平面磨床砂轮主轴热处理车间设计说明书资料.docx

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平面磨床砂轮主轴热处理车间设计说明书资料

课程设计任务书

设计题目平面磨床砂轮主轴热处理车间设计

学生姓名

学生学号

专业班级

指导老师

设计题目

平面磨床砂轮主轴热处理车间设计

成绩

课程设计主要内容

各位同学根据设计题目，编制课程设计任务书，其中应包括如下内容：

制定热处理工艺、工作制度、年时基数、生产纲领，选择所需要的热处理设备，最后应给出参考文献，并绘制出设备在车间的平面布置图。

具体要求如下：

（1）确定工件的形状、尺寸，制定出车间的工作制度、年时基数、生产纲领；

（2）对于没有给出材料的零件，选择材料，要论述工件的服役条件及对材料性能的要求；

（3）确定工件的加工工艺流程，制定热处理工艺，并且，加以论述其依据；

（4）根据热处理工艺选择适当的热处理设备，对主要的加热设备的炉体结构、炉膛尺寸、功率要进行计算和论述，根据生产率确定所需要的台数；

（5）合理地设计工件的热处理生产线，画出设备在车间里面的平面布置图（该图要求用计算机绘制，并用A3纸打印出来，图中设备用参考图例画出，其它的要按照国家标准画出）；

（6）设计任务书按照如下顺序进行装订：

封面、表格、目录、具体内容、参考文献；设计任务书封面、表格请见后面附件，表格中设计题目、课程设计主要内容部分由同学填写，设计任务书除了封面、表格、目录以外，其余每页应该标注页码，并在目录部分自动生成。

（7）用同学名字作为文件夹名称，内含设计任务书的Word文档和车间平面布置图CAD文档，两个文件均用同学名字，和课程设计纸质材料一起上交。

（8）有关参考文献请参见目录，例如马永杰编著，热处理技术与装备，北京：

化学工业出版社，2008，共计16本。

指导教师评语

1.2热处理概述1

1.3.3机床主轴的主要性能要求2

第2章材料的选择和介绍2

2.1材料的选用2

2.2材料成分及组分的作用3

2.2.1化学成分3

2.2.2主要组分的作用3

第3章热处理工艺设计3

3.1热处理技术要求3

3.2加工工艺流程3

3.3热处理工艺3

3.3.1预备热处理4

3.3.2最终热处理4

第4章热处理车间主要设备的选择与计算5

4.1热处理设备选型的原则和依据5

4.1.1热处理设备选择的原则5

4.1.2热处理设备选择的依据6

4.2热处理设备的选型6

4.2.1预备热处理设备6

4.2.2最终热处理设备

（二）感应加热表面淬火回火设备8

（三）低温时效处理设备8

4.3热处理主要设备数量计算8

4.3.1工作制度和年时基数8

4.3.2设备数量的计算10

4.3.3车间生产纲领10

4.4淬火槽的设计10

4.4.1淬火油需要考虑的因素10

4.4.2淬火油槽及其辅助设备的设计10

4.4.3淬火油槽的防火11

4.5.1清洗设备12

第1章生产线设计任务书概述

1.1项目任务

本任务书主要对给定轴类零件的要求自主选定零件，并通过对轴服役条件的分析，合理地选择材料，完成对材料的成分分析，制定热处理工艺,选择热处理设备，最后对生产轴类零件的热处理生产车间进行设计，并作出车间平面布置图。

本任务书选定的轴类零件为平面磨床砂轮主轴，重点是针对热处理工艺方面，对轴类零件的设计没有做深层次的研究。

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”，那么就必须提供给热处理工艺良好的环境及先进的设备，总的来说就是一个设计得当的热处理车间。

对于轴类零件的热处理加工工艺是要在满足零件使用性能要求的前提下，达到热处理生产的可行性和工艺性；既设计零件的材料和结构同时又与零件生产流程和热处理工艺过程的各环节密切相关。

所以，在轴类零件设计时必须充分重视热处理生产的工艺性，合理选择材料，正确提出技术要求，同时在制定生产流程时应合理安排，正确地制定热处理工艺，确保产品质量，同时提高生产效率和降低生产成本也是十分必要的。

