前言一、研究的目的及意義滾動軸承是應用廣泛的機械基礎件，它的質量直接影響到機械的使用性能。本論文秉承“優(yōu)質、高產、低成本”的設計原則，在滿足普通自行車軸承材料使用性能的前提下，兼顧經濟性和工藝性，并采用對比分析的方法，最終確定最佳材料選擇。隨著科學技術的迅速發(fā)展，滾動軸承的設計應用理念、制造水平、材料科學也在不斷更新與發(fā)展，各項滾動軸承的標準也在不斷修訂與更新。一般自行車上用的都是擋碗加鋼球組合式的軸承,不屬于常規(guī)軸承，現(xiàn)在高檔的自行車都是采用深溝球軸承，為了適應其發(fā)展形勢，提高滾動軸承的質量，達到精品軸承的制造水平，本論文從普通自行車軸承設計的各個環(huán)節(jié)來控制其質量，包括其工作環(huán)境、受力分析、失效分析，外形結構，以及它的相關標準和技術要求等。力求使自行車軸承的設計與制造朝著優(yōu)質、清潔、高效、低耗和安全等方面發(fā)展。本論文所涉及的內容有較強的實用性和可靠性，專業(yè)技術應用以先進性、實用性為主，軸承設計內容在多樣性、廣泛性的同時體現(xiàn)新和應用原則。從材料的選擇到最終熱處理方案的確定，都是在查閱大量相關書籍以及分析討論的基礎上，經過反復推敲才最終制定的，對自行車軸承制造與選材都有很強的參考價值和作用，對材料的綜合應用有較強的重要性和技術性。二、自行車軸承的工作環(huán)境與失效分析1、自行車軸承的工作環(huán)境通過收集資料及實際觀察，初步確定自行車軸承所選材料為滾動軸承。滾動軸承是各類機器廣泛應用的基礎零件，主要作用在于支撐軸頸。滾動軸承由內套，滾動體（滾珠，滾柱和滾針）及保持架等四部分組成。滾動軸承在工作時，其內套與軸緊密配合，隨軸一起轉動，外套固定在軸承套上。軸在工作時受到扭拒，扭矩作用，裝入軸承部分承受著軸的反作用力，及壓力的作用。滾動軸承的內，外套及滾動體都是在交變應力作用下工作的。滾動體與內，外套及保持架之間還有相對滑動，產生相對摩擦，使軸承磨損。摩擦表面的溫度在工作中將會升高。2、滾動軸承的受力分析1）．滾動軸承受力分析1．滾動軸承在工作時，滾動體（滾珠）和套圈均受周期性交變載荷，在周期載荷作用下，在套圈和滾動體表面都會產生小塊金屬剝落而產生疲勞損壞。2．滾動體與滾道之間是點接觸，故其承受接觸應力和沖擊力，接觸應力可達3000?3500MPa，循環(huán)受力次數(shù)可達數(shù)萬次/min，承載能力和耐沖擊能力差。3．滾動體與套圈的接觸面之間發(fā)生滾動摩擦，產生的摩擦力，造成軸承過度磨損，使其精度降低。2）．滾珠受力分析1．受純軸向載荷時，各滾動體受力相同。2．受純徑向載荷時，上半圈滾動體不受力。3．下半圈各滾動體受力大小方向均不同，由下列公式可以導出：5FrFmax*—3、滾動軸承的失效分析滾動軸承在工作中喪失其規(guī)定功能，從而導致故障或不能正常工作的情況稱為失效。軸承失效的因素往往是多因素的，所有設計制造過程的影響都會與軸承的失效有關，分析起來不易判斷。在一般情況下，大致可億從使用因素和內在因素倆方面考慮和分析。

