【《40Cr钢材料减速器齿轮热处理车间布局设计》7700字（论文）】

40Cr钢材料减速器齿轮热处理车间布局设计目录TOC\o"1-3"\h\u281061绪论 522302中型热处理车间产品设计方案 89520340Cr热处理工艺设计 9313453.140Cr钢的化学成分 92723.240Cr运输机减速器性能要求 917223.340Cr钢运输机减速器齿轮工艺流程 10253723.440Cr钢运输机减速器齿轮热处理工艺 1061513.4.1正火 1093393.4.2中频感应加热淬火工艺 1184963.4.3回火工艺 1266093.540Cr运输机减速器热处理总工艺曲线 1394434热处理车间设备选择 1485104.1热处理炉型的选择 1477164.1.1热处理炉 14126704.1.2中频感应加热设备 14311064.1.3回火炉 14314104.1.4渗碳炉 1433544.2辅助设备选择 15283904.2.1淬火槽 15116924.2.2清洗设备 15305404.2.3起重设备 15126134.2.4矫直设备 1512164.2.5抛丸设备 16297725热处理炉的计算 17238385.1小型箱式电阻炉尺寸 17235455.2小型箱式炉炉衬材料 18215985.3箱式炉砌砖后的表面积 18270065.4小型箱式炉功率 19224335.5工作与保温时的热效率 23192995.6炉子空载功率计算 2385905.7功率的均匀分配和供电接线 2317705.8电热元件 23273136圆形淬火油槽的计算 26249526.1油需求量V 26158066.2圆形淬火油槽的形状与尺寸 26128816.3求溢流槽 2758496.4油所用管道的尺寸 28282597技术经济指标 3067577.1人员分配 3048177.2技术经济指标计算 31204517.3耗电计算 3147637.4车间环境保护 33219827.4.1有害物质 33159417.4.2有害物质分类 33125887.4.3车间环境保护探讨 3430922参考文献 361绪论将固体金属置于一定介质中，加热到一定温度并保持一定时间，并且采用油淬或水淬等淬火方法进行淬火的工艺技术就是金属的热处理。热处理工艺的应用范围很广，目前大多数钢材都需要经过一系列的热处理才能达到所需的性能要求。其优点主要在于它可以有效的通过改变矿物材料的内部结构或是其表面的化学成分来改变材料的力学性能。为了改变材料的微观结构使用热处理。材料经过这一系列热处理后，其强硬度、塑性、疲劳强度、耐磨性以及接触应力等各个性能指标均得到了发展。2中型热处理车间产品设计方案本次设计综合热处理车间，以运输机减速器齿轮为典型产品，与此同时车间还生产如板簧、轴承、主轴、曲轴等产品。表2.1列入了本次中型热处理车间产品。表2.1中型热处理车间产品表热处理工艺产品名称40Cr调质+中频淬火+230℃回火运输机减速器齿轮12CrNi3正火+渗碳+淬火+200℃回火机床变速器齿轮65Mn淬火+490℃回火坐垫板簧55Si2Mn淬火+480℃回火汽车板簧GCr15正火+球化退火+淬火+低温回火轴承、轴套45正火+淬火+580℃回火铣床主轴50Mn淬火+600℃回火轿车内燃机曲轴45调质+感应淬火+低温回火轻型车发动机曲轴QT600-03正火+550℃回火拖拉机内燃机曲轴340Cr热处理工艺设计齿轮是机器或部件中的一种重要的传动零件，直接关系着机器的工作寿命，若是齿轮部分出现了问题，可以说整个机器都有着报废的危险。硬度和耐磨性是齿轮较为重要的两个特点，一旦齿轮发生卡死，那么会对整个生产线都有着极大的危险，甚至会发生重大安全事故，因此齿轮周围会设计专门的齿轮防护罩[7]。