大型坡口機(jī)夾緊裝置設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)

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1、 黑龍江科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘 要 目前，國(guó)內(nèi)尚無(wú)大型節(jié)筒坡口加工設(shè)備，傳統(tǒng)的坡口加工機(jī)械設(shè)備存在生產(chǎn)效率低下、成本高、難以保證加工精度的缺點(diǎn)，不能滿足超大型節(jié)筒坡口的加工需要。由于大型節(jié)筒坡口加工設(shè)備的使用范圍受到時(shí)間和空間上的限制，通用性差、利用率低、一次性投資成本高，若單純走引進(jìn)之路，則受政治、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等諸多因素限制，且勢(shì)必延長(zhǎng)產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，不能滿足國(guó)防建設(shè)之所需，產(chǎn)品的質(zhì)量安全也無(wú)從保證。因此，為了適應(yīng)國(guó)防建設(shè)的發(fā)展和提高國(guó)防工業(yè)的水平，需要走自主創(chuàng)新的道路，研制一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、效率高、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的大型節(jié)筒坡口加工專(zhuān)用設(shè)備，以提升我國(guó)潛艇的生命力、可靠性和整體性

2、能。 本文重點(diǎn)對(duì)坡口加工機(jī)床的夾緊裝置、徑向進(jìn)給、縱向升降和切割角度調(diào)整等重要部件的設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)和使用的要求，對(duì)夾緊裝置的靜態(tài)剛度和強(qiáng)度、節(jié)筒受力變形和其加工誤差進(jìn)行分析。 關(guān)鍵詞：坡口；等離子束；數(shù)控；機(jī)床 Abstract At present, there isn’t large shell-ring groove processing e

3、quipment in domestic and the traditional groove processing machine equipment has a lot of shortcoming, which includes low productivity, high cost, and inaccuracy so it doesn’t meet the processing needs of the large shell-ring groove processing. Because there is the time and space of application rang

4、e of large shell-ring groove processing equipment are limited and poor universality, poor efficiency, high the once only investment cost. If we only make introduction, there is lots of limited factors such as the aspects of politics, economic and technology etc, which will lead to extend production

5、period, and can’t meet the needs of national defense, and can’t guarantee the safety of production quality. Therefore, in order to adapt to the development of national construction and increase the level of national defense industry, we should be self-reliance and innovation, and develop large shell

6、-ring groove special equipment that has initiative intellectual property, high efficiency and economic practical for increasing the vitality, reliability and whole function of our country’s submarine. The design focus on clamp device, cross feed device, longitudinal lift device and cutting angle ad

7、justing device, based on the require of design and use, aimed at static stiffness and intensity, shell stress transforms and its processing erroranalysis. Key words: groove; Plasma; numerical control; machinery 不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印 - II - 目 錄 摘 要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1 課題背景 1 1.2

8、 切割技術(shù)的現(xiàn)狀、應(yīng)用形式及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性 2 1.3 本文研究的主要內(nèi)容 4 1.3.1 設(shè)備注意事項(xiàng) 4 1.3.2 工作內(nèi)容 5 第2章 機(jī)床總體設(shè)計(jì) 6 2.1 坡口加工工藝 6 2.1.1 機(jī)械加工方法 7 2.1.2 熱切削方法 7 2.2 機(jī)床總體設(shè)計(jì)的基本要求 9 2.3 總體結(jié)構(gòu)布局 11 2.3.1 總體結(jié)構(gòu)布局原則 11 2.3.2 配置形式的選擇 11 2.3.3 方案選擇 12 2.4 機(jī)床工作原理 13 第3章 機(jī)床各個(gè)裝置和機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17 3.1 工件定位夾緊裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17 3.2 割炬橫向進(jìn)