使用因素主要是指安裝調整，使用保養(yǎng)，維護修理是否符合技術要求。內在因素主要是指結構設計，制造工藝和材料質量等決定軸承質量的三大因素。軸承失效的形式與負荷大小有關，轉速高低等工作條件以及軸承的精度有關。（1） 對承受負荷較大的軸承，主要失效形式是在滾動體，內，外套工作表面上產生麻點剝落，屬于接觸疲勞失效。接觸疲勞（疲勞磨損）失效（2） 沾附和磨粒磨損失效（3） 斷裂失效（4） 塑形變形失效（5） 腐蝕和腐蝕磨損失效 為了防止軸承零件和成品在加工、存放和使用過程中被腐蝕生銹，要求軸承鋼應具有良好的防銹性能。（6） 游隙變化失效大多失效原因是由于裝配有毛病，密封不良而造成損壞的。少數(shù)失效的原因是由于潤滑劑缺失或過量或質量不合格等造成的磨損、膠合、腐蝕和過熱等為使軸承能夠正常運轉，避免零件表面直接接觸，減少軸承內部的磨擦及磨損。提高軸承性能，延長軸承的使用性能，必須對軸承進行潤滑4、滾動軸承的外形結構圖外圈保持外圈保持三、滾動軸承的性能要求1、接觸疲勞強度滾動體在軸承內外圈的滾道間滾動時，接觸部分承受周期負荷，軸承在周期負荷的作用下，接觸表面很容易發(fā)生疲勞破壞，即出現(xiàn)龜裂剝落，開始出現(xiàn)剝落后的軸承噪音、振動要增大，工作溫度不斷上升，這是軸承的主要損壞形式。因此，為了提高軸承的使用壽命，軸承鋼必須具有很高的接觸疲勞強度。2、耐磨性能軸承工作時，套圈、滾動體和保持架之間不僅發(fā)生滾動摩擦，在滾動體與套圈的滾動接觸面、滾動體與保持架兜孔的接觸面、滾子端面和套圈擋邊的接觸面，都會發(fā)生滑動摩擦，從而使軸承零件不斷地磨損，造成軸承的精度喪失，振動增加。旋轉精度下降，降低軸承壽命。為了減少軸承零件的磨損，保持軸承精度穩(wěn)定性，延長使用壽命，軸承鋼應有很好的耐磨性能。3、硬度硬度是軸承質量的重要質量之一，對接觸疲勞強度、耐磨性、彈性極限都有直接的影響。軸承鋼在使用狀態(tài)下的硬度一般要達到HRC61?65，才能使軸承獲得較高的接觸疲勞強度和耐磨性能。4、 在大氣或潤滑油中具有一定的抗蝕性為了防止軸承零件和成品在加工、存放和使用過程中被腐蝕生銹，要求軸承鋼應具有良好的防銹性能。5、 加工性能軸承零件在生產過程中，要經過許多道冷、熱加工工序，為了滿足大批量、高效率、高質量的要求，軸承鋼應具備良好的加工性能。例如，冷、熱成型性能，切削加工性能，淬透性等。零件截面力求均勻，以減少過渡區(qū)的應力集中及畸變開裂傾向工件應盡量保持結構與材料成分和組織的對稱性，以減少由于冷卻不均勻引起的畸變。必要時可開工藝孔，調整不同部位的冷卻速度工件應盡量避免尖銳棱角、溝槽等，臺階處要有圓角過渡盡量減少工件上的孔、槽和筋(尤其是深溝、深槽、粗筋)軸承鋼除了上述基本要求外，還應該對剛的組織和化學成分的均勻性，非金屬夾雜物的含量和分布、碳化物的分布，以及鋼的脫碳程度等都有嚴格的要求；否則，這些缺陷都會顯著降低接觸疲勞抗力，縮短軸承的使用壽命。四、滾動軸承零件材料的選擇(一)鋼球的選擇鋼球在球軸承中作為滾動體是承受負荷并與軸承的動態(tài)性能直接相關的零件。在工作中，軸承內的每一個鋼球都隨著軸承保持架的轉動而周期的通過軸承的受載區(qū)。因此鋼球在工作中承受的是周期性載荷。在常規(guī)載荷下，鋼球和滾道間發(fā)生接觸變形。鋼球表面所承受的循環(huán)應力幅值很大，可達1500~5000MPa。大量實驗研究表明，有50%~60%的軸承是由于鋼球的這種疲勞損壞而報廢，此外，鋼球的損壞還有壓碎和表面磨損等。1．鋼球的公差和符號公稱直徑鋼球公稱直徑用符號Dw表示，根據普通自行車的軸承查表得Dw為6.4700mm(2)批L批的含義：制造條件被視為相同，并被認作一整體的一定數(shù)量的球。批平均直徑同批中最大的球的平均直徑Dwmax與最小直徑的平均值Dwmin和的算術平均值稱為批平均直徑，用符號Dwml表示，表達式為Dwml=(Dwmmax+Dwmmin)/2球的等級球的公差等級是指球的尺寸、形狀、表面粗糙度分選差的組合，等級等級適用范圍球直徑變動量球仃誤差表面粗糙度mmVdws△sphRa3<12.7<0.08Mm<0.08Um<0.012Mm球的等級根據系列標準得2.