热处理车间设计热处理手册第四版.docx
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热处理车间设计热处理手册第四版
热处理车间设计(热处理手册第四版)
热处理车间设计
机械工业第三设计研究院李儒冠张开华
为新建、扩建或改建的热处理车间进行规划、论证和编制成套设计文件,是工厂设计的范畴。
工厂设计一般分可行性研究、初步设计和施工图设计三个阶段。
其大致内容如下:
14.1工厂设计一般设计程序
14.1.1设计阶段
1设计前期工作阶段
⑴行业规划:
根据国家和地区中长期发展规划及产业政策,结合行业自身特点和发展规律,由政府主管部门或行业协会牵头制订的某一行业的发展规划。
⑵项目建议书:
提出项目的轮廓设想,重点论证项目建设的必要性、目标、主要技术原则、建设条件和经济效益等是否可行进行初步分析和论证,为项目的决策提供初步的依据,也是报主管部门批准立项和列入计划的依据。
⑶可行性研究报告:
根据国家和地区行业发展规划及产业政策,论证该项目的市场需求、关键技术、主要配套措施及投资效益和社会效益,以呈报主管部门核准或备案。
2设计工作阶段
⑴初步设计,对工程项目分车间和部门进行初步设计。
⑵施工设计,提供工程施工图。
14.1.2初步设计
初步设计阶段工艺专业的任务是:
根据生产纲领和总体设计的要求,对车间的生产工艺、设备、人员、部门设置、物料需求和流动、设备布置等进行设计,计算工艺投资,并对车间建筑、结构、供电、供水、动力、采暖通风和环境治理等提出设计要求,保证设计的完整和协调。
工艺部分初步设计的内容如下:
⑴车间生产纲领、车间任务、生产协作关系;
⑵生产类型、生产组织方式;⑶车间组成;
⑷工艺分析及设备选型;
⑸计算设备、人员、面积和公用动力需要量;
⑹辅助部门;⑺车间运输;
⑻绘制工艺设备平面布置图、剖面图,编制设备明细表、计算工艺投资;
⑼计算工作人员;
⑽向土建、公用、总图、环保、节能、技经等专业提出设计任务资料;
⑾编写车间工艺设计说明书;⑿提出非标设计任务书;
14.1.3施工设计
施工设计是将初步设计进一步深化和具体
2第3卷热处理设备和工辅材料化,以满足施工、安装、调试和验收的要求。
施工设计的内容如下:
⑴确定设备型号、规格、数量及其在车间的布置和详细的安装尽寸;
⑵完成工艺设备和起重运输设备的安装设计;
⑶提出厂房、构筑物和公用专业(采暖、通风、给排水、动力、电气、安全环保等)施工设计的工艺要求、图样和说明;
⑷确定车间设备的基础和地下构筑物的结构、尺寸等;
⑸绘制车间管线汇总图;⑹确定车间工艺投资。
14.2热处理车间分类和特性
14.2.1热处理车间分类
⑴按工件分类
①原材料及毛坯热处理车间(或称第一热处理车间):
承担锻件、铸件毛坯热处理任务,主要实施退火、正火、调质等预先热处理工艺。
这类车间也可附设在锻造、铸造等车间内。
②半成品及成品热处理车间(或称第二热处理车间):
承担产品最终的热处理任务,主要实施淬火回火、渗碳、感应加热淬火等热处理,以达到产品最终技术要求。
这类车间常独立设置,与机加工车间相邻或设在机加工车间内。
③工具及机修件热处理车间:
一般承担自制工具及机修件的毛坯热处理和最终热处理。
⑵按工艺及设备分类①可控气氛热处理车间;②感应加热热处理车间;③真空热处理车间。
⑶按生产规模分类
①小型热处理车间:
热处理件年生产纲领≤1000t;
②中型热处理车间:
热处理件年生产纲领为1000-3000t;
③大型热处理车间:
热处理件年生产纲领3000t;
④重型热处理车间:
重型、矿山机器厂等重型工厂热处理车间。
14.2.2热处理车间生产的特殊性
⑴高温操作;
⑵有易燃易爆介质(液体或气体);⑶通过间接控制方式保证工件内在质量;⑷有废气、废液、粉尘和电磁污染物。
14.3热处理车间生产任务和生产纲领
14.3.1生产任务
根据项目设计要则规定的产品产量和车间分工表,确定热处理车间承担的生产任务。
14.3.2生产纲领
生产纲领是指车间承担的热处理件年生产量,是根据项目产品产量以及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)品率计算出产品热处理纲领,然后加上辅助专业提出的工具机修件数量(有反协作件的热处理车间还要加上反协作件数量)综合编制而成的。
它决定了车间的规模,是确定工艺和选择设备的依据。
热处理车间纲领以重量(吨/年)表示,个别工艺如高、中频表面淬火件以件数(件/年)表示。
在编制纲领表时,应将零件及工具机修件等热处理纲领分别列出,如表14-1。
第14章热处理车间设计3
