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北京科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)選題報告
目 錄
1文獻(xiàn)綜述 1
1.1 控冷簡介 1
1.1.1控制冷卻的機(jī)理和作用 1
1.1.2控制冷卻的方式 1
1.1.3氣霧冷卻設(shè)備 2
1.1.4控制冷卻在板帶材中的應(yīng)用 3
1.2 模具鋼 4
1.2.1模具鋼發(fā)展 4
1.2.2塑料模具鋼 5
1.2.3預(yù)硬型塑料模具鋼 6
2課題背景及開展研究的意義 7
2.1課題背景 7
2.2開展研究的意義 7
3研究內(nèi)容、預(yù)期目標(biāo)及研究方法 8
3.1研究內(nèi)容 8
3.2預(yù)期目標(biāo) 8
3.3研究方法 8
4進(jìn)度安排 9
1文獻(xiàn)綜述
1.1 控冷簡介
1.1.1控制冷卻的機(jī)理和作用
鋼以擴(kuò)散方式從奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體或珠光體型組織，以切變方式從奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或貝氏體組織。因此，根據(jù)其相變機(jī)理而言，加速冷卻工藝主要是以擴(kuò)散相變機(jī)制和細(xì)化晶粒來達(dá)到改善鋼材的性能的目的，同時直接淬火工藝則主要是利用切變機(jī)理和提高淬透性來實(shí)現(xiàn)鋼材的性能的改善[1]。
控制冷卻的作用可概括如下[2]：
（1） 提高產(chǎn)品質(zhì)量
1）機(jī)械性能：提高強(qiáng)度并且改善韌性。
2）工藝性能：提高可焊性、裂紋抗力和成形性。
3）組織與結(jié)構(gòu)：提高了組織的分散度、獲得了復(fù)相組織并且細(xì)化了晶粒。
4）表面質(zhì)量：減少表面劃傷、裂紋和氧化鐵皮產(chǎn)生、避免表面脫碳現(xiàn)象的產(chǎn)生。
（2） 降低生產(chǎn)成本
1）節(jié)省了合金成分。
2）減輕了構(gòu)件及其設(shè)備重量。
3）節(jié)約了能源。
4）簡化工藝流程。
5）提高成材率。
6）減少環(huán)境污染、節(jié)省自然資源。
1.1.2控制冷卻的方式
幾種常用的冷卻方式和特點(diǎn)如下[1] [3] [4]：
（1）水—?dú)鈬婌F冷卻
通過加壓的空氣使水成霧化狀態(tài)，成霧狀的水和高壓高速氣流直接噴到鋼材表面上進(jìn)行冷卻。優(yōu)點(diǎn)是可對板材較冷邊部進(jìn)行補(bǔ)償，這大大節(jié)省了冷校成本，缺點(diǎn)是這種冷卻方式冷卻不均，容易產(chǎn)生翹曲。
（2）層流冷卻
其優(yōu)點(diǎn)是水流可以保持成層流狀態(tài)，并且可以得到很強(qiáng)的冷卻能力；上下表面、縱向表面可以得到均勻冷卻。其缺點(diǎn)是冷卻區(qū)距離長；并且集管之間有了一定的距離，這導(dǎo)致了橫向冷卻的不均勻。
（3）水幕冷卻
其優(yōu)點(diǎn)是保持層流狀態(tài)的水流，可以大大提升冷卻速度，并且其對水質(zhì)的要求不高，容易維護(hù)。缺點(diǎn)是帶鋼上下表面以及整個冷卻區(qū)的冷卻十分不均勻；并且可調(diào)節(jié)的冷卻速度范圍也相對較小；這導(dǎo)致容易出現(xiàn)不成幕的缺陷。
（4）超快速冷卻
這種冷卻方式優(yōu)點(diǎn)是它可以有很大冷卻速度，并且冷卻能力范圍大，冷卻的也較均勻，所以冷卻效率高。對應(yīng)的缺點(diǎn)點(diǎn)是水消耗量很大，對水質(zhì)的要求也很高，噴嘴容易出現(xiàn)阻塞狀況。
（5）噴射冷卻