40Cr运输机减速器齿轮对硬度，韧性，耐磨性的要求极为显著，强化齿轮表面是提高齿轮硬度，耐磨性的常用有效措施，对此朱玉轩等人对此进行了研究[8]，为了提高齿轮的各项力学性能，选择使用表面硬化、合金化、内部强化的技术，可还是存在一些无可避免的技术问题。例如表面硬化技术这项技术，有着工艺成本较高，可以使用的范围小等缺点。为了要提高40Cr运输机减速器齿轮的强度和韧性，需要保证40Cr齿轮的内部拥有一定的强度、硬度和受冲击时的韧性[9]。3.140Cr钢的化学成分由GB/T3077-2015《合金结构钢》[20]可知，表3.1记述40Cr钢的所含元素占比。表3.140Cr钢的所含元素占比所含元素碳锰硅铬钼磷硫铜比例0.410.650.270.950.050.030.030.0253.240Cr运输机减速器性能要求对于带式运输机减速器齿轮来讲，性能要求主要就包括了例如硬度、强度、耐磨性等指标。带式运输机减速器齿轮比较薄，容易折断，且在接触时所产生的接触应力也是对它的一个很大的威胁，齿根部还会发生较大的最大弯曲应力，大大提高了齿面失效的概率。齿面四处还很有概率发生对比滑动甚至磨损、断裂。[10]。为了得到更好性能的齿轮，需要选用最为适宜的热处理工艺，以此来大大改善齿轮的组织。3.340Cr钢运输机减速器齿轮工艺流程毛坯锻造→正火→机加工→滚齿→中频感应表面淬火+低温回火→磨齿→探伤→检测→入库3.440Cr钢运输机减速器齿轮热处理工艺40Cr钢临界温度如下表3.2。表3.240Cr临界温度临界位置/℃Ac1/℃Ac3/℃Ar1/℃Ar3/℃Ms/℃临界温度743782693730355本次设计带式运输机减速器齿轮，尺寸见图3.1。图3.140Cr运输机减速器齿轮3.4.1正火40Cr是一种普通合金调质钢，其性能恰恰相似于45钢。经常被用于制作一般的轴类和齿轮类零件。为了达到提高坯料的力学性能和可加工性的目的，方便加工[11]。40Cr钢在中频感应加热淬火之前，必须通过预热处理降低它的硬度，以利于切割，更有助于消除热处理引起的组织缺陷，细化晶粒，改善内部组织，为最终的热处理做好准备[12]。在本设计中，预备热处理选择为正火。本次设计取40Cr钢在AC1临界点温度以上30℃，为822℃。正火保温时间计算；为保温时间。为排料系数，本次计算取。为加热系数，取。为齿轮的厚度。本次设计的40Cr运输机减速器齿轮选择在RJ2-140-9中温井式电阻炉中加热，进行正火等一系列热处理。通过上式计算，可得保温时间在0.375~0.45h内。而齿轮的厚度不足25mm，按照齿轮厚度为25mm估计时间。将保温时间定为1h。因为40Cr材料属于低合金结构钢，淬透性比一般的碳素钢要好，运输机减速器齿轮形状比较复杂，因此采用油冷的方式冷却。40Cr正火工艺曲线如图3.2。图3.24Cr运输机减速器正火工艺曲线正火后40Cr钢的组织为铁素体和较细的片状珠光体。3.4.2中频感应加热淬火工艺40Cr属于合金调质结构钢，从运输机减速器齿轮考虑，此零件即要求表面耐磨，又要求有很高的强度[12]。使用中频感应加热表面淬火的温度比普通淬火要高出50℃左右，采用840℃~860℃。本次设计的淬火温度选择850℃，40Cr淬火工艺曲线如图3.3。为了保证钢完全奥氏体化，防止存在铁素体，中频感应淬火不需要太多的保温时间，使用急冷的方法，不过淬火后的工件由于内应力过大，容易表现出“脆”性。需要进行回火。而40Cr材料属于低合金结构钢，淬透性要优于一般的碳素钢，如果工件有效尺寸比较小或者形状比较复杂，可以采用油冷；反之，工件有效尺寸比较大且形状简单的话，则可以采用水冷，采用水冷的工件机械性能要比采用油冷的好[13]。综合考虑选择油冷。组织变化：表层组织为马氏体，心部为索氏体+铁素体。