阀门弹簧热处理车间设计doc.docx
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一、综述3
二、热处理车间任务3
(一)工作条件分析3
(二)车间生产纲领3
(三)材料的选用4
三、热处理工艺设计及主要设备选用4
(一)工艺设计4
(二)设备选用及数量计算8
(三)冷却设备13
(四)清理设备14
(五)辅助设备14
(六)起重运输及自动化设备15
四、车间布局16
(一)车间在厂区的位置16
(二)车间面积及面积指标17
(三)布局原则17
(四)车间设备布局间距18
(五)车间布局图19
五、参考文献19
一、综述
金属热处理是机械制造中的重要工艺之一,与其他加工工艺相比,热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分,而是通过改变工件内部的显微组织,或改变工件表面的化学成分,赋予或改善工件的使用性能。
其特点是改善工件的内在质量,而这一般不是肉眼所能看到的。
为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能,除合理选用材料和各种成形工艺外,热处理工艺往往是必不可少的。
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。
热处理车间生产任务、工作制度及年时基数、工艺设计、热处理设备的选择与计算、车间设备组织与布置、车间动力和辅助材料消耗量计算、热处理的生产安全与环境保护、热处理车间人员定额、热处理车间的建设投资及技术经济指标等方面,对热处理车间进行设计。
从热处理技术的现状和水平,掌握其发展趋势,大力发展先进的热处理新技术、新工艺、新材料、新设备,用高新技术改造传统的热处理技术,实现“优质、高效、节能、降耗、无污染、低成本、专业化生产”的方向上设计热处理车间。
二、热处理车间任务
本设计的任务是设计一间主要生产阀门弹簧的热处理车间。
(一)工作条件分析
弹簧是一种利用材料弹性特点的机械零件,它的性能和材料的关系十分密切。
根据弹簧的工作性能,要求材料必须有充分的弹性,材料的弹性极限要足够高。
由于同时很多弹簧工作时承受交变载荷,它的变形量随载荷变化而变化,因此除了要求具有高的弹性外,还要有高的疲劳强度,能经受长时间的交变载荷作用。
弹簧的使用范围特别广泛,根据服役条件和工作环境的不同,对弹簧材料还有提出各样的特殊要求。
例如要求弹簧材料具有耐蚀性,耐热,耐低温,非磁性级良好的导电性等等。
此外还要求材料具备优良的加工性能,总而言之,弹簧材料应具备加工容易,制造方便,性能稳定,价格低廉等特点。
其常见缺陷主要为:
①硬度不足,弹性低;
②脆性大;
③变形;
④淬火开裂;
⑤表面脱碳或元素粗话;
⑥表面腐蚀。
(二)车间生产纲领
所设计的热处理车间的年产量为800吨的阀门弹簧,属于小型热处理车间。
(三)材料的选用
根据阀门弹簧的服役条件,采用50CrVA弹簧钢是适宜的,该钢具有良好的力学性能和工艺性能,淬透性较高,加入V使钢的晶粒细化,降低过热敏感性,并且无石墨化倾向,提高了强度和韧性,具有高的疲劳强度,屈服比也较高。
是一种高级弹簧,用作较大截面的高负荷重要弹簧及工作温度<300℃的阀门弹簧,活塞弹簧和安全阀弹簧。
三、热处理工艺设计及主要设备选用
(一)工艺设计
(1)典型工件名称
YI4×44×55×6.0普通圆柱螺旋压缩弹簧外形尺寸如下图所示。
所使用材料为50CrVA弹簧钢。
(2)加工工艺流程
未处理弹簧→预先热处理(正火)→强化处理(淬火+中温回火)→校直→稳定化处理(去应力回火)→热处理完成→强化处理(喷丸强化)。
(3)热处理工艺规范
1)正火:
加热温度850~870℃、保温时间1h,自然冷却。
在淬火之前的正火处理,可以减轻淬火加热变形程度。
正火选用中温箱式电阻炉。
电阻炉是对炉体内的电热元件通电,利用其电阻发热来供热的炉子。
中温箱式电阻炉主要用于碳钢、合金钢的退火、正火、回火、固体渗碳等。
其操作要点有:
a.检查炉内是否有未出炉或遗漏的工件;
b.检查设备是否完好,检查控温仪表是否正常,加热是否正常,炉门限位开关是否灵活可靠;
c.禁止将带有油、水和冰雪的工件直接装入炉内;
d.使用温度不得超过设备的最高工作温度;
e.装炉量不得超过允许的最大装炉量;
f.装料不可用力投掷,以免砸坏搁砖,炉墙,热电偶和电热元件;
g.工件入炉后不得与加热元件触碰;
h.工件在炉内,应均匀分布在有效加热区内。
2)淬火:
采用一次淬火工艺,淬火加热温度为860℃、保温时间0.5~1h。
可使零件获得高的硬度和耐磨性,高的接触疲劳寿命和可靠性,高的尺寸稳定性。