水通過加壓從噴嘴噴出來，其優(yōu)點(diǎn)是冷卻面積很大，冷卻也較均勻。缺點(diǎn)是這種冷卻方式對水質(zhì)要求極其嚴(yán)格，并且可以控制的冷卻范圍不太寬，需要很高的壓力，冷卻效率也不高，大量的冷卻水都飛濺出去，因此浪費(fèi)水資源。
1.1.3氣霧冷卻設(shè)備
氣霧冷卻系統(tǒng)是指采用高速冷卻空氣霧化冷卻水產(chǎn)生氣霧冷卻介質(zhì)的裝備，它可以提高帶鋼的冷卻速度。它由冷卻噴箱、汽水分離器、氣刀、脫鹽水箱等組成。
（1）冷卻風(fēng)箱
氣霧冷卻的核心是采用高速冷卻水和冷卻空氣，用冷卻水霧化產(chǎn)生的氣霧介質(zhì)冷卻帶鋼，而其中的核心設(shè)備就是冷卻風(fēng)箱。冷卻風(fēng)箱是一個整體噴箱，噴箱下部為帶鋼人口和密封氣刀，中部為氣霧噴嘴與風(fēng)箱，上部為氣霧排放口和帶鋼出口，霧化后的水霧噴吹到帶鋼的表面冷卻帶鋼，以滿足工藝的要求。
（2）噴嘴
噴嘴是冷卻風(fēng)箱的核心，然而不同型式的氣霧噴嘴則有著不同的噴霧形狀和流量分布特性、霧化角、霧粒直徑和流速、沖擊力分布，因此需要根據(jù)各種工況下的霧化狀態(tài)，來采用最合適的噴嘴組。
要想使用中達(dá)到理想的噴吹效果，所以要先在實(shí)驗(yàn)室里對噴嘴進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)不同噴射速度，確定流量系數(shù)，采用粒度分析儀測量霧粒粒徑和速度。采用數(shù)碼照相機(jī)或攝像機(jī)記錄各種工況下的霧化狀態(tài)，完成單個噴嘴性能實(shí)驗(yàn)后，選定一種型式的噴嘴，按照一定噴嘴間距形成噴嘴組。
（3）氣刀
其主要作用是密封，氣刀的角度固定，在穿帶時可以打開。氣刀轉(zhuǎn)動使用氣體壓力，氣刀風(fēng)管下部設(shè)有氣刀轉(zhuǎn)動位置指示盤。在指示盤指針處需安裝位置開關(guān)。
（4）系統(tǒng)控制[5]
在冷卻噴箱入口下方設(shè)置用于測量溫度的輻射高溫計(jì)，用它來測量帶鋼進(jìn)入噴箱前的溫度，并將測量值發(fā)送到上位計(jì)算機(jī)，作為參數(shù)紀(jì)錄，用于研究帶鋼快速冷卻溫度與冷卻速度。
在冷卻噴箱出口上方設(shè)置一個帶鋼溫度測量的輻射高溫計(jì)，測量帶鋼出噴箱后的溫度。該信號與噴水控制閥形成閉環(huán)控制，通過調(diào)節(jié)水量控制帶鋼出噴箱的溫度。該信號與設(shè)定值進(jìn)行比較，以確定冷卻水控制閥的開度。
噴箱內(nèi)不設(shè)邊部擋板，帶鋼寬度方向溫度控制通過噴嘴布置實(shí)現(xiàn)，噴箱接水板間隔為固定值。
1.1.4控制冷卻在板帶材中的應(yīng)用
傳統(tǒng)的控制冷卻方式
控制冷卻技術(shù)隨著鋼鐵材料的性能的提高以及鋼種開發(fā)的需要而產(chǎn)生的，并且得到了廣泛持續(xù)的發(fā)展與應(yīng)用。在60年代后半期控制冷卻出現(xiàn)在熱鋼輸出輥道上，用于材質(zhì)控制，在上世紀(jì)70年代中期，控制冷卻技術(shù)在板帶材鋼種開發(fā)方面初露端倪，人們將這種技術(shù)用于開發(fā)制造管線原板的厚板領(lǐng)域。
（1）快速冷卻技術(shù)
在控制冷卻技術(shù)未出現(xiàn)之前，人們曾經(jīng)采用控制熱軋條件（加熱溫度以及各軋制道次的軋制溫度、壓下量）為主的控制軋制技術(shù)，并且結(jié)合合金元素成分來設(shè)計(jì)生產(chǎn)強(qiáng)度和低溫韌性均較高的板帶材。隨后人們通過實(shí)踐，將提高鋼板性能的研究開始轉(zhuǎn)向控軋后再水冷。最后確認(rèn)通過控制冷卻可在不破壞鋼板韌性的前提下，提高其強(qiáng)度，并且可以保證在同一強(qiáng)度下，實(shí)現(xiàn)低合金化高強(qiáng)度鋼。
