毕业设计拉刀的热处理工艺

目 录

1 设计任务 ······················································································· 2

1.1 设计任务 ················································································· 2

1.2 设计的技术要求 ········································································ 2 2 热处理件零件图 ············································································· 3 3 设计方案 ······················································································· 4

3.1 引言 ······················································································· 4

3.2 失效分析与变形的校直 ······························································· 4

3.2.1 拉刀的失效形式 ······································································ 4

3.2.2 断裂的原因与预防 ································································ 4

3.2.3 变形的原因与预防 ································································ 5

3.2.4 拉刀变形的较直 ··································································· 6 4 设计说明 ······················································································· 8

4.1 高速钢材料的选择 ····································································· 8

4.1.1 高速钢分类 ········································································· 8

4.1.2具体材料的选择 ···································································· 8

4.2 热处理工艺方法 ········································································ 8

4.2.1 拉刀的热处理工艺路线 ·························································· 8

4.2.2 准备工作 ············································································ 8

4.2.3 退火 ·················································································· 9

4.2.4 淬火与热较直 ····································································· 10

4.2.5 回火 ················································································· 10

4.2.6 尾部淬火与清洗检查 ·························································· 11

4.2.7 热处理工艺曲线图 ····························································· 12

4.3 热处理工艺过程中可能出现的问题和解决方法 ································ 12

4.3.1 退火的缺陷和解决方法 ························································· 12

4.3.2 回火缺陷及解决办法 ···························································· 13 5 质量检验 ······················································································ 14

5.1 外观检查： ············································································· 14

5.2 硬度检查： ············································································· 14

5.3 变形检验： ············································································· 14

5.4 显微组织检查： ······································································· 14 6 热处理工艺卡片 ············································································ 16 1

参 考 文 献 ···················································································· 17 设计任务

1.1 设计任务

设计一个拉刀的热处理工艺。拉刀在切削过程中要受到弯曲、剪切、冲击、扭转、振动、摩擦等力的作用，产生热量，所以要求拉刀具有较高的硬度、高耐磨性、一定的韧性和塑性，有的还要求热硬性。因此必须从拉刀的使用情况和失效形式合理的选择材料，制定热处理工艺，改善钢的组织，提高钢的性能要求，延长拉刀使用寿命。拉刀选材时要对材料的工艺性能加以注意。一般来说，碳钢的锻造、切削加工等工艺性能较好，其机械性能可以满足一般工作条件的要求。但强度不够高，淬透性较差。而合金钢淬透性好、强度高，但锻造、切削加工性能较差。我们可以通过改变工艺规程、热处理方法等途经来改善材料的工艺性能。

1.2 设计的技术要求

拉刀在高速高温下工作，要承受较大的压力，摩擦和冲击。因此应具备以下性能：

1 较高的硬度。拉刀材料的硬度必须高于工件材料的硬度，常温硬度一般在62HRC 以上。

2 足够的强度和韧度以承受切削力，摩擦和冲击，它反映了刀具材料抗脆性断裂和崩刃的能力。

3 较好的耐磨性和耐热性，以抵抗切削过程中的摩损，维持一定的切削时间，在高温下仍能保持较高的硬度。

4 导热性好，以便切削时产生的热能容易传导出去，从而降低切削部分的温度，减轻刀具磨损。

5 工艺性好，以便于制造，要求刀具有较好的可加工性，包括锻压，切削加工，热处理，可磨性等。

6 经济性好是评价刀具材料的重要指标之一，也是正确选用刀具材料，降低产品成本的主要依据。

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2 热处理件零件图

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3 设计方案

3.1 引言

拉刀是一种比较精密而复杂的刀具，广泛应用与汽车、机械等行业，在高速高温下工作，要承受较大的压力，摩擦和冲击。拉刀应满足的性能要求有：一定的强度和塑性；较好的韧性、高的硬度和耐磨性；较好的尺寸稳定性，以保证零件较高的尺寸精度；较好的热稳定性，对高速钢来说应具有好的红硬性；有良好的热疲劳性能；较高的淬透性和磨削性，同时拉刀应具有较低的变形开裂倾向，较低的脱碳敏感性和较好的切削加工性。

