年产500吨的热处理车间设计.docx
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年产500吨的热处理车间设计
编号
热处理车间设计说明书
二级学院材料科学与工程学院
专业材料科学与工程
班级
学生姓名
指导教师
时间
第一章车间的任务和工作制度……………………………………………………3
1.1车间的类别…………………………………………………………………3
1.2车间生产任务………………………………………………………………3
1.3车间的工作制度及年时基数………………………………………………3
第二章工艺分析和设备选择………………………………………………………4
2.1产品技术要求的分析………………………………………………………4
2.2工艺设计……………………………………………………………………5
2.3热处理设备选择……………………………………………………………8
第三章车间建筑物………………………………………………………………23
3.1热处理车间的位置………………………………………………………23
3.2车间的要求…………………………………………………………………24
3.3热处理车间面积指标………………………………………………………25
3.4车间建筑物的要求…………………………………………………………26
第4章热处理车间平面布置……………………………………………………28
4.1设备布置间距……………………………………………………………28
第五章热处理车间的生产组织与人员…………………………………………29
5.1生产组织………………………………………………………………29
5.2基本工作人员…………………………………………………………29
5.3其他人员………………………………………………………………31
第6章车间用电与用水量的计算…………………………………………………31
6.1车间用电量计算…………………………………………………………31
6.2车间全年用水量的计算…………………………………………………32
参考文献……………………………………………………………………………33
附表1……………………………………………………………………………34
附表2……………………………………………………………………………36
附表3……………………………………………………………………………38
第一章车间的任务和工作制度
1.1车间的类别
本次车间设计的类别定为成品热处理车间，主要承担产品最终阶段的热处理任务，以达到产品最终技术要求。
这类车间常独立设置，常与机加工车间相邻或设在机加工车间内。
本次设计的车间采用独立设置，故也称作独立热处理车间。
1.2车间生产任务
车间生产任务（或称生产纲领）是指车间承担的年产量。
本次设计热处理车间的生产任务是年产500t，生产三类六种规格的刀具，各种规格刀具的年产量各占总年产量的1/6。
详见《专业课程设计任务书》。
本热处理车间生产的废品率为3%（包括热处理报废和运输报废），达15吨，故热处理车间的实际生产任务为515吨/年。
则六种刀具各自的年产量为85.8吨，见表1-1。
表1-1热处理车间生产纲领
序号
产品名称
规格
单重（kg）
年热处理件重量/t
1
齿轮铣刀
M2.25
M10
0.1
1.41
85.8
2
滚刀
Φ80×80
0.85
Φ115×115
3.1
3
车刀
A5
0.28
A6
0.64
1.3车间的工作制度及年时基数
1.3.1工作制度
热处理车间常有长工艺周期的生产和热处理炉空炉升温时间长的情况，所以多数采用二班制或三班制。
本设计采用二班制。
1.3.2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。
根据文献《热处理车间设计》的公式计算，公式如下：
F设=D设Nn（1-b%）
式中F设——设备年时基数（h）；
D设——设备全年工作日，等于全年日数（365天）-全年假日（10天）-全年双修日（106天）=249天；
N——每日工作班数；
n——每班工作时数，取8h；
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，此处取6%。
计算F设的值，
