铣刀的热处理生产设计

铣刀的选材及热处理生产线设计1.设计原则1.1本次课程设计任务要求根据铣刀论的服役条件、失效形式和性能要求，在此基础上进行材料设计和选材，制定工件的加工工艺流程，制定详细的热处理工艺规范，选择热处理设备，绘制热处理车间的平面布置图。

具体要求：1）每人选择一个课题，但同一课题选择不能超过5人，选择同一课题的同学组成一个小组，共同讨论，但须独立撰写完成；2）确定工件的尺寸为45°Φ12*28*75、形状和年时基数；3）详细讨论选材的依据，合金元素作用、组织与性能之间的关系；提出不少于三种的备选方案，并进行分析比较，确定一种最佳方案；4）确定工件的加工工艺流程，制定热处理工艺规范，并加以论述其依据； 5）根据热处理工艺选择适当的热处理设备，对主要热处理设备的炉体结构、炉膛尺寸、功率进行计算论证，年产量4万件，分4个批次生产，即每批生产1万件，确定所需炉子的台数；6）合理设计工件的热处理生产线，画出设备在车间内的平面布置图（要求用计算机绘图，图中设备用参考图例绘出，其他按照国家标准画出）。

1.2热处理零件结构形状设计需要热处理的工件，在设计时，除了应考虑服役条件、承受载荷的大小和机械加工工艺外，还要要考虑热处理的变形、开裂所造成的产品报废。

因此，对热处理件结构形状有一定的设计要求。

1）结构形状设计应避免应力集中截面急剧变化的工件，淬火时易引起过量变形或开裂，一般应采用平滑过渡或圆弧过渡；外形的尖锐棱边，尖角和凹腔角处会产生应力集中，因此，也常用圆弧代替尖角，为防止工件上的孔或模具型腔成为裂纹的策源地，孔与孔之间应有一定的距离，冲模型腔与模边之间的距离也应足够大。

2）结构形状设计应尽量简单、均衡、规则、对称结构件的形状应尽量使工件各部位的质量均匀分布，以减少淬火时可能引起的过量变形和开裂。

理想的结构形状可遵循以下的基本原则：a.球形优于立方体，更优于长方体；b.圆柱体优于圆锥体；c.圆形截面优于椭圆形截面，方形截面优于矩形截面；d.在可能的条件下，应尽量使功能孔的尺寸与位置均衡、对称、分布，也可以通过加开工艺孔或工艺槽来解决质量均衡问题；e.辅助孔应位于交叉刃口的延长线上，尤其不能靠近小锐角，以免成为裂纹的策源地。

3）设计中实际措施机械构件中工作的轮廓、形状和尺寸是各式各样的，往往不能遵循上述设计原则，对此可根据实际情况采取措施加以补救。

a.设计成合理形状，淬火后再磨去不必要的部分；b.开切必要的孔槽使质量均衡；c.一个不平衡的工件，为了平衡质量、改善散热条件，可加开工艺孔；d.大型复杂工件可采用拼镶结构，以解决加工和热处理的困难；e.刻字、印痕的位置应远离应力集中程度高的孔。

为减少损失，避免事故，充分估计各种因素的影响，可采用设计、热加工和热处理几方面共同商讨，协同设计，避免因设计不当造成加工、热处理和使用上的题。

图1.1铣刀零件图1.3热处理工艺设计1.3.1工艺分析的基本原则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。

所确定的热处理工艺必须先进、可靠、经济合理，并与车间生产规模相适应。

常规工艺应力求工艺路线简化，运输量最小，工序较小，节省能源及劳动量。

采用先进工艺应经过技术经济论证或实验研究，取得可信的试用效果。

1.3.2 工艺路线产品零件从毛坯生产到完成成品，生产路线是确定热处理车间任务的基础，具体如下：（1）铸铁，铸钢，有色金属一般铸件的预备热处理与铸造之后进行，包括正火、扩散退火、等温退火、球化退火、可锻化退火、再结晶退火、消除应力退火、人工时效（稳化处理）等。