3.2 失效分析与变形的校直

3.2.1 拉刀的失效形式

拉刀的失效形式主要有崩刃、断裂、变形。

3.2.2 断裂的原因与预防

断裂原因

(1) 材料硬度过高或过低 工件的硬度在180～210HB 时，拉削性能极佳，拉削后表面质量也十分好。当工件硬度低于170HB 或高于240HB 时，应对工件进行调质处理，以改善其切削性能。硬度过低，拉削时常出现堆屑而导致拉刀断裂。硬度过高，拉削时切削力将增大，拉刀长期超负荷工作会导致疲劳断裂。

(2) 材质不均匀 如果工件的材质不均匀，热处理后的硬度也不一致，拉削时横向负荷不平衡，拉刀会偏向软的一侧而造成断裂。

(3) 刃磨质量差 刃磨拉刀时，应严格保持刀齿固有的特点，否则会影响拉刀的使用。特别要保证拉刀原来容屑槽的深度和形状，否则，刀齿易崩断，甚至断裂。

(4) 工件的尺寸和形位精度不够 拉削前，工件的孔应有一定的几何精度。如果孔和端面不垂直，拉刀会因受力不均而断裂。如工件预制孔过小，拉刀前导 4

部分被强行送入拉削时，易使拉刀被挤住而断裂。工件厚度大于拉刀允许的拉削长度，造成切屑堵塞，引起拉削刀急增，导致刀齿损坏或断裂。

(5) 清洁程度 拉削后，拉刀上的切屑应清除干净。

(6) 机床 保证机床足够的刚性和功率，工件定位应准确。

(7) 修磨因素 修磨后的拉刀，个别刀齿的齿升量过大，不仅产生很大的切削力，并且易使切屑堵塞在容屑槽内，造成崩刃。

(8) 其它原因 冷却润滑剂不足；托刀架与工件孔不同心；拉刀刀齿刃部宽度小于齿后部宽度，形成楔形等。

断裂的预防措施

热处理裂纹的产生是导致拉刀断裂的本质原因。因此预防断裂就是在热处理过程中防止产生裂纹。可采取如下措施：

(1) 对存在碳化物特别严重和其他冶金缺陷的原材料，不能投入生产。

(2) 采用合理安全的淬火工艺。

(3) 拉刀淬火加热前要先测炉温，保证炉温的准确性。并要做认真脱氧捞渣，

以防引起脱碳和防止由于炉底炉渣温度较高而引起拉刀后顶尖孔处的局部过热。

(4) 分级槽和等温槽在拉刀冷却前，要先进行搅拌，使槽内温度上下均匀。

3.2.3 变形的原因与预防

变形原因

(1) 原材料的显微组织 严重的碳化物偏析；轧材纵向与横向组织与性能存在较大的差异；轧材纤维方向分布的碳化物不均匀等会导致拉刀的变形。

(2) 机械加工的影响 机械加工前必须校直弯曲的轧材，如校直不当会产生应力集中，则会造成很大的弯曲变形；毛坯热处理前的切削加工也会形成切削应力和加工硬化，可将拉刀顶弯。

(3) 拉刀的几何形状 形状不对称的拉刀，在淬火加热与冷却中各部位产生的热应力与组织应力不同，再者，因形状不同，在机械加工中产生的机械加工残余应力也不对称。以及拉刀本身细长形状都影响热处理时的弯曲变形。