F设=249×2×8×（1-6%）=3744.96≈3745（h）
1.3.3工人年时基数
工人年时基数可依据下式计算：
F人=D人n（1—b%）
式中F人——工人年时基数（h）；
D人——工人全年工作日（249天）；
b——时间损失率，包括病假、事假、探亲假、产假及哺乳、设备清扫、工间休息等工时损失，本设计取4%。
计算F人的值，
F人=249×8×（1—4%）=1912.32≈1912（h）
第二章工艺分析和设备选择
2.1产品技术要求的分析
2.1.1材料的选择
本设计车间的生产产品为齿轮铣刀、滚刀、车刀。
查热处理手册第三版第三册可知三种刀具的可用钢号。
为了简化工艺和生产成本，本设计中，三类产品都选用W6Mo5Cr4V2钢号，属高速钢类。
W6Mo5Cr4V2的化学成分如表2-1。
表2-1W6Mo5Cr4V2的化学成分
牌号
化学成分（质量分数）/%
C
W
Mo
Cr
V
Co
Si
Mn
S
P
≤
W6Mo5Cr4V2
0.80~0.90
5.50~6.75
4.50~5.50
3.80~4.40
1.75~2.20
0.20~0.45
0.15~0.40
0.030
0.030
2.1.2技术分析
刀具在高速切削时，其刃部的温度可达600℃以上，而刀具硬度只有轻微的下降，要求有较高的红硬性。
在这样的条件下，一般都选用高速钢。
高速钢在650℃是的实际硬度仍然高于50HRC。
高速钢需要经过退火、淬火和回火处理，具体热处理工艺后面将有介绍。
查《机械加工常用刀具数据速查手册》，齿轮铣刀的尺寸数据如表2-2。
表2-2齿轮铣刀的尺寸数据（单位：
mm）
品种
规格
D
d
B
齿轮铣刀
M2.25
60
22
8.2
M10
120
32
31.0
齿轮铣刀的外形如图2-1所示。
品种
规格
滚刀
Φ80×80
Φ115×115
品种
规格
尺寸
车刀
A5
8×8×63
A6
19×19×150
2.2工艺设计
2.2.1工艺路线
高速钢W6Mo5Cr4V2的热处理一般工艺路线如下：
预备热处理→淬火预热→淬火加热→淬火→三次回火
2.2.2详细工艺参数
查《金属材料手册》363页，设计W6Mo5Cr4V2的热处理工艺参数如表2-3。
表2-3W6Mo5Cr4V2常规热处理工艺参数
牌号
退火工艺
淬火和回火工艺
等温退火
淬火预热
淬火加热
淬火介质
回火制度
回火后硬度HRC
加热温度/℃
保温时间/h
冷却
硬度HBS
温度/℃
时间（s/mm）
介质
温度/℃
时间（s/mm）
W6Mo5Cr4V2
850
2
炉冷至750℃，保温4h，再炉冷至550℃，出炉空冷
≤
255
850
24
中
性
盐
浴
1200~
1220①
6~15
油
560℃，3次，每次1h，空冷
≥62
1230②
≥63
1240③
≥64
1150~
1200④
20
≥60
注：
①高强薄刃刀具淬火温度
②复杂刀具淬火温度
③简单刀具淬火温度
④冷作模具淬火温度
对于不同的产品，由于规格尺寸的不同，则各种的热处理工艺参数略有不同。
在预热阶段，车刀（规格8×8×63）和铣刀M2.25由于尺寸较小，选用一次预热法预热；铣刀M10、滚刀和车刀（规格19×19×150）由于尺寸较大，选用二次预热法预热。
预热的具体工艺参数见表2-4。
滚刀和铣刀都是较复杂的工件，淬火温度选1230℃，车刀选1240℃。
表2-4各刀具采用的预热工艺参数
刀具
预热方法
炉型
加热温度/℃
加热时间/（s/mm）
适用范围
车刀（8×8×63）、齿轮铣刀M2.25
一次预热法
盐浴炉
850
24
适于形状简单，截面较小的工件
齿轮铣刀M10、滚刀、车刀（19×19×150）
二次预热法
第一次预热
空气炉
550
100
适于形状复杂或截面较大的工件
盐浴炉
650
40
第二次预热
盐浴炉
850
24
在淬火工艺中，油淬适用于简单的刀具淬火，在油中冷却至300~400℃后空冷。
对于形状较复杂的刀具，为了减小刀具畸变和开裂的倾向，都采用分级淬火工艺。
工业生产中几乎80%的刀具都采用一次分级淬火，将淬火加热后的工件放入580~620℃的中性盐浴炉中，保持一段时间（相当于淬火加热时间），然后空冷至室温。
故本设计中车刀采用油淬，齿轮铣刀和滚刀采用一次分级淬火。
2.2.3各刀具工艺曲线
各刀具工艺曲线如图2-2所示。
A）车刀8×8×63的热处理工艺曲线
