W2Mo9Cr4V2Co8高速钢车刀热处理车间设计.doc

合肥工业大学热处理课程设计设计题目：W2Mo9Cr4V2Co8高速钢车刀热处理车间设计 目 录一 概述. 11.1项目任务及设计意义.11.2热处理概述. 11.3 工具类零件概述. 1二 车刀的热处理工艺的设计. 22.1 材料的选用. 22.2热处理工艺要求. 22.3加工工艺流程. 22.4热处理工艺. 22.4.1预备热处理. 32.4.2最终热处理. 32.5热处理工艺分析. 42.5.1软化退火. 42.5.2淬火. 42.5.3 回火. 5三 热处理车间主要设备选择. 53.1预备热处理设备. 53.2最终热处理设备. 53.2.1淬火工艺设备. 53.2.2回火热处理设备. 73.3热处理主要设备数量计算. 83.3.1工作制度和年时基数. 83.3.2设备数量的计算. 93.4冷却设备. 103.5清洗设备. 103.6辅助设备. 103.6.1检查设备. 103.6.2起重运输设备. 103.6.3其他辅助设备.11四 车间布局. 114.1车间在厂区内的位置. 114.2 车间面积及面积指标.124.3布局原则. 124.4车间设备布局间距. 13五 动力消耗及对公用系统设计.13 5.1电力安装容量. .13 5.2 压缩空气.13 5.3 蒸汽.145.4 生产用水.14六 热处理车间的生产组织与人员.156.1 组织.156.2 工作人员.15七 设计总结.16参考文献.17一 概述1.1项目任务及设计意义 任务：设计年产量为250万件高速钢车刀的热处理车间。设计意义：新热处理车间，通常 采取“购买一批、自制一批、改造一批、淘汰一批”的调整思路，全面实行设备升级。从技术专业化与协作来看，从产品生产专业化到工艺专业化，都是为了实现生产技术的现代化。组织热处理生产工艺专业化协作，建立热处理专业工厂，将有力地促进我国热处理行业技术的现代化发展。热处理工艺专业化生产有利于采用新工艺、新设备，可以提高设备利用率，提高热处理质量，提高生产率，节约能源消耗，降低生产成本。因此，在武汉重型机床厂新建热处理车间时，必须特别重视并解决专业化与协作问题，确定车间的专业化生产特点。1.2 热处理概述热处理是机械工业的一项重要基础技术，热处理对于充分发挥金属材料的性能潜力，提高产品的内在质量，节约材料，减少能耗，延长产品的使用寿命，提高经济效益都具有十分重要的意义。正所谓“工欲善其事,必先利其器”，那么也就必须给热处理一个良好的环境及先进设备，总的来说就是一个设计得当的热处理车间。设计的主要内容整个热处理车间的设计过程。1.3工具类零件概述手工工具属于低速切削，往往以摩擦为主有时伴有较大的冲击。机用工具通常切削速度较高，会产生大量的切削热，刀尖上的温度较高。工具的主要失效形式（1）磨损 磨损是在正常使用情况下，切削工具最常见的失效形式。（2）崩刃崩刃也是切削工具常见的失效形式之一，包括微崩刃、大块崩刃、掉牙、掉齿等现象。很多崩刃现象的产生式由于切削时切削刃长期承受周期性的循环应力所产生的一种疲劳破坏现象，有时也可能是由于突然产生的冲击应力造成。（3）断裂、破损 切削工具由于承受较大的冲击力或工具自身的脆性较大有时会产生整体断裂、破碎想象。工具的断裂、破碎与工具本身的韧性不足有关。（4）被加工工件达不到技术要求 在切削过程中，由于工具产生严重磨损或工具的切削刃上有明显的崩刃现象，这时工具虽然可以继续切削，但由于被加工工件的尺寸精度或表面粗糙度达不到技术要求，因而工具不能继续使用。二 车刀的热处理工艺的设计车刀是典型的高速切削工具之一，要求高的耐磨性、热硬性，热处理硬度在64HRC以上，通常以高硬度为好。