年产1000吨齿轮加工刀具的热处理车间设计.

本科生毕业设计（论文）摘 要本设计为年产1000吨齿轮加工刀具的热处理车间设计。铰刀等工模具的生产和使用，是衡量一个国家工业水平的标志，在基础工业中占有重要地位。从当前我国大多数工模具热处理车间的实际情况来看，影响工模具热处理质量的主要因素是工艺参数的控制手段太落后，设备质量不稳定，误差偏高，进行铰刀等工模具热处理车间设计具有重要的现实意义。热处理车间设计的主要内容包括材料选择、典型零件热处理工艺设计；主要设备进行了箱式电阻炉和井式电阻炉的设计计算，包括炉墙传热计算、电热体计算、功率计算以及盐浴炉等设备的选择；车间设计包括生产纲领、工作制度、年时基数、车间布置、生产组织与人员管理等内容。关键词：齿轮加工刀具；热处理工艺；箱式电阻炉；井式电阻炉；热处理车间设计IVAbstractThis design is for the annual output of 1000 tons of Gear cutting tools heat treatment workshop. The production and application of reamer work mould is a sign of measuring a country industrial level which occupies an important position in the basic industries. From the current actual situation of Chinas most advanced heat treatment plant, the main factors that affect the quality of advanced heat treatment process are backward parameters of control means, unstable equipment quality and the error measurements. There is an important practical significance for the reamer work mould treatment workshop design.The main contents of the heat treatment workshop design are a typical heat-treatment process design and the material selection. The calculation in the design for main equipments of Box type resistance furnace and Pit type resistance furnace which includes the furnace wall transferring heat power, heating element, power and The choice of salt bath furnace equipment. The design of Production workshop includes production program, platform system of work, production time, workshop layout, production organization and personnel management, etc.Key words：Gear cutting tools; Heat treatment process; Box type resistance furnace; Pit type resistance furnace; Heat treatment workshop design.目 录第1章 绪 论11.1 刀具概述11.2 刀具选材及热处理工艺设计21.3 刀具材料的发展现状41.4 刀具热处理设备概述51.5 设计意义及内容7第2章 热处理工艺设计82.1 产品技术要求的分析82.1.1 材料的选择82.1.2 技术分析82.1.3 高速工具钢W18Cr4V的热处理性能92.2 工艺设计92.2.1 工艺路线92.2.2 工艺参数92.2.3 各刀具工艺曲线132.2.4 热处理设备选择152.2.5 缺陷分析及补救措施162.2.6 高速工具钢W18Cr4V的热处理检验17第3章 设备设计及选择213.1 车间生产任务213.2 车间的工作制度及年时基数213.2.1 工作制度213.2.2 设备年时基数213.3 退火箱式炉的设计223.3.1 确定炉体结构和尺寸223.3.2 炉型的选择223.3.3 