B）车刀19×19×150的热处理工艺曲线
C）滚刀和铣刀的热处理工艺曲线
图2-2铣刀、滚刀和车刀的工艺曲线
2.3热处理设备选择
2.3.1预备热处理设备的选择
初步选用RX3-75-9型中温箱式炉，炉膛尺寸为1800×900×550（单位：
mm），最大装料量1200kg，查《热处理手册》第三版第三卷表3-5知道炉温850℃时空炉升温时间为3.5小时。
装料时，工件与电热元件或工件与炉膛之间应保持一定的距离，查《热处理炉》附表22，RX3-75-9型中温箱式炉的有效装料体积为：
V=1430×770×500=550550000mm³
炉冷速度一般为10~20℃/h，此处取15℃/h
则等温退火各阶段的时间：
t升温=3h，t保温=4+2h，t空冷=（750-550）/15=13.3h
上下料时间t上下=0.5h
则，退火总时间
t退火=3+4+2+13.3+0.5=22.8h
①生产齿轮铣刀
a）生产M2.25规格的铣刀，由表2-2可知该铣刀的尺寸，则该铣刀每一个所占的空间为：
v=60×60×8.2=29520mm³
则，每炉可装该铣刀的个数为：
n=V/v=18650.07≈18650个
则，装料总重量为：
M=0.1n=1865kg＞1200kg
所以，n取12000时，M=1200kg≤1200kg
RX3-75-9型中温箱式炉的生产率为
P=M/t退火=52.63kg/h
则，该设备处理M2.25齿轮铣刀的年负荷时数为
E1=Q/P=87500/52.63=1662.55h
b）生产M10规格的铣刀，同理计算：
v=120×120×31.0=446400mm³
n=1233个
M=1.41n=1738.35kg＞1200kg
当n=851时，M=1199.91kg
则，生产率为P=52.62kg/h
E2=87500/52.62=1662.86h
②滚刀
a）滚刀φ80×80
生产φ80×80规格的滚刀，，滚刀每一个所占的空间为：
v=80×80×80=512000mm³
则，每炉可装该滚刀的个数为：
n=V/v=1075.29≈1075个
则，装料总重量为：
M=0.85n=913.99kg＜1200kg
所以，n取1075个
RX3-75-9型中温箱式炉的生产率为
P=M/t退火=40.08kg/h
则，该设备处理φ80×80滚刀的年负荷时数为
E1=Q/P=87500/40.08=2183.13h
b）滚刀φ115×115
生产φ115×115规格的滚刀，，滚刀每一个所占的空间为：
v=115×115×115=1520875mm³
则，每炉可装该滚刀的个数为：
n=V/v=361.99≈362个
则，装料总重量为：
M=3.1n=1122.2kg＜1200kg
所以，n取362个
RX3-75-9型中温箱式炉的生产率为
P=M/t退火=49.22kg/h
则，该设备处理φ80×80滚刀的年负荷时数为
E1=Q/P=87500/49.22=1777.73h
3生产车刀
a）车刀8×8×63
同上，计算各参数
当n=4286时，M=1199.8kg
P=1199.8/22.8=52.62kg/h
E5=87500/52.62=1662.87h
b）车刀19×19×150
当n=1875时，M=1200kg
P=1200/22.8=52.63kg/h
E5=87500/52.63=1662.55h
综上所述，RX3-75-9型中温箱式炉用做等温热处理炉适用于所有产品，
则该设备的年负荷时数为
E=E1+E2+…+E6=10611.69h
设备数量为C=E/F設=2.834，C’=3
设备负荷率为K=C/C’×100%=94.47%
符合二班制设备负荷率80%~90%的要求。
2.3.2预热处理设备的选择
预热时，分一次预热和二次预热两种工艺。
各刀具采用的预热工艺见表2-4。
1一次预热法
初步选用RDM-35-13型埋入式高温盐浴炉，炉膛尺寸200×200×500（单位：
mm），额定温度1300℃，预热温度850℃。
加热系数为24s/mm。
a）生产齿轮铣刀M2.25
由于该刀具采用一次预热法，在预热中加热时间为
t加热=24×8.2=196.8s
查《热处理实用技术问答》，保温时间可按下列经验公式计算：
τ=αKD
式中τ——保温时间（min）
α——保温时间系数（min/mm），查《热处理实用技术问答》表3-4，本设计选取0.35
