热处理课程设计落料凹模工艺说明书.docx
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热处理课程设计落料凹模工艺说明书
1引言
课程设计的意义
本课程是有关于落料凹模制作的工艺流程制定，重点为其过程中的热处理环节。
课程设计是培养大学生对所学知识学以致用的关键手段,学会综合运用所学习的专业课程，认识、分析和解决实际问题，锻炼实战能力，是每一个面临毕业于就业，走上工作岗位的应届大学生所必须掌握的一门技巧。
课程设计要求熟练的掌握各个专业课程，灵活运用所学的加工，合理的选材和热处理技巧对金属材料进行加工以满足零件的加工性能和使用性能的要求。
在此基础上对已有的零件进行加工和热处理流程的合理制定，不仅有利于对基础知识的理解，更有利于发觉和弥补自身的不足，以便纠正错误。
金属材料及其热处理应用与社会各个行业的方方面面，由于本专业属于应用类，对经验的要求较高，随着工业基础建设的逐步现代化，钢铁产业的不断发展，对金属材料及其热处理方面人才的需求将越来越大，因此对于二十一世纪的材料类人才，尤其是金属材料热处理方面的技术人员需求较多，因此必须学会熟练掌握和运用。
此次课程设计所得
此次课程设计巩固和加深了四年来所学的专业知识，并且进行了一番查漏补缺，也让我认识到自身的不足。
对于材料从原料到成品的具体流程有了一个初步的认识，对于今后走向工作岗位有极大的帮助，不仅锻炼了独立思考和完成任务的能力，还对动手的能力有着一定的要求，也提醒自己正面临相当大的挑战。
这一段时间对于所学知识的活用有了一个大致的了解，也为来年的毕业设计打下了一定的的基础。
并且十分感谢对我这次课程设计有过帮助的老师和同学，没有他们的帮助我不能圆满的完成此次的课程设计
2零件分析
2.1零件图分析
图2.1落料凹模零件图
如图本次课程设计的工件落料凹模。
由图可知，该工件为典型的规则板材孔类磨具，属于一般的冷加工磨具，尺寸1200×1500×20矩形磨具,成型部分也是规则的线段组成的多边形，硬度要求洛氏硬度58～62HRC，并且有多处销钉通孔，表面等无特殊性能要求，总体结构较为简单。
2.2服役条件
该材料为典型小件冷加工挤压型落料模具，所用材料一般为冷作模具钢，其工作时温度不高，但是承受较高而且反复的的挤压应力，温度在300℃，具有较高要求的是高硬度和耐磨性。
此外由于高压力，摩擦力，交变载荷的作用，所以还必须考虑强度，韧性，以及机加工性能。
在工作时不易变形，不易开裂，不易磨损，在热处理时要求淬透性高，淬火变形小，在加工过程中易于加工，不磨损刀具。
磨具在工作时存在很高的应力作用，磨具在应力的作用下的作用下必须保证其形状和尺寸不会发生迅速和严重的变化，因此冷作模具钢的硬度要求较高，在60HRC左右；淬透性和热处理变形性是一个重要的指标，主要的影响因素是含碳量，无论什么模具由于高硬度的要求，其淬透性是必须保证的；此外由于较高的压力和摩擦力的作用，因此在硬度的基础上必须保证耐磨性和韧性，耐磨性和韧性取不仅取决于钢的成分和性能，还取决于工作温度和载荷状态，提高硬度有利于其提高耐磨性，但是并不是无限提高的。
由于模具的加工过程包括了锻造和机床的机加工，为满足易于加工的条件，提高刀具的寿命，故必须要保证其具有良好的切削性能。
2.3失效形式
冷作模具的主要形式和一般材料的失效形式一样，即断裂，磨损和腐蚀。
从具体上说就是过载失效，磨损失效，咬合失效和疲劳失效四种形式
。
过载失效——材料和模具本身不足以承受外界事假的应力而导致模具大面积变形甚至断裂或者开裂，产生的原因是韧性不足或者强度不足。
由于该模具为冷加工挤压落料模具，更易于产生此类的失效
磨损失效——模具的工作部位与材料接触时磨损严重，是的模具的工作部位（刀口，冲2.3.4疲劳失效头）如严重变形或者尺寸严重变化，最后得到的成品尺寸严重偏离要求尺寸。
当材料的硬度和耐磨性不足时易出现此类失效。