2.1 材料的选用高速钢具有红硬性高、耐磨性好、强度高等特性。高速工具钢经过热处理后的使用硬度可以达到63HRC，在600左右的工作温度下仍保持较高的硬度，高速钢在650时，实际硬度仍高于50HRC，而且其韧性、耐磨性和耐热性均较好。高速钢刀具的切削速度比碳素工具钢和低合金工具钢增加 1-3倍，而耐用性增加7-14倍，因此高速钢常被用于制造高效率切削工具。W2Mo8Cr4V2Co8（M42）高速钢是一种各项性能指数都很好的高性能高速钢，是一种综合性能较好的高性能高速钢。根据服役条件，为满足车刀的高耐磨性、高热硬性德要求尤其是切削用量较大及切削难加工材料和切削长工件中间不得换到等情况，选择W2Mo8Cr4V2Co8（M42）高速钢是适宜的。2.2热处理工艺要求热处理工艺在高速钢工具的生产制造中占有举足轻重的地位，热处理工艺的好坏直接影响高速钢工具的各项使用性能，通过热处理工艺，使高速钢获得所需的使用性能，达到生产加工要求。热处理工艺是提高高速钢工具性能的重要途径。 通过对高速钢工具的热处理，提高高速钢工具的硬度、强度、耐磨性等，延长使用寿命，使高速钢工具获得更高的使用性能。2.3加工工艺流程下料锻造预备热处理（软化退火）切削加工最终热处理（淬火、回火等）磨加工磨刃2.4热处理工艺典型工件名称:W2Mo9Cr4V2Co8高速工具钢车刀，其外形尺寸如下图所示矩形截面车刀条尺寸示意图图中h=16mm，b=10mm，L=160mm2.4.1预备热处理（1）技术要求为便于后续的切削加工，要求对工件进行软化热处理预备热处理，使得工件退火后硬度HBW269（2）工艺流程加热至6502530/h加热至840860保温0.3h1060/h 冷却至7802530/h冷却至650空冷或油冷2.4.2最终热处理（1）技术要求对工件进行最终热处理，使得工件在处理后得到好的耐磨性和热硬性，使用硬度HRC=6570,以获得满足使用要求的性能。（2）工艺流程清洗烘干预热（第一次500600，第二次800900）加热至12001220保温冷却（油淬）清洗烘干检查回火（530550三次回火）清洗表面处理检查2.5热处理工艺分析2.5.1软化退火高速钢中有较高的碳含量和大量的合金元素，在锻造以后，即使空冷也会有较高的硬度，软化退火可获得满意的可加工性，为淬火作好组织准备，即退火可降低硬度，改善切削加工性能和获得均匀的组织，改善热处理工艺性能。此处W2Mo9Cr4V2Co8采用840860高温退火工艺，与普通退火工艺相比，保温时间大大缩短，冷却阶段的保温时间几乎被取消，因而退火周期大大缩短。2.5.2淬火淬火工艺使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或下贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，以大幅提高工具钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而赋予工具以需要的综合机械性能。高合金的W2Mo9Cr4V2Co8高速钢导热性差，为防止工件加热时变形、开裂和缩短加热的保温时间以减少脱碳，采用两次预热，500600一级预热、800900二级预热可以减少因盐浴炉加热速度快而快速升温导致的淬火缺陷。2.5.3 回火W2Mo9Cr4V2Co8高速钢车刀对热硬性的要求较高，在淬火后，材料里还有大量的残余奥氏体存在，其硬度较低（4050HRC),后经560回火3次，由于回火时残余奥氏体分解及碳化物弥散硬化，硬度可升高到6570HRC。进行多次回火，是为了逐步减少残留奥氏体量。