鋼球的硬度為保證鋼球具有良好的耐磨性和抗疲勞剝落性以及減小接觸變型，要求鋼球有一定硬度，根據標準規(guī)定：鋼球用GCrl5鋼制造時，硬度為62?66HRC。(二)材料的分析在生產生活中，用作自行車軸承材料的種類很多，從優(yōu)質、高效、低成本方面考慮，我們選擇了GCrl5和Cr4Mo4V兩種材料進行分析對比。1、合金元素作用的分析不同的合金元素如鉻、鉬、釩等加入到鋼中對鋼的強度、硬度、塑性等綜合力學性能有著不同的影響。Cr能顯著改善鋼的抗氧化作用，增加鋼的抗腐蝕能力，從我國資源考慮應少用鉻，鉻能顯著增加鋼的淬透性，但也增加鋼的回火脆性傾向，鉻使珠光體中碳的濃度及奧氏體中碳的極限濃度減少Mo屬于縮小Y相區(qū)的元素，鉬在鋼中存在于固溶體相和碳化物中。鉬在鋼中的作用可歸納為提高淬透性，提高剩磁和矯頑力，提高在某些介質中的抗蝕性與防止點蝕傾向等。V是強化鐵素體和Y相圈形成元素之一，它和碳，氮，氧都有極強的親和力，與之形成相應的極為穩(wěn)定的化合物：細化鋼的組織和晶粒，提高晶粒粗化溫度，從而降低鋼的過熱敏感性，并提高鋼的強度和韌性。當在高溫熔入奧氏體時，增加鋼的淬透性；相反，如以碳化物形態(tài)存在時,卻將降低鋼的淬透性增加淬火鋼的回火穩(wěn)定性，并產生二次硬化效應GCr15與Cr4Mo4V的化學成分如下鋼種CSiMnCrMoVPSGCr0.95-1.050.15-0.25-1.40-<0.025<0.025150.350.451.65Cr40.75-0.85<0.35<0.353.75-4.0-0.9-<0.027<0.020Mo44.254.51.10V由上述所得，Cr、Mo、V等合金元素的加入在提高鋼的強度、硬度、塑性等綜合力學性能上都有影響，但Mo、V在影響鋼的某些性能上與Cr相似，而且加入合金元素種類越多經濟成本越高，故選GCr15較合適。2、零件材料冷加工工藝分析鋼球的加工工藝應首先滿足其成品標準要求，此外還應采用鋼球成品的軸承具有盡可能高的壽命、低的噪聲、小的摩擦力和大的可靠性。根據鋼球的公稱直徑5.556~157/32~9/16查表得鋼球的主要冷加工工藝為：冷鐓壓 >光磨（或粗挫、挫削） 軟磨 >（熱處理） 初研 ?精研 *■清洗防銹 ?成品包裝 ?成品檢驗以GCr15為軸承材料，鋼球冷加工工藝主要有：；冷鐓成型、粗挫、挫削以Cr4Mo4V為軸承材料是，鋼球冷加工工藝主要有：冷鐓成型、軟磨、初研、精研3、零件材料熱處理工藝分析（1）GCrl5球化退火?淬火 ?回火鋼球的預備熱處理鋼號工藝名稱工藝要點硬度（HRC）GCr15球化退火加熱溫度780?810°C保溫時間3~6h；空冷大于63鋼球的最終熱處理鋼號淬火回火加熱溫度冷卻介質硬度(HRC)回火方式硬度(HRC)GCr15840?850油±63150?180C的油爐均熱2~5h，空冷61~65

