年产1200万件W6Mo5Cr4V2高速钢直柄麻花钻头热处理生产线

1、设计题目成绩课 程 设 计 主 要 内容各位同学根据设计题目，编制课程设计任务书，其中应包括如下内容：制定热 处理工艺、工作制度、年时基数、生产纲领，选择所需要的热处理设备，最后应给 出参考文献，并绘制出设备在车间的平面布置图。具体要求如下：（1）确定工件的形状、尺寸，制定出车间的工作制度、年时基数、生产纲领；（2）对于没有给出材料的零件，选择材料，要论述工件的服役条件及对材料性能的 要求；（3）确定工件的加工工艺流程，制定热处理工艺，并且，加以论述其依据；（4）根据热处理工艺选择适当的热处理设备，对主要的加热设备的炉体结构、炉膛 尺寸、功率要进行计算和论述，根据生产率确定所需要的台数；（5）

2、合理地设计工件的热处理生产线，画出设备在车间里面的平面布置图（该图要 求用计算机绘制，并用A3纸打印出来，图中设备用参考图例画出，其它的要按照 国家标准画出）；（6）设计任务书按照如下顺序进行装订：封面、表格、目录、具体内容、参考文献； 设计任务书封面、表格请见后面附件，表格中设计题目、课程设计主要内容部分由 同学填写，设计任务书除了封面、表格、目录以外，其余每页应该标注页码，并在 目录部分自动生成。（7）用同学名字作为文件夹名称，内含设计任务书的Word文档和车间平面布置图 CAD文档，两个文件均用同学名字，和课程设计纸质材料一起上交。（8）有关参考文献请参见目录，例如崔昆编著,钢的成分、组

3、织与性能（上下 册），科学出版社，2013，共计17个参考文献。指 导 教 师 评 语年产1200万件W6Mo5Cr4V2高速钢直柄麻花钻头热处理生产线车间的任务和工作制度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，主要实施淬火回火、渗碳、感应加热淬火等热处理，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。本设计 方案的车间采用独立设置，故也称作独立热处理车间。车间生产任务车间生产任务（或称生产纲领）是指车间承担的年生产量，是车间设计的最 基础数据。本设计方案中直柄麻花钻的年产量为1000万件（即330吨），故热 处

4、理车间的生产任务是年产1000万件（即330吨）。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30万 件（即9.9吨），故热处理车间的实际生产任务为1030万件/年（即339.9吨/ 年）。具体生产类别、规格和年产量见表产品名 称材料选用规格单重（kg）年设计纲领/ 万件实际生产纲领/ 万件直柄麻 花钻W6Mo5Cr4V260.03310001030车间的工作制度及年时基数生产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。本设计方案采用二班制。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

5、减去各种时间损失，即F设设皿（1-b%）式中F设一一设备年时基数（h）；D设设备全年工作日，等于全年日数（365天）-全年假日（10天）-全年星期双休日（106天）=249天；N每日工作班数；n每班工作时数，一般为8h，对于有害健康的工作，有时 为 6.5h；b损失率损失率，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=249x2x8x （1-6%） =3744.963744 （h）工人年时基数工人年时基数可依据下式计算：F a=D 人n （1-b%）式中Fa 工人年时基数（h）；D人

6、 工人全年工作时日（249天）；b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、设备清扫、工间休息等工时损 失。计算 F 人的值：F 人二249x8x （1-4%） =1912.321912ho高速钢直柄麻花钻结构设计及尺寸选用高速钢麻花钻的结构：标准高速钢麻花钻由三部分组成：（1）工作部分又分为切削部分和导向部分。切削部分担负着主要切削工作；导向部分的作用是 当切削部分切入工件孔后起导向作用，也是切屑部分的备磨部分。为了提高钻头 的刚性和强度，其工作部分的钻心直径dc向柄部方向递增，每100mm长度上钻 心直径的递增量为1.4-2mm。（2）柄部钻头的夹持部分，并用来传

7、递扭矩。柄部分直柄和锥柄两种，前者用于小直径钻 头（钻头直径小于13mm皆采用直柄），后者用于大直径钻头（钻头柄为锥度状， 一般其锥度均采用莫氏锥度）。本设计方案所选麻花钻为直柄。（3）颈部颈部位于工作部分和柄部之间，磨柄部时退砂轮之用，也是钻头打标记的地方。 为了制造方便，直柄麻花钻一般不制有颈部。由于本设计方案采用直柄，因此不 制颈部。高速钢直柄麻花钻的类型和用途常用的直柄麻花钻的类型和用途见表1标准号类型直径范围用途GB/T 6135.1-2008粗直柄小麻花 钻0.10 0.35在车床上用钻夹头装夹 麻花钻钻孔，可用钻模GB/T 6135.2-2008直柄短麻花钻0.5 40.0在各种