（2）硬度要求在285HB（30HRC)以下的一般铸件，可在机械加工前热处理到要求硬度，包括正火、调质（淬火及高温回火）。

加工余量大的锻件，为保证其热处理效果，应在粗加工后进行热处理。

（3）表面硬化，化学热处理零件，硬度要求大于285HB(30HRC)的零件，应在机械加工后进行。

一些精度要求高的零件，可使用特殊加工刀具的零件，也可在加工前进行热处理。

（4）局部化学热处理零件，生产批量大时，非处理部分应镀层保护，批量小时可采用机械保护，防渗涂层以及车去渗层等方法。

（5）绕制弹簧、冷镦、冷挤成形零件、应进行去应力退火、再结晶退火、正火等工序。

（6）形变热处理可简化工艺路线，减少工序，节约能源。

有些铸、锻件，特别是锻件，可充分利用锻造余热进行淬火、调质等处理，使锻造加工与热处理结合起来。

1.3.3 工艺方法的选定（1）常规热处理工艺热处理零件的常规热处理工艺，包括毛坯的预备热处理和零件的最终热处理，如退火、正火、去应力退火、调质（淬火及高温回火）、时效及固溶处理等。

从提高热处理质量考虑，如不许在加热过程中发生氧化、脱碳，应采用保护气氛下加热。

（2）化学热处理化学热处理包括奥氏体状态下渗碳、碳氮共渗，铁素体状态下的渗氮和氮碳共渗，以及渗硼、渗硅、渗铝及各种渗金属和多元共渗工艺。

化学热处理可以在气态、固态或液态介质中完成，确定化学热处理的工艺选用。

有化学热处理后需要淬火的，应根据可能尽量采取渗后直接淬火工艺。

（3）调质热处理调质热处理技术的发展主要有以下几个方面。

①炉型。

由于振底炉长期使用中存在振底板变形零件在炉内布料、加热不均淬火质量散差大同时振动噪声大、环境差，振底炉已逐渐退出生产线，网带炉、铸链炉得到普遍应用。

②碳势控制技术的应用。

碳势控制技术在保护气氛调质生产线得到普遍应用。

有效的控制炉内碳势控制精度，保证了零件淬火后的表面质量。

③计算机技术的应用。

通过应用计算机能够按照工艺设定自动完成工件的生产全过程记录、保存工件生产中的各种工艺参数具有完善的故障诊断、安全警示及连锁功能。

④快速淬火油和水基淬火介质的应用。

快速淬火油的应用保证了高强度螺栓件的热处理内在质量。

水基淬火介质的应用解决了零件淬油不硬、淬水开裂及零件淬火变形的质量问题。

（4）感应加热淬火感应加热可使用高频、中频、工频、超音频，以及双频及脉冲加热工艺，根据零件钢种、尺寸特点、要求硬化层深度、零件批量等确定工艺。

感应加热淬火后可根据可能采用自然回火。

（5）火焰表面淬火火焰表面淬火技术的发展，如采用先进温度检测技术与自动化控制与操作，淬火质量可保证。

在单件小批量生产中部分采用火焰淬火工艺，生产灵活实用。

（6）高密度能量表面处理高密度能量表面处理包括激光表面处理，电子束表面处理和物理及化学气相沉积。

一般适用某些特定的零件，选用这种工艺必须先进行工艺实验，试生产使用，用从热处理质量和经济效益考虑。

2立铣刀材料设计2.1工件服役条件和失效形式分析2.1.1 立铣刀的服役条件由于立铣刀是一种用来对金属材料进行铣孔的刀具其结构如上图油刃部和柄部组成，铣刀工作时刃部深入金属内部进行铣削，被金属包围散热困难，升温快，尤其是切削速度很高刃部温度很快达到600℃左右。