回火后的组织为回火马氏体、细颗粒剩余碳化物及少量残余奥氏体三 热处理车间主要设备选择3.1预备热处理设备根据工艺条件的要求，选择型号为RJ9-190-9的中温井式电阻炉，其产品规格及技术参数见下表型号额定功率/kW额定电压/V相数额定温度/炉膛尺寸（直径X深度）/mm在890时有关数据空炉损耗功率/kW空炉升温时间/h最大装载量/kgRJ2-90-99038039501000X12003341500RJ系列自然对流井式电阻炉均有一个井式炉膛，且炉内不设风扇的电阻炉。加密封措施通保护气体保护加热，防止工件氧化等。按工件之间间隔距离与工件尺寸相等原则将工件竖直排列在电阻炉炉膛中，考虑到炉内面积不能完全利用，故每层可装加1000件工件，炉膛深1200mm，工件长160mm，同样考虑应夹具所占尺寸，可装加5层，由此可得，使用此型号井式电阻炉一炉可加工5000件工件。要完成工件的预备热处理需要12小时，故此设备的设备生产率为400件/h。3.2最终热处理设备3.2.1淬火工艺设备一级预热（550）设备：三相埋入式电极盐浴炉RDM-30-6。二级预热（820）设备：三相埋入式电极盐浴炉RDM-30-8。奥氏体化（1210）加热设备：三相埋入式电极盐浴炉RDM-45-13。 设备相关数据如下：项目RDM-30-6RDM-30-8RDN-45-13额定功率/kW303045电源电压/V380380380电极电压范围/V14.4830.7414.4830.7414.4830.59额定电极电压/V25.125.125.1相数333额定温度/6508501300空炉损耗功率/kW81326炉膛尺寸/mm长350300300宽250250250深700700700外形尺寸/mm长121011601260宽9609101010深107010701070重量/kg152012301360配套变压器型号ZUSG3-35-3ZUSG3-35-3ZUSG3-50-3埋入式电极盐浴炉的电极从浴槽侧壁插入，埋在浴槽砌体中。为了保证加热过程中夹具的一致性和炉膛的使用率，提高能源利用率和简化操作，本淬火分级加热方案中的料框尺寸为300250700（长宽深/mm）。（1）装炉修正系数K的确定：W2Mo8Cr4V2Co8（M42）高速工具钢车刀热处理时在吊篮中间隔为16mm，所以装炉修正系数K取2.0。（2）由钢种决定的加热系数a（min/mm）的确定：常用钢的加热系数工件材料工件直径/mm600箱式炉中加热750850盐炉中加热或预热800900箱式炉或井式炉中加热10003000高温盐炉中加热碳钢50500.30.40.40.51.01.21.21.5合金钢50500.450.500.500.551.21.51.51.8高合金钢0.300.400.300.350.170.2高速钢0.300.350.650.850.160.180.160.18所需数据为：项目一级预热二级预热淬火温度/5508201210加热系数0.40.350.18（3）工件有效厚度的确定：下表为不同形状和尺寸的工件加热计算时的特征尺寸及形状系数表，有此可计算出工件的有效厚度为：D=边长形状系数=100.7=7mm。不同形状和尺寸的工件加热计算时的特征尺寸及形状系数工件形状特征尺寸 s形状系数 k球球径0.7立方体边长0.7圆柱直径1.0菱形边长1.0环环宽度1.5环厚度1.5板厚度1.5管材壁厚开口通管2.0；长管4.0；闭口管4.0根据时间计算公式t=aKD 【其中K-装炉修正系数，D-工件有效厚度（mm），a-由钢种决定的加热系数（min/mm）】，以及经验公式等，查找资料，可得烘干预热阶段t1=0.42.07=5.6min=336s，二级预热阶段t2=0.352.07=4.9min=294s，加热至淬火温度t3=0.182.07=2.52min=152s。