弹簧的淬火宜在油中冷却,以免变形和开裂。
为了减小变形量,除了采用正确的加热和冷却方法外,有时还采用专用淬火夹具进行成形淬火。
淬火用油可以选择各种矿物油,如锭子油、变压器油、机械油、柴油和植物油。
油的优点是它的沸点比水高,所以对流阶段的开始温度比水高,在马氏体转变温度附近,已进入对流阶段,对减少弹簧的变形开裂有利,而且油温升高会增加它的流动性,反而使冷却能力有所提高。
淬火选用可控气氛密封箱式电阻炉。
工件在空气介质中加热容易发生氧化脱碳,甚至烧损现象,为了防止此现象的产生,可采用可控气氛热处理,可以改善工件表面的组织结构,提高机器零件的使用性能,减少工件的加工余量或加工工序,以节约金属材料的消耗。
可控气氛炉的机械化,自动化程度较高,如今得到了广泛的应用。
保护气体选用甲醇裂解气体进行保护,气流量为5-6m3/h。
3)中温回火:
回火加热温度为350℃、保温时间为1.5~2h。
回火是对弹簧使用性能有显著影响的热处理工序,为了获得所需要的力学性能,稳定弹簧的组织和尺寸以及消除内应力。
弹簧在淬火后应尽快进行回火,以免由于内应力过大而产生裂纹,淬火与回火之间的时间间隔不超过2-4个小时。
中温回火用低温井式电阻炉。
低温井式电阻炉主要用于淬火工件的回火即有色金属的热处理。
井式电阻炉的操作要点:
a.检查设备是否正常;
b.冷炉升温至规定温度后,低温井式电阻炉用于回火时,可冷炉装炉,连续生产;
c.装炉时应关闭风扇,将加热开关置于断开位置。
用起重机吊装时注意吊钩应在炉膛的中心线上,以免破坏炉膛内的搁砖、热电偶或电阻丝,工件放置要稳定;
d.出炉时关闭风扇,将加热开关置于“断开”位置。
吊出工件时,注意不要碰触炉膛;
e.装炉时工件、工装或料筐的高度不得超过炉膛的有效高度,以免触碰炉盖或风扇;
f.使用温度不得超过炉的最高温度;
g.工件上不得有油和水;
h.风扇停止转动或出现异常声音时,不得继续加热,必须停炉修理。
i.不允许在400摄氏度以上打开炉盖降温。
4)去应力回火:
回火温度为160-180℃,保温时间1—2h,空气中自然冷却或水冷。
由于弹簧加工的需要,消应力回火有时需要进行多次,为防止材料强度降低,应注意以后的每次回火温度都要比第一次的回火温度低20—50℃,保温时间也可以较前一次略短一些。
选用低温箱式电阻炉。
低温箱式电阻炉淬火钢件的回火加热,也可以用于有色金属的热处理,炉内温度较低,主要的传热方式是依靠对流进行,一般为了提高传热效果和加热均匀性,在加热炉内安放风扇装置,强迫气体流动,增加对流传热系数,从而增加对流传热量。
(4)热处理工艺解析
①正火均匀组织、细化晶粒,改善工件的切削加工性及减少最终热处理后的变形。
②淬火为了获得马氏体或贝氏体组织,改善材料性能。
③中温回火减少淬火应力,降低了脆性,稳定弹簧的组织和尺寸,获得所需的机械性能。
④去应力回火消除冷加工应力,稳定弹簧的形状尺寸和弹性性能。
(5)力学性能要求
50CrVA弹簧钢:
抗拉强度σb(MPa)≥1274;
屈服强度σs(MPa)≥1127;
伸长率δ5(%)≥8;
断面收缩率ψ(%)≥40。
热处理后弹簧工作时的服役条件:
弹簧外径≤34.8,阀门关闭时H1=43mm,负荷F1=270N,阀门全开时,H2=32mm,负荷F2=540N,最高频率25Hz,循环次数N>107次。
(二)主要设备选用及数量计算
(1)设备的选用
根据前述的热处理工艺设计及相关文献的表述,选择如下的几种热处理设备:
中温箱式电阻炉,可控气氛电阻炉,低温井式电阻炉,低温箱式电阻炉。
冷却及清理设备有:
冷却油槽、缓冷坑、酸洗槽与酸洗室、水洗槽、喷丸机。
根据需要添置一些检验设备。
(2)设备及工人的年时基数
根据车间生产性质和任务,一般单件小批量生产性质的综合热处理车间,应采用两班工作制。
其中个别工艺周期较长应连续生产的设备或大型设备应考虑三班工作制;安装在生产流水线上的热处理设备,应与生产线生产班制相一致。
1)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
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。
由上述的计算方法所得到的结果如下:
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
4
8179
重要设备
阶段工作制
3
251
8
4
5783
小型简易热处理炉
阶段工作制
3
251
8
4
5783
大型复杂热处理炉
连续工作制
3
355
8
4
8179
二、工人
一般工作条件
251
8
4
1928
较差工作条件
251
8
8
1847
(3)设备数量的计算