1.3轴类零件概述

1.3.1机床主轴的工作条件

机床主轴是切削机床的重要零件，在传递动力时承受着多种形式的载荷，在工作中作高速旋转运动。

其主要作用是支撑传动零件并传递动力（扭矩），其工作条件如下：

（1）传递扭矩，承受交变扭转载荷，往往还受有交变弯曲应力。

有时还承受拉-压轴向载荷作用。

（2）轴颈处及花键等滑动表面处，承受着较大的摩擦和磨损。

（3）主轴大多还承受一定的过载或冲击载荷的作用。

1.3.2机床主轴常见的失效形式

（1）磨损失效由于轴的相对运动的表面（如轴颈处）过度磨损或润滑不良等而导致磨损失效。

例如带内锥孔或外锥度的主轴，工作时和配合件虽无相对滑动，但频繁装拆，易于使锥面拉毛磨损；特别是主轴与滑动轴承相配的轴颈，由于润滑不良、轴承材料选择不当、结构设计不合理、加工精度不够、装配不良、间隙不均或潜入杂质微粒等都可能发生咬死（即抱轴），使轴颈工作面咬伤，这是机床主轴正常工作情况下常见的失效形式。

（2）变形或腐蚀失效个别情况下发生过量弯曲或扭转变形（弹性的和塑性的）失效，可能发生振动或腐蚀失效的现象。

1.3.3机床主轴的主要性能要求

机床切削加工时，主轴高速旋转，受到弯曲、扭转、冲击等多种载荷的作用。

根据工作条件和失效条件分析，可以对轴用材料提出如下主要性能要求：

（1）高的疲劳强度，防止轴疲劳断裂；

（2）良好的综合力学性能，即强度与塑性、韧性有良好的配合，以防止过载和冲击断裂；

（3）高的硬度、热硬性、热强度的良好耐磨性，以增强抗咬死能力，防止轴颈、花键局部承受摩擦的部位过度磨损或咬死。

第2章材料的选择和介绍

主轴为机床上主要传递动力的部件，在实际工作过程中，经常承受扭转、疲劳、冲击疲劳作用，因此应具有良好的综合力学性能。

从主轴的工作条件、技术要求和结构分析，要求其具有足够的强度，高的硬度和耐磨性。

2.1材料的选用

根据该主轴的工作特点，结合其使用要求，应该选用调质钢。

调质钢一般指经调质处理（淬火+高温回火）后使用的结构钢。

淬火后得到的马氏体组织经高温回火后，得到在α相基体上分布上有极细小的颗粒状碳化物的回火屈氏体或回火索氏体组织。

这种组织使钢具有较高的强度，良好的塑性和韧性。

调质钢经过调质处理后可以满足机械零件对使用性能提出的具有比较全面的力学性能的要求。

调质钢一般为中碳钢，主轴基体的强度和韧性得到了保障，能够满足主轴的工作要求。

并且调质钢含有较多的合金元素，确保了调质处理的淬透性，减少主轴的变形量。

因此，根据工作特点，要求以及经济成本等因素最后选用40Cr调质钢作为平面磨床砂轮主轴的材料。

2.2材料成分及组分的作用

2.2.1化学成分

　　碳C：

0.37~0.45硅Si:

0.20~0.40锰Mn:

0.50~0.80

铬Cr：

0.80~1.10磷P：

≤0.035硫S：

≤0.035（质量分数，%）

2.2.2主要组分的作用

Cr：

铬在调质钢中的主要作用是提高淬透性，使钢经淬火回火有具有较好的综合力学性能。

另外铬的加入能显著地提高抗氧化、防腐蚀能力，改善回火稳定性以及钢的强度、硬度和耐磨性，同时降低塑性和韧性。

Mn:

锰是良好的脱氧剂和脱硫剂。

钢中一般都含有一定量的锰，它能消除或减弱由于硫所引起的钢的热脆性，从而改善钢的加工性能。

另外锰的存在提高了钢淬透性，心部得到马氏体组织，增强了钢的强度。

Si：

硅作为还原剂和脱氧剂，能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度。

S、P：

杂质元素，严格控制。

第3章热处理工艺设计

3.1热处理技术要求

要求主轴心部调质到（250±10）HBW；主轴表面采用中频感应加热淬火。

硬度应≥59HRC。

3.2加工工艺流程

下料→锻造→退火处理→粗切削加工→调质处理→精机械加工→感应加热表面淬火处理→低温回火→精磨加工→低温时效。

3.3热处理工艺

工件名称：

平面磨床砂轮主轴，其外形尺寸如下图所示：

图3.1平面磨床砂轮主轴简图

3.3.1预备热处理

（1）技术要求

为消除锻造工艺造成的组织缺陷，起到均匀组织、细化晶粒、改善切削加工性能的作用，要求对工件进行软化预备热处理。

（2）工艺流程

加热温度800℃、保温时间3h、然后炉冷至550℃出炉空冷。

其工艺曲线如下:

