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北京科技大學本科生畢業(yè)設計(論文)選題報告
目 錄
1文獻綜述 1
1.1 控冷簡介 1
1.1.1控制冷卻的機理和作用 1
1.1.2控制冷卻的方式 1
1.1.3氣霧冷卻設備 2
1.1.4控制冷卻在板帶材中的應用 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研究內容、預期目標及研究方法 8
3.1研究內容 8
3.2預期目標 8
3.3研究方法 8
4進度安排 9
1文獻綜述
1.1 控冷簡介
1.1.1控制冷卻的機理和作用
鋼以擴散方式從奧氏體轉變?yōu)殍F素體或珠光體型組織，以切變方式從奧氏體轉變?yōu)轳R氏體或貝氏體組織。因此，根據(jù)其相變機理而言，加速冷卻工藝主要是以擴散相變機制和細化晶粒來達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理和提高淬透性來實現(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)品質量
1）機械性能：提高強度并且改善韌性。
2）工藝性能：提高可焊性、裂紋抗力和成形性。
3）組織與結構：提高了組織的分散度、獲得了復相組織并且細化了晶粒。
4）表面質量：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）減輕了構件及其設備重量。
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如下[1] [3] [4]：
（1）水—氣噴霧冷卻
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行冷卻。優(yōu)點是可對板材較冷邊部進行補償，這大大節(jié)省了冷校成本，缺點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)點是水流可以保持成層流狀態(tài)，并且可以得到很強的冷卻能力；上下表面、縱向表面可以得到均勻冷卻。其缺點是冷卻區(qū)距離長；并且集管之間有了一定的距離，這導致了橫向冷卻的不均勻。
（3）水幕冷卻
其優(yōu)點是保持層流狀態(tài)的水流，可以大大提升冷卻速度，并且其對水質的要求不高，容易維護。缺點是帶鋼上下表面以及整個冷卻區(qū)的冷卻十分不均勻；并且可調節(jié)的冷卻速度范圍也相對較小；這導致容易出現(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。對應的缺點點是水消耗量很大，對水質的要求也很高，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)點是冷卻面積很大，冷卻也較均勻。缺點是這種冷卻方式對水質要求極其嚴格，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，因此浪費水資源。
1.1.3氣霧冷卻設備
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)生的氣霧介質冷卻帶鋼，而其中的核心設備就是冷卻風箱。冷卻風箱是一個整體噴箱，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。
要想使用中達到理想的噴吹效果，所以要先在實驗室里對噴嘴進行試驗，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)碼照相機或攝像機記錄各種工況下的霧化狀態(tài)，完成單個噴嘴性能實驗后，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。氣刀轉動使用氣體壓力，氣刀風管下部設有氣刀轉動位置指示盤。在指示盤指針處需安裝位置開關。
（4）系統(tǒng)控制[5]
在冷卻噴箱入口下方設置用于測量溫度的輻射高溫計，用它來測量帶鋼進入噴箱前的溫度，并將測量值發(fā)送到上位計算機，作為參數(shù)紀錄，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置一個帶鋼溫度測量的輻射高溫計，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，通過調節(jié)水量控制帶鋼出噴箱的溫度。該信號與設定值進行比較，以確定冷卻水控制閥的開度。
噴箱內不設邊部擋板，帶鋼寬度方向溫度控制通過噴嘴布置實現(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用
傳統(tǒng)的控制冷卻方式
控制冷卻技術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，用于材質控制，在上世紀70年代中期，控制冷卻技術在板帶材鋼種開發(fā)方面初露端倪，人們將這種技術用于開發(fā)制造管線原板的厚板領域。
（1）快速冷卻技術
在控制冷卻技術未出現(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，并且結合合金元素成分來設計生產(chǎn)強度和低溫韌性均較高的板帶材。隨后人們通過實踐，將提高鋼板性能的研究開始轉向控軋后再水冷。最后確認通過控制冷卻可在不破壞鋼板韌性的前提下，提高其強度，并且可以保證在同一強度下，實現(xiàn)低合金化高強度鋼。
快速冷卻技術作為控軋控冷技術的重要組成部分，它從發(fā)展到現(xiàn)在，其實質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性能的目的。
（2）直接淬火技術
從20世紀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)調質型高強度鋼的主要工藝。到70年代末，人們嘗試以再加熱淬火的實用材料為基礎，利用較為經(jīng)濟的直接淬火及回火工藝來開發(fā)生產(chǎn)高強度鋼。直接淬火是鋼板經(jīng)精軋后進行相應地在線熱處理相對再加熱淬火工藝其特點為：鋼板經(jīng)精軋后直接進入在線熱處理設備省去了再加熱過程使工序簡化生產(chǎn)流程緊湊經(jīng)濟性好，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。