考虑到装加、运输以及清洗过程中的时耗及冷却所需时间，则用此设备每小时可生产400件产品。3.2.2回火热处理设备回火设备产能应与淬火设备产能相匹配，才能最大化地提高生产效率。每次回火需耗时3h，使用RJ2-90-9型号的中温热处理炉作为回火炉每小时大约可生产1000件工件，满足产能要求，整个回火过程需要三台此型号热处理炉分别进行第一、第二、第三次回火处理。3.3热处理主要设备数量计算本设计的任务是设计一热处理车间，使其可满足高速钢工具的退火、淬火、回火等热处理工艺生产的要求。该车间可满足年产量为30000件的高速钢工具的要求。将工艺参数制表如下：热处理工艺参数表工艺温度/时间/saKD加热+保温快速退火加热86012h保温740650一级预热5500.42.071560二级预热8200.352.071365奥氏体化12600.182.07351三次回火560每次1h3.3.1工作制度和年时基数（1）设备年时基数为设备在全年内的总工时数，等于在全年日内应工作的的时数减去各种时间损失，即：式中设备年时基数（h）；设备全年工作日，等于全年日数（365天）-全年假日（10天）-全年星期双休日（104天）=251天；N每日工作班数；n 每班工作时数，一般为8小时，对于有害健康的工作，有时为6.5小时；损失率，时间损失包括设备检修及事故损失，工人非全日缺勤而无法及时调度的损失，以及每班下班前设备和场地清洁工作所需的停工损失。（2）工人年时基数(公式2.2)式中工人年时基数（h）；工人全年工作日，等于全年日数（365天）-全年假日（10天）-全年星期双休日（104天）=251天；时间损失率，一般取4%，时间损失包括病假、事假、探亲假、产假及哺乳、设备请扫、工作休息等工时损失。项目生产性质工作班制全年工作日每班工作时数全年时间损失（%）年时基数一、设备一般设备连续工作制3355897722重要设备阶段工作制32518164718小型简易热处理炉阶段工作制3251875571大型复杂热处理炉连续工作制33558147326二、工人一般工作条件251881830较差工作条件2518121748表2.2 热处理车间设备和工人年时基数此热处理车间中设备为小型简易热处理炉，采用阶段工作制，工作班制为3班制，每班工作8小时，全年工作日为251天，全年时间损失为7%，年时基数为5571。3.3.2设备数量的计算（1）设备年负荷基数设备年负荷基数G为式中-设备年需完成的生产量（件/年）-设备生产率（件/h）（2）设备数量计算式中-设备年时基数（h）根据年生产任务及设备生产率计算可以确定，此热处理车间所需热处理加工设备为：RJ2-90-9中温井式电阻炉2台、RDM-30-6三相埋入式电极盐浴炉1台、RDM-30-8三相埋入式电极盐浴炉1台、RDM-45-13三相埋入式电极盐浴炉1台。3.4冷却设备冷却设备主要是油槽，以油为冷却介质，设备主要是由盛油的槽子构成。油的粘度对冷却能力和冷却均匀性有显著的影响。可以通过配备介质搅拌装置和对介质进行适当加热（4095），提高其冷却能力和冷却的均匀性。淬火油槽通常配有如下功能：介质搅拌功能、介质加热和换热功能、介质的油烟收集和处理功能、防火和灭火功能、输送工件完成淬火工艺过程的功能等。3.5清洗设备随着热处理工艺的发展和对环境卫生的要求日益提高，零件热处理前后的清洗更加重要。一些化学热处理工艺如渗碳、渗氮，操作前要求比较彻底的除油，有的利用热处理炉废气烧尽表面油污，以保证热处理质量。零件的热处理后除油，可防止回火过程中产生大量的烟雾，污染环境，同时保持零件表面光亮。目前主要清洗设备有：室内和输送带式、悬挂输送链式、滚筒式清洗机、溶剂清洗及其他超净清洗设备。