咬合失效——在高压力的作用下，模具的工作部位和被加工的材料表面发生咬合，在冲压时会使得模具或者被加工材料表面出现划痕，该类失效形式产生的原因是表面耐磨性的不足或润滑膜破裂。
疲劳失效——由于模具的工作环境是长期的交变载荷，并且有一定的冲击作用，所以有时也会产生疲劳，表面出现裂纹，但是由于硬度高的原因，疲劳寿命较长。
3性能要求和材料的选择
3.1性能要求和初步选材
所给题目中对硬度的要求为热处理后HRC58～62，该模具件型较小，此外由于该模具为冷加工冲压型落料模具，必须要有一定的韧性和强度要求，此外还要保证淬透性和淬火变形性，当然还要考略经济性能和普适性。
一般中小型模具常采用碳素钢及低合金工具钢制作
，考略已知的要求，在轻载的情况下，选取Cr12MoV、CrWMn、Cr12三种材料，另一类是高淬透性、高耐磨性的高碳高铬钢；高速钢的基体钢；出于普适性和方便性考略后面二者不考虑使用。
表3.1常见冷作模具钢化学成分％
其中常见的冷作模具钢化学成分表如下
：
C
Si
Mn
Cr
W
V
Cr12MoV
1.45～1.70
≤0.40
≤0.40
5.50～7.00
1.10～1.50
0.5～0.7
CrWMn
0.90～1.05
≤0.40
0.80～1.10
0.90～1.20
1.20～1.60
Cr12
2.0～2.3
≤0.40
≤0.40
11.5～13.5
表3.2常见冷作模具钢的温度参数
（℃）
Ac1
Acm
Ar1
Ms
Mf
Ar
Cr12MoV
830
855
750
230
0
785
CrWMn
750
940
710
205
-50
Cr12
810
835
760
180
表3.3常见冷作模具钢的淬透性
材料
淬透性能
回火硬度
Cr12MoV
淬透性很高，截面400mm以下都能淬透
61～63HRC
Cr12
高淬透性
一般≥58HRC
CrWMn
淬透性较高，20mm的材料能完全淬透并且达到60HRC
58～62HRC
3.2最终选材
综合比较各个材料的优劣和用途如下：
Cr12模具钢具有较好的淬透性和良好的耐磨性，由于含碳量较高，容易形成不均匀的共晶碳化物，所以冲击韧度较差，易脆裂，主要用作承受冲击负荷较小，要求高耐磨但是厚度不大于2MM薄板材，高效落料模，冲载模及压印模；Cr12MoV也是常用的冷作模具钢，它的淬透性、淬火回火的硬度、耐磨性、强度均比Cr12高。
但是它一般用于制造截面较大、形状复杂、工作条件繁重下的各种冷冲模具和工具，如冲孔凹模、切边模、滚边模、钢板深拉伸模、圆锯、标准工具和量规、螺纹滚模等
。
相对于两外两种材料来说，CrWMn是制作模具最常用的高碳合金钢
。
CrWMn钢具有高淬透性。
由于钨形成碳化物，这种钢在淬火和低温回火后具有比铬钢和Cr12MoV更高的硬度及耐磨性。
此外，钨还有助于保存细小晶粒，从而使钢获得较好的韧性。
并且其热处理的临界温度较低，更加节省能源，活血成分含量较低，便于热处理。
而且在小件模具上的优势胜于前两者者，故综合考虑下选择CrWMn。
Mn:
强化铁素体基体，增加淬透性，降低了热脆性，Cr:
增加淬透性，增加抗氧化性耐腐蚀性，细化晶粒。
W:
增加热硬性，增加淬透性。
3.3CrWMn的具体参数
表3.4化学成分（质量百分数）%
元素CSiMnCrW
含量0.90～1.05≤0.400.80～1.100.90～1.201.20～1.60
表3.5温度参数℃
相变点
Ac1
Acm
Ar1
Ms
Mf
温度
750
940
710
205
-50
表4.1加工工艺流程
4确定加工工艺路线
序号
工艺
内容
设备
1
锻造
将坯料锻成规则的长方体
2
预备热处理
将锻件球化退火，消除锻压造成的内应力，改善加工性能
热处理炉
3
粗铣
铣各平面，厚度留磨削余量0.5mm，侧面留磨削余量0.5mm
铣床
4
磨平面