表14-1热处理生产纲领表
序号1231212产品名称及型号规格一、产品合计二、自制件工具机修合计三、协入件合计总计年产量(台)每台热处理件重(t)全年备(废)品合计备注14.3.3工序纲领
根据产品零件的热处理工艺要求按工序分类统计计算。
中频热处理工段,采用二班制;部分生产周期长的,如渗碳、回火、碳氮共渗、氮化等设备及连续生产线宜采用二班制或三班制。
大型零件热处理车间及大量生产的热处理车间采用三班工作制,有的车间或设备双休日不停产,采用连续工作制。
在加工流水线上的热处理设备所采用的工作制度应与整个流水线的生产班次相适应。
小型热处理工段,由于任务量小,负荷低,且无就近协作可能的,可采用一班制,个别设备采用二班或三班制。
14.3.4辅助生产纲领
自制工具、机修件的热处理生产纲领,应由工具和机修车间的规模确定。
14.4车间工作制度及年时基数
14.4.1工作制度
14.4.2年时基数
热处理车间的工作制度,应根据车间的规模、
1.设备年时基数
设备年时基数为设备在全年内的总工时数,等于在全年工作日内应工作的时数减去各种时间损失,见表14-2。
生产特点、工艺水平和类型区别对待,合理确定,以达到充分利用设备、节约能源、便于组织生产的目的。
一般中小件的综合热处理车间或工段,高、
4第3卷热处理设备和工辅材料
.
表14-2热处理车间设备年时基数
每班工作时数序号一12345设备一般设备重要设备(高、中、工频等)小型及简单热处理炉大型及复杂热处理炉大型及复杂热处理炉项目生产性质阶段工作制阶段工作制阶段工作制阶段工作制连续工作制工作班制1、2、31、2、31、2、32、33全年工作日一班25125125125135588888二班88888三班6.56.56.588一班197019301970――二班*****三班*****7240年时基数2.工人年时基数
热处理车间工人年时基数见表14-3。
表14-3热处理车间工人年时基数
每班工作时数年时基数一班间断性生产连续性生产8179017906.5二班间断性生产1450连续性生产1790三班序号一1工人(女工占25%以下)一般工作条件251项目全年工作日一班8二班8三班
14.5工艺设计
14.5.1工艺设计的基本原则
新结构及复合表面处理工艺;
⑸应用清洁或少污染热处理技术,减少和防止环境污染,改善操作环境;
⑹应用新型节能工艺和设备,节约能源;⑺提高机械化、自动化程度,充分提高设备利用率,提高劳动生产率,减轻工人劳动强度;
⑻在满足正常使用和安全间距的前提下,设备布置尽量紧凑,以缩短物流距离,节约厂房用地;
⑼应用计算机控制技术,实现工艺参数、工艺过程及产品的自动检测、控制与管理;
热处理工艺设计是热处理车间设计的中心环节,是设备选择的主要依据。
热处理车间工艺设计的基本原则如下:
⑴符合国家和项目所在地的行业发展规划和产业政策要求;
⑵在满足产品技术要求的前提下,选择的工艺设备技术先进、安全可靠、经济合理;
⑶积极推广应用少、无氧化热处理工艺,如可控气氛热处理,真空热处理及感应加热热处理工艺;
⑷积极稳妥地应用新工艺、新设备、新材料、
14.5.2工艺设计的内容
热处理工艺设计的主要内容有:
⑴分析产品零件的工作条件、失效形态和技
第14章热处理车间设计5术条件;
⑵制定热处理零件的加工路线,确定热处理工序;
⑶制定热处理工艺方案;
⑷计算热处理各工序的生产纲领。
14.5.3零件技术要求的分析
零件技术要求是产品零件设计者通过对产品零件的服役条件和失效分析而制定的。
因此在工艺设计时,应根据产品零件的工作条件和主要的失效形态,优化热处理工艺,以满足零件实际使用要求。
14.5.4零件加工路线和热处理工序的设置
零件加工路线是零件从毛坯生产,加工处理到装配成产品所经过的整个加工过程。
零件的加工路线是工厂生产组织的基础。
它涉及零件加工制造的总体方案,工序的组合和工序间的配合。
常规零件加工路线中热处理工序的设置:
⑴铸铁、铸钢、有色金属铸件,要求毛坯热处理。
其工艺包括正火、扩散退火、等温退火、球化退化、可锻化退火、再结晶退火、消除内应力退火及人工时效(稳定化处理)等,可于铸造后在铸造车间进行;
⑵硬度要求在285HB(30HRC)以下的一般锻件,可在机械加工前热处理到要求的硬度。
当机加工量较大有可能因加工而去掉较多的热处理硬化层时,为保证足够的硬化层,应在粗加工后进行热处理;
⑶表面硬化和化学热处理零件,一般应在机加工后进行,热处理后尽可能不再加工,或仅进
行精加工,以保留硬化层和渗层压应力状态。
一些精度要求高,可使用特殊刀具加工的零件,也可在加工前热处理;