K——工件装炉方式修正系数，根据《热处理实用技术问答》表3-5选取1.0
D——工件有效厚度（mm）
则，M2.25的保温时间为
τ保温=0.35×1.0×8.2=2.87min=172.2s
所以，该刀具预热工艺时间为
t=t加热+τ保温=369s
该齿轮铣刀M2.25的装料设计:
埋入式盐浴炉炉膛尺寸的设计如图2-3所示。
工件距离熔盐表面的距离一般不小于30mm，本设计a取30mm；工件距离炉膛内壁的距离约为50mm，本设计b取50mm；熔盐表面与炉膛口的距离约为50~100mm，本设计c取50mm；电极下端距离炉膛底的距离一般为50~70mm，本设计取50mm；电极高度65~235mm，本炉型的电极高度e取113mm，则工件距离底部的距离大于163mm，本设计f取180mm。
则，该盐浴炉工作空间尺寸大约为100×100×240（单位：
mm）。
由于铣刀外径D=60mm，则一横排可以挂1个。
铣刀有效厚度B=8.2mm，则一列排可以挂9个，所以工件间隙宽度L=36/8=4.5mm,符合零件间距要求。
铣刀一纵排最多可以挂3个。
3×60=180mm，则工件间隙L=60/2=30mm。
及对应工作空间尺寸，装料的方式为1×9×3。
所以，该铣刀的挂具可设计为横挂3行，竖挂5列的形状。
综上，RDM-35-13型盐浴炉，一炉可以挂的铣刀M2.25的个数为
n=1×9×3=27个
则一炉装料量M=0.1n=2.7kg
生产率P=M/t=（2.7/369）×3600=26.34kg/h
设备年负荷时数E=Q/P=87500/26.34=3321.94h
设备数量C=E/F设=3321.94/3744.96=0.887C’=1台
设备负荷率K=C/C’×100%=88.7%
符合二班制设备负荷率80%~90%的要求。
b）车刀8×8×63
该车刀采用的是一次预热法。
计算该车刀预热时间为t=360s
选用RDM-35-13型埋入式高温盐浴炉。
该盐浴炉工作空间尺寸大约为100×100×240（单位：
mm）。
装料设计如下：
对应工作空间尺寸，装料方式为3×2×2
各方向工件之间的距离分别为
L1=33mm，L2=42mm
综上，一次装载个数为n=12
一次装料量为M=0.28n=3.36kg
生产率为P=M/t=33.6kg/h
设备年负荷时数E=Q/P=2604.17h
设备台数C=0.7011,C’=1
设备负荷率K=70.11%
符合二班制设备负荷率80%~90%的要求。
故，一次预热法需用RDM-35-13型盐浴炉2台，分別处理这两种刀具。
2二次预热法第一次预热
本次预热初步选用RDM—75-8型埋入式中温盐浴炉，炉膛尺寸为350×450×665（单位：
mm），额定温度为850℃，工作空间尺寸为250×350×405（单位:
mm）。
由表2-4可知，预热温度为650℃，加热时间是40s/mm。
a）生产齿轮铣刀M10
同上，计算铣刀的预热时间为
t=651+1240=1891s
使用RDM—35-8型盐浴炉，装料设计如下：
对应工作空间尺寸，装料方式为3×9×2
工件之间的距离分别为L1=22.5mm，L2=10mm,
综上，一次装载个数为n=54
一次装料量为M=1.41n=76.14kg
生产率为P=M/t=40.11kg/h
设备年负荷时数E1=Q/P=2181.5h
b）滚刀φ80×80
计算该刀具的预热时间为
t=1680+3200=4880s
装料设计如下：
对应工作空间尺寸，装料方式为3×4×5
工件之间的距离分别为L1=5mm，L2=10mm
综上，一次装载个数为n=60
一次装料量为M=0.85n=51kg
生产率为P=M/t=37.62kg/h
设备年负荷时数E2=Q/P=2325.89h
b）滚刀φ115×115
计算该刀具的预热时间为
t=4600+2415=7015s
装料设计如下：
对应工作空间尺寸，装料方式为2×3×4
工件之间的距离分别为L1=5mm，L2=2.5mm
综上，一次装载个数为n=24
一次装料量为M=3.1n=74.4kg
生产率为P=M/t=38.18kg/h
设备年负荷时数E3=Q/P=2291.77h
c）车刀19×19×150
计算该刀具的预热时间为
t=760+399=1159s
装料设计如下：
对应工作空间尺寸，装料方式为10×9×2