磨上、下平面（单面留磨量0.3mm左右）和相邻两侧面，保持各面相互垂直（用90°角尺检验）
磨床
5
钳工划线
划出对称中心，各个孔的位置，型孔的轮廓线
6
型孔粗加工
在仿铣床上加工型孔，留单边加工余量0.15mm
仿铣床
7
加工通孔
加工凹模上的通孔
钻床
8
最终热处理
保证58—62HRC
热处理炉
9
磨平面
磨上、下平面及相邻两侧面至要求尺寸
磨床
10
线切割
按图切割型孔达到尺寸要求
线切割机
11
钳工精修和检验
全面达到设计要求
5热处理及其方法的选择
5.1预备热处理
为了消除毛坯的残留组织缺陷，有利于后续冷热处理，提高使用性能和寿命。
冷作磨具的预备热处理宜用球化退火，其主要目的是获得满意的机加工性能，并且为淬火做好组织准备，球化退火后的组织对最终热处理所得材料的强韧性、畸变、开裂倾向、耐磨性等有显著地影响
。
等温球化退火的奥氏体化温度应选在Ar1以上20～50℃为宜，要避免在退火过程出现有残存的原片状碳化物或新的片状及棱角状碳化物，应保留许多未溶的细小碳化物颗粒以作为球化的结晶核心，保证能加速球化过程和形成均匀的球化体。
等温球化退火的等温温度和保持时间要选择在不出现片状或片、球状混合组织，并有合适的球化速度范围为宜，保证能加速球化过程和形成均匀的球化体。
5.2最终热处理
冷作模具的最终热处理手段是淬火+低温回火，这是整个过程中保证产品质量的最重要的手段。
淬火的目的是保证模具有足够的强度、硬度和耐磨性；淬火后应该马上进行回火，其目的是消除淬火后得到的马氏体或贝氏体内部的组织应力，以保证一定的塑形和韧性，消除残余应力，稳定尺寸，使之在以后的加工和使用过程中不产生变形，提高材料的综合性能。
二者相互配合，在保证强硬度的基础上又有良好的韧性和塑性，抵抗变形的能力、耐磨性和抗咬合的能力也得到提升。
淬火一般是把钢加热到临界点Ac1（过共析钢）或Ac3以上，保温并随之以大于临界冷却速度冷却，以得到介稳状态的马氏体或下贝氏体组织，而低温回火一般是指在低于250℃的情况下进行回火，同时还要根据钢种注意要避免各种钢的回火的脆性温度区间。
低温回火可以保证材料的硬度、耐磨、足够的强度和韧。
6热处理工艺制度的确定
6.1预备热处理（球化退火）工艺制度
加热速度
加热温度
保温时间
等温温度
等温时间
冷却速度
90～100℃/h
770～790℃
2～3h
700～720℃
3～4h
≤30℃/h
6.1.1退火的加热温度和等温温度
CrWMn采用等温球化退火，可使球化组织均匀，并能严格地控制退火后的硬度,在较好的球化退火后，可以不用调制处理，节省了能源。
CrWMn是一种过共析钢，在加热的过程中为了避免出现网状碳化物，其加热的奥氏体化温度一般在Ac1以上20～50℃为宜，CrWMn的Ac1是750℃，所以回火的奥氏体化温度在770～790℃，其A1在720℃左右等温退火是在A1一下小范围内保温较长一段时间
，因此选定在700～720℃即可。
6.1.2退火的保温时间
球化求火的目的是使得工件中的碳化物球化，使得其加工性能得到大幅度提高。
工件退火的保温时间不仅要使工件内部达到温度要求，也要保证工件奥氏体化完全，得到完全重结晶。
这种时间跟工件的有效厚度，成分，装炉量和装炉方式都有密切关联。
由于合金钢中碳化物内存在大量的合金元素，提高了碳化物的稳定性，使得合金碳化物即使在高温下也很难溶解，所以要进行长时间的保温。
通过查阅合金钢手册相常用钢种的退火热处理规范
，对于CrWMn模具钢，奥氏体化阶段（770～790℃）保温时间为2～3h，球化阶段（700～720℃）保温3～4h。
6.1.3退火的加热速度
加热速度主要与热处理炉的性能、钢的成分、工件的尺寸和形状等因素有关。
为防止变形和开裂，应该适当控制加热速度。