8、机床上钻浅孔或 中心孔GB/T 6135.2-2008直柄麻花钻0.2 20.0在各种机床上，用钻模 或不用钻模钻孔GB/T 6135.3-2008直柄长麻花钻1.0 31.5在各种机床上，用钻模 或不用钻模钻孔表1本设计方案选用的高速钢直柄麻花钻尺寸与结构：根据国家标准GB/T 6135.2-2008，本设计方案采用直径为6mm的高速钢直柄麻 花钻，其尺寸与结构见下图钻头的服役条件：作为机床上使用的金属切削工具，其主要工作部分是刀刃或刀尖，钻头在钻 削过程中，刃部与工件表面的金属相互作用，使钻头产生变形与断裂，并从工件 整体上剥离下来，所以钻头本身承受弯曲、扭转、剪切应力和冲击震动负荷。在钻

9、削过程中会产生大量切屑，因此钻头还受到工件与切屑强烈的摩擦作 用；由于切屑层金属塑性变形以及刀刃与工件和切屑间强烈的摩擦作用所产生的 大量切削热，使刃具的温度上升。切削量增大和被切削金属的硬度升高，都会使 切削热大量增加，从而使刃具的温度很快升高。钻头的失效形式：强烈的机械摩擦使钻头刃部磨损变钝，特别在连续高速钻削时，因刃部温度 升高而使硬度明显下降，加速磨损，失去钻削能力；钻头在受到冲击震动时会产 生崩刃或折断；钻头因受弯曲、扭转、剪切应力作用而变形。其中磨损是最普遍 的形式，变形较少见。钻头的性能要求：由上述服役条件和失效形式可知，作为制造麻花钻的材料应满足的要求是： 钻头用钢应具有较高的

10、硬度、高的耐磨性；足够的强度和韧性，以承受钻削中的 冲击和震动，避免崩刃和折断；高的红硬性，即要有高的耐热性，在高温下能保 持硬度、耐磨性、强度和韧性(能使刃具在500600C时仍保持55-60HRC高硬 度能力)；良好的工艺性，如锻造性、热处理性、磨削加工型等，以便与制造； 经济性，即价格要便宜。材料的选择：为了获得上述韧性，钻头用钢一般是含碳量较高的碳素钢或合金钢。这些钢 中的马氏体内高碳量所造成的强烈的间隙固溶化效应，以及分布在基体中的大量 高硬度未溶碳化物颗粒是钢获得高硬度和高耐磨性的基本保证。因合金元素和高 碳量的共同作用，在回火过程中析出的特殊碳化物，不仅进一步提高钢的耐磨性 还提

11、供了钢的红硬性。极细的隐晶回火马氏体使钢具有足够的塑形和韧性，从基 体中析出弥散碳化物在强化基体的同时也降低了马氏体的正方度c/a，改善了基 体的塑形和韧性。由于制造麻花钻的材料不同，麻花钻可以分为碳素钢麻花钻、硬质合金钢麻 花钻和高速钢麻花钻等。由于碳素钢麻花钻的红硬性较差，故现在基本上不使用， 而硬质合金钢麻花钻的制造涉及到粉末冶金的知识，这里也不予讨论。本设计方案选用高速钢作为麻花钻头的材料。高速钢的性能特点：具有很高的强度、硬度和耐磨性；具有很高的红硬性，通用型高速钢在淬火回火后的硬度可达6366HRC，在 高速切削时刃部温度升至600C左右，硬度仍保持在55HRC以上；高速钢能在较高

12、温度下保持高速切削能力和耐磨性，切削温度达500650C 时仍能进行切削，同时具有足够高的强度，兼有适宜的塑形和韧性；高速钢还有很高的淬透性，中小型工具在空气中即可淬透。因此高速钢广泛 应用于制造尺寸大、切削速度高、负荷重、工作温度高的各种加工刃具，如车刀、 铣刀、刨刀、拉刀、钻头等，也可用来制造高耐磨性的冷作模具。它的制造工艺 简单，容易磨成锋利的切削刃，可锻造。高速钢钢种的比较：现在市场上使用比较多的是通用型高速钢，其中以钨系W18Cr4V和钨-钼系 W6Mo5Cr4V2 为代表。钨钢W18Cr4V有良好的综合性能，在600C的高温强度为48.5HRC。优点是 淬火时过热倾向小；含钒量较少