⑷局部化学热处理零件,当生产量大时,非处理的部分应用镀层保护;当批量小时,可采用机械保护、涂防渗剂防渗,或加工去除渗层等方法;
⑸零件冷拔、冷镦、冷挤前后应进行去应力
退火、再结晶退火、正火等热处理工序;
⑹弹簧钢丝冷绕制后应进行回火处理。
热绕制的弹簧应进行淬火和回火;
⑺表面淬火件一般要求进行预先热处理;⑻模具和刀具在毛坯锻造后应进行球化退火处理。
14.5.5热处理工艺方案的制定
通常应根据产品的技术要求,提出几种可靠的热处理工艺方案进行对比性论证,选择出最佳的工艺方案来。
一般论证的主要内容有:
⑴对产品零件技术要求的适应性、工艺的先进性和可靠性、热处理质量的稳定性;
⑵物料供应及能源需求;⑶设备、厂房的投资及折旧;⑷生产运行成本和维护费用;⑸对环境及劳动安全卫生的影响。
14.5.6热处理工序生产纲领的计算
热处理工序生产纲领(退火、正火、渗碳等)是根据车间生产任务和热处理工艺过程统计出来的。
它是计算热处理设备数量的依据。
零件热处理工序生产任务的计算见表14-4。
6第3卷热处理设备和工辅材料
表14-4零件热处理工序生产任务计算表
热处理车间工序纲领(t)年热处序号名称量(t)产品理件重倍数加热退火正火渗碳渗氮氮金共属渗123
油水气温温温火空高中低淬效理碳渗面时处化蓝淬火回火表冷强发⑵批量生产的热处理设备的选型
对于批量热处理件的生产,原则上应以连续式热处理生产线为主,但由于处理件的品种规格较多,工艺和生产量常需调整,因此所选设备应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对于多品种单件热处理件的生产,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。
14.6热处理设备的选型与计算
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作业环境。
14.6.1热处理设备选型的依据
⑴零件热处理工艺要求、技术条件;⑵零件的形状、尺寸、质量和材质;⑶零件生产量和劳动量;
⑷热处理所需的辅料及能源供应;⑸车间劳动安全卫生和环保要求;⑹设备投资和运行成本;⑺与前后工序的关系和衔接;
⑻企业及车间的自动化、机械化、现代物流和现代管理要求;
⑼项目所在地及企业的特殊要求和条件。
14.6.3热处理设备的选型
1热处理炉型的选择
选择热处理炉型时,应根据热处理件特点、工艺要求和批量,合理选择炉型。
以下是几种常用的炉型选择:
⑴汽车齿轮类渗碳零件,大批量生产时,一般选用推杆式连续渗碳淬火自动线;中批量生产时,选用密封箱式炉组成联动线;小批量生产时,应优先选用密封箱式炉完成渗碳淬火,尽量避免井式渗碳炉在空氧介质中入油淬火带来的表面氧化脱碳。
⑵轴承类零件,根据零件大小,一般选用辊底式炉、铸链式炉、推杆式炉或网带式炉组成自动生产线;而滚珠多选用鼓形炉组成的自动生产线。
⑶长轴件,大批量时选用辊底式炉生产线
14.6.2热处理设备选型的原则
⑴少品种大批量生产的热处理设备的选型对于少品种大批量热处理件的生产,应根据工艺要求优先考虑组建各类全自动热处理生产线,选用安全可靠、生产率高、运行成本低的连续式热处理设备。
第14章热处理车间设计7(也可选用感应加热淬火回火自动生产线);小批量时选用井式炉或台车炉。
⑷大件及长板件,选用步进式炉或台车式炉。
⑸中小标准件,选用铸链炉、网带式炉、振底炉。
⑹工、模具及刃具,优选选用真空炉,也可选用流态炉、盐浴炉。
⑺钢带等退火件,推广应用保护气氛罩式炉、井式炉和箱式炉。
2热处理炉生产率
热处理炉生产率是指某热处理炉在一个小时内可完成某热处理工序零件的重量,即kg/h。
它与炉型、炉膛尺寸、工艺类型、零件装夹方式等因素有关。
表14-5几种炉型单位炉底面积的平均生产率见表14-5。
表14-5单位炉底面积的平均生产率参考指标(kg/m2
・h)
气体炉子类型退火正火淬火回火渗碳箱(室式)炉40~60100~12080~10035~推杆式炉60~70120~160100~12545输送带式炉120~160100~125立式旋转炉100~12080~100台车式炉35~5060~8050~70双台车式60~80120~140100~120炉振底式炉140~180100~120
平均生产率是指热处理炉在一般正常生
产条件下所达到的生产率。
热处理炉产品样本所标出的生产率数值、通常是指该设备可能完成的
最大生产率。
车间设计时,应根据零件或代表产品实际排料计算设备的平均生产率。
几种典型设备的平均生产率按如下方法计算:
⑴周期式作业炉的平均生产率P
P?