3.6辅助设备3.6.1检查设备为检查零件热处理后的硬度，一般采用布式、洛式、肖式硬度计。检查薄件和浅渗层零件用维氏硬度计。为了特殊需要还需要各式特种硬度计，如里式硬度计。为检查零件表面裂纹，采用磁粉探伤仪，为检查零件内部质量，采用超声波探伤仪、射线探伤仪。3.6.2起重运输设备起重设备根据设备安装、修理、工艺所需起吊运输最大零件重量以及工艺平面布置决定，起重设备适用范围及选择原则见下表。设备名称常用规格主要适用范围选用意见梁式起重机13 t中小型设备维修，中小零件运输、装卸每一跨可选一台电动葫芦0.251 t井式炉组，小型热处理车间表面淬火组、酸洗、发蓝生产线的起重运输，工序衔接每条生产线可选用一台悬臂起重机0.251工作量较大的局部区，桥式、梁式起重机达不到的地方为某项设备及工艺专设悬挂运输链辊道平板车手推车3.6.3其他辅助设备其他辅助设备，包括焊接设备，如对焊机、钎焊机、高频焊接设备、存放工具夹装置，如工具架、吊具架、冷却盘，切取式样设备，如锯床、切割机、磨光式样设备等。为了正确制定工艺，进行质量检查和分析废品，除在企业中心实验室外，一般热处理车间为配合生产还应设小型实验室，配置基本的化学分析和金相检验设备，以及渗层深度检测仪，气氛组分分析装置等。检修间应配置必要的机械加工机床，制造必要的设备备件和为感应加热用感应器制造服务，以及为仪表的检修校正服务。四 车间布局4.1车间在厂区内的位置对热处理车间在总体布置中要求：（1）热处理车间散发大量燃烧废气、保护气氛废气，其他有害气体及油烟、粉尘等，所以应位于其他厂房下风向，且要有卫生防护带。（2）热处理车间靠近各类震源时，应该有一定间距或采取相应的隔震措施，震源如锻锤、空压机、氧气机、铁路等。热处理车间为综合性处理车间，为全厂服务，在工厂总体位置中应选择适中的位置或靠近与其联系多的车间。4.2 车间面积及面积指标车间总面积包括工艺设计中用于基本生产设备和辅助设备所占用的面积，包括厂房、披屋、露天起重机下的有效面积。（1）生产面积生产设备、设备之间通道、工人操作、工件存放地所占用的面积，以及清洗、清理、矫正、取样、运输设备所占用的面积，占总面积50%70%。（2）辅助面积变配电间、变频间、电容期间、检验间、快速实验室、保护气氛制备间、机修间、仪表间、通风机室、各类仓库、主要通道、露天仓库等所占用的面积，占总面积30%50%。4.3布局原则大型连续式设备及机组的布置，根据数量确定是否跨厂房跨度，尽量在同一跨度中，有利于使用起重设备。车间有一端封闭墙体时，大型设备尽量靠在内墙布置，以利用采光和通风。热处理车间在工艺流程基本顺畅的情况下，可按设备分片布置。设备布置应符合工艺流程的需要，零件的流向应尽量由入料端向出料端，避免交叉和往返运输。设备应尽量布置整齐，箱式炉以炉口取齐，井式炉以中心线取齐。需要起重运输工具的设备，应布置于起重机有效范围内。需局部通风的设备应靠外墙或靠近柱子布置，以利于通风管的引出。车间内应避免隔断，对必须设置隔离间的应集中于车间的一端。喷砂间靠外墙隔断，有利于砂的储存和设置除尘装置。生产区内应留有零件装卸及存储面积或立体仓库。车间需留出必要的通道，通道的尺寸随车间使用运输车型而异。车间预留扩建面积可采取车间内预留设备空地或预留增跨或接长厂房空地。留有计算机控制管理房地。4.4车间设备布局间距（1）炉子后端距离墙柱的距离，一般箱式炉采用12m；煤气炉和油炉取1.51.8m；可控气氛炉应留出辐射管取出的距离。（2）炉子之间的距离，小型炉0.81.2m；中型炉1.21.5m；大型炉1.52m；间隙式炉组成的生产线0.50.8m；连续式炉3.04.0m。