13、，磨削加工性好；碳化物含量较高，塑形变形抗 力较大。缺点是碳化物分布不均匀，影响薄刃刀具或小截面刀具的耐用度；强度 和韧性显得不够；热塑性差，很难用作热成型方法制造的刀具。钨钼钢W6Mo5Cr4V2碳化物分布细小、均匀，具有良好的力学性能，抗弯强 度比W18Cr4V高10%15%，韧性高50%60%，可做承受力较大的刀具；热塑性 好，便于制造热轧钻头等；磨削加工性也好。目前各国广泛应用。W18Cr4V与W6Mo5Cr4V2的力学性能比较见表2高速钢牌号淬、回火硬度HRC抗弯强度 /MPa冲击韧性/(MJ/m2)600 C下的硬度HRCW18Cr4V62 6534300.2950.5W6Mo5C

14、r4V263 6635000.30 0.4047 48表2综合比较，最终选用W6Mo5Cr4V2作为直柄麻花钻头的材料。W6Mo5Cr4V2高速钢的主要成分：W6Mo5Cr4V2高速钢是由大量钨、钼、铭、钒等元素组成的高碳高合金莱氏体工 具钢，其主要合金成分见表3元素CMnSiCrVWMoSP含量(%)0.800.900.800.900.200.453.804.401.75 2.205.506.754.505.50W0.030W0.030表3碳的作用：提高淬硬性和热硬性；随着碳含量的增加，淬火、回火后硬度和热硬 性都增加；钨的作用：获得热硬性的主要元素，在钢中形成M6C，是共晶碳化物的主要组成

15、，它还以二次碳化物的形式由奥氏体中析出；钼的作用：Mo和W可相互取代，故也是获得热硬性的元素，并减少碳化物的不 均匀性；钒的作用：提高马氏体的回火稳定性，阻碍马氏体的分解同时提高高速钢的热硬 性和耐磨性；铭的作用：铭在钢中主要存在于M23C6中，促使其溶于奥氏体中，增加奥氏体合 金度；淬火加热时，铭几乎溶于奥氏体，主要起增加钢的淬透性作用。热处理工艺：1、高速钢热处理的特点：高速钢中莱氏体碳化物的形貌在热处理过程中不会改变，需要事先用热塑性 成形的方法将莱氏体碳化物破碎成颗粒状并改善碳化物不均匀性；为了改善高速钢本身的切削加工性，需要采用比较复杂的和严格的退火工艺，并且针对不同的情况有多种不同

16、的退火方法；高速钢中存在大量碳化物，强烈地阻碍加热时奥氏体晶粒的长大，直至接近 开始熔化的温度仍能保持细小的奥氏体晶粒。也唯有在足够高的温度下加热，使 碳化物溶解，提高奥氏体合金元素和碳的含量，才能起到提高红硬性的作用，而 韧性则随着淬火温度的升高而下降。淬火加热温度对高速钢性能的影响十分敏 感，对不同的刀具，应根据其使用情况选择合适的加热温度，并加以严格控制；高速钢有很高的淬透性，而且一般刀具截面并不大，所以可以选择比较缓慢 的淬火冷却方法，以求减小热处理畸变；高速钢通常应在出现“二次硬化”的温度下进行多次回火。高速钢热处理工艺过程：1、钻头的预备热处理工艺设计：高速钢预处理通常可采用普通退

17、火、等温退火、循环退火、球化退火、锻造后快 速球化退火及调质处理。利用锻造余热退火高速钢中的碳化物即使在锻造温度下也不能完全溶于奥氏体，锻造后冷却还会析 出部分碳化物，因而在退火温度下，残余碳化物的数量相当可观，它是退火冷却 过程中奥氏体等温分解的非自发核心，其形状、大小、数量和分布对退火后的组 织起着决定性的作用。锻造后利用余热进行快速球化退火，是借助于锻造后钢中 残留的大量弥散分布的碳化物，经随后短时较高温度的等温过程，使一些碳化物 粒子圆形化，且极微细的碳化物发生溶解，在等温过程中基本上完成了球化步骤。 按此工艺，退火后的组织及硬度均优于常规球化退火，其球化时间仅为后者的 1/41/3，

18、既节能，退火件又具有良好的切削加工性。普通退火及等温退火普通退火是目前应用最广的高速钢预处理工艺。退火可在井式炉或箱式炉中进 行，炉中最好设置可控气氛，工件一定要装箱密封，以防氧化脱碳。普通退火操作时间一般要30h以上，为缩短时间，节约能源，人们寻找到更好的 方法一高速钢等温退火工艺，退火温度一般为850870C，保温后快冷至等温 转变曲线的拐弯处(730750C )，保持一定的时间，使奥氏体等温分解，然 后随炉冷至500550C出炉空冷。等温退火可在空气炉中亦可在盐浴炉中进行， 当在盐浴中退火时保温时间比在空气中缩短1/3左右。循环退火用循环退火代替等温退火，不仅可缩短加热时间，细化奥氏体晶