快速冷卻技術(shù)作為控軋控冷技術(shù)的重要組成部分，它從發(fā)展到現(xiàn)在，其實(shí)質(zhì)是通過控制軋件的軋制溫度軋后冷卻速率、軋件開冷溫度以及終冷溫度來控制鋼材的高溫奧氏體組織形態(tài)以及組織形態(tài)演變過程，來達(dá)到最終控制鋼材的組織類型形態(tài)及分布并且提高鋼材組織和力學(xué)性能的目的。
（2）直接淬火技術(shù)
從20世紀(jì)50年代以來，日本和美國鋼鐵公司采用加壓淬火裝置，開發(fā)出600～1000MPa級的再加熱淬火回火鋼板，這成為生產(chǎn)調(diào)質(zhì)型高強(qiáng)度鋼的主要工藝。到70年代末，人們嘗試以再加熱淬火的實(shí)用材料為基礎(chǔ)，利用較為經(jīng)濟(jì)的直接淬火及回火工藝來開發(fā)生產(chǎn)高強(qiáng)度鋼。直接淬火是鋼板經(jīng)精軋后進(jìn)行相應(yīng)地在線熱處理相對再加熱淬火工藝其特點(diǎn)為：鋼板經(jīng)精軋后直接進(jìn)入在線熱處理設(shè)備省去了再加熱過程使工序簡化生產(chǎn)流程緊湊經(jīng)濟(jì)性好，淬透性好減少了合金元素的含量同時可降低碳含量鋼材焊接性能好。
直接淬火的實(shí)質(zhì)是在熱軋終了后，在軋件處于奧氏體組織時，通過急冷處理使軋件組織產(chǎn)生相變馬氏體和貝氏體，從而細(xì)化晶粒起到改善材質(zhì)韌性的作用[6]。
1.2 模具鋼
1.2.1模具鋼發(fā)展
隨著對模具的要求——如模具向精密、多型腔、高壽命等越來越高，引進(jìn)了不少效果比較好的模具鋼。如：冷作模具鋼、塑料模具鋼、熱作模具鋼等。[7]
近年來，我國模具工業(yè)發(fā)展十分迅速。國內(nèi)現(xiàn)有模具生產(chǎn)廠點(diǎn)有近20000個，從業(yè)人員超過50萬人。模具材料是制造生產(chǎn)模具的基礎(chǔ)，隨著我國模具工業(yè)的發(fā)展和國際化的進(jìn)程，我國模具鋼的產(chǎn)量、生產(chǎn)工藝裝備、質(zhì)量性能、品種規(guī)格等方面均取得了長足的進(jìn)步。
近幾年， 2000年以來，我國國產(chǎn)模具產(chǎn)值每年平均遞增15%，但國產(chǎn)模具的自配率不足80%，其中中低檔模具供過于求，而高檔模具近50%靠進(jìn)口，尤其是大型、精密、復(fù)雜、長壽命的模具缺口更大。中國是模具進(jìn)口大國，年進(jìn)口金額相當(dāng)于國產(chǎn)模具產(chǎn)值的25%～30%。隨著全球制造業(yè)向中國和東南亞轉(zhuǎn)移，預(yù)計(jì)到2020年中國將成為世界制造強(qiáng)國和制造業(yè)中心，制造業(yè)的發(fā)展向模具鋼提出了更多的要求，必須提高國產(chǎn)模具鋼的質(zhì)量以生產(chǎn)出高質(zhì)量的模具，擺脫長期依賴于進(jìn)口的不利局面，為制造業(yè)的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[13]。根據(jù)文獻(xiàn)資料得到2000年~2007年我國模具鋼產(chǎn)量。[8]
表1-2 我國模具鋼的產(chǎn)量
年份
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
產(chǎn)量/萬t
19
27
33
39
52
54
57
60
同時，中國模具鋼制造水平取得了長足的進(jìn)步。以汽車覆蓋件為代表的大型復(fù)雜沖模，34英寸大屏幕彩電和48英寸背投式電視機(jī)的塑殼模具，6.5kg大容量洗衣機(jī)全套板等塑料模具，自動扶梯整體踏板及汽車后橋齒輪箱的大型精密復(fù)雜壓做模等，我們自己都能生產(chǎn)。如模具CAD/CAE/CAM技術(shù)已廣泛應(yīng)用，并開發(fā)出有自主知識產(chǎn)權(quán)的CAD/CAE/CAM模具軟件：電加工、數(shù)控加工技術(shù)在模具制造上普遍采用；一些骨干模具生產(chǎn)企業(yè)開始使用高速加工技術(shù)，這都為國產(chǎn)模具鋼提供了一個潛在的大市場，國產(chǎn)模具鋼要盡快適應(yīng)模具市場的變化趨勢，模具工業(yè)的快速發(fā)展，帶動了國內(nèi)模具鋼的產(chǎn)量、品種、規(guī)格及品質(zhì)水平的提高。