砌体平均表面积计算243.3.4 计算炉子功率253.3.5 炉子热效率计算283.3.6 炉子空载功率计算283.3.7 空炉升温时间计算283.3.8 功率的分配与接线303.3.9 电热元件材料选择及计算303.3.10 电阻炉技术指标（标牌）323.4 井式回火炉的设计323.4.1 炉型的选择333.4.2 确定炉体结构和尺寸333.4.3 砌体平均表面积计算343.4.4 计算炉子功率353.4.5 炉子热效率计算383.4.6 炉子空载功率计算383.4.7 空炉升温时间计算383.4.8 功率的分配与接线393.4.9 电热元件材料选择及计算393.4.10 电阻炉技术指标（标牌）413.5 预备热处理设备的选择423.5.1 一次预热法423.5.2 二次预热法第一次预热453.5.3 二次预热法第二次预热473.5.4 淬火加热设备的选择483.5.5 淬火冷却设备的选择483.5.6 热处理车间辅助设备的选择49第4章 热处理车间设计524.1 车间生产纲领的确定534.1.1 设计任务534.1.2 车间生产纲领534.2 车间工作制度544.3 车间工作时间544.3.1 设备的年时基数544.3.2 设备的生产率554.4 车间设备的选择及数量的确定554.4.1 车间设备的分类554.4.2 主要设备的设计及选择564.4.3 其它设备的选择584.5 车间的组织与人员的确定594.5.1 直接生产工人594.5.2 辅助生产工人594.5.3 其他人员604.5.4 车间总人数604.6 热处理车间面积的划分及确定604.6.1 生产面积604.6.2 辅助面积614.6.3 生活面积614.6.4 车间总面积624.7 车间平面布置62第5章 结论63参 考 文 献64致 谢65附 录A 译文66附 录B 英文材料68第1章 绪 论1.1 刀具概述高速切削已经成为先进制造工艺的关键技术，集中了机床、工具、控制系统等相关技术多年的研究成果。高速切削的机理出发分析高速切削对刀具材料刀具几何结构及刀具装夹防护系统的要求研究高速切削刀具的设计特点。铰刀是加工高精度孔的通用刀具，以微量切削和挤光作用来保证被加工表面粗糙度和尺寸精度。在普通机床上进行铰削加工，无论果用带前导杆或带前、后导杆或无导杆的铰刀，铰刀均应浮动安装。这是由于工艺系统很难保证铰削时铰刀中心线与工件预制孔中心线的同轴，常使刚性连接的铰刀在旋转切削时产生振摆，引起孔的尺寸扩大、形状误差超差、表面粗糙度值增大。因此，必须变刚性驱动为浮动驱动，采用特种夹头夹持铰刀。特种夹头的形式很多，均应遵守共同要求和基本原理。关注刀具技术发展的人会面对一个有趣的现象，即刀具技术的发展已明显地不再局限于以提高刀具应用的经济性和效率为目的而去持续改善产品的性能。人们获得了另一种印象：刀具作为一个工艺因素，正逐渐从仅仅是一种工具的角色中摆脱出来。插齿工艺是在齿轮不能用滚刀加工的情况下采用的齿轮加工方法，这种加工方法费用高、齿轮制造质量差。但事实上，认为插齿工艺主要适用于加工带台肩齿轮的原因，是因为带台肩的齿轮容易产生刀具干涉问题通常不能采用滚齿工艺工。其实，插齿刀也广泛用于直齿、斜齿的内齿轮加工。一般来说，如果齿轮采用内齿拉削工艺比较困难,就可以采用插齿加工。与滚齿相比，插齿的缺点在于加工的循环时间较长。另外，在插齿加工时，由于插齿刀和齿轮两者的啮合运动，插齿刀的整体误差、插齿刀刀齿上可能出现的误差或变形，如裂纹、刀齿磨损及刀齿的损坏)会传递到被加工齿轮上，严重时甚至会引起齿轮轮齿的损坏。尽管如此，过去对插齿刀的悲观预言现在却并未得到证实。相反，插齿刀目前还是齿轮加工使用最广泛的刀具之一。其主要原因不仅因为滚齿工艺比插齿工艺的成本高，更重要的是随着制造技术的发展，高精度、高效率的现代插齿机与插齿刀目前已可以达到几年前难以想象的切削速度和切削效率。齿轮刀具的效率提高主要应归功于刀具材料的优化、TiN涂层技术与设备的改进，而优化全部加工动作、操作功能的现代数控系统的发展则可大大缩短机床加工的循环时间。除此之外，还有许多已开发(尚未完全实现)的方案可使滚齿和插齿在技术上的差距进一步缩小。这关系到使用新型的齿轮刀具加工机床。即使不能充分利用齿轮刀具而且重磨次数有限制，这些新型的齿轮机床也有利于降低生产制造费用。剃齿刀适应于软齿面高效精加工，目前该刀具又有新的发展，其中日本三菱神户切削工具株式会社在剃齿刀设计、制造方面的创新有以下几个方面：1) 剃齿刀采用新材料制作；2) 对剃齿刀采用新颖的表面处理；3) 设计新型的梳形齿结构、形状与分布方式，以进一步提高剃齿精度和生产率，能适用于水溶性切削液剃齿、同步式剃齿和少齿数小轴交角剃齿等1。长期以来，人们把刀具看作是为实现加工过程而选用的一个机床部件，刀具潜力的发挥通常因机床的能力而受到限制。与此不同，如今的观点是：根据刀具的性质，刀具可以扩展机床的功能。