直接淬火的實質是在熱軋終了后，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，從而細化晶粒起到改善材質韌性的作用[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。國內現(xiàn)有模具生產(chǎn)廠點有近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，隨著我國模具工業(yè)的發(fā)展和國際化的進程，我國模具鋼的產(chǎn)量、生產(chǎn)工藝裝備、質量性能、品種規(guī)格等方面均取得了長足的進步。
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%靠進口，尤其是大型、精密、復雜、長壽命的模具缺口更大。中國是模具進口大國，年進口金額相當于國產(chǎn)模具產(chǎn)值的25%～30%。隨著全球制造業(yè)向中國和東南亞轉移，預計到2020年中國將成為世界制造強國和制造業(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)模具鋼的質量以生產(chǎn)出高質量的模具，擺脫長期依賴于進口的不利局面，為制造業(yè)的發(fā)展打下堅實基礎[13]。根據(jù)文獻資料得到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步。以汽車覆蓋件為代表的大型復雜沖模，34英寸大屏幕彩電和48英寸背投式電視機的塑殼模具，6.5kg大容量洗衣機全套板等塑料模具，自動扶梯整體踏板及汽車后橋齒輪箱的大型精密復雜壓做模等，我們自己都能生產(chǎn)。如模具CAD/CAE/CAM技術已廣泛應用，并開發(fā)出有自主知識產(chǎn)權的CAD/CAE/CAM模具軟件：電加工、數(shù)控加工技術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，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，帶動了國內模具鋼的產(chǎn)量、品種、規(guī)格及品質水平的提高。
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、科技含量最高的區(qū)域。今后幾年，隨著全球制造業(yè)重心加快向我國轉移，這一地區(qū)有可能在10年內發(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，導致塑料制品成形模具用鋼已發(fā)展成為一個獨立部分。
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，塑料模具鋼應具有良好的耐熱性能、機械強度、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，碳素結構鋼，合金結構鋼，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、光學玻璃和鏡片透明塑料件、PVC等的加工。
2）壓縮成型：用于調價玻璃纖維等無機物填料一般熱固性樹脂、熱固性樹脂的加工。
1.2.3預硬型塑料模具鋼
預硬型塑料模具鋼的特點是在模具加工前需要進行預硬化處理。模具加工成形后可以不再進行熱處理，但是模具型腔是從表面向內凹陷，因此模具的工作面實際上是模塊的截面, 因而這就需要要求模塊截面具有均勻的硬度。
常用的預硬型塑料模具鋼可分為兩類，第一類是結合塑料模具要求而單獨開發(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構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，我國的控冷技術還不夠完善。我校也曾為大連鋼鐵設計了一套控冷設備，在實際生產(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備進行設計和理論計算，使得設備能夠滿足對模具鋼控冷性能的要求，可以實現(xiàn)在線控冷，以及實現(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)品質量。
3研究內容、預期目標及研究方法
3.1研究內容
本課題要求對模具鋼在冷卻過程中達到冷卻均勻的目的，而鋼板兩側與空氣接觸面積大，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，氣霧冷卻設備的噴嘴噴出到模具鋼板上的水霧量應該是在板寬方向上呈中凸形。因此需要通過模擬計算，確定合理的結構參數(shù)，以得到合理的噴射曲線，達到均勻冷卻的目的。
在對本課題的完成中，還需要對氣霧冷卻設備中使用的噴嘴進行選型，對管道的布置形式及其相關尺寸進行設計計算。
3.2預期目標
通過對氣霧冷卻設備各基本參數(shù)的理論分析計算，以及應用計算機有限元軟件進行模擬，尋求合理的設備結構參數(shù)，使得氣霧冷卻設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，對氣霧冷卻設備的相關零部件進行強度、剛度等校核計算，并完成裝配圖以及主要零部件圖的設計繪制，最后撰寫一份設計說明書。
3.3研究方法
本課題首先通過對氣霧冷卻設備的相關知識進行充分了解的基礎上，對氣霧冷卻設備進行總體結構設計，并進行參數(shù)優(yōu)化計算，從而得到合理的結構參數(shù)。
通過文獻學習，找到理論計算方法。并且采用理論研究與數(shù)值模擬相結合的方法，通過Fluent進行數(shù)值模擬分析，來進行結構參數(shù)的優(yōu)化計算。
4進度安排
1. 第01-02周：查閱文獻資料；
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參數(shù)計算，總裝圖設計繪制；
4. 第09-13周：部件裝配圖及主要零件圖的設計繪制；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
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指導教師意見
指導教師簽字：
年 月 日
11
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