9、給裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17 3.3 割炬縱向升降裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19 3.4 液壓動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21 3.5 回轉(zhuǎn)支架和底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 22 3.6 坡口割炬角度及靠背輪調(diào)整裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 23 第4章 機(jī)床夾緊裝置的計(jì)算與分析 24 4.1 定位夾緊裝置桿類(lèi)構(gòu)件的受力計(jì)算與穩(wěn)定性分析 24 4.2 液壓缸體壓強(qiáng) 27 4.3 中央立柱的強(qiáng)度分析 28 4.4節(jié)筒加工誤差分析 29 4.5相關(guān)關(guān)鍵外購(gòu)件的選取 30 結(jié)論 31 致謝 32 參考文獻(xiàn) 33 附錄 34

10、 CATALOG Abstract I Abstract II First chapter Introduction 1 1.1 Project background 1 1.2 Cutting technology present situation, application and technical economy 2 1.3 The main contents of this paper 4 1.3.1 Equipment characteristics 4 1.3.2 Job content 5 The second chapter Mac

11、hine tool design 6 2.1 Groove machining technology 6 2.1.1 Mechanical processing method 7 2.1.2 Thermal cutting method 7 2.2 The basic requirements of the machine tool design 9 2.3 Overall layout 11 2.3.1 Overall layout principles 11 2.3.2 Configuration option 11 2.3.3 Scheme selecti

12、on 12 2.4 Machine working principle 13 The third chapter Each device and machine tool structure 17 3.1 orkpiece locating and clamping device structure design 17 3.2 Torch transverse feeding device structure design 17 3.3 Torch longitudinal lifting device structure design 19 3.4 Hydraulic

13、 power system structure design 21 3.5 Rotary bracket and the pedestal structure design 22 3.6 Groove cutting angle and the backrest wheel adjusting device structure design 23 The fourth chapter Calculation and analysis of machine tool clamping device 24 4.1 Positioning and clamping device of

14、bar components stress calculation and stability analysis 24 4.2 Hydraulic cylinder pressure 27 4.3 The central pillar of strength analysis 28 4.4 Cylinder machining error analysis 29 4.5 Related key parts selection 30 Conclusion 31 Thank 32 Reference 33 Appendix 34 千萬(wàn)不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)

15、被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行 黑龍江科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第1章 緒論 千萬(wàn)不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行 - 1 - 1.1 課題背景 由于現(xiàn)代海域戰(zhàn)爭(zhēng)日益呈現(xiàn)多層次空間、大立體縱深的特點(diǎn)，所以研制潛艇是國(guó)防建設(shè)的需要，是提高國(guó)防工業(yè)快速反應(yīng)能力的需要，其主要目的是保持威懾力量，應(yīng)對(duì)隨時(shí)可能出現(xiàn)的地區(qū)熱點(diǎn)。反潛導(dǎo)彈、深水炸彈等精確制導(dǎo)武器的出現(xiàn)以及先進(jìn)傳感系統(tǒng)的不斷更新發(fā)

16、展，對(duì)潛艇的生命力構(gòu)成了極大的威脅。與此同時(shí)，世界各國(guó)研制的潛艇也在向深、快、靜的方向發(fā)展，力圖通過(guò)占領(lǐng)海洋的“內(nèi)層空間”，應(yīng)對(duì)外界的潛在威脅。因而，潛深也就成為潛艇隱身性的一個(gè)重要指標(biāo)。根據(jù)國(guó)外資料，大深度潛艇一般系指最大下潛深度超過(guò)500 m或在500 m附近的作戰(zhàn)潛艇。在這種深度下，潛艇不僅要承受巨大的海水壓力，還要克服前進(jìn)過(guò)程中的阻力。因此，對(duì)于潛艇節(jié)筒的加工，采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和方法已不能適應(yīng)大深度潛艇發(fā)展的需要。 潛艇是特殊的制造業(yè)，既不同于一般機(jī)械制造，也有別于水面艦艇的加工，其設(shè)計(jì)既要考慮潛艇平臺(tái)的性能，也要考慮潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)、防御能力和可用性等因素。因此，現(xiàn)代潛艇的設(shè)計(jì)已成為