目前，深圳周邊及珠江三角洲地區(qū)已經(jīng)成為中國模具工業(yè)最為發(fā)達(dá)、科技含量最高的區(qū)域。今后幾年，隨著全球制造業(yè)重心加快向我國轉(zhuǎn)移，這一地區(qū)有可能在10年內(nèi)發(fā)展成為世界模具生產(chǎn)中心[9]。
1.2.2塑料模具鋼
模具可以分為金屬成形模和非金屬成形模兩類，而塑料模具是非金屬成形模具中主要模具類型之一。隨著石油、化學(xué)等工業(yè)的迅速發(fā)展，塑料成為了工業(yè)生產(chǎn)中的一種主要原料，導(dǎo)致塑料制品成形模具用鋼已發(fā)展成為一個獨(dú)立部分。
按照塑料成形模具損壞的原因以及加工性能對模具鋼要求，塑料模具鋼應(yīng)具有良好的耐熱性能、機(jī)械強(qiáng)度、耐磨性、耐腐蝕性、切削加工性、鏡面加工性、花紋圖案光蝕性能等[7]。
塑料模具鋼可分為低碳低合金鋼，碳素結(jié)構(gòu)鋼，合金結(jié)構(gòu)鋼，合金工具鋼，析出硬化鋼和馬氏休時效鋼等六種。
根據(jù)成型方式不同，塑料模具鋼有不同的用途[10]。
1）注射成型：用于熱塑性、熱固性樹脂、花紋圖案、透明件、光學(xué)玻璃和鏡片透明塑料件、PVC等的加工。
2）壓縮成型：用于調(diào)價玻璃纖維等無機(jī)物填料一般熱固性樹脂、熱固性樹脂的加工。
1.2.3預(yù)硬型塑料模具鋼
預(yù)硬型塑料模具鋼的特點(diǎn)是在模具加工前需要進(jìn)行預(yù)硬化處理。模具加工成形后可以不再進(jìn)行熱處理，但是模具型腔是從表面向內(nèi)凹陷，因此模具的工作面實(shí)際上是模塊的截面, 因而這就需要要求模塊截面具有均勻的硬度。
常用的預(yù)硬型塑料模具鋼可分為兩類，第一類是結(jié)合塑料模具要求而單獨(dú)開發(fā)的鋼種, 如3Cr2Mo(美國P20)、3Cr2MnNMi o（瑞典718）鋼等；第二類是借用的合金結(jié)構(gòu)鋼以及一些熱作模具鋼的成熟鋼鋼號，如40Cr、42CrMo、3CrMnSiNi2A、5CrMnMo、5CrNMi o、4Cr5MoSiV1鋼等。
預(yù)硬型塑料模具鋼一般用于酚醛樹脂、三聚氰胺樹脂等各種膠木粉的壓制成型以及尼龍、聚甲醛、聚乙烯等各種熱塑性塑料的注射成型。除了要滿足一般的強(qiáng)韌性要求外, 還必須擁有較好的淬透性、截面硬度均勻性、切削加工性、磨拋性及耐蝕性等[11]。
2課題背景及開展研究的意義
2.1課題背景
目前，我國的控冷技術(shù)還不夠完善。我校也曾為大連鋼鐵設(shè)計(jì)了一套控冷設(shè)備，在實(shí)際生產(chǎn)中，仍存在一些缺陷。
2.2開展研究的意義
本課題對氣霧冷卻設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)和理論計(jì)算，使得設(shè)備能夠滿足對模具鋼控冷性能的要求，可以實(shí)現(xiàn)在線控冷，以及實(shí)現(xiàn)控冷工藝的在線自動化。從而提高了產(chǎn)品生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量。
3研究內(nèi)容、預(yù)期目標(biāo)及研究方法
3.1研究內(nèi)容
