴的疲劳断裂和轴颈的磨损[5]。
2.1.1曲轴疲劳断裂
曲轴内部出现疲劳裂纹会导致曲轴发生疲劳断裂，发生疲劳断裂失效的部位通常在圆角处，如图2.1所示。Xiaolei Xu等人[]对曲轴疲劳断裂的原因及裂纹源作了深入地研究。曲轴发生疲劳断裂的原因主要如下：
目录
1、汽车发动机曲轴的概述 1
1.1汽车曲轴的发展现状及前景 1
1.2曲轴的概述 1
1.3曲轴的工作原理 2
2、曲轴选材 3
2.1失效分析 3
2.1.1曲轴疲劳断裂 3
2.1.2曲轴磨损 3
2.2选材原则 4
2.2.1汽车曲轴材料选择的基本原则 4
2.2.2常用曲轴材料及其热处理工艺 4
2.3曲轴材料终选 5
2.3.1选材性能要求 5
2.3.2曲轴材料要求 6
2.4有限元强度校核分析 6
2.4.1建模及参数设定 7
2.4.2静力学分析 7
2.4.3模态分析 9
3、汽车曲轴加工工艺及热处理工艺评定 11
3.1曲轴的工艺设计及分析 11
3.1.1曲轴的热处理的技术要求 11
3.1.2 35CrMo曲轴的工艺路线 11
3.2钢的热处理原理概述 11
3.2.1概述 11
3.2.2热处理工艺 11
3.3预先热处理（正火+高温回火） 13
3.3.1正火 13
3.3.2回火 14
3.3.3预先热处理工艺 1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
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3.3.4预先热处理后材料的组织与性能 14
3.4调质处理（淬火+高温回火） 15
3.4.1淬火 15
3.4.2高温回火 16
3.4.3 35CrMo曲轴调质热处理工艺 17
3.4.4调质处理后材料的组织与性能 17
3.5感应淬火+低温回火 18
3.5.1感应淬火 18
3.5.2低温回火 19
3.5.3 35CrMo曲轴高频淬火+低温回火工艺曲线 19
3.5.4曲轴高频淬火+低温回火后材料的组织和性能 20
4、 热处理设备的设计与选型 21
4.1热处理加热炉设计 21
4.1.1高温加热炉 21
4.1.2低温加热炉 23
4.1.3感应淬火设备 24
4.2淬火槽设计 25
5、 曲轴热处理过程中可能产生的缺陷及预防措施 28
5.1校直裂纹 28
5.2圆角处裂纹 28
5.3淬火硬度不足 28
6、 35CrMo曲轴热处理质量检验 29
6.1 外观检查 29
6.2 硬度检查 29
6.3 高频感应淬火后有效硬化层深度的检验 29
6.4 金相组织检查 29
7、35CrMo曲轴热处理工艺卡 30
结语 31
参考文献 32
致谢 33
汽车曲轴零件的选材及热处理工艺与设备设计
1、汽车发动机曲轴的概述
1.1汽车曲轴的发展现状及前景
曲轴是汽车发动机中最重要的零件之一，随着内燃机时代的到来，汽车的普遍使用，对汽车发动机曲轴的强度、耐磨性、抗冲击力等综合性能以及成本要求越来越高。因此，曲轴的选材、机械加工工艺和热处理工艺的改进和创新显得尤为重要，这也正是发动机制造产业的发展趋势。当今，国内外曲轴的材料主要有球铁和锻钢。锻钢有利于作为具有复杂结构的曲轴的材料，并且有利于实现轻量化设计，一般用作载重车和小客车曲轴材料；而球铁含碳量高，切削加工性能较好，并且没有由于锻造而在零件内部产生的内应力，在热处理工艺要比锻钢简单，球铁曲轴一般用于轻型载重车和小客车。球铁曲轴对于小功率发动机已经广泛使用，但对于大功率发动机，球铁的加工工艺还不成熟，可靠性不强，国内外还是用锻钢比较多，但球铁的推广使用也是目前曲轴材料的一个趋势[][]。
锻钢曲轴的热处理工艺已经相当成熟，随着发动机制造业的迅猛发展，部分传统的热处理工艺已经不再满足发动机零件的各项要求。采用高效的热处理工艺和复合加工的技术相结合，批量生产出性能更好、成本更低、技术多样化的汽车发动机曲轴是当今曲轴生产的一个挑战[][]。
1.2曲轴的概述
本设计选定的曲轴的形状和尺寸如图1.1所示。曲轴的各部分组成如图1.2所示，主要由曲柄、平衡块和前后端面三部分构成。前者由主轴颈、连杆轴承轴颈和曲柄形成。为了润滑轴颈表面，在每个轴颈表面上形成油孔。主轴颈、曲柄销与曲柄臂的连接处的圆角以过渡圆弧的方式连接，以降低连接处的应力集中。
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图1.1 曲轴的零件图
Fig 1.1 Part Drawing of Crankshaft
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图1.2 曲轴的构造
Fig 1.2 Construction of crankshaft
1.3曲轴的工作原理
内燃机提供热量，推动缸体中活塞做往复直线运动。活塞另一端与曲轴相连接，通过活塞，将内燃机的热量转化为曲轴的旋转力对外做功，从而实现曲轴对外输出动力。曲轴在输出动力的过程中需要承受交变载荷以及很多复杂作用力，因而要求曲轴具有较高的强度硬度、耐磨性和抗冲击性能。
2、曲轴选材
2.1失效分析
汽车曲轴的主要失效形式为曲轴的疲劳断裂和轴颈的磨损[5]。
2.1.1曲轴疲劳断裂
曲轴内部出现疲劳裂纹会导致曲轴发生疲劳断裂，发生疲劳断裂失效的部位通常在圆角处，如图2.1所示。Xiaolei Xu等人[]对曲轴疲劳断裂的原因及裂纹源作了深入地研究。曲轴发生疲劳断裂的原因主要如下：
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