图3.340Cr运输机减速器淬火工艺曲线3.4.3回火工艺由于40Cr的第一次回火脆性温度会受到含有的其他合金元素如Si、Mn、Cr等的影响而提高，因此低温回火温度为230℃。低温回火的保温时间一般为1～2小时。考虑到40Cr输送减速机齿轮尺寸大，回火保温时间过长，将导致组织结构改变。低温回火时，马氏体的正方度降低，有细小薄片从碳化物中析出，即碳逐渐从马氏体中析出，削弱了固溶强化的效果，降低了硬度，综合考虑保温时间选为1.5h[14]，40Cr回火工艺曲线如图3.4。综合考虑选择空气冷却为冷却方式。组织变化：表层为回火马氏体；心部组织为索氏体和铁素体。图3.440Cr运输机减速器齿轮回火工艺曲线3.540Cr运输机减速器热处理总工艺曲线图3.540Cr运输机减速器热处理总工艺曲线4热处理车间设备选择本次热处理车间设计的炉型选择以车间主要生产产品40Cr运输机减速器齿轮为基本，需要考虑的有资金问题，热处理工序问题，炉型摆放问题，辅助设备选择问题。与此同时，所设计出的车间必须能够满足零件的生产量。并以尽量减少资金为主要依据，放弃使用渗氮设备，再以所选设备进行车间人员的计算。4.1热处理炉型的选择4.1.1热处理炉因为本次设计的运输机减速器齿轮正火温度为822℃，综合考虑选择井式炉，参数如表4.1。表4.1RJ2-140-9井式电阻炉技术参数功率/Kw电压/V最高温度/℃相数空炉升温时间空炉损耗/Kw装载量/Kg1403809503240S内26内30004.1.2中频感应加热设备中频感应加热设备选为LHM2-200AB中频感应加热设备。参数如表4.2。表4.2LHM2-200AB中频感应加热设备电压/V输出电流/A振荡频率/KHZ输出功率/KW主机重量/Kg3401~4001~2002002004.1.3回火炉由于本次设计的运输机减速器齿轮的回火温度为230℃，综合考虑选择井式回火炉，参数如表4.3。表4.3RJ2-180-6井式电阻炉技术参数功率/Kw电压/V最高温度/℃空炉升温时间空炉损耗/Kw180380650240S内26内4.1.4渗碳炉RQ系列井式气体渗碳炉是周期作业式节能型电阻炉，该设备适用于低碳钢、低合金钢制品等，专用于渗碳、氮化、碳氮共渗等。根据零件尺寸，选炉参数如表4.4。表4.4RQ3-75-9井式渗碳炉技术参数额定功率额定电压额定温度空炉升温时间最大装载量KwV℃TKg75380950<2.52204.2辅助设备选择在热处理车间里面，需要一些其它的辅助设备。比如淬火槽，运输较大零件的起重机，清洗零件表面的清洗设备等。4.2.1淬火槽淬火槽就是装有冷却介质的容器，一般使用钢材制做成多种形式的炉体结构。如果使用油为淬火介质，就需要使用氮气灭火管道。这能够提供足够的冷却能力，使冷却速度达到临界冷却速度之上。本热处理车间选用淬火水槽、油槽各个。4.2.2清洗设备清洗机参数如表4.5。表4.5QXLT型清洗机技术参数功率清洗零件尺寸宽/高外形尺寸长/宽/高清洗能力承载能力kwmmmmT/hKg/m225100080050002400250018~9010004.2.3起重设备梁式起重机。4.2.4矫直设备矫直机参数如表4.6。表4.6Y42-250双柱液压矫直机技术参数功率/KW尺寸/mm重量/t压力/104N224810×1660×4125122504.2.5抛丸设备抛丸机参数如表4.7。表4.7MND-1030P/Q11-4双柱液压矫直机技术参数抛丸机数/N功率/KW风量立方/H包含除尘机尺寸/mm裸机外形尺寸/mm4116000以下11398×6180×59297800×3080×58295热处理炉的计算由于本次热处理车间设计的主要零件40Cr运输机减速器齿轮的厚度、直径较小，直接用于计算炉子的话，炉子的尺寸、功率过小，且不适用于车间能够生产的其他零件，因此只计算用作实验用途的小型箱式电阻炉，其具体计算内容如下。