(4) 热处理工艺的影响 淬火温度过高、加热时间过长、预热不充分、冷却 5

速度过快、加热与冷却不均、冷却介质选择不当等，都能增加拉刀的弯曲变形。

变形的预防措施

采用如下措施，可减少拉刀热处理时产生的变形。

1. 选材

由于拉刀毛坯一般不能进行锻造，目前可按下表(表2) 所示碳化物不均匀度与拉刀的外径相应规定选材。

表2. 碳化物不均匀度与拉刀外径尺寸的对应表

2．机械加工

拉刀坯料及机械加工中造成的变形，应使用压力机缓慢加压校直，不能用大锤猛烈敲击，以尽量避免产生应力集中。拉刀机械加工切削速度和进刀量应合理，热处理前最好进行去应力退火。

3. 要采用合理的热处理工艺，有利于减少拉刀的热处理弯曲变形。

3.2.4 拉刀变形的较直

可以利用热校直方法 拉刀淬火后趁热校直的方法，利用钢存在塑性好的残留奥氏体，利用过冷奥氏体向马氏体转变过程向拉刀施加压力，促进拉刀向预定方向发生塑性变形，塑变的结果又促进了过冷奥氏体向马氏体转变。实践证明，拉刀刚由250～290℃等温槽中取出就开始校直，因拉刀有一定弹性，不易较，收效不大。如果待拉刀降到200℃左右至室温的连续冷却中进行校直，可以得心应手，效果较佳。此温度范围正是过冷奥氏体向马氏体转变的温度范围。

但拉刀 6

在接近室温时，由于马氏体量已较多，应细心操作，以防压断。也可利用合金超塑性的校直方法。以锯齿拉刀为例，在油中冷却至200℃左右取出后。此时拉刀直线方向变形很大，有的拉刀弯曲度甚至超过30～40mm 。将拉刀凹面朝下放在平台上，用双手向下压，感觉并不费力拉刀便很快向下延伸，当凹面与平台相接触时，将拉刀迅速与平台分开。如不及时分开，拉刀受热胀冷缩的影响，凹面会变成凸面。这种校直的方法既简便又快捷。

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4 设计说明

4.1 高速钢材料的选择

高速工具钢适用于高速切削工具，由于合金度高，可保证刃部在650℃时实际硬度仍高于50HRC ，从而具有优良的切削性和耐磨性。此外高速钢还具有很高的红硬性和淬透性。

4.1.1 高速钢分类

钨系高速钢：如W18Cr4V(18-4-1)、9W18Cr4V 。

钨钼系高速钢：如W6Mo5Cr4V2(简称6-5-4-2) 、W6Mo5Cr4V3等。 一般含钴高速钢：如W18Cr4VCo5、W6Mo5Cr4V2Co5。

超硬高速钢：如W6Mo5Cr4V2Al 。一般具有高硬度（65-70HRC ）和高的红硬性（600℃，54-55HRC ）。

习惯上又把钨系和钨钼系高速钢称为通用型高速钢，而把其它类型称为特殊用途高速钢或高性能高速钢。

4.1.2具体材料的选择

一般拉刀要求HRC62-64，由于钴资源稀缺，价格昂贵，一般不采用。综合考虑性能因素和价格成本，可选择的材料为W18Cr4V 合金，这样可以减少摩擦系数。

4.2 热处理工艺方法

4.2.1 拉刀的热处理工艺路线

拉刀的热处理工艺流程：去应力→预热(两次) →加热→冷却→热校直→清洗

→回火(3 次) →校直→尾部处理→清洗→检验→表面处理。

4.2.2 准备工作

检查设备如盐浴炉、仪表和电器部件是否正常工作。待炉温均匀后1 h 进行脱氧、捞渣；再进行金相试样处理以调整炉温。检查拉刀外观质量及变形情况。 8

准备好吊具或铁丝，将工件垂直吊加热。

(1) 去应力 将拉刀垂直吊放于专用工装中, 按去应力工艺进行加热和冷却, 消除拉刀在前期工序中产生的机械加工应力。

(2) 预热 主要目的是减小温差消除热应力, 从而减小拉刀的弯曲变形倾向。从图3 中可知, 预热共分两次, 分别在箱式电炉和中温盐浴炉中进行。由于

W18Cr4V 高速钢淬火加热温度较高, 如果把冷态的拉刀直接放入高温盐浴炉中加热, 不仅使拉刀的内外温差增大, 而且因加热速度过快而造成很大的热应力, 容易引起拉刀的弯曲变形; 同时, 冷态的拉刀直接高温加热, 也势必延长它在高温下的停留时间, 增加氧化和脱碳倾向, 所以在淬火加热之前必须经过预热, 缩小与高温炉的温差, 最大限度地减少弯曲变形。