根据热处理手册资料，碳钢和低合金钢的中、小件的加热速度一般控制在100～200℃/h；中、高合金钢形状复杂的或截面大的工件一般应进行预热或采用低温入炉进行缓慢随炉升温的加热方式，在温度低于600～700℃是的加热速度为30～70℃/h，高于此温度后控制在80～100℃/h。
根据本设计中零件尺寸及形状的实际情况，属于小件的低合金钢，故采用高温入炉加热，将工件直接放置入已固定温度的炉子，使加热速度保持在100～200℃/h就能够达到目的。
6.1.4退火的冷却速度和冷却方式
冷却速度对钢退火后的组织与性能影响的一般规律是：
冷却速度越大，奥氏体分解温度越低，则珠光体转变产物越细，应力越大，硬度越高。
所以，为达到预期的处理效果，冷却速度应控制适当。
等温球化退火退火要求冷却速度缓慢，所以根据热处理手册相关资料，取冷速度为小于等于30℃/h。
退火件球化后一般采用随炉冷却至低于550℃出炉空冷，对于内应力要求较小的工件应炉冷至低于350℃出炉空冷，该模具采用550℃出炉空冷即可。
对于等温阶段采用随炉≤30℃/h的冷却速度冷却。
表6.2各类钢材的退火冷却速度
钢材类别
碳钢
合金钢
高合金钢
冷却速度（℃/h）
100～150
50～80
20～70
注：
球化退火的冷却速度为20～60℃/h。
6.2最终热处理（淬火+低温回火）
6.2.1淬火
表6.3淬火工艺设计
加热速度
加热温度
保温时间
冷却速度
100～200℃/h
780～800℃
0.5h
油淬
表6.2.1CrWMn淬火
1）加热速度
与退火的加热速度相同，对于碳钢和低合金钢采用较高的加热速度，对于合金钢和高合金钢则采用较慢的加热速度。
由于该材料是低合金钢，在淬火和回火时加热速度在100～200℃即可
2）加热温度
钢的淬火加热温度与钢的含碳量有关，亚共析钢的淬火加热温度为Ac3以上30～50℃；共析钢和过共析钢为避免网状碳化物的产生，淬火加热温度一般为Ac1以上30～50℃。
因为CrWMn属于高弹低合金钢，其含碳量在0.77％以上，属于过共析钢，其Ac1温度是750℃，所以淬火加热温度取780～800℃即可满足要求。
3）保温时间
保温时间一共由三部分组成
：
①透热时间；②组织转变时间。
保温时间的长短受多种因素的影响，主要有：
（1）零件的有效厚度；
（2）加热介质；（3）钢材所含的合金元素，（4）加热温度；（5）装炉方式。
热处理的加热时间（包括升温与保温时间）与钢的成分、原始组织、工件的尺寸与形状、使用的加热设备与装炉方式及热处理方法等许多因素有关。
因此，要确切计算加热时间是比较复杂的。
查询钢的热处理资料，在实验室中，热处理加热时间（包括加热、保温时间）通常按工件有效厚度，用下列经验公式计算加热时间：
T=αD
式中：
T——加热时间（min）；α——加热系数（min/mm）；D——工件有效厚度（mm）。
对于空气炉加热碳素钢或者低合金钢，α取1.2～1.5。
根据公式可算得T=（1.2～1.5）×（20+0.5+0.5）=25～32min，由于普通碳素钢和低合金钢在热透5～15min即可满足组织转变的要求，故取30min即可。
4）冷却介质
CrWMn属于冷作模具钢，所以采用工模具钢较为常见的淬火冷却方式——油冷淬火，以油为冷却介质的淬火冷却，当冷至油温（低于300℃）的时候将工件取出空冷。
由于CrWMn在300℃时产生回火脆，尽量避免在300℃长期停留。
6.2.2回火热处理工艺制定
加热速度
加热温度
保温时间
冷却速度
100～200℃/h
180～220℃
2h
空冷
1）加热速度同退火和淬火时加热的速度相同，对于低合金钢可采取较快的加热速度，取100～200℃/h即可
2）加热温度模具钢对硬度的要求较高，回火温度直接影响到其热处理以后的硬度值，回火温度越高硬度值越低，对于硬度要求较高在60HRC以上的，一般采用低温回火，在此基础上，由于回火脆性的原因，要避免回火脆温度区间。
CrWMn的回火脆温度区间在250～300℃，所以选取回火温度范围在180～220℃.