5.1小型箱式电阻炉尺寸（1）小型箱式炉的炉底面积F假设本次设计的小型箱式炉每炉在一小时里能够生产110kg运输机减速器齿轮，可以得到生产率；将箱式炉有效面积定为炉内面积的，可以避免齿轮在进炉，装炉的时候与炉子内壁碰撞过多，由此可以计算出小型箱式炉的炉底面积F为。（2）小型箱式炉的长宽高L、B、H因热处理箱式电阻炉需要方便出炉，取，而一般在之间，选为，可以得到小型箱式炉的长宽高；为了让砖砌的更方便一些，将上述计算出的长宽高进行取整可得；炉膛尺寸过大会导致电热元件碰撞炉子内壁，为了避免，要让其保持足够的距离，由此可大致计算出炉膛的尺寸为；5.2小型箱式炉炉衬材料（1）炉墙小型箱式炉的前、后、侧墙有相同的工作条件，因此我会选择相同的炉衬结构，即耐火层为轻质黏土砖，硅酸铝纤维毡，的级硅藻土砖。（2）炉顶小型箱式炉的顶部选为轻质黏土砖，、普通硅酸铝纤维毡，膨胀珍珠岩。（3）炉底小型箱式炉的炉底选为三层轻质黏土砖，、普通硅酸铝纤维毡，级硅藻土砖与膨胀珍珠岩的复合炉衬。（4）炉门小型箱式炉的炉门选为轻质黏土砖，普通硅酸铝纤维毡，级硅藻土砖。5.3箱式炉砌砖后的表面积箱式炉砌上墙砖之后，炉子外部的长宽高发生改变，通过计算之后大概可以得到炉子在砌砖之后的长宽高变化，具体如下；式中：f指的是炉子拱角的高度。拱角可用60°和90°，本文采用60°，取拱弧半径R=B则可由（1）箱式炉炉顶面积F顶内=2πD2/6=2×3.14×0.806×0.806/6=0.68m2（2）箱式炉炉墙面积炉墙的平均面积除了前、后、侧墙的面积之外，还需要将炉门的面积简化加入进行计算，具体可得；（3）箱式炉炉底面积5.4小型箱式炉功率（1）零件加热热量Q件计算炉子功率的方法里，热平衡法所计算出的数据更为准确，且便于核实数据的对错，因此本次热处理车间设计选用热平衡法进行计算；在小型箱式炉炉底计算中可以得到已知的炉子生产率，公式中的的为运输机减速器齿轮在热处理过程中的初始温度和结束温度；查资料得；。（2）炉衬散出热量Q散q查表知；由上文箱式炉炉衬材料可以得到；为了更为准确的得到炉衬散出的温度，假设界面温度；炉衬各层平均温度；热导率；综上可以求出炉墙消耗的热量：q墙温度由于不清楚所设温度是否正确，可以由公式验证得到；，所设无误。，所设无误。假设成立。重复套用上述公式可得：q顶q底炉墙、炉顶、炉底的散热损耗分别为：Q墙散=q墙F墙=558.072×5.104=2848.399WQ顶散=q顶F顶=556.257×1.62=901.14WQ底散=q底F底=552.416×2.107=1163.84W整体炉散热损耗为上述炉子散热消耗之和，具体为：Q散=Q墙散+Q顶散+Q底散 =2848.399+901.14+1163.84 =4913.37（kj/h）（3）炉子开门后辐射消耗能量Q辐，设炉门开启需；分别为；综上可得到开启炉门时辐射所损耗的热量；（4）炉子开门后散出气体消耗能量Q溢取，计算可得；=。查阅取。=。由计算可得；综上可得到开启炉门时溢气所损耗的热量；（5）另外的热量消耗Q它=15%(52291.8+4913.37+5258.95+19460.89)=12288.75kj/h（6）总支出热量Q总（7）炉子总功率P安将计算出的总功率与标准炉比较后，取本次所设计的炉子功率为。5.5工作与保温时的热效率（1）正常工作时;==0.5550保温阶段关闭炉门时;=52291.8/（94213.76-5258.95-19460.89）=0.75245.6炉子空载功率计算5.7功率的均匀分配和供电接线本车间采用“YY”式接线，使用的动力电为220V，通过计算可得；F电=2F电侧+F电底=2×1.3+1.3×0.806=3.6478m2W=P安/F电=39.25/3.6478=10.76表面负荷；在常用范围之内，符合标准。