550℃

图3.2退火工艺曲线

3.3.2最终热处理

（1）技术要求

工件的最终热处理有调质处理，感应加热表面淬火回火处理以及最后的低温时效处理。

调质处理：

赋予主轴整体良好的综合力学性能。

感应加热表面淬火：

根据所要求的硬化层深度来确定感应加热的频率。

由于主轴尺寸较大、淬硬层深度要求≥2mm，故选用中频感应加热表面淬火。

中频感应加热表面淬火课赋予主轴表面高硬度、高耐磨性及高的疲劳强度。

低温回火：

保证主轴表面的高硬度、高耐磨性及高疲劳强度，减少内应力，降低脆性。

低温时效：

进一步减少精机械加工造成的残余内应力，稳定主轴尺寸。

（2）工艺流程

调质处理：

加热温度810℃，保温2.5h→双液淬火（水淬油冷法）→高温回火600℃，保温4h→出炉空冷。

感应加热表面淬火回火：

使用ZP-100中频感应加热进行感应淬火→加热至160℃、保温4h→空冷。

低温时效处理：

加热至160℃、保温10h。

时间/h

图3.3调质处理工艺曲线

第4章热处理车间主要设备的选择与计算

4.1热处理设备选型的原则和依据

4.1.1热处理设备选择的原则

设备选择的基本原则是质量安全可靠，能生产出优质的产品，高的生产效率，低的生产成本和良好的工作环境。

⑴少品种大批量生产的热处理设备的选型：

选用安全可靠、生产率高、运行成本低的连续式热处理设备。

⑵批量生产的热处理设备的选型：

原则上以连续式热处理生产线为主，考虑产品种类问题，则所选用的设备便于工艺和生产调整。

⑶多品种单件生产的热处理设备的选型：

宜采用周期式热处理设备，或以周期式热处理设备组建局部机械化、自动化联动线的方式。

4.1.2热处理设备选择的依据

（1）零件热处理工艺要求、技术条件；

（2）零件的形状、尺寸、重量和材质；

（3）零件生产量和劳动量；

（4）热处理所需的辅料及能源供应；

（5）车间劳动安全卫生和环保要求；

（6）设备投资和运行成本；

（7）与前后工序的关系和衔接；

（8）企业及车间的自动化、机械化、现代物流和现代管理要求；

（9）项目所在地及企业的特殊要求和条件。

4.2热处理设备的选型

4.2.1预备热处理设备

根据工艺条件的要求，选择型号为RT2-180-9的台车式电阻炉，其产品规格及技术参数见下表：

表4.1RT2-180-9的台车式电阻炉的技术参数

型号

额定功率/kW

额定电压/V

相数

额定温度/℃

工作空间尺寸（长×宽×高）/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/kg

RT2-180-9

180

380

3

950

2100×1050×750

≤40

≤4.5

5000

由于退火为预备热处理工序，工件有较大的加工余量，热处理过程对工件的尺寸变形量要求没有那么严格，因此选择了装载量相对较大且装卸料方便的的台车式炉。

这类炉子的炉底为一个可移动台车的箱式电阻炉，它适用于处理较大尺寸的工件。

按工件之间间隔距离与工件尺寸相等原则将工件水平排列在电阻炉炉膛中，炉膛长2100mm，工件长为880mm；炉膛宽1050mm，工件最大直径为125mm，故每层可放置6件工件，又由于炉膛高度为750mm，工件的最大直径为125mm，并且根据40Cr材料的要求，因此工件在炉内堆放共2层。

考虑到炉内的面积不能完全利用，同时第二次工件放置量比第一层少，由此可得，使用此型号台车式电阻炉一炉可加工9件工件。

要完成工件的退火处理需要3小时，故此设备的设备生产率为3件/h。

4.2.2最终热处理设备

（一）调质处理设备

根据工艺条件的要求，淬火选用选择型号为RJ2-90-9的中温井式电阻炉，其产品规格及技术参数见下表4.2；

高温回火选择型号为RJ2-140-9的台车式电阻炉，其产品规格及技术参数见下表4.2：

表4.2井式电阻炉的型号及技术参数

型号

额定功率/kW

额定电压/V

相数

额定温度/℃

炉膛尺寸（直径×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/kg

RJ2-90-9

90

380

3

950

1000×1200

≤18

≤4

1500

RJ2-140-9

145

380

3

950

1000×2400

≤26

≤4

3000

RJ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。

它主要用于长杆工件在空气介质中加热或加密封措施用作通保护气体保护加热，防止工件氧化等。

由于本次处理的轴类工件尺寸较大，调质作为最终热处理加工余量变小，因此须避免工件在淬火和回火过程中由于内应力而造成的变形，所以选择井式电阻炉。

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，炉膛直径为1000mm，工件的最大直径为125mm；炉膛深1200mm，工件长880mm，同样考虑夹具所占尺寸，由此可得，使用RJ2-90-9型号井式电阻炉一炉可装载6件工件。