4.2.3 退火

高速钢锻造后要进行退火。其主要目的是为了降低硬度, 便于机械加工和消除锻造应力, 为淬火作好组织准备。高速钢A c1在820-840℃，退火温度选择略高于A c1，普通退火工艺为860-880℃，保温2-3小时。此时大部分合金碳化物未溶于奥氏体中，奥氏体稳定性小，冷却时易转变成粒状珠光体。为了缩短退火时间，也可采用等温退火。等温退火工艺：W18Cr4V , 860-880℃，保温2小时，炉冷至740-760℃，保温2-4小时，再炉冷至500-600℃，出炉空冷。工艺曲线如图3 所示。

图3. 高速钢拉刀等温退火工艺曲线

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4.2.4 淬火与热较直

高速钢的淬火是为了获得高合金的奥氏体，淬火后获得高合金的马氏体，具有高的抗回火稳定性，在高温回火时析出弥散合金碳化物产生次生硬化，使钢具有高的硬度和热硬性。由于高速钢中合金碳化物比较稳定，必须在高温下才能将其溶解。所以一般高速钢加热温度在A c1+400℃, 即1280℃左右。

由于高速钢导热率低，淬火加热温度又很高，所以要进行预热，可减少工件在淬火加热过程中的变形开裂倾向，缩短高温保温时间，减少氧化脱炭，还可以准确控制炉温稳定性。高速钢拉刀有尖角，故采用二次预热的方式，即500-600℃一次预热，800-850℃进行二次预热，预热时间为淬火时间的二倍。

淬火温度的选择：W18Cr4V 钢淬火温度超过1300℃时，出现过热特征，加热温度超过1320℃将发生过烧现象，如果淬火温度较低，大量的碳化物未溶，则会出现欠热现象。所以W18Cr4V 钢淬火温度一般在1260-1300℃。保温时间经过实验机试验，心部达到淬火温度时，再保温20分钟即可，一般为30分钟。为了防止开裂和减少变形，通常采用在600℃左右分级淬火，一般不超过15分钟。

4.2.5 回火

高速钢回火的目的主要是使淬火后存在于钢中的过多的残留奥氏体转变为马氏体。淬火后的残余奥氏体合金度高，稳定性大，在回火加热过程中不分解，在500-600℃间保温时也仅从中析出合金碳化物，使残留奥氏体合金度有所降低，因而奥氏体的M s 点升高，在冷却到室温时，部分残留奥氏体发生马氏体转变，残余奥氏体量由20%-25%减少到10%左右，但还需要进一步降低，并且要消除新产生马氏体引起的内应力，所以高速钢一般需要在560℃左右进行三次回火。回火后的显微组织为回火马氏体、碳化物以及少量残留奥氏体。同时三次回火也对高速纲的性能产生影响。

下图(图5) 为回火次数对高速钢（W18Cr4V ）性能（硬度HRC ，抗弯强度Mpa ，残余A 量%）的影响图以及零件尺寸与回火保温时间的关系表(表3) 。

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图5.W18Cr4V 高速钢回火次数与残余奥氏体量和性能的关系

表3：回火保温时间表

4.2.6 尾部淬火与清洗检查

尾部淬火

尾部淬火是在拉刀回火后进行。将拉刀用铅丝绑扎起来，尾部向下，垂直悬挂于中部盐浴中，加热温度为860～880℃， 保温时间按6～8 s/mm计算，在油中或230～300℃硝盐中进行冷却。