mT?
A(kg/h)
式中:
m――炉子一次工件装载量(kg)
T――工件在炉内停留时间(h)
A――该设备的附加系数(一般A取1.02
―1.2)
⑵推杆式炉的平均生产率P
P?
60tMNA(kg/h)
式中:
M――一个料盘装载的工件重量(kg)N――一次推入的料盘数量(个)t――推料周期(min)
A――该设备的附加系数(一般A取1.1)(3)传送带式炉的平均生产率PP?
LMA(kg/h)
T式中:
L――传送带在炉内的长度(m)M――每1m传送带工件装载量(kg)T――工件入炉到出炉的总时间(h)A――该设备附加系数(一般A取1.1)
3感应加热设备的选择⑴频率选择
*****f
*****X2
kX2k式中:
f――电流频率(Hz)
X2K――淬硬层深度(mm)感应加热所需电流频率,取决于产品零件对淬硬层深度的要求。
表14-6为感应加热电流透入深度与淬硬层深度的合理频率范围。
8第3卷热处理设备和工辅材料
表14-6根据不同的淬硬层深度推荐的感应加热淬火的频率与设备
推荐的频率与设备1最高频率(kHz)最低频率(kHz)最佳频率(kHz)250156001.51007250260430~4041518670.422..5102.50.1.51200.6250.035工频淬硬层深度(mm)⑵功率确定
①同时加热淬火时,设备功率的计算方法
P0――单位功率S――加热表面积
η――设备效率
η=η1(感应器效率)?
η2(淬火变压器
P?
P0?
S
效率)
常用感应淬火设备的效率见表14-7。
式中:
P――设备的功率
表14-7常用感应淬火设备的效率
序号1234项目中频设备淬园柱形零件中频设备淬平板形零件
(1)高频设备淬园柱形零件高频设备淬平板形零件
(2)η0.640.640.640.44η10.80.80.80.5η20.80.80.80.8注
(1)指带有导磁体的感应器;
(2)指不带导磁体的感应器;(3)η值根据不同产品进行调整。
②连续加热η――设备效率
P?
?
DhP0?