发生这种变化的原因是刀具制造业的角色转变，如今，刀具制造商有一种创新的自我意识，即不再只是供应所需的刀具，而是对复杂的加工问题给出可用的解决方案。因此，对于LMT集团下属Fette公司的刀具专家而言，他们要用创新的刀具概念来满足用户在改进质量、提高效率、降低成本方面对刀具的需求2。1.2 刀具选材及热处理工艺设计在保证刀具具有一定切削性能、刚度和精度原则下，尽量节约贵重刀具材料用量。W18Cr4V 是应用最长久的一种钨系高速钢，属于莱氏体钢。和其它高速钢一样，常称为“白钢”、“锋钢”或“风钢”( 空冷即可淬火) 3。是一种适于高速切削的高碳高合金工具钢。W18Cr4V钢是一类新发展的高速钢，它属钨钼系高速钢，这类钢兼有钨系和钥系高速钢的优点，既有较高的红硬性和耐磨性，较小的脱碳倾向与过热敏感性，同时碳化物较细、分布较均匀，热塑性及韧性较高。钨是使高速钢具有热硬性的主要元素，W18Cr4V钢在退火状态下钨与钢中的碳形成合金碳化物Fe4W2C，淬火加热时，一部分Fe4W2C溶入奥氏体，淬火后形成含有大量钨及其他合金元素，有很高回火稳定性的马氏体。在560回火时钨又以W2C形式弥散析出，造成二次硬化现象，使钢具有高的热硬性，未溶的合金碳化物起阻碍奥氏体晶粒长大及提高耐磨性作用。铬对高速钢性能的主要影响是增加钢的淬透性并改善耐磨性和提高硬度。钒与碳的结合力比钨或钼大，碳化物很稳定，淬火加热时高温下才可溶解，能显著阻碍奥氏体晶粒长大。并且碳化钒的硬度高，颗粒细小、均匀，对提高钢的硬度、耐磨性和韧性有很大影响，回火时钒也引起二次硬化现象。W18Cr4V钢的铸态组织中有大量的莱氏体，莱氏体中有粗大、不均匀分布的鱼骨状碳化物，这些碳化物的存在导致高速钢在使用中容易崩刃和磨损4。而这些粗大的碳化物不能用热处理的方法消除，只能用锻造的方法将其击碎，并使它均匀分布，再用来制造各种刃具和模具。W18Cr4V钢的铸态组织中有大量粗大、不均匀分布的碳化物，必须经过反复镦粗和拔长，经验表明，锻造比达到10左右时，碳化物分布得比较均匀。当坯料加热到要求的温度时，即开始锻造。锻造过程中应严格执行“两轻一重”的锻造方法，在高温段11401180时要轻击，以防止开裂；当锻造温度在10001050时要重击，以保证能打碎碳化物；当坯料温度低于1000时要轻击，以防内裂纹出现；当坯料温度降至900左右时停锻。为避免锻造时出现裂纹，镦粗阶段捶击不宜太重，必要时可先将端部“铆锻”后再镦粗，镦粗后立即拔长。拔长时送进量要控制在锻件高度的0.60.8倍，送进量过小锻不透，过大则会产生“十字”裂纹。镦粗时要避免单面变形或发生歪斜，拔长时翻转毛坯要均匀，拔圆时要先倒角，不要在同一地方多次捶击。锻造时加热次数由镦拔次数、设备能量以及操作工人的熟练程度等来确定。锻件锻后应立即放入白灰箱或干砂箱中严埋缓冷，冷却后应立即进行退火，退火的目的是为了消除锻造应力，降低硬度以利于切削加工，同时也为随后的淬火作组织准备。W18Cr4V属于高合金工具钢，导热性差，淬火加热时通常要在800850进行预热，对于大截面、形状比较复杂的零件，需进行两次预热。W18Cr4V钢的淬火加热温度很高，一般为12701280，在这个温度范围，溶于奥氏体中的合金元素量才会多，淬火后马氏体中的合金元素量相应也高，高速钢的热硬性才会好。淬火冷却一般采用分级淬火或油冷淬火。W18Cr4V钢淬火后残余奥氏体量较多可达30%，为了减少残余奥氏体量，消除应力，稳定组织，提高力学性能，淬火后要在560进行回火，高速钢回火时会产生“二次硬化”现象，使硬度得到提高。由于高速钢淬火后残余奥氏体量高达30%，经一次回火是不能完全消除的，因此要在560进行三次回火。回火后的组织由回火马氏体、少量残余奥氏体、块状合金碳化物组成，硬度达到65HRC以上。1.3 刀具材料的发展现状为了提高生产率来降低生产成本，通过缩短生产时间和交货时间提高整体竞争力。常常采用高速切削技术。随着社会生产力的发展，人类社会已经进入到了信息时代，作为人类社会发展原动力的制造业也进入了一个以高速高效为标志的新时代。刀具材料是决足刀具切削性能的根本因素，对于加工效率、加工成本、加工质量以及刀具耐用度影响很大。介绍刀具材料的性能与种类友展历程友展现状，并对未来新型刀具材料发展的动向作出预测和展望。高速切削加工技术逐渐成为装备制造业、汽车工业、航空航天工业、模具工业等领域的关键技术。刀具材料的发展在人类的生活和生产中具有重要意义5。就其性能用途可将高速钢分为普通高速钢和高性能高速钢刀（工）具材料有着悠久的历史，刀具材料的进步曾推动着人两大类。类社会文化和物质文明的发展，它的进步对人类发展的文明史有重要的影响。高速钢分低合金高速钢、低碳高速钢、通用高速钢、高硬高速钢、超硬高速钢、无碳化物偏析高速钢及轧辊高速钢。