17、一項(xiàng)綜合的系統(tǒng)工程，制造潛艇所選用的諸多裝置都有其獨(dú)特的要求和特點(diǎn)，這也是有別于其他制造業(yè)的重要特點(diǎn)：如肋骨的彎制和熱處理、高屈強(qiáng)比厚板材料的校平、殼板的彎制與校正、殼圈和肋骨的焊接坡口仿形加工、特殊曲面的開(kāi)孔、上千噸大型立體分段合攏與對(duì)中等。因此，不但要有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹谱鞴に嚕€需要先進(jìn)的工藝設(shè)備。 潛艇的殼體是設(shè)計(jì)與加工是潛艇制造的重要組成部分，對(duì)于大潛深潛艇，為了滿足重量與排水量之比的設(shè)計(jì)指標(biāo)，減少大厚度鋼板帶來(lái)的潛艇重量增加所產(chǎn)生的矛盾，勢(shì)必采用高屈強(qiáng)比材料制造大型薄壁節(jié)筒。將這些大型薄壁節(jié)筒，通過(guò)大合攏技術(shù)便構(gòu)成潛艇的耐壓殼體。由于潛艇殼體尺寸龐大，在生產(chǎn)規(guī)模上屬于小批量生產(chǎn)，所以其加工

18、設(shè)備通用性較差。因此，在確保產(chǎn)品性能和質(zhì)量的前提下，最大限度地縮短研制和生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本和提高經(jīng)濟(jì)效益，潛艇除了要設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)外，高精度制造技術(shù)也是制造潛艇的重要支承。 考慮潛艇制造業(yè)的特點(diǎn)和大型薄壁節(jié)筒加工過(guò)程中的特殊性，為了滿足國(guó)防建設(shè)和促進(jìn)國(guó)防工業(yè)的發(fā)展，亟需設(shè)計(jì)和制造一種精度高、成本低且便于坡口加工的數(shù)控專(zhuān)用設(shè)備。 1.2切割技術(shù)的現(xiàn)狀、應(yīng)用形式及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外切割技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，從單一的氧乙炔火焰氣切割發(fā)展成為新型工業(yè)燃?xì)饣鹧媲懈?、等離子弧切割、激光切割、水射流切割等多能源，多種工藝方法在內(nèi)的現(xiàn)代化切割技術(shù)，與此同時(shí)又將現(xiàn)代化控制技術(shù)與切割技術(shù)相結(jié)合，

19、研究開(kāi)發(fā)出新一代的全自動(dòng)切割設(shè)備。 1.2.1 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 1.氧-乙炔/新型燃?xì)饣鹧媲懈? 自1985年法國(guó)人LeChatelier發(fā)明氧-乙炔火焰，到1900年Fouch和Picart制造出第一把氧-乙炔切割炬，氧-乙炔火焰切割作為最古老的熱切割技術(shù)至今仍是機(jī)械制造行業(yè)中的一種加工方法。由于乙炔生產(chǎn)的原料為電石，生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)排出大量電石渣（1t電石生成3.3t電石渣）及HS、SO等有毒有害氣體，嚴(yán)重污染環(huán)境，在制取溶解乙炔氣時(shí)又消耗大量重要化工原料丙酮，增加了生產(chǎn)成本。因此，近20年來(lái)國(guó)內(nèi)外有關(guān)研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)相繼投入大量資金，用于開(kāi)發(fā)研究成本低、安全、低污染的新型燃?xì)?。目前?guó)內(nèi)已經(jīng)自