因此要求刃部要有高的硬度、耐磨性和红硬性要高。

由于铣刀在很大的轴向压力下钻削，受大的压应力和扭转应力。

因此要求具有一定的韧性和高的强度，由于刃部不断磨损，为了使铣刀能长久的使用，要求刃部应淬透。

对于柄部来说，它不承担切削工作过程中挤压扭转。

要求具有一定的韧度、强度和一定的硬度来保证铣刀良好的铣削要求立铣刀应有良好的几何形状。

立铣刀的切削受力分析：在切削金属材料时,立铣刀要受到阻止刀具切除切屑的阻力(即铣削力) 。

在不同的加工条件下,铣削力的变化范围较大。

分析认为,铣刀切削时,工件材料将发生部分弹性变形和塑性变形,并对刀具产生抗力;同时,刀具与切屑、刀具与工件之间要产生摩擦力,铣削力就是二者的合力。

图2.1 立铣刀受力与变形示2.1.2主要失效形式1刀具的磨粒磨损：磨粒磨损是因为工件材料磨擦划过刀具的主后刀面而造成的。

2月牙洼磨损：月牙洼磨损是由钢制工件与铣刀之间的化学作用(即刀具前刀面渗出的碳溶入切屑中)引起的。

不过，月牙洼磨损也有可能是由高速切削铸铁时切屑划过刀具前刀面的磨蚀作用所引起。

3沟槽磨损：刀具产生沟槽磨损的原因通常是在全切深情况下被加工工件表面某处的切削条件与其余部分相比发生恶化造成的。

导致工件表面切削条件出现差异的原因可能与工件表面剥落有关；也可能由冷作应力或加工硬化所引起；还有可能与某些似乎无关紧要的因素——例如油漆——有关，工件表面的油漆有可能对切入工件不太深的切削刃起到一种淬火作用。

4变形：刀具的变形是指刀片在切削热和切削压力的作用下发生软化和扭曲变形。

5崩刃和碎裂：因为切削刃的脆性过大，难以承受切削冲击而发生碎片崩裂。

6热裂纹与冷却液有关当倾注到切削刃上的冷却液不均匀时，切削刃的温度就会发生波动，引起刀片膨胀和收缩，从而导致切削刃出现裂纹。

磨损热裂纹变形崩刃2.2材料设计方案及优化比较2.2.1 铣刀材料的基本要求及设计方案1）高硬度和耐磨性：在常温下，切削部分材料必须具备足够的硬度才能切入工件；具有高的耐磨性，刀具才不磨损，延长使用寿命。

2）好的耐热性：刀具在切削过程中会产生大量的热量，尤其是在切削速度较高时，温度会很高，因此，刀具材料应具备好的耐热性，既在高温下仍能保持较高的硬度，有能继续进行切削的性能，这种具有高温硬度的性质，又称为热硬性或红硬性。

3）高的强度和好的韧性：在切削过程中，刀具要承受很大的冲击力，所以刀具材料要具有较高的强度，否则易断裂和损坏。

由于铣刀会受到冲击和振动，因此，铣刀材料还应具备好的韧性，才不易崩刃，碎裂等特点，故设计以下方案。

方案一 W18Cr4VW18Cr4V为钨系高速钢，具有高的硬度、红硬性及高温硬度。

其热处理范围较宽淬火不易过热，热处理过程不易氧化脱碳，磨削加工性能较好。

该钢在500℃及600℃时硬度分别保持在HRC57～58及HRC52～53，对于大量的、一般的被加工材料具有良好的切削性能。

加工流程：铸型→锻造→球化淬火→退火→回火→成品①用途：形状复杂的小型刀具②成分含量: 含碳量0.7－－0.8%，含钨量17.5－－19%，含铬量3.80－－4.4%，含钒量1.0－－1.4%，含硅量小于0.4%，含锰量小于0.4%，含钼量小于0.3%。

③成分特点：在钢中，碳主要与铬、钨、钼和钒(碳化物的形成元素)等形成碳化物，以提高硬度、耐磨性及红硬性。

钨是提高红硬性的主要元素，它在钢中形成碳化物。

加热时，一部分碳化物溶入奥氏体，淬火后形成含有大量钨及其他合金元素、有很高回火稳定性的马氏体。

在回火时，一部分钨以碳化物的形式弥散析出，造成二次硬化。

在加热时，未溶的碳化物则起到阻止奥氏体晶粒长大的作用.钒能显著地提高高速钢的红硬性、硬度及耐磨性。

钒形成的碳化物在加热时，部分溶入奥氏体，回火时以细小的质点弥散析出，造成二次硬化而提高钢的红硬性。

铬在高速钢中主要是增加其淬透性，同时还能提高钢的抗氧化脱碳和抗腐蚀能力。