工件之间的距离分别为L1=17.78m，L2=9.88mm
综上，一次装载个数为n=180
一次装料量为M=0.64n=115.2kg
生产率为P=M/t=357.83kg/h
设备年负荷时数E=Q/P=244.53h
綜上所述，以上四种刀具都选用RDM-75-8型盐浴炉，则盐浴炉处理各刀具所需年负荷时数的和为
E=E1+E2+E3+E4=7043.69h
设备台数C=1.88，C’=2
设备负荷率K=C/C’×100%=94%
符合二班制设备负荷率80%~90%的要求。
③二次预热法第二次预热
a）生产齿轮铣刀M10
该铣刀采用的是二次预热法，该方法的第二次预热温度为850℃，加热系数为24s/mm。
该铣刀的有效厚度为29.2mm，则预热中的加热时间为
t加热=24×29.2=700.8s
保温时间为
τ保温=0.35×1.0×29.2=10.22min=613.2s
预热工艺总时间为
t=t加热+τ保温=1314s
由于该铣刀的尺寸太大，RDM-35-13型埋入式高温盐浴炉已不适用，现选用RDM-90-13型埋入式高温盐浴炉（热处理手册第三版第三卷228页），炉膛尺寸为450×350×700（单位：
mm）。
同理可估出该盐浴炉工作空间尺寸大约为350×250×440（单位：
mm）。
装料设计如下：
a）铣刀外径为D=115mm
对应工作空间尺寸，装料方式为3×2×10
即，铣刀的排列方向与浴槽的宽平行。
铣刀间的间隙为
L=（440-10×31）/9=14.4mm
综上，RDM-90-13型盐浴炉可以一次装载铣刀的个数为
n=60
则一次装料量为M=1.41n=84.6kg
生产率为P=M/t=231.78kg/h
设备年负荷时数E1=Q/P=377.51h
b）滚刀φ80×80
该滚刀采用二次预热法，该方法第二次预热的该方法的第二次预热温度为850℃，加热系数为24s/mm。
该滚刀的有效厚度为80mm，则预热中的加热时间为
t加热=24×80=1920s
保温时间为
t保温=0.35×1.0×80=28min=1680s
预热工艺总时间为
t=t加热+t保温=3600s
同上，此刀具尺寸大，选用RDM-90-13型埋入式高温盐浴炉。
装料设计如下：
对应于工作空间尺寸，装料方式为4×3×5
则，滚刀之间的间距为
L1=10mm，L2=5mm
综上，该滚刀的一次装载个数为
n=60
一次装料量为M=0.85n=51kg
生产率为P=M/t=51kg/h
设备年负荷时数E2=Q/P=1715.68h
c）滚刀φ115×115
该滚刀采用的是二次预热法，同理可计算出该刀具的第二次预热时间为
t=5175s
同上，选用RDM-90-13型埋入式高温盐浴炉。
装料设计如下：
对应工作空间尺寸，装料方式为3×2×3
工件之间的距离分别为
L1=10mm，L2=2.5mm
综上，该锥柄钻的装载个数为n=18
一次装料量为M=3.1n=55.8g
生产率为P=M/t=38.82kg/h
设备年负荷时数E3=Q/P=2253.99h
d）生产车刀19×19×150
该车刀采用的是二次预热法。
计算该车刀预热时间为t=456s+399s=855s
选用RDM-90-13型埋入式高温盐浴炉。
装料设计如下：
对应工作空间尺寸，装料方式为9×9×2
工件之间的距离为L1=9.7mm，L2=17.8mm
综上，一次装载个数为n=162
一次装料量为M=0.64n=103.68kg
生产率为P=M/t=436.5kg/h
设备年负荷时数E4=87500/P=200.7h
综上所述，使用RDM-90-13型埋入式高温盐浴炉处理以上刀具的年负荷时数之和为
E=E1+E2+E3+E4=4547.88h
设备台数C=1.297,C’=2
设备负荷率为K=70.85%
符合二班制设备负荷率80%~90%的要求。
2.3.3淬火加热设备的选择
高速钢的淬火加热在氯化钡盐浴中进行,加热前对盐浴进行脱氧,以防工件氧化和脱碳。
高速钢加热时碳化物的溶解主要取决于加热温度，但是在一定的加热温度下，有一个最合适的加热时间，超过这个时间，不但对提高钢的硬度和热硬性不起作用，反而会使钢的晶粒长大，力学性能下降，使冲击韧度和强度都降低。
在盐浴炉中加热时，各种
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