5.8电热元件（1）时电阻率计算本设计材料选用，温度取，查阅资料可得，其在时的电阻率，电阻温度系数为；（2）表面功率W允（3）功率P组计算（4）端压U组计算（5）直径d计算线状电热元件直径。d的计算公式；估算得到。长度L组和重量G组计算长度；概念是电阻，可通过计算得出；Rt=U组2/P组=2202/16.67=2903.419ΩL组=0.785Rtd2/pt=0.785×2903.419×5.8362/1.4588=53.2125m重量；查阅得到。（7）总长度L总和总重量G总总长度；总重量；（8）表面负荷W实的核对检验W实小于W允，因此满足设计要求。（9）炉膛两侧布置由炉膛尺寸确定炉子侧墙和炉底各安置一组电热体，每个电热体来回四折安装，因此；L折=L组/4=53.2125/4=13.3031m布置电热元件的两侧炉膛位置及长度；L侧=L-50=1600-50=1545mm螺旋节径D=(6~8）d，取；D=7d=7×6=42螺旋体圈数N和螺距h分别为：N=L折/πD=13303/(3.14×42）=101圈h=L侧/N=1545/101=15.29mm，满足要求。综上所述，选用电热元件更为适合。节距要在安装时进行适量的调整，炉口部分可以适当增加一些功率。而电热元件的引出棒材料选择较为耐热的不锈钢，。6圆形淬火油槽的计算6.1油需求量V油需求量计算公式；、查资料可得；已知；综上计算可得到淬火槽介质温度的需要量；6.2圆形淬火油槽的形状与尺寸（1）求圆形淬火油槽的横截面积F（2）求圆形淬火油槽的直径D（3）求圆形淬火油槽的高度H的计算公式为：，综上可得：6.3求溢流槽（1）溢流槽的体积Vt（2）溢流槽的横截面积Ft对于圆形淬火槽，溢流槽绕淬火槽一周，其横截面积；综上可得；Ft=π/4（D12-D2）=3.14/4×7.282-6.782=5.52m26.4油所用管道的尺寸（1）供入管计算供入管尺寸；综上可得；Fg=Va/Vgt0=162.52/2×900=0.0903m2dg=（4Fg/π）0.5=（4×0.0903/π）0.5=0.339m（2）排出管计算排出管尺寸综上可得；Fe=Va/Vet1=162.52/0.3×3600=0.151m2de=（4Fe/π）0.5=（4×0.0151/π）0.5/π=0.438m（3）事故放油管计算产生事故时，事故放油管必须在之内将油排净，因此；综上可得；Vp=V/480=162.52/480=0.338m3/sFp=Vp/vp=0.338/1.5=0.226m2事故放油管直径dp为：dp=（4Fp/π）0.5=（4×0.226/π）0.5=0.536m7技术经济指标7.1人员分配（1）生产人员表7.1热处理设备及生产人员设备型号设备数/N预计人数/N设备名称设备数/N预计人数/NRJ-2-140-9中温井式电阻炉44QXLT清洗机22LMH2-200AB中频感应加热设备22淬火槽44RJ2-180-6低温井式电阻炉22起重机22RQ3-75-9井式渗碳炉22Y42-250矫直机11箱式电阻炉11MND-1030P/Q11-4抛丸设备11说明；车间工作制度为3班制；（2）技术人员由于本车间设备较多，需要设备员名，机械修理员名，为了检验产品质量需要质量检测员名，为了车间产品生产线过程正常进行需要计划统计员名，工艺师名，工程师名。（3）管理人员车间不需要过多管理人员，主任名，会计名，办事员名即可，另外需要成本核算员名来检查车间收支是否合理，仓库管理员名负责统计原料数、半成品数和成品数。（4）后勤人员为了保证车间环境较为清洁，需要清洁工名，勤杂工名，并要对其他员工进行监督，对破坏车间环境的行为进行严厉的处罚。