阀门弹簧热处理车间设计.docx
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阀门弹簧热处理车间设计
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，或改变工件外表的化学成分，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外表脱碳或元素粗话；
⑥外表腐蚀。
〔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列图所示。
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〕热处理工艺标准
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～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，可以改善工件外表的组织结构，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.炉膛长度和宽度确实定：
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。
2
L=
=1.6m，
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