清洗、检查

工件热处理完毕后需将表面残盐及氧化皮等脏物清理干净。检查拉刀刃部和

尾部的硬度及变形量，进行最后校直，直至符合工艺要求。

4.2.7 热处理工艺曲线图

图6. 高速钢拉刀热处理工艺图

4.3 热处理工艺过程中可能出现的问题和解决方法

实际上工件的热处理会出现各种各样的问题，使其达不到所要求的硬度、强度、塑性和韧性。

4.3.1 退火的缺陷和解决方法

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过烧：由于加热温度过高，出现晶界氧化，甚至晶界局部熔化，造成工件

报废。

2粗大魏氏体组织：由于加热温度过高造成。解决办法：可以采用稍高于A c3的加热温度，使先共析相完全溶解，又不使奥氏体粗大。可用双重正火来消除。

3网状组织：由于加热温度过高，冷却速度过慢。解决办法：一般采取重新正火的办法消除。

4球化不均匀：由于球化退火前没有消除网状渗碳体，在球化退火时集聚而成。消除办法是进行正火和一次球化退火。

5硬度过高：由于退火时加热温度过高，冷却速度过快而致。为了获得所需硬度，应重新进行退火。

4.3.2 回火缺陷及解决办法

常见的回火缺陷有硬度过高或过低，硬度不均匀，以及回火产生的变形及脆性等。

1 硬度过高或过低：可能是回火温度不稳定或不均匀造成的。解决办法：调整回火温度等措施来控制。

2 硬度不均匀：可能是装炉量太大，或者选用加热炉不当所致。解决办法：选用正确的加热炉，或选择合适的装炉量。

3 回火产生的变形：由于回火前工件内部应力不平衡，回火时应力松弛或产生应力重分布所致。解决办法：采用多次校直多次加热，或采用压具回火。

5 质量检验

最终热处理后要进行硬度、变形、表面缺陷与金相组织检查。

硬度一般应按图纸规定的硬度要求，模具变形量要求应在磨加工余量范围内，冷作模具允许编写量可参考表

刀具不允许有裂纹和明显的氧化腐蚀痕迹，留有磨量的部位其氧化与副食深度一般不允许超过磨量的一半，以保证磨后无斑痕。

着重保证车床拉刀的刀刃硬度，韧性，耐磨耐热性等性能指标过关。

5.1 外观检查：

用肉眼或放大镜观察工件表面的裂纹、麻点、碰伤等宏观缺点。

5.2 硬度检查：

退火后硬度用布氏硬度计，淬火后用洛氏硬度计；在同一部位硬度检查至少3点，重要刀具和微型刀具不允许有软点；拉、推刀前导向和中间齿轮都有检查硬度，有两个软点需返工或报废，有柄尾的刀具，柄尾也要检查硬度。

5.3 变形检验：

淬火件不可能不变形，关键是如何减少变形，变形后如何采月巧妙的手段校直，校直后一定要去应力。校直后的变形量应符合技术要求，一般应小于磨削余量的1/2~1/3，变形严重无法校直者允许退火重淬。重淬次数只能1次。长杆状大要检查弯度，超过允许值需要进行矫直；扁平进行平面度检查还要进行圆度检查。

5.4 显微组织检查：

显微组织指淬火后马氏体等级、淬火晶粒度、回火程度过热程度等，并按工具热处理的金相评定。高速钢退火后的组织为: 索氏体基体和在其中均匀分布的细小粒状碳化物, 可以改善其性能。淬火后的组织为: 淬火马氏体、剩余合金碳化物和大量残余奥氏体, 淬火后为了获得高的硬度、红硬性以及好的塑性和韧性, 高速钢的奥氏体化温度应该取在既能最大限度地使碳和合金元素熔入奥氏体中,

同时又不使奥氏体晶粒过分长大的温度区间, 一般在1280℃左右。回火后的组织为: 回火马氏体, 细粒碳化物及少量残余奥氏体。