其中低碳高速钢主要用于制作冷作模具；以W18及M2钢为代表的通用高速钢主要用于制作切削刀具，通用高速钢的碳饱和度一般 0.8，故淬回火后的硬度仅为(651)HRC，用于加工硬度低于270HB的钢材。近年来由于被加工件硬度提高以及数控机床及加工中心的广泛应用，通用高速钢的硬度已不能满足要求，需要采用硬度为(661)HRC的以M35钢为代表的高硬高速钢及硬度大于67HRC的以M42钢为代表的超硬高速钢来制作刀具以提高刀具硬度。需要指出的是机床精度与刚度的提高为提高刀具硬度提供了条件。目前在国际著名工具厂家的样本上通用高速钢M2钢已基本被淘汰，M2钢只用于制作手丝锥等少数刀具；欧洲一般不采用M42钢而采用高碳M2及M35钢。遗憾的是我国到目前为止仍以M2钢等通用高速钢为主要刀具材料，这也是我国刀具制造业落后的原因之一。特别是江苏天工工具股份有限公司及江苏飞达工具集团等高速钢生产大户生产的高速钢中接近一半是低合金高速钢，用这样的钢大量制成低档刀具，廉价出口，造成我国资源严重浪费。用传统的铸、锻工艺生产的高速钢的主要问题是存在碳化物偏析，对于大截面刀具这是一个难以解决的问题，国际上通用的解决办法是发展无碳化物偏析高速钢,其中以粉末高速钢为主。高速钢、硬质合金及人造金刚石国内外差距大，其中包括生产量、新产品及新工艺。我国的高速钢、硬质合金及人造金刚石产量均已跃居世界首位，但生产水平还远远落后于先进国家6。尽管我国高速钢产量已占世界第一位，但我国生产的高速钢的质量还远远落后于先进国家，主要有以下几个原因：我国目前主要采用中频熔炼加电渣重熔工艺生产高速钢，一个炉号一般只有几百公斤，故一吨钢材要由几个炉号组成，生产厂在供应钢材时根本无法提供钢号，这就给热处理造成极大困难；冶金质量不稳定，主要表现为表面纵裂发生率仍很高，尺寸精度差；品种规格不全，市场混乱。国内对高速切削加工技术的研究起步比较晚，主要集中在高等院校和科研机构，做了一些理论探索，也取得了一定的成果。改革开放以来,我国在刀具材料的生产方面取得了迅速的发展。高速钢、硬质合金以及人工合成金刚石的产量均已跃居世界首位，每年都向国外大量廉价出口各种刀具材料和中、低档刀具。但与此极不相称的是我们还要从国外大量高价进口中、高档刀具。今后，一方面应加大对刀具材料的宣传和推广应用力度；另一方面要加强研究开发工作，提高材料质量，增加制品种类，尽快缩小与发达国家的差距，充分发挥刀具材料在制造业中的作用7。1.4 刀具热处理设备概述 为了提高刀具的性能及寿命，刀具必须经过热处理工序，根据刀具选择箱式电阻炉（退火）和井式电阻炉（回火），箱式电阻炉有下列优点：1) 控制精度：1 炉温均匀度：1(根据加热室大小而定) ；2) 升温快（升温速率1 /h至40 /min可调）；3) 节能（炉膛采用进口纤维制作而成，耐高温、耐急热急冷）；4) 便于采用控制气氛，避免工件氧化脱碳；5) 炉膛材料进口耐火材料，保温性能好，耐温高，耐急冷急热。电阻炉外壳采用优质冷轧钢板制作，表面喷涂工艺处理、炉门采用满门式结构、启闭灵活。主要由炉体和控制箱两大部分组成。箱式电阻炉一般工作在自然气氛条件下，多为内加热工作方式，采用耐火材料和保温材料做炉衬。用于对工件进行正火、退火、淬火等热处理及其他加热用途。按照加热温度的不同一般分为三种类型，温度高于1000称为高温箱式电阻炉，温度在6001000之间称为中温箱式电阻炉，温度低于600称为低温箱式电阻炉，以满足不同热处理温度的需要。箱式电阻炉具有很多的结构特点，膛采用特种陶瓷纤维材料，重量轻，热熔小、空炉损耗小，与老式电阻炉相比节能70%以上。升温速度快，升温速度可调节。可编程满足3050段连续控温和恒温要求，实现定时自动升温和恒温，具有PID自整定，手动自动切换无干扰和超温报警的功能。控温精度高，冲温值13。具有温度补偿功能和温度校正功能。显示精度1。温度均匀性好 6，一体化结构，采用满门设计，外形美观大方。几十年来，热处理箱式电阻炉，在其结构上几乎没有什么重大的改进，它的特点是；钢骨架外壳、耐火砖砌成的炉膛、炉膛和外壳之间充填保温料、左右对称布置的镍铬电炉丝。经过长期生产实践表明，它结构比较简单，与燃烧炉相比，热效率高，温度也比较均匀，热处理性能比较好。因为长期应用因而其制造工艺、维修技术都比较成熟。但是，随着企业改革的深化，这种炉子存在的问题越来越明显；使用寿命短、升温慢，耗电量大、有效工作面小等问题8。特别是当前我国各行各业都在发展，电能很紧张，国家已十分重视能源节省问题，在电炉的设计制造中，贯彻节能的原则，已成为我国设计箱式电阻炉的一项重要指标。井式电阻炉有下列优点：1) 电炉设有大型通风机装置，提高炉内温度均匀度；2) 电炉分多区控制，进一步提高炉温均匀性；3) 炉膛内带不锈钢导风桶；4) 炉盖启闭采用行车起吊或自动液压开闭机构，且带有导向柱，保证炉盖启闭平稳。