19、粒，改善组织， 提高钢的强度、韧性和高速钢焊接工具的结构强度，而且有利于消除高速钢的淬 火过热，防止晶粒异常长大和形成奈状断口，也有利于减少工具热处理变形及提 高工具性能，并可提高生产效率、节约能源。循环退火比等温退火处理的高速钢 碳化物数量多、尺寸小而且淬火硬度、热硬性均高于等温退火1-3HRC。循环退 火还具有工艺周期短、生产效率高、节约能源等优点。调质处理由于钻头采用的材料是W6Mo5Cr4V2，属于高碳高合金高速钢，所以也可以采用 调质预处理，其目的是提高毛坯硬度；同时改善组织，为最终淬火做好组织准备， 使得调质件经最终处理后硬度高、韧性好、表面光洁。调质预处理的碳化物比退 火预处理的

20、细小弥散，经相同温度淬火回火后，调质处理的奥氏体晶粒细小，未 溶碳化物少，残留奥氏体量多；调质处理比退火预处理就有较高的硬度及屈服强 度，但抗弯强度和塑性、冲击韧度和断裂韧度低。预处理工艺的选择根据钻头的使用性能要求，可选择不同的预处理工艺。在本设计方案中选用等温 退火，即在退火温度（850C ）保温2h，随后快冷至750C保温4h，再随炉冷却 至550C，出炉空冷。其等温退火工艺曲线见图时间/h温度/C850 C4h2hI750 C500 C出炉空冷2、淬火工艺设计淬火处理是影响高速钢制品性能最敏感的工序，也是工艺控制难度最大的工 艺。一般分为预热、加热和冷却三部分。淬火的预热高速钢系高合金

21、钢，导热性差，塑性低，而淬火温度高，直接放入高温炉内 势必会出现大的内应力，容易引起刀具的变形和开裂；另外也会间接的延长了在 高温下的停留时间，增加了氧化和脱碳的倾向。因此需要采用预热使温度分级上 升，以减小热应力和减少高温加热时间，使工件在很短时间里内外达到高温加热 温度。一般而言，预热有一次预热和二次预热两种：形状简单、截面较小的工具可 采用一次预热，温度一般为800850C（略高于Ac1的温度），使其在较低温度 下发生索氏体向奥氏体的组织转变，从而减小组织应力。预热时间为高温加热时 间的两倍，一般按2030s/mm计算；凡直径大于30mm和形状复杂的工具均采用 二次预热，第一次预热温度为

22、500550C，然后二次预热，温度为800850C， 在盐浴炉中的预热时间为40s/mm、20s/mm。保温时间可按下列经验公式计算：t =a KD（式）式中 t保温时间（min）a保温时间系数（min/mm）K工件装炉方式修正系数D工件有效厚度（mm）本设计方案所选用的6 6直柄麻花钻形状较简单、截面较小，因此选用一次 预热法，预热温度取850C，预热时间取30s/mm。淬火加热温度为保证获得最高红硬性的淬火温度与获得最高强度的淬火温度并不一致。因此， 在确定高速钢淬火加热温度时，不同尺寸、不同形状、不同使用性能的工具，必 须加以分析，然后对淬火加热温度作出最正确的选择。在选择淬火加热温度时

23、应 考虑下面几个主要方面：1）不同的刀具，由于工作条件不同，所需要的性能也有所不同，因此淬火加热 温度也应有所区别。例如车刀，在切削过程中决定其寿命的主要性能是高硬度和 高红硬性，而对韧性要求不高，故应采用高的淬火加热温度，对于W18Cr4V钢可 采用12901300C ；麻花钻头工作时受扭力，则要求较高的强度和韧性，因此 淬火加热温度相对于车刀来说要选择得较低一些。如果要求刀具的硬度和韧性得 到较好的配合，则采用适中的加热温度。2）尺寸很小的工具，其破坏常由于强度不足而引起，因此，淬火时要求得到最 高的强度，淬火温度宜低些。尺寸很大的工具，因碳化物分布不均匀，容易局部 过热，淬火温度不能太高