要完成工件的淬火处理需要2.5小时，故此设备的设备生产率为2件/h。

同理，RJ2-140-9型号井式电阻炉炉膛直径为1000mm，工件的最大直径为125mm；炉膛深2400mm，工件长880mm，可一炉装载12件工件。

要完成工件的高温回火处理需要4小时，故此设备的设备生产率为3件/h。

（二）感应加热表面淬火回火设备

（1）感应加热表面淬火：

根据所要求的淬硬层深度来确定感应加热的频率。

由于主轴尺寸较大、淬硬层深度要求≥2mm，故选用中频感应加热表面淬火。

选用ZP-100，2500Hz的中频感应加热进行表面淬火。

表4.3磨床砂轮主轴中频感应加热表面淬火参数

淬火部位尺寸/mm

功率/Kw

移动速度/（mm/min）

温度/℃

感应器尺寸/mm

淬火介质

Φ100×143

Φ100×224

50

110～130

820

Φ115×29

喷水

Φ125×20

50

同时加热

840

Φ135×34

喷雾20s空冷

（2）低温回火:

根据工艺要求仍选用型号为RJ2-140-9的井式电阻炉，其产品规格及技术参数表4.2。

（三）低温时效处理设备

低温时效处理是为了进一步减少精机械加工造成的残余内应力，稳定主轴尺寸。

由于此阶段所需时间很长，因此选用装载量更大的热处理炉。

根据生产要求选择型号为RT2-320-9的台车式电阻炉，其产品规格及技术参数表4.2。

同上，按工件之间间隔距离与工件尺寸相等原则将工件水平排列在电阻炉炉膛中，炉膛长3000mm，工件长为880mm；炉膛宽1350mm，工件最大直径为125mm，故每层可放置15件工件，同样工件在炉内堆放共2层。

因此使用此型号台车式电阻炉一炉可加工30件工件。

要完成工件的低温时效处理需要10小时，故此设备的设备生产率为3件/h。

4.3热处理主要设备数量计算

4.3.1工作制度和年时基数

本车间生产平面磨床砂轮主轴，其包括锻造、退火、调质处理、感应加热表面淬火、回火，低温时效等工序，采用三班制，阶段工作制。

（1）年时基数

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间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；

b—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

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。

表4.4热处理车间设备和工人年时基数

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

3

355

8

9

7722

重要设备

阶段工作制

3

251

8

16

4718

小型简易热处理炉

阶段工作制

3

251

8

7

5571

大型复杂热处理炉

连续工作制

3

355

8

14

7326

二、工人

一般工作条件

251

8

8

1830

较差工作条件

251

8

12

1748

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。

4.3.2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Q-设备年需完成的生产量（件/年）

P-设备生产率（件/h）

（2）设备数量计算

式中C-设备年时基数（h）

根据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：

退火用RT2-180-9台车式电阻炉2台，调质用RJ2-90-9中温井式炉3台，RJ2-140-9中温井式电阻炉2台；感应加热表面淬火回火用RJ2-140-9中温井式电阻炉2台；低温时效处理用RT2-320-9台车式电阻炉2台。

4.3.3车间生产纲领

生产纲领是指车间承担的热处理件生产量，是根据项目产品产量已经单台产品热处理件数量、重量和零件热处理工艺要求，同时结合产品特点、企业生产工艺水平确定的备（废）品率基数出产品热处理纲领，然后加上辅助专业提出的工具机修件数量总和编制而成的。