井式电阻炉以圆柱形居多，因炉体较长，为了装出工件操作方便，大中型井式电阻炉通常安装在地坑中，只有部分露在地面之上。炉外壳由钢板加工而成，炉衬结构与箱式电阻炉相似，由隔热耐火层和保温层组成。根据工作温度的不同，分为高温、中温和低温井式电阻炉，各采用不同的炉衬材料。有的井式电阻炉为了减小体积，炉体和炉盖均采用水冷方式，这种炉子没有耐火层和保温层，采用金属材料做隔热屏，其能量消耗要比采用保温材料做成的炉衬大得多。井式回火电阻炉是热处理行业中主要加热设备之一9。多年来一直采用比重大、导热系数大的普通耐火材料和保温材料作炉衬的耐火层和保温层,因此存在着炉衬蓄热量大、散热损失大、炉子升温速度慢、保温性能差、浪费电能等一系列待解决的间题。钢材、铜材热处理用的井式炉是按传统结构制作的，较难达到要求，能耗也往往是三等或等外级的。试用过全陶纤炉衬，寿命不长。以电阻带代电阻丝，简单地弯成波浪形，节能幅度也不大。利用新技术新材料改造热处理老化陈旧设备是节能降耗，提高产品质量的重要途径之一。1.5 设计意义及内容热处理是机械制造过程中十分重要的工序，是保证机械零件内在质量的主要因素，当前我国大多数工模具热处理车间影响工模具热处理质量的主要因素是工艺手段落后，设备质量不稳定，误差偏高，车间设备人员安排不合理，为此，组织热处理生产工艺专业化协作，建立热处理专业工厂，将有力的促进我国热处理行业技术的现代化的发展。所以，进行热处理车间的设计训练有着重要的意义。同时对提高生产实际中的设计能力、创新思维具有重要意义，还可以应用专业主干课的基本理论、基本知识和基本能力，对问题进行分析和解决。熟悉并掌握应用计算机进行绘图的基本能力。本设计完成了以下内容：根据题目要求，完成了刀具材料的选择、工艺路线、工艺参数的设定；主要设备进行了箱式电阻炉、井式电阻炉的设计计算，包括炉墙传热计算、电热体计算、功率计算以及淬火盐浴炉等设备的选择；完成了车间设计计算，包括生产纲领、工作制度、年时基数、车间布置、生产组织与人员管理等。采用CAXA绘制主要设备的结构图及车间平面布置图。69第2章 热处理工艺设计2.1 产品技术要求的分析2.1.1 材料的选择本设计车间的生产产品为齿轮铰刀、插齿刀、剃齿刀。为了简化工艺和生产成本，本设计中，三类产品都选用W18Cr4V钢，属高速钢类。高速钢是制造形状复杂、磨削困难的刀具的主要材料。普通高速钢可满足一般需求。W18Cr4V钢为钨系高速钢典型的牌号，热处理硬度可达6366HRC，抗弯强度可达3500MPa，耐磨性好。该钢具有高硬度、热硬性及高温硬度，淬火不易过热，易于磨削加工；缺点是热塑性低、韧性稍差。由于。W18Cr4V钢强度高、耐磨性好，因而又可以制作高负荷下耐磨损的零件。W18Cr4V的化学成分如表2-1所示。表2-1W6Mo5Cr4V2的化学成分CWMoCrVMnSiS、P0.800.905.506.754.505.503.804.401.752.200.150.400.200.450.0302.1.2 技术分析从高速钢的主要用途为制作切削工具看，切削能力当属其最重要性能，面对切削能力主要起作用的是以下三项性能。高温下的抗软化能力：红硬性和高温硬度；在告诉钢刀具通常切削条件，升温大约为500650。红硬性不但直接影响刀具的磨损，而且对切削升温也有作用，坍塌的刀刃对切削的形成产生阻滞，会增大抗力和摩擦强度。切削时与工件接触的刀具部分的抗磨损能力，即耐磨性；一般来说，在一定刀刃温度下，刀刃耐磨性与该温度下高速钢的高温硬度直接相关。高温硬度与一次碳化物无直接关系，因此，对高速工具钢刀具来说，不同刀具在切削受热温度下的基体硬度是决定该刀具耐磨性的首要因素，高硬度材料的脆性易使刀刃在使用中产生微崩刃，而加快磨损。2.2 高速工具钢W18Cr4V的热处理性能高速钢是制造形状复杂、磨削困难的刀具的主要材料。普通高速钢可满足一般需求。常见的普通高速钢有两种，钨系高速钢和钨钼系高速钢。W18Cr4V属于钨系高速钢典型牌号为W18Cr4V，热处理硬度可达6366HRC，抗弯强度可达3500MPa，可磨性好。高速工具钢W18Cr4V的化学成分合金元素在钢中的主要作用如下：高速钢中一般含有较多数量的钨元素，它是提高钢红硬性的主要元素，由于世界范围W资源的缺少，使人们找到了以Mo、Co元素代替W元素而保持高的红硬性的方法。Cr元素在钢中的作用：Cr的加入可提高钢的淬透性，并能形成碳化物强化相，Cr在高温下可形成Cr2O3，能起到氧化膜的保护作用。一般认为Cr含量在4%左右为宜，高于4% Cr，使马氏体转变温度Ms下降，淬火后造成残余奥氏体量增多的不良结果。V元素在钢中的作用：V与C的亲和力很强，在高速钢中形成碳化物（VC），它有很高的稳定性，即使淬火温度在12601280时，VC也不会全部溶于奥氏体中。VC的最高硬度可达到8385HRC，在高温多次回火过程中VC呈弥散状析出，进一步提高了高速钢的硬度、强度和耐磨性。