本課題要求對模具鋼在冷卻過程中達(dá)到冷卻均勻的目的，而鋼板兩側(cè)與空氣接觸面積大，因此溫度低于鋼板中間部分溫度，所以欲使鋼板得到均勻冷卻，氣霧冷卻設(shè)備的噴嘴噴出到模具鋼板上的水霧量應(yīng)該是在板寬方向上呈中凸形。因此需要通過模擬計(jì)算，確定合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以得到合理的噴射曲線，達(dá)到均勻冷卻的目的。
在對本課題的完成中，還需要對氣霧冷卻設(shè)備中使用的噴嘴進(jìn)行選型，對管道的布置形式及其相關(guān)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。
3.2預(yù)期目標(biāo)
通過對氣霧冷卻設(shè)備各基本參數(shù)的理論分析計(jì)算，以及應(yīng)用計(jì)算機(jī)有限元軟件進(jìn)行模擬，尋求合理的設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)，使得氣霧冷卻設(shè)備噴到鋼板表面上的噴量沿鋼板橫向呈中凸曲線分布。同時，對氣霧冷卻設(shè)備的相關(guān)零部件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度等校核計(jì)算，并完成裝配圖以及主要零部件圖的設(shè)計(jì)繪制，最后撰寫一份設(shè)計(jì)說明書。
3.3研究方法
本課題首先通過對氣霧冷卻設(shè)備的相關(guān)知識進(jìn)行充分了解的基礎(chǔ)上，對氣霧冷卻設(shè)備進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化計(jì)算，從而得到合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
通過文獻(xiàn)學(xué)習(xí)，找到理論計(jì)算方法。并且采用理論研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，通過Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬分析，來進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算。
4進(jìn)度安排
1. 第01-02周：查閱文獻(xiàn)資料；
2. 第03-04周：完成開題報告和外文翻譯；
3. 第05-08周：研究確定方案及有關(guān)參數(shù)計(jì)算，總裝圖設(shè)計(jì)繪制；
4. 第09-13周：部件裝配圖及主要零件圖的設(shè)計(jì)繪制；第10周交中期報告；
5. 第14-15周：撰寫論文；
6. 第 16 周： 答辯。
本人簽名：
年 月 日 參 考 文 獻(xiàn)
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[3] 孫本榮，李曼云.鋼的控制軋制和控制冷卻技術(shù)手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1990:17.
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[8]劉偉．P20模具鋼淬火控冷工藝及設(shè)備研究[D]．北京：北京科技大學(xué)，2010．
[9]劉向陽，屈平．我國模具鋼發(fā)展現(xiàn)狀及前景[J],金屬世界,2004(4),25-27.
[10]殷志祥，陳耀華.塑料模具用鋼概況[J].機(jī)械工業(yè)材料.1983,(6),36-42.
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指導(dǎo)教師意見
指導(dǎo)教師簽字：
年 月 日
11
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