牌号
CrWMn
9Mn2V
GCr15
9SiCr
Cr12
Cr12MoV
温度/℃
250～300
190～230
200～250
200～240
290～350
325～375
3）回火保温时间回火保温时间是从工件入炉后炉温升至回火温度时开始计算的，保温时间受到硬度要求和钢种，以及尺寸因素的影响。
对于小件或者薄件的一般碳素钢或者低合金钢，温度一般为90～180min,高合金钢为120～240min。
对于本模具的材料来说，由于模具本身有高硬度和一定塑性韧性的要求，不宜过分长也不要过分短，故选择保温时间在90～120min，取2h。
4）回火后的冷却方式
在回火后不需要特殊的冷却方式，保温充分时间取出空冷即可。
7热处理设备的选择
7.1球化退火预备热处理设备选择
本工件采用的退火方式是等温球化退火，目的是为了球化片状碳化物，以获得较好的机械加工性能，在较好的球化退火以后，可免除调制正火的过程，也为最终热处理做好准备。
等温的温度范围为700～900℃的中温区间，属于单件小批量生产。
从材料的成分和外形来看，合金成分较低，含碳量高，外形是较为规则的方形板材模具，体型尺寸较小。
模具表面留有较高厚度的余量层足够作为加热时的脱碳层，故不需要特殊的气氛保护加热。
综上所述，退火炉选择普通间隙式箱式电阻炉即可满足设计要求
。
普通间歇式箱式电阻炉的炉内结构和处理金属原件时的技术参数如上图和表格。
这种热处理炉由炉体和电气控制柜组成。
炉体由炉架和炉壳、炉衬、炉门、电热元件及炉门升降机构等组成。
电热元件多分布于两侧墙和炉底。
炉内温度均匀度状态主要受电热元件布置，炉门的密封和保温等状态的影响。
通常炉膛前端温度较低。
工件在高中、温箱式电阻炉中加热主要靠电热元件和炉壁的热辐射。
根据能耗，尺寸，以及单件小批量生产的要求选择型号为RX3—15—9的中温箱式电阻炉作为该凹模的退火热处理设备。
7.2最终热处理设备的选择
7.2.1淬火热处理设备比较
最终热处理采用的方式为淬火后低温回火的方式，淬火时最高炉温在800℃左右，淬火方式为油淬，对炉子能够达到的最高温度要求不高；表面留有加工和热处理脱碳余量，不需要特殊气氛保护；由于热处理的原件是模具，为避免模具使用过程中出现划痕，所以表面的光洁度要求较高。
大体上有普通箱式电阻炉、盐浴炉和真空炉作为选择。
普通箱式电阻炉——这种炉子主要由炉体和控制箱两大部分组成。
箱式电阻炉一般工作在自然气氛条件下，多为内加热工作方式，采用耐火材料和保温材料做炉衬。
用于对工件进行正火、退火、淬火等热处理及其他加热用途。
具有操作简单，炉子成本低廉，可处理大多数热处理过程的优势，但是不能保证加热精度，热处理后工件表面的光洁度也不能保证，故在此不选用
盐浴炉——盐浴炉是一种综合换热系数大，加热速度快，加热均匀，变形小，热容量较大，加热温度波动小，能保证表面不被氧化，容易恒温加热的热处理设备；但是，热处理后表面光洁度差，淬火特别是油淬后表面附着有盐层，而且浴液对环境有不同的污染程度，故该模具一般不选用盐浴炉。
真空炉——真空炉热处理设备具有高效、优质、低耗和无污染等一系列有点，是近代热处理设备发展的热点。
用真空炉处理的工件表面光洁度高，且没有氧化和脱碳层，加热精度也是十分高，方便处理小批量生产的原工件。
真空热处理设备种类较多，通常按用途和特性分类，例如：
真空退火炉、真空淬火炉、真空回火炉、低真空炉、高真空炉等等。
综合所述三种炉型的特点，再根据本设计中零件尺寸、产品批量规模和对环境保护的要求。