（5）总人数计算7.2技术经济指标计算（1）预计劳动量本车间每班工作，每年工作天。计算可得；（2）预计年产量本车间每日生产运输机减速器齿轮产量约为；设备有可以用到，可得预计年产量约为；预计车间面积由所绘制的热处理CAD图可以计算出车间的预计面积，大概为；7.3耗电计算（1）每年开启各装置用电Q动年每年开启各装置用电指电机在一年里所消耗的功率，由电机功率和设备年负荷数决定。其中：可得；每年耗电量Q年I设备每年耗电量指的是开启各种炉子、辅助设备时所消耗的电量，需要根据设备的功率、负荷时间等进行计算。。可得；Q（3）每年照明设备耗电量Q年车间里的照明设备大多为电灯、照明灯等，使用于人员工作。而对于热处理车间来说，突然断电对设备的安全，对人员的安全都是不容小觑的，因此设立一条独立的照明系统，在突然停电时使用。已知；可得；Q年（4）全年总耗电量Q年Q年7.4车间环境保护热处理车间属于工作环境恶劣的场所之一，高温的环境对人体的伤害极大，更别提在热处理的过程中会发出很多对人体有害的气体。经常在热处理车间工作的员工体内重金属含量往往会高于其他职业，热处理过程产生的这些污染物会大大的伤害我们，对热处理车间的环境保护刻不容缓。7.4.1有害物质热处理车间进行工作时，会产生许多有害的气体，机械会散发油烟，工件的放置挪移都会伴随着粉尘四散。淬火介质，散发大量辐射的设备，都不容小觑。这些会伤害我们的身体。因此，我们必须要时刻关注车间内的有毒物质含量，避免意外的产生。7.4.2有害物质分类有毒有害物质主要包括废气、烟尘、油烟、放射性物质。废气是热处理生产过程所无可避免的，其有毒有害物质大致分为烟雾和气体。除了普通的粉尘外，还包含着例如二氧化硅等有机物、较强的致癌物，还伴随着少量的铅、铁、锌等有毒金属。烟尘中常见的有毒有害物质有一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、碳氧化物等，而二氧化硫是造成环境污染的最大因素。除此之外，金属中所包含的铅、汞、锌、铬、铍、镉、砷等。在热处理的过程中随着温度的变化，也无可避免传播到空气当中。最容易被忽略的那些带有强烈毒性和腐蚀性的辅助材料，才是对员工伤害最大的。7.4.3车间环境保护探讨减少污染对于热处理车间很困难，会无可避免的面对一些资金上的问题。所以更需要去考虑如何预防污染。近些年来主流的热处理技术如激光热处理、感应加热技术、真空热处理技术、表面深层处理等。都属于较为环保清洁的热处理技术。应对于那些产生污染气体的设备采取治理措施，并尽力将通风系统做到最好。那些会产生有毒物的热处理工艺正逐渐被淘汰，而带有强烈腐蚀性和毒性辅助材料也在慢慢的消失于热处理车间中。目前我国对于车间的环境都有着极高的要求，从现在的情况来分析，要重视车间的环境，重视环保，时刻关注设备的更换，将落后、产生污染较大的设备逐一取替。参考文献[1]王玲玲,张元华,孙立洁.金属材料热处理技术及其发展[J].时代农机,2020,47(60):42-43.[2]张立杰.金属材料热处理技术的发展探讨[J].中国金属通报,2019,(06):03-04.[3]卞豪亮,宋劲松,苏浩男.离子渗氮工艺提高40Cr机床齿轮耐磨性的研究[J].科技创新与应用,2019,(15):108-109.[4]李晓丽.金属材料热处理的节能技术探究[J].职业,2021,(06):89-90.[5]周薇,刘大琨,倪文忠.金属材料热处理技术探究[J].湖北农机化,2019,(21):70.[6]王洁梅.金属材料热处理节能新技术的研究[J].中国金属通报,2019(01):12-13.[7]周燕,郑宏伟,王磊.40Cr变速箱齿轮断裂原因分析[J].热处理技术与装备,2020