为了提高高速钢的某些方面的性能，还可以加入适量的Al、Co、N等合金元素。2.3 工艺设计2.3.1 工艺路线高速钢W18Cr4V的热处理工艺路线如下：下料锻造等温退火粗加工稳定处理精加工淬火回火表面强化处理成品。2.3.2 工艺参数1) 锻造W18Cr4V钢的锻造工艺示于表2-2。表2-2 18Cr4V钢的热加工工艺项目加热温度开始温度终止温度钢锭锻1220124011201140950钢坯锻1180122011201140950轧11501180108011509502) 等温退火 4-6h1-2h温度/500600Ar1=760Ac1=820 炉冷830850730750时间/h高速钢（W18Cr4V）的退火方法是加热到830850，保温12h。冷却至730750等温46h后再炉冷到500600以下出炉空冷的等温退火。如图2-1。图2-1 等温退火工艺曲线3) 稳定处理稳定处理主要用以清除机械加工，去应力退火，目的是去除全部应力，减少淬火时的变形。如图2-2。4) 最终热处理1 淬火 a. 预热淬火前进行进行两次预热低温预热 450500 11.5 min/mm(空气炉)中温预热 800850 0.41.0 min/mm(盐浴炉)200炉冷650温度/时间/h4-6h图2-2 退火工艺曲线b. 淬火加热温度随着淬火加热温度的升高，碳化物不断融入高速钢基体中，基体中C、W、Mo、Cr、V等合金元素含量不断提高，这有利于提高钢的红硬性。随着淬火温度的升高，钢的晶粒长大会使钢的强度下降，故对不同的工具来说，选择淬火温度就是按碳化物溶解和晶粒度的综合考虑来选择。c. 淬火加热时间高速工具钢在盐浴中的淬火加热系数与淬火加热温度有关，在11501240加热时可选1012s/mm,在12501300加热时可选810s/mm。d. 冷却高速钢刀具的淬火冷却方式一般采用盐浴分级冷却。小尺寸的刀具可以采用空冷。车刀等要求红硬性较高的刀具可以采用油冷。贝氏体等温淬火适用于形状复杂的大型刀具和要求淬冷畸变很小的刀具。2 回火回火使残余奥氏体充分转变消除内应力，提高硬度。高速钢淬火后三次560回火主要目的是：促进残余奥氏体转变为马氏体，未回火马氏体转变为回火马氏体；减少残余应力。 高速钢淬火后大部分转变为马氏体，残留奥氏体量是2025%，甚至更高。第一次回火后，又有15%左右的残留奥氏体转变为马氏体，还有10%左右的残留奥氏体，15%左右新转变未经回火的马氏体，还会产生新的应力，对性能还有一定的影响。为此，要进行二次回火，这时又有56%的残留奥氏体转变为马氏体，同样原因为了使剩余的残留奥氏体发生转变，和使淬火马氏体转变为回火马氏体并消除应力，需进行第三次回火。经过三次回火残留奥氏体约剩13%左右。对形状简单的一般高速钢刀具可以采用二次回火，对形状复杂的刀具可以采用三次回火，每次保温时间为12h。空冷 560时间/h 盐浴盐浴 600650 800850 58062056056012701285温度/通过以上讨论，我们可以将W18Cr4V高速工具钢的热处理工艺用图2-3表示。图2-3 W18Cr4V的热工艺曲线W18Cr4V的热处理工艺参数如表2-310。对于不同的产品，由于规格尺寸的不同，则各种的热处理工艺参数略有不同。在预热阶段，铰刀（规格1020（dL）和铰刀（规格3050（dL）由于尺寸较小，选用一次预热法预热；插齿刀M5和M10、剃齿刀（2740M0.3）和（2740 M0.8）由于尺寸较大，形状复杂，选用二次预热法预热。预热的具体工艺参数见表2-4。在淬火工艺中，油淬适用于简单的刀具淬火，在油中冷却至300400后空冷。对于形状较复杂的刀具，为减小刀具畸变和开裂倾向，都采用分级淬火工艺。工业生产中几乎80%的刀具都采用一次分级淬火，将淬火加热后的工件放入580620的中性盐浴炉中，保持一段时间（相当于淬火加热时间），然后空冷至室温。故本设计中车刀采用油淬，齿轮铣刀和滚刀采用一次分级淬火。表2-3 W18Cr4V的热处理工艺参数牌号退火工艺淬火和回火工艺等温退火淬火预热淬火加热淬火介质回火温度回火后硬度HRC加热温度/保温时间/h冷却硬度HBS温度/时间(s/mm)介质温度/时间(s/mm）W18Cr4V8401.5炉冷至740，保温5h，在炉冷至550，出炉空冷。207255低温预热620，空气炉。中温预热，820，盐浴炉。24中性盐浴12401260615油560，3次，每次1h，空冷。6165636612701290206466128012901150120060注：杆状刀具淬火温度螺纹刀具淬火温度铰刀铣刀淬火温度冷作模具淬火温度表2-4各刀具采用的预热工艺参数刀具预热方法炉型加热温度/加热时间/(s/mm)适用范围铰刀1020（dL）、3050（dL）一次预热法盐浴炉85024适于形状简单，截面较小的工件插齿刀M5、M10剃齿刀2740M0.3、2740M0.8二次预热法第一次预热空气炉550100适于形状复杂或截面较大的工件盐浴炉65040第二次预热盐浴炉850242.3.3 各刀具工艺曲线各刀具退火和淬火工艺曲线如图2-4所示。