根据热处理零件分工的年处理量,分别采用各工序的平均生产率,可以计算得出某项设备所承担热处理任务的年负荷数,再根据该项设备的工作制度所确定的年时基数,即可计算得出该项设备的负荷率并确定台数。
设备需要量可根据热处理工序生产任务和设备生产能力计算出设备年负荷基数,再计算设备需要量。
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(Kg/年)
p-设备生产率(Kg/h)
②设备数量计算
式中
-设备年时基数(h)
(4)主要设备的型号选择
①中温箱式电阻炉型号的选用
a.炉膛长度和宽度的确定:
A有效=P/P0;
A:
有效炉底面积,P:
生产能力,P0:
单位炉底生产能力
由于炉门及后墙一般没有电热元件,导致两端温度比较低,为保证有一定的恒温区,长宽比大于1,箱式炉有效长宽比多数接近于2/1.
由有效炉底面积及长宽比,可求出L有效和B有效。
为了保证装出料过程中不至于碰撞炉墙或加热元件以及保证有一定的炉温均匀性,工件距离炉墙和炉门必须留有足够的间隙。
L=L有效+(0.2~0.3)
B=B有效+(0.2~0.3)
A=A有效/K,K=0.8~0.85。
以此计算出的炉底尺寸与标准热处理炉炉底尺寸进行比较,尽可能选用标准尺寸。
查热处理炉单位炉底面积生产率的表,可得正火用箱式电阻炉80~120kg/m2×h。
通过计算得A=800000/8179/100=0.98m2
L=
=1.6m,B=L有效/2+0.2=0.9m。
b.炉膛高度的确定
炉膛高度是指炉底面至炉膛拱角的距离。
炉膛高度通常决定于装料高度和电热元件的安装位置。
装料上方一般应保持200至300mm的空间。
故可由上述计算得到选用RX3—75—9型中温箱式电阻炉。
其炉膛高度为550mm。
最大装载1200kg。
②可控气氛密封箱式电阻炉型号的选用
查表得单位炉底面积生产率为80-100kg/m2×h。
取值90kg/m2×h。
依据以上公式,
依据中温箱式电阻炉的计算公式,得炉底有效面积A=800000/8179/90=1.09m2
选用型号为RM—75—9,可知其炉膛尺寸为900×600×450,有效炉膛面积为A0=700×400=0.28m2。
故台数N=1.09/0.28≈4台。
功率75kw,电压380v,最大装炉量420kg。
③低温井式电阻炉型号的选用
查表得单位炉底面积生产率为80-110kg/m2×h。
取值95kg/m2×h。
依据同样的公式计算,亦得炉底有效面积A有效=1.03m2。
选用型号为RJ2—55—6,其炉膛尺寸Φ700×900,有效炉膛面积A0=500×700=0.35m2。
故台数选为N=1.03/0.35≈3台。
功率为25kw,三相电,电压为380v,最大装载量750kg。
④低温箱式电阻炉的型号的选用
查表得单位炉底面积生产率为80-110kg/m2×h。
取值95kg/m2×h。
依据中温箱式电阻炉的计算公式,得炉底有效面积A有效=1.03m2。
L=
=1.64m,B=L有效/2+0.2=0.92m。
依据以上炉膛尺寸,可选的型号为KH86—17。
最大装炉量为2100kg,功率60kw,炉膛尺寸为1800×950×550。
由上述的计算所得到的结果如下:
序号
设备名称
型号
用途
生产率(Kg/h)
年时基数(h)
数量
1
中温箱式电阻炉
RX3—75—9
正火
97.8
8179
1
2
可控气氛密封箱式电阻炉
RM—75—9
淬火
24.5
8179
4
3
低温井式电阻炉
RJ—75—6
中温回火
32.6
8179
3
4
低温箱式电阻炉
KH86—17
去应力回火
97.8
8179
1
(三)冷却设备
使用的主要冷却设备是油槽和缓冷坑。
(1)淬火油槽
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(40~95℃),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。
(2)缓冷坑
由于缓冷坑无专用烟道排烟,所以其具备两种功能,又形成一种特殊的温度场。
功能一:
首先缓冷坑是一种热处理炉,可以完成钢板的升温、保温及冷却的工艺要求。
钢在坑内升温过程中,需要的热量多,产生的废气也多,而保温过程中,由于钢板已透热温度均匀,需极少的热量即可维持保温,相应产生的废气也较少。
所以,升温到保温过程中,随着钢板温度均匀,而需热量小而产生的废气少,所以炉膛压力逐渐变小。
功能二:
由于缓冷坑本身无专用烟道,产生废气通过炉盖间隙排入车间内部,实际缓冷坑又形成一种“烟囱”功能。
(四)清理设备
(1)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。