20、主開(kāi)發(fā)和引進(jìn)了多種新型工業(yè)燃?xì)獯嬉胰灿糜诠I(yè)火焰加工。手工割炬切割厚度可達(dá)到350mm，機(jī)用割炬切割厚度可達(dá)到1800mm。 2.等離子弧切割 等離子弧切割是上世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來(lái)的一種加工方法，當(dāng)時(shí)主要是為解決不銹鋼和有色金屬的切割，先后開(kāi)發(fā)了氬、氫、氮、氧及壓縮空氣等多種氣體，一般等離子弧切割及水再壓縮等離子切割等多種工藝方法，以適應(yīng)不同的需求。 普通等離子電源輸出電流為20~200A，切割厚度為30mm以下；精細(xì)等離子電源輸出電流最高可達(dá)100A，切割厚度為12mm以下，其中精細(xì)等離子割縫寬為0.65mm~0.75mm，與數(shù)控切割機(jī)配合可以達(dá)到0.2mm的切割精度；水再壓縮等

21、離子電源輸出電流可達(dá)1000A，切割厚度可達(dá)到130mm。 目前，等離子弧切割機(jī)的割炬正朝著割縫精度接近激光精度的方向發(fā)展；小功率切割電源向逆變方向發(fā)展，以提高電源效率及電弧的收縮性；大功率切割電源向閘管方向發(fā)展，并采用一定的補(bǔ)償措施以提高效率，從而提高切割速度，改善切割質(zhì)量。近年來(lái)，隨著等離子弧技術(shù)的發(fā)展，切割20mm以下的碳鋼和低合金鋼，因其切割速度快，綜合效益好，在工程機(jī)械制造業(yè)的應(yīng)用有增長(zhǎng)趨勢(shì)。 3.激光切割 激光切割的工業(yè)應(yīng)用始于上世紀(jì)70年代初期。由于其切割尺寸質(zhì)量好、速度快、精度高、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在多種行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。隨著激光器件功率等級(jí)、穩(wěn)定性及可靠性的提高和加

22、工技術(shù)的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴(kuò)大到各種金屬和非金屬板材的切割。據(jù)2002年的統(tǒng)計(jì)表明：在世界激光工業(yè)應(yīng)用范圍內(nèi)，激光切割所占的比例最大，約24%。 4.水射流切割 誰(shuí)射流作為工業(yè)產(chǎn)品的精密加工手段，其特點(diǎn)是沒(méi)有或很少有熱量釋放，無(wú)熱變形，無(wú)氣體或蒸汽排出。該項(xiàng)切割技術(shù)的研究是從20世紀(jì)60年代開(kāi)始的。國(guó)外經(jīng)過(guò)20多年的研究和開(kāi)發(fā)，制造出第一臺(tái)高壓水射流切割設(shè)備，使之能切割各種金屬和陶瓷等材料。我國(guó)于20世紀(jì)90年代開(kāi)發(fā)研制出國(guó)產(chǎn)化的高壓加磨料型水射流切割設(shè)備用于生產(chǎn)。目前大部分水射流切割設(shè)備只要應(yīng)用于非金屬板材的切割。 1.2.2 應(yīng)用形式 無(wú)論哪種切割技術(shù)，均有不同的應(yīng)用形式

23、，火焰、等離子、激光均有小型切割機(jī)械產(chǎn)品和數(shù)控坐標(biāo)式切割機(jī)械產(chǎn)品。其中，火焰切割的小型切割機(jī)械最多，從通用的半自動(dòng)氣割機(jī)、仿形氣割機(jī)、光電跟蹤氣割機(jī)到專(zhuān)用的型鋼氣割機(jī)、馬鞍形氣割機(jī)約20多種類(lèi)型，價(jià)格適宜，大、中、小型企業(yè)均有條件配備，完全可以適合切割人員各種條件下切割生產(chǎn)。另外，還在小型切割機(jī)基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，以完成U、V、Y、K型坡口及球瓣坡口切割和相貫線切割等工藝要求。 坐標(biāo)式數(shù)控切割機(jī)是我國(guó)切割行業(yè)發(fā)展最快的現(xiàn)代化切割設(shè)備之一，坐標(biāo)式數(shù)控切割機(jī)以其良好的人機(jī)對(duì)話操作界面及強(qiáng)大的輔助支持功能，并配有自