24、。3）形状简单的工具可采用高的淬火温度，易变性的薄片形和细长工具（如锯片、 铣刀、细长拉刀、铰刀等）及工件厚薄相差大、有尖角易开裂的刀具（如指形铣 刀、三面刃铣刀等）宜采用较低的淬火温度。直柄钻头的淬火加热温度见表刀具名称规格淬火加热温度/CW6Mo5Cr4V2W18Cr4V直柄钻头6 W5mm6 5mm12201230122512351270128012751285钻头的形状较简单，可采用较高的淬火加热温度，以充分发挥钢的红硬性潜力， 且本设计方案中直柄钻头的直径6 5mm，故取淬火加热温度为1230C。淬火加热时间高速钢淬火加热的保温时间，应保证有足够的碳化物溶人奥氏体中而不致引 起晶粒过

25、分长大。在一定的加热温度下，有一最合适的加热时间。过长的加热时 间，不但不再增加奥氏体的合金度，而提高钢的硬度和红硬性，反而由于晶粒长 大，使钢的力学性能降低。此外，还易引起刀具表面的氧化、脱碳和变形。如果 保温时间太短，则奥氏体合金化程度不足，又会降低刀具的红硬性。对于普通高速钢，在盐浴中加热的加热系数为815s/mm，而对高钒高速钢， 加热时间应延长，可按1518s/mm计算。在生产实际中影响加热时间的因素很 多，如淬火加热温度的高低、装炉量的多少、刀具的形状和尺寸等，尺寸很小的 工具（13mm）应适当延长加热时间，不然碳化物溶解不足。尺寸过大，则按此标 准计算的时间又嫌太长，虽然可以使心

26、部加热充分，但会引起表面晶粒长大。故 最合理地确定加热时间的方法是通过试验，根据淬火后金相组织中碳化物的溶解 情况来判断加热时间是否适当。加热系数的选择原则：通常小尺寸者取上限，大尺寸者取下限。由于本设计 方案中直柄麻花钻的尺寸较小，故加热系数选用15s/mm。淬火冷却在生产实践中，对于各种高速钢工具，可以采用不同的冷却方式，淬火冷却 工艺大致可分为下列几种： 油中冷却高速钢的淬透性较大，因此一般刀具加热后即使在空气中冷却亦可获得很高 的硬度，但高速钢刀具一般不采用空冷，这是因为空冷时工件表面容易由于氧化 腐蚀而产生麻点。此外，空冷时由于冷却速率较慢，在高温区域停留时间较长， 容易析出二次碳化

27、物，降低淬火钢的硬度和红硬性，所以极少应用。对形状简单 （车刀、钻头）、尺寸在3040mm以下的刀具可以采用油中冷却（30100C）。为 了避免开裂，在油中的时间不宜太长，最好保持到当工件在油中取出时，附在上 面的油闪耀发火，可以保证工件的温度在500C以上，这样以后在空气中冷却时 可以减少开裂。高速钢油中冷却的工艺采用亦不很多，这是因为油冷比分级的淬 火容易变形开裂，并且油烟逸散污染环境卫生，但是这种工艺对细长易变形的工 具（细拉刀）仍有采用，工具从油中取出后的空冷过程中，在表面油迹将烧尽前， 趁热校直（平常称作淬火校直）比较方便。（2）分级淬火高速钢工具最常采用的冷却方式是分级淬火，可按照

28、刀具形状特点、变形和 开裂倾向分别选用一次或多次分级淬火方法。对于车刀、立铣刀、直柄钻头、锥柄钻头等，淬火后变形和开裂倾向不严重 的一般刀具均采用在580620C保温（大致与加热时间相似）的一次分级冷却， 因为在580620C温度范围内可采用中性盐浴冷却，减少刀具的氧化腐蚀；这 样的分级淬火使刀具内外温度均匀，随后在空气中缓慢冷却，显著地减少截面温 差和应力，可以减少刀具变形和开裂；这样的温度分级有足够的冷却速率，只要 保温时间不过长，可以抑制在高温区域中析出二次碳化物，所以不影响淬火硬度 和热硬性；中性盐分级，清洗方便，操纵简便，易于实现机械化。因此，一次分 级淬火法，应用较广，工具厂中几乎80%的刀具是采用一次分级淬火的。刀具尺寸较大（有效厚度大致在40mm以上），形状比较复杂，钢材质量较差 （如碳化物偏析比较严重，组织不够均匀），一次分级冷却不足以防止变形和开裂 倾向时，可采用两次分级冷却的工艺。即先在580620C盐浴中保持一段时间 后，再转入350400C硝盐中冷却（分级保温时间与加热时间相似），以进一步 降低热应力和组织应力，减少变形和开裂。一般二次分级冷却后，在静止空气中 缓冷至