温度/850时间/h1215s/mm0.4min/m油冷125046h空 冷等温退火8308507307502h淬火空冷A) 铰刀的退火及淬火工艺曲线温度/12301215s/mm840860830850空 冷等温退火2h24h7407607307502h40s/mm85065024s/mm24h时间/h空冷油冷淬火空 冷等温退火500600B) 插齿刀的退火及淬火工艺曲线1230温度/1215s/mm85024s/mm50060065050060040s/mm1215s/mm淬火空冷C) 铰刀的退火及淬火工艺曲线图2-4 铰刀插齿刀和剃齿刀退火及淬火工艺曲线时间/h表面强化处理的蒸汽处理：蒸汽处理是使用刀具在过热的水蒸气中加热，表面形成15m厚的致密蓝黑色氧化膜，这不仅使刀具具有漂亮的外观，增强刀具表面防锈能力减少摩擦，延长使用寿命。蒸汽处理温度为540560，保温时间为6090min。进气压力为0.040.06Mpa；正常处理时膛炉压力为0.030.05Mpa处理次数为一次到两次。预先表面清理是得到良好氧化膜的关键之一可以采用化学去油法，必要时也可用三氯乙烯气相去油。2.3.4 热处理设备选择根据工件生产需要和任务书要求，进行退火箱式炉以及回火井式炉的设计。盐浴炉外购标准炉型。箱式炉：箱式炉系周期作业式，供实验室、工矿企业、科研单位作元素分析测定和一般小型钢件淬火、退火、回火等热处理时加热用。本次设计用于高速钢的回火。箱式炉特点：1) 控制精度：1 炉温均匀度：1(根据加热室大小而定)；2) 操作方便，可编程，PID自整定、自动升温、自动保温、 自动降温，无需值守；3) 升温快（升温速率1/h至40/min可调）；4) 节能（炉膛采用进口纤维制作而成，耐高温、耐急热急冷）；5) 炉体经精致喷塑耐腐蚀耐酸碱，炉体与炉膛隔离采用风冷炉壁温度接近室温；6) 双回路保护（超温、超压、超流、段偶、断电等）；7) 炉膛材料进口耐火材料，保温性能好，耐温高，耐急冷急热。井式炉：井式炉是周期式作业炉，适用于杆类，长轴类零件的热处理。井式炉的结构是：炉身是圆筒形的深井，工件由专用吊车垂直装入炉内加热。所使用的燃料通常为煤气和燃油。以电为热源时，称为井式电阻炉。井式炉特点：1) 电炉设有大型通风机装置，提高炉内温度均匀度；2) 电炉分多区控制，进一步提高炉温均匀性；3) 炉膛内带不锈钢导风桶；4) 炉盖启闭采用行车起吊或自动液压开闭机构，且带有导向柱，保证炉盖启闭平稳；5) 炉盖与炉体采用耐高温纤维棉制作，炉体保温性能好，节约能源，降低生产成本；6) 无污染，环保效益好。盐浴炉特点：盐浴炉指用熔融盐液作为加热介质、将工件浸入盐液内加热的工业炉。盐浴炉指用熔融盐液作为加热介质，将工件浸入盐液内加热的工业炉（能通过金属电极在盐液中加热）。根据炉子的工作温度，通常选用氯化钠、氯化钾、氯化钡、氰化钠、氰化钾、硝酸钠、硝酸钾等盐类作为加热介质。盐浴炉的加热速度快，温度均匀。工件始终处于盐液内加热，工件出炉时表面又附有一层盐膜，所以能防止工件表面氧化和脱碳。盐浴炉可用于碳钢、合金钢、工具钢、模具钢和铝合金等的淬火、退火、回火、氰化、时效等热处理加热，也可用于钢材精密锻造时少氧化加热。盐浴炉加热介质的蒸气对人体有害，使用时必须通风。2.3.5 缺陷分析及补救措施高速钢刀具在热处理生产工序中，常见的缺陷有过热与过烧、硬度不足、表面腐蚀、茶状断口和裂纹等。1) 过热与过烧：过热的特征是断口呈粗瓷状，在金相组织中奥氏体晶粒长大，碳化物颗粒呈角状或沿晶界出现不同程度的网络状。过烧的特征是刀具表面呈被烧熔的皱皮，断口呈粗糙状，金相组织中奥氏体晶粒更为粗大，碳化物呈共晶鱼骨状或沿晶界形成黑色的氧化物状。W18Cr4V钢的过热与过烧，产生过热与过烧的原因，主要是：1 淬火加热温度过高，超过了正常的加热温度，2 铆材碳化物不均匀度严重，过热敏感性大，在碳化物少的区域，正常加热就有产生晶粒长大的可能；3 在盐浴炉加热时，刀具靠近电极而使其表面过热或熔化过烧。刀具轻微过热，如有晶粒长大倾向，碳化物变形或呈不严重的断续网状痕迹，但未产生裂纹时，可不经补救而使用。若过热程度较严重时，则可进行重新淬火。火以低些前，必须进行退火。并在重新淬火加热时，但在重新淬温度要适当，加热时间可稍长些。而对于严重过热与过烧的刀具，则是无法补救的。2) 硬度不足造成硬度不足的主要原因有：1 淬火加热温度偏低，使奥氏体合金化程度降低；2 等温淬火时，等温停留时间过长，使奥氏体的稳定性增加，回火后残余奥氏体量过多；3 回火时温度过高；4 回火温度偏低，二次硬化效果不良。