（3）井式炉间的距离，小型炉0.81.2m；中型炉1.21.5m；大型炉2.54m。（4）井式炉炉口距地面距离，渗碳炉0.3m；正火、回火炉0.70.8m。（5）连续式炉的炉前后区空地，锻件热处理炉：炉前：68m；炉后812m；连续气体渗碳炉：炉前46m；炉后23m；一般连续式炉炉前后46m。（6）炉子安装高度即炉口平面到地平的距离，人工操作时，一般为0.850.9m。五 动力消耗及对公用系统设计热处理车间需消耗的各种动力和辅助材料，包括电力、燃料、压缩空气、蒸汽、水、油类、盐类。活血热处理渗剂及保护加热气体等等。5.1 电力安装容量热处理车间电力消耗包括动力用电、工艺用电和照明用电。动力用电，是指热处理车间各种机械装置的驱动电动机所消耗的电量。其消耗量按照各设备安装容量和设备负荷时间计算。由热处理车间设备明细表，得 用电总量=3910.8KW，加上在热处理工程中加热工件和工作介质所消耗的工艺用电和照明用电，取4500KW。5.2 压缩空气热处理车间压缩空气用于连续用气设备，如喷砂、喷丸设备、风动工具、吹扫喷嘴等。其消耗量的计算是以温度为20摄氏度，压力为101.3KPa时的自由空气为标准的。包括炉温升降气缸压缩空气的消耗量、各类用途喷嘴压缩空气消耗量。5.3 蒸汽蒸汽在热处理车间主要用于加热清洗槽、热水淬火冷却槽、重油燃烧雾化及预热、石油液化气液化、煤气管路清扫等。热处理车间使用的蒸汽为饱和蒸汽、常用压力为200400KPa。蒸汽的比热容为2100KJ/Kg.重油燃烧用蒸汽雾化的蒸汽消耗量，各类水槽、清洗槽蒸汽加热，使用蛇形管、排管、水套或直接将蒸汽通入槽内加热。5.4 生产用水热处理车间设备用水除个别情况外，对水质无特殊要求，一般生活用水则可以满足要求。高频设备用水，要求矿物杂志不能超过0.017g/L，电阻率每厘米不大于4000欧姆，水压为119196KPa，或蒸馏水，或采用离子交换树脂软化水。其它用水量包括：感应加热设备及淬火冷却水消耗量：（1）R1-17全齿淬火设备电源、R1-18单齿淬火设备电源、500kW中频电源、350kW中频电源循环用水量为20t/h。20t/h4=80t/h。（2）R1-17-1GCK11200淬火机床循环水量为40t/h，R1-17-2GC13080淬火机床循环水量为40t/h，但二者不同时使用；R1-18-1GCK13450淬火机床循环水量为20t/h；与500kW中频电源配套的立式淬火机床循环水量40t/h；与350kW中频电源配套的卧式淬火机床循环用水量为20t/h。40t/h +20t/h +40t/h +20t/h=120t/h。淬火冷却水（油）槽水消耗量：淬火油槽循环水量+淬火水槽循环水量：30t/h+20t/h=50t/h。循环总用水量：80t/h+120t/h+50t/h=250t/h 250t/h7240=1810000t=181万吨六 热处理车间的生产组织与人员6.1 组织为适应热处理生产管理与调度方便，除一些规模较小的工段、小组和流水线上的热处理部分，如铸、锻车间小型毛坯热处理工段，机械加工生产线上的感应加热淬火部分，可分属各有关车间外，热处理通常宜作为独立的车间，以利于生产技术的发展、产品质量的提高和进行成本核算。热处理车间可由生产部分、辅助部分和技术管理部分组成。管理部分包括计划、调度、生产技术和行政管理，辅助部分包括机修、电修、管修、仪表运行、工具、材料、辅助材料、实验室等；6.2 工作人员热处理车间的生产组织包括生产工人、辅助工人、工程技术人员、管理人员和服务人员（见表6.1）。生产工人是指直接从事热处理工艺及设备操作的人员。辅助工人是指生产工人以外直接为热处理生产服务的人，如热处理准备工、起重运输工等。工程技术人员是指从事技术