Cr4Mo4V等溫退火 ?淬火 ?回火Cr4Mo4V作鋼球的熱處理工藝工序名稱等溫退火淬火回火加熱溫度和保溫時間冷卻硬度，HB880?1400°C4?6h15?30°C/h再以15~30C/h冷致600C保溫2~5h出爐空冷HB197?2411100?1120C油冷500?525°C2h,回火4次空冷五、材料的加工工藝經濟性對比從使用性能上看GCr15和Cr4Mo4V均可作為普通自行車材料，但從經濟上看由于Cr4Mo4V的強度、硬度等大于GCrl5，因此在后續(xù)處理冷鐓壓、光磨、精研、研磨等冷加工時要花費更多的成本。熱處理方面Cr4Mo4V在各個工序中加熱溫度都比GCrl5高，再者GCrl5只需一次低溫回火，而Cr4Mo4V卻需要四次高溫回火，并且人力物力耗需大。Cr4Mo4V一般用于精度較高的零件，故它需要深冷處理和穩(wěn)定化處理等附加工序的加入，因此，耗時耗力，經濟成本高。綜上所述從加工經濟性考慮：GCr15較適合制造普通自行車軸承。

六、材料的原材料價格的對比材料的直接成本為產品價格的30%-70%，因此，能用非合金鋼制造的零件就不用合金鋼，能用低合金鋼的零件就不用高合金鋼，能用鋼制造的零件就不用有色金屬：滾動軸承鋼的價格約3元，高速鋼的價格10?18元。即Cr4Mo4V高速鋼的價格大約是GCr15軸承鋼的3—6倍，所以從經濟成本方面考慮，應優(yōu)先選用GCr15軸承鋼七、上述綜合列表如下：項目GCr15Cr4Mo4V冷加工工藝的分析冷鐓成型、粗挫、挫削冷鐓成型、軟磨、初研、精研熱處理工藝分析球化退火一淬火一低溫回火等溫退火一淬火一高溫回火（四次）加工工藝經濟性成本對比冷熱處理工序少，成本較低冷熱處理工序多，成本較咼原材料價格的對比低高（是GCr15的3—6倍）最終性能比較GCrl5—這是一種最常用的咼鉻軸承鋼，它具有咼的淬透性，經熱處理后可獲得咼而均勻的硬度，高的耐磨性，鋼的疲勞壽命長，冷加工塑性中等，切削性一般；但焊接性差，對白點形成敏感，有回火脆性傾向，一般經淬火、低溫回火后使用Cr4Mo4V是一種含鉬的高速鋼。也是世界最廣泛的一種高溫軸承鋼。Cr4Mo4V鋼除具有一般軸承鋼的特性外，還具有較好的尺寸穩(wěn)定性，咼硬度性，咼溫接觸疲勞性。它可以長期在315°C的工作溫度使用。其缺點是鍛造，車削和磨削性能較差，脫碳敏感性大。綜上所述，從合金元素的作用分析來看，明顯可以看出由于合金元素的加入，Cr4Mo4V的硬度、強度和塑性等力學性能在很大程度上高于GCr15的性能。八、熱處理工藝發(fā)方案設計(1)主要尺寸鋼球直徑為6.5mm(2)技術要求精度：3級硬度：62-66HRC;顯微組織：隱晶、細小針狀馬氏體，均勻分布的細小殘余碳化物及少量殘余奧氏體；熒光探傷：不允許有裂紋；脫碳層深：W0.08mm(單邊)。熱處理工藝①預備熱處理。球化退火在箱式爐中進行，其加熱溫度為780?810°C，保溫3-6h，以10?30°C/h的冷卻速度爐冷至650C，出爐冷卻。工藝裝備:RX3-15-9箱式爐，爐膛尺寸650X300X250，

額定功率15KW,額定電壓380V,額定溫度950C，裝載量80kg

工裝夾具：裝料筐②最終熱處理淬火。箱式爐加淬火槽加熱840-850C，總加熱時間15?18min(保溫時間10?12min),在30?80C的L-AN16或L-AN32全損耗系統(tǒng)油冷卻(鋼球散開、滾動)工藝裝備：RX3-15-9箱式爐，爐膛尺寸650X300X250，額定功率15KW，額定電壓380KV，額定溫度950C，裝載量80kg