通过对各真空淬火炉的比较其装炉量和工作尺寸工作方式等，选择真空炉较为合适。
7.22淬火热处理设备最终选择
由于该零件是低合金工具钢CrWMn制作的凹模，要求其整体具有高达58～62HRC的硬度。
在工件加热时应该通过例如真空的手段防止工件表面化学成分的变化，在淬火时采用模具钢最常用的油淬以防开裂。
所以采用油淬真空炉作为该凹模的淬火热处理设备，由于形状和批量小，所以采用双室油淬真空炉就能达到目的。
表7.2FH·H—20型油淬真空炉参数
为了能够防止加热室被污染以及保持较好、较稳定的真空度，选择淬火室与加热室之间有隔热屏的双室油淬真空炉。
其中淬火介质按照下表中所列出的相关参数选择合适的淬火介质。
根据工件的尺寸、形状及生产批量选择FH·H—20型油淬真空炉即可满足要求。
所选加热炉技术参数:
7.23淬火介质的选择
表7.3常用淬火油参数
我国使用的真空淬火油大概分为两种：
ZZ-1型和ZZ-2型，其具体的参数如下图：
根据其参数选择ZZ-1型淬火油即可。
7.3回火热处理设备的选择
回火的目的是消除淬火时产生的内应力，使工件得到较好的使用性能，对加热来说没有特殊的要求，由于硬度要求高，回火加热温度较低，表面氧化可以忽略，工件变形较为均匀，对其尺寸精度影响较小。
从经济和适用性来看，使用和退火一样的普通间歇式箱式电阻炉即可，其型号和内部结构前面已经提及。
7.4清洗设备
工件在热处理以前，表面或含有铁锈、铁屑、油污等各类杂质，这些杂质附着在工件表面，在加热的过程中可能影响其受热或者冷却的速度，或者影响其表面的元素含量造成组织不均匀，从而影响到工件的使用性能。
另外，在热处理后也常需清洗，以去除零件表面残油、残渣和炭黑等附着物，以保证热处理零件清洁度、防锈和不影响下道工序加工等要求。
清洗设备主要有一般清洗机、超声波清洗设备、脱脂炉清洗设备、真空清洗设备。
根据各个清洗设备的用途并结合本设计中的零件的具体情况，本设计中的零件为小型的凹模，所以可以选择一般清洗设备中的间歇式清洗设备就能满足要求。
为满足清洗效果和保护环境，清洗机应具备水过滤装置、撇油装置和雾气处理装置。
此外，金属清洗剂选择合成洗涤剂，其中含有表面活性剂，可渗入零件的油膜内起清洗乳化作用，成本低且效果好。
清洗设备如下图所示
：
图7.2清洗设备构造图
7.5强化设备
零件经过热处理，例如淬火回火之后，表面有氧化皮和附着物，必须要一定的设备将其清除，否则会严重影响后续的精加工过程。
所以就应该在热处理后通过清理设备将工件表面的氧化皮和粘着物清理掉，防止对工件的性能及质量等造成影响。
如果要在清理氧化皮的同时使零件获得良好的表面和提高工件表面的强度，可以利用抛丸机器将钢丸高速射向零件表面，即喷丸处理。
通过钢丸的冲击作用，清除零件表面的氧化物和粘着物并同时达到强化作用，还能提高零件的疲劳寿命。
常用的清理设备有机械式抛丸和气力、液力喷丸（砂）。
根据本设计中工件的实际情况选择一台机械式抛丸机器就可以同时满足清理工件热处理后工件表面的氧化皮和使工件表面强化，下图是机械式抛丸机的结构示意图[1]。
8工装设计——夹具和垫具
工件热处理过程尤其是模具的加热过程，不能直接置于炉底，过程中必须要借助一定的工具如夹具，才能使得工件在热处理过程中得到均匀充分的加热，保证工件各部分的使用性能都达到要求。
夹具的选用必须符合技术要求：
保证零件热处理加热、冷却、炉气成分
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