(2)清理设备
为清理零件热处理后表面的氧化皮,可采用喷砂机、喷丸机、抛丸机、喷丸清理滚筒、砂轮机、抛光机、酸洗槽等。
随着检验设备的发展,过去常用酸洗方式清理氧化皮,现已多采用喷丸清理,并发展了强化喷丸和应力喷丸等先进技术。
(五)辅助设备
(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,检查大型零件用手提布式、肖式、大型悬臂式或龙门式布氏硬度计。
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。
(2)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。
(六)起重运输及自动化设备
(1)常规起重运输设备
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。
起重设备适用范围及选择原则
设备名称
常用规格
主要适用范围
选用意见
桥式起重机
5~10t
大型设备维修,大型零件运输、装卸
一般厂房长50米选用一台
梁式起重机
1~3t
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
0.25~1t
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
0.25~1
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
—
—
—
电瓶车、叉车、手推车
—
—
—
(2)生产机械化与自动化装置
热处理设备的机械化与自动化,车间之间及车间内工序之间的机械化运输装置及控制,根据零件的产量和生产过程的具体需要,合理选用与布置,以改善劳动条件,提高生产率。
a.辊道辊道可运输和贮存部分零件,将不同工序联系起来,有着不同形式布置,如直线型、U型、L型、环型等。
如用辊道将清理、矫直、检查等工序联系起来以辊道连接渗碳生产线,以便输送。
b.轨道车根据不同的设备操作和布置选用,如利用倾式轨道和小车为推杆式炉返回底盘和垫板;利用普通轨道车和激动轨道车联系渗碳、淬火、清洗、回火等周期作业炉。
c.单轨电动葫芦单轨葫芦可将各工序设备联系起来,可布置成一字型、L型、环型。
d.悬挂运输链用于车间之间或工序之间的运输,连续运行,通过与下降段配合,可实现连续式炉生产线的全过程机械化运输。
四、车间布局
(一)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。
(二)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%。
(三)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。
综上所叙,科学的生产设计和能源管理是能源有效利用的最有潜力的因素。
保证满负荷生产、充分发挥设备能力是科学管理的目标之一。
先进工业国家从能源利用率和生产成本的精打细算出发,在电和燃料的一次和二次能源的调配上做出合理的选择,在热处理能源结构、充分利用废热、余热上积累了丰富的经验。
我国机械工业95%以上的热处理炉用电是很不合理的,在当前天然气资源已能充分供应的条件下,热处理的能源结构必须调整和改变。
研究、开发和推广节能的热处理工艺是投入小、见效快的节能措施。
热处理设备的选型、结构和使用上也都有很大的节能潜力。
(四)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1~2m;煤气炉和油炉取1.5~1.8m;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0.8~1.2m;中型炉1.2~1.5m;大型炉1.5~2m;间隙式炉组成的生产线0.5~0.8m;连续式炉3.0~4.0m。
(3)井式炉间的距离,小型炉0.8~1.2m;中型炉1.2~1.5m;大型炉2.5~4m。
(4)井式炉炉口距地面距离,渗碳炉0.3m;正火、回火炉0.7~0.8m。
(5)连续式炉的炉前后区空地,锻件热处理炉:
炉前:
6~8m;炉后8~12m;连续气体渗碳炉:
炉前4~6m;炉后2~3m;一般连续式炉炉前后4~6m。
(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0.85~0.9m。
(五)车间布局图
见附图
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