工裝夾具：裝料筐回火。溫度150?180C，保溫2?5h。檢驗方法:洛式硬度檢驗，金相組織檢驗，變形測量尺，粗糙度檢測儀。無錫職業(yè)技術學院熱處理工藝卡產品型號產品名稱自行車軸承零材料牌號無錫職業(yè)技術學院熱處理工藝卡產品型號產品名稱自行車軸承零材料牌號技術要求硬度—允許變形量_表面粗糙度不允許有裂紋工序號工序內容設備裝爐方式及工裝編號裝爐溫度。C加熱溫度C升溫時間min保溫時間min1球化退火RX3-15-9箱式爐500780-8102淬火RX3-15-9箱式爐淬火槽600840-8505-610-123回火RX3-15-9箱式爐150-180設計日期標記處數(shù)更改文件號簽字日期標記處數(shù)更改文件號簽字日期2010-11簡圖:參考文獻陸西永主編，《輕工機械制造工藝學》，中國輕工業(yè)出版社，1997王家驤主編，《輕工業(yè)機械設計》，中國輕工業(yè)出版社，1998冶金工業(yè)部編寫組編，《合金鋼鋼種手冊》，北京：冶金工業(yè)出版社，1983卜炎主編，《實用軸承技術手冊》，北京：機械工業(yè)出版社，2004機械工業(yè)部編，《高級熱處理工工藝學》，北京：機械工業(yè)出版社，1998曾正明主編，《實用鋼鐵材料便查手冊》北京：中國電力出版社，2005董世柱、徐維良主編，《結構鋼及其熱處理》，沈陽：遼寧科學技術出版社，2009何世禹主編，《機械工程材料》哈爾濱工業(yè)大學出版社汪德濤、林亨耀主編，《設備潤滑手冊》，機械工業(yè)出版社，2009樊東黎、潘建生、徐躍明、佟曉輝主編，《熱處理技術手冊》化學工業(yè)出版社徐年寶主編，《熱處理及工程材料》，無錫職業(yè)技術學院，2005姜曉霞、李詩卓、李曙主編，《金屬的腐蝕磨損》，北京：化學工業(yè)出版社，2003潘應君、張恒、劉靜主編，《材料環(huán)境學》，北京：冶金工業(yè)出版社，2004韓永生主編，《工程材料性能與選用》，北京：化學工業(yè)出版社，2004才鴻年、馬建平主編，《現(xiàn)代熱處理手冊》，北京：化學工業(yè)出版社，2010呂偉文主編，《機械設計基礎》，電子科技大學出版社，2007陳龍、頡潭成、夏新濤主編，《滾動軸承應用技術》機械工業(yè)出版社，201018、夏新濤、馬偉、頡潭成主編，《滾動軸承制造工藝學》機械工業(yè)出版社，200719馬亞良、陳仁竹主編，《軸承制造技術》北京：清華大學出版社，200820．葉之庚主編，《自行車手冊》，上?？茖W技術出版社197621．北京市東城區(qū)自行車修配廠，《自行車的使用和維修》，北京人民出版社，197622．范逸明主編，《簡明金屬熱處理工手冊》，國防工業(yè)出版社，200623．張玉庭主編，《熱處理技術手冊》，機械工業(yè)出版社出版，2006.24．張玉庭主編，《簡明熱處理工手冊》，北京：機械工業(yè)出版社，200225．王忠誠、李楊、尚子民主編，《鋼鐵熱處理500問》，化學工業(yè)出版社，200926．冶金工業(yè)部鋼鐵研究所一機部機械研究院機電研究所主編，《合金鋼手冊》，冶金工業(yè)出版社,1979小結通過這次課程設計，使我對大學所學的知識得到了鞏固，同時也學到了許多新的知識。是我大學三年的學習成果的一個大考核。并且，使我對分析問題、解決問題的能力提升到了一個新的高度。而且，這次課程設計，讓我也深刻認識到了團隊合作的重要性。本次我組課程設計的任務是：普通自行車軸承材料設計。首先，在熟悉課題，查閱資料方面我們下了很大的功夫，全組人通力合作，由于初次接觸這類實際操作的設計，因此過程中遇到了很多問題，甚至在用何種資料方面都有很大分歧，以至于找了很多參考文獻，卻總感覺雜亂無章，也因此，我們認識到了自己專業(yè)知識方面的極大不足，當然，也學到了很多本課程設計之外的許多知識，極大的開闊了自己的視野，也許是“書讀百遍其義自現(xiàn)”，在不斷收集資料的過程中，慢慢地有了方向，也有