为防止硬度不足，必须正确地掌握淬火与回火温度和时间。如果由于回火温度低或等温时间过长，引起硬度不足，可再进行一次补充回火，使硬度回升到要求范围。若因回火温度过高，或淬火温度偏低，而造成硬度不足，则应在退火后，重新淬火。3) 表面腐蚀刀具表面的腐蚀后，形成麻点蚀斑，从而影响刀具的精度与使用性能。产生表面腐蚀的原因甚多，主要有以下几点：1 刀具在盐浴加热淬火后，对其残渣未及时清洗；2 盐浴内有大量氧化物，没有及时除氧；3 硝盐回火时，炉内氯离子大量存在，使刀具产生电化学腐蚀，若回火温度过高，硝盐对刀具产生强烈氧化，也会造成刀具表面的大块斑点腐蚀。为防止刀具的表面腐蚀，应加强盐浴的除氧，淬火后刀具要及时清洗干净。在淬火与回火工艺上要严格执行操作规程，加强工序中的除锈和防锈等措施。2.3.6 高速工具钢W18Cr4V的热处理检验高速钢刀具最终热处理通常包括淬火和回火，以及冷处理和化学热处理。对冷处理和化学热处理则应按相应的标准要求去检验。对经过淬火和回火的刀具，应按下列项目进行检验。1) 刀具淬火前应检查是否符合工艺路线和工艺要求；有无变形、碰伤等缺陷，有无裂纹等缺陷；钢材是否符合规定要求。2) 热处理后检验：1 外观检查：外观检查包括回火后检查和表面处理后（喷砂、发蓝和化学处理）检查两部分。淬火回火后均应用肉眼或低倍放大镜观察表面有无裂纹、烧伤、碰损、麻点、腐蚀、锈斑或烧熔等缺陷。怀疑有裂纹时，可用磁粉、着色、荧光和超声波检验等方法检测，或浸油后喷砂直接观察。由于刀具大部分采用盐浴淬火，表面极易沾附盐类和氧化剂，特别在螺纹、沟槽、内孔等处更不容易去除。因此，清理后必须仔细检查刀具整个表面残盐和脱氧剂残渣是否洗净，以防止引起锈蚀。对于易开裂和经冷处理的刀具应检验裂纹。喷砂处理后工件的表面应呈均匀的银灰色，不得有明显的花斑、点状腐蚀、锈斑、残砂、氧化皮、残盐和其他污物，并需要经防锈处理。发蓝处理后，碳钢和低合金钢的表面呈黑色或蓝黑色；合金钢为深棕色或浅蓝色；含硅较高的钢为红棕色；高速钢为黑褐色。氧化层要求色泽均匀一致，无明显的花斑或锈迹存在。允许的缺陷：轻微的水印和夹具印；处理前同一工件表面粗糙度不同，处理后色泽允许存在微小差别；摩擦焊点和校直部分，以及局部淬火的硬化过渡区，允许膜层有点差异；不同材料焊接，允许膜层色泽稍有差别。不允许的缺陷：膜层划伤或局部无膜、红色或黑色的斑点、不易擦除的挂粉及残留碱液。将经过发蓝处理、蒸汽处理、氧氮处理、TiN涂层、镍磷镀层等表面处理的刀具，浸入10%（质量分数）CuSO4水溶液，在规定的时间表面不露铜即为合格。2 变形检验：热处理变形的刀具，可以通过校直来达到技术要求，但校直后应进行去应力退火，是校直后的变形符合工艺要求，一般其变形量应不大于留磨的1/2。3 硬度检验：在刀具质量检验诸项中，唯有硬度是数字化指标。如高速钢刀具，通常高速钢硬度要求6366HRC。但大多数工具厂都将硬度提高至65HRC，因为人们在总结几十年的创优、创品牌活动中，认为65HRC以下的硬度无市场竞争力，根据笔者长期工作的实践，认为HSS钢（通用高速钢）刀具将硬度控制在6566HRC、HSS-E钢（高性能高速钢）刀具将硬度控制在6667HRC比较符合客观情况。国际标准、国家标准给定的硬度下限，只能是一个及格标准。部优、省优、国家品牌钻头，大于6mm者硬度均在66HRC以上。刀具硬度检验包括回火后的硬度（刃部和柄部）、热硬性，以及化学热处理后的硬度。刀具回火后的硬度应按工艺文件规定检验，通用高速钢刃部的硬度为6366HRC，柄部硬度为3050HRC；接柄刀具柄部硬度为3045HRC。高速钢刀具一般在第二次回火后初步检验硬度，视示值情况作出第三次回火是否要提高温度的决定。一般情况下，每超出1HRC，则要提高回火温度1315。形状复杂的刀具或大型工具，可以进行端面检测，亦可用锉刀检测（要有经验），也可以用里氏硬度计检测；焊接刀具应在图样规定的部位检测，不可以在硬化过渡区测量。如果在圆柱上测量有把握，就没有必要作破坏性检查，但大部分工具厂还是将平磨后检测的硬应值作为刀具最终硬度示值。刀具的热硬性测定很有必要，不少工具厂不检查，事实上应该重视起来。热硬性试验一般在刀具出厂前集中操作，国家及国际上无标准可循，有的单位用6004h1次，也有的单位用6001h4次，方法不同，但效果一致；也有些单位6254h1次，然后平磨，测其硬度，硬度高者表示热硬性高。热硬性是高速钢刀具特有性能，它代表刀具抗高温软化的能力。HSS钢600时硬度应60HRC。例如，生产加工60钢调质件（26HRC）机用丝锥，600热硬性61HRC的丝锥应用起来较好，这说明丝锥在特殊情况还是要求具有一定热硬性的。HSSE钢625时硬度60HRC。刀具加工成成品表面强化硬度的检验，如蒸汽处理、氧氮共渗、TiN涂层、NiP合金镀以及多元共渗，应按各自标准要求检测其硬度。4 金相检验：工具