由于本次设计轴类零件尺寸较大，所以按照炉内尺寸计算装载量。

根据4.2中计算出的所选用炉子的生产率以及4.3中计算出的炉子的数量和年时基数可以得出车间的生产纲领为32000件/年。

4.4淬火槽的设计

本设计采用的是双液淬火（水淬油冷）法，即先在浓度为5%~10%的盐水中淬冷20s后，随即转入油中冷却至室温。

因此淬火槽以盐水溶液淬火槽和由盛油的槽子构成，油的粘度对冷却能力和冷却均匀性有显著的影响。

4.4.1淬火油需要考虑的因素

淬火油介质需要考虑的因素很多，主要有：

（1）根据工艺要求确定允许的介质温度。

控制淬火油的使用温度40~95℃的范围之内；

（2）考虑淬火件单位重量的表面积；本设计淬火介质可以选择较大值；

（3）考虑介质的搅拌方式，配备介质搅拌装置和对提高其冷却能力和冷却的均匀性，本设计配备螺旋桨式搅拌的淬火油槽，则淬火件重量与淬火油的体积比可以为1:

（5~8）（t/m3）；

（4）考虑每次淬火冷却的间隔和安全因素；

（5）应该设有淬火介质冷却装置，和集液槽防止着火。

4.4.2淬火油槽及其辅助设备的设计

尺寸设计要求：

淬火槽底部均流装置，均流装置与工件底部之间预留300~500mm，工件上部与油液面也要预留300~800mm，液面上部预留液体膨胀的升高尺寸，槽体上板到最高液面之间再预留大于200mm的尺寸。

根据上述要求，设计出淬火油槽的尺寸长×宽×高=3m×2m×2.6m。

要对淬火介质进行搅拌，要安装螺旋搅拌器，使介质均匀。

在槽体的上口边缘，应该设有溢流槽和管路。

本设计是对在井式炉中调质处理后的磨床砂轮煮粥加进行油淬，选用的是普通淬火槽即可。

由于轴类零件尺寸较大，应注意淬火时的操作，以防工件的变形。

4.4.3淬火油槽的防火

淬火油槽最害怕的是发生火灾，所以应该非常重视防火。

一般淬火油槽发生火灾的原因有以下一些：

（1）油的闪点和着火点过低；

（2）油槽容量不足，换热器能力太小，造成油温过高；

（3）油液不流动或油粘度过大，造成淬火部位局部的油液温度过高，热量不能及时散到周围介质中去；

（4）油中含有水分，粘着油的水泡上浮到油槽表面，水泡爆破时喷射油雾，引起着火；

（5）在油槽底部积存一定量的水当油温超过100℃时，会引起底部的水达到蒸发点而沸腾引起的体积迅速膨胀，使油槽内的油溢出淬火油槽，引起大面积着火；

（6）过热的工件被提出油槽而引发的着火；

（7）大量热油蒸汽从槽盖等处冒出，引起着火；

（8）热工件入油途中发生吊车故障或停电而引发着火；

（9）油泄露而着火。

预防火灾的措施如下：

（1）合理选择淬火油，油的闪点应高于使用温度50℃以上；

（2）应设有冷却系统以控制油温在一个合理的范围。

油温过高，易被点燃；油温过低，油的粘度大，易局部过热；

（3）设置功能强的油搅拌或循环系统，淬火时液面的高温油能被及时地被带走；

（4）设置大于淬火油槽容积的集油槽和与之匹配的拍油泵，当淬火油槽燃烧起火时，可以在较短时间内把油迅速排放到距油槽较远的集油槽内；

（5）淬火油槽应设置槽盖和排烟装置；

（6）油槽加热器应安装在油面下150mm处，或延长电加热管的非加热区，使其非加热区的埋液深度大于液面波动；

（7）经常排除混入油中的水，尤其对于在100℃以上使用的油槽。

（8）淬火吊车应有备用电源；对于经常停电的地区，要考虑采用有停电紧急入油功能的吊钩或吊车；

（9）配备足量的消防器材，二氧化碳灭火、泡沫灭火、干粉灭火，切忌用水灭火；

（10）定期进行安全培训和安全检查。

4.5辅助设备的选择

4.5.1清洗设备

清洗设备有连续式、室式、槽式等清洗机和清洗槽。

常用于清除残油和残盐，选用碱性清洗液。

本设计中采用双液淬火（水冷油淬），并且零件尺寸较大，因此选择QXLT型清洗机。

4.5.2校直设备

校直设备用于矫正零件的翘曲变形。

本设计的砂轮主轴在退火和油淬后可能会出现零件的翘曲变形，因此要对零件进行校直。

本设计选用的校直的装置为单柱矫直液压机Y41-63（长×宽×高=1400×1000×2750）。

4.5.3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。

4.5.4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，简单机械化热处理车间，主要采用吊车起重运输，如桥式起重机、梁式起重机、单轨吊车（单轨气动或电动葫芦）。

本设计车间属简单机械化车间，且生产中小零件，采用桥式起重机，地面操作。

第5章车间布局