单位功率是选择设备功率的主要计算指
标。
单位功率有有效功率、加热功率和额定功率之分,通常设计工作所指单位功率为额定功率。
表14-8为单位功率的经验数值。
2
式中:
D――零件直径(cm)h――感应器有效宽度(cm)
表14-8单位功率的经验数值(kw/cm)
频率/kHz连续加热同时加热1.04.0~6.02.0~4.02.53.0~5.01.4~2.88.02.0~3.50.9~1.830~401.6~3.00.7~1.5200~3001.3~2.60.5~2.0根据表14-8中所列数据,对某些功率的感应加热设备可同时加热的面积如表14-9和表14-10
所示。
表14-9中频电源设备可同时加热面积参考指标
发电机频率(kHz)与功率(kW)最大加热面积(cm)空心轴类18030050032050075022.5100轴类1401602302503501002508.0160400250600第14章热处理车间设计9
合适加热面积(cm)2轴类空心轴类7090110150170250120160200250300370
表14-10高频电源设备可同时加热面积参考指标
振荡功率(kW)同时最大加热面积(cm2)合适的加热面积(cm2)3090306018060100300100200600200⑶设备生产率,感应加热设备生产率差异很大,根据生产统计资料,如表14-11所示。
表14-11感应加热设备生产率参考指标(件/时)
零件重量(kg)高频设备中频设备≤0.3400~6000.3~1.0200~3001~2100~200100~2002~560~1005~1040~6010~2020~40≥2010~30感应加热技术近年来的发展主要表现在加热电源方面。
过去采用的效率较低的中频发电机多被淘汰,代之以频率达1kHz的晶体管电源;目前,又有IGBT(绝缘栅双极型晶体管)电源大量出现,已部分取代前者用于工业生产。
国内最大的IGBT电源已达250kW、50kHz,国外已有600kW、100kHz的电源商品生产。
原有的电子管高频振荡电源正由MOSFET(场效应晶体管)电源及SIT(静电感应晶体管)电源所替代,国产电源可达300kW、200-300kHz,发达国家已有500kW、300kHz的产品问世。
MOSFET(场效应晶体管)电源及SIT(静电感应晶体管)与电子管高频振荡电源相比,具有体积小、效率高、控制方便、使用寿命长、安全性高等突出特点。
4辅助设备的选择
⑴可控气氛发生装置,应根据热处理工艺及项目所在地供应条件选择。
随着现代可控气氛检测和控制技术的发展,应尽量采用炉内直生式气氛。
⑵冷却系统的计算①淬火槽容积的计算
V?
PC(t?
t0)C1(t'0?
t')?
?
1000(m3)
式中:
V――淬火液的容积(m3)
P――同时淬入零件质量(kg)
t―t0――淬入零件的温度差,一般工件
850-100=750(oC);重型零件和锻模850-200=650(oC)
t/O?
t――淬火液在淬火前后的温度
/差,油80-40=40(℃),水38-18=20(℃)
γ――淬火液密度,油为0.9,水为1C1――淬火液的热容量KJ/(kg・℃)水为
1,油为0.45
C――淬火钢件平均热容量采用0.628
KJ/(kg・℃)
淬火油槽:
一般零件V≈0.007P,锻模淬火V≈0.006P;淬火水槽:
V≈0.006P淬火槽容积指标见表14-12。
表14-12淬火槽容积指标
淬火一般工件锻模单位m3/t工件m3/t工件淬火油槽76淬火水槽65
10第3卷热处理设备和工辅材料
实际为便于制造和操作方便,一般淬火水槽与淬火油槽相同尺寸,以上计算的容积还需考虑淬火液温度升高的体积膨胀及淬火工件的体积。
②油冷却系统的计算油冷却器面积的计算
T――淬火油冷却间隔时间,成批大量生
产及中小型车间为1~2h。
单件小批生产的重型热处理车间为4、6、8h。
循环油量计算
F?
Q?
0.9K?
?
t?
T
V1?
QC1(t'0?
t')?
?
?
1000?
T(m3/h)
式中:
Q――油冷系统中淬火油槽同时吸收热量的总和(KJ)
O.9――考虑10%的热量由液面及管道散
失
K――油冷却器传热总系统
[(KJ/m2・h・℃)]
管式冷却器的K铁管160,铜200
Δt――油水算术平均温度差(oC)
集油槽的容积:
V2=(V1+全车间循环淬火油槽总容积)×1.2(m3)
⑶清洗设备,清洗设备有连续式、室式、槽式等清洗机和清洗槽。
多数清洗机是与加热淬火设备配套使用的,作前清洗或后清洗用。
应根据多数热处理件的批量和加热淬火炉的操作方式选择。
⑷清理及强化设备,清理及强化设备主要作
对于一般地区为清理零件热处理后表面的氧化皮或进行表面强
化用。
这类设备主要技术规格见热处理设备手册。
(5)校直设备,热处理后的弯曲工件需要用手动或机械校直。
小型零件用手动螺旋压床或齿条压床,中型、大型零件用液压机。
一般零件所需校直机的压力见表14-13。
80?
*****?
402?
18?
*****?
342?
37(℃)
对于夏季水温较高地区
?
?
29(℃)
表14-13校正设备的规格及平均生产率
校直机压力零件直径(mm)(t)5~1010~2020~3030~6050~7080~2001~55~2510~3015~5025~6350~100型式手动液压液压液压液压液压(件/h)70~9060~8050~7030~4015~2010~15调质调质调质调质调质Φ200正火校直机平均生产率零件状态5起重运输设备
起重运输设备应根据设备安装、修理、工艺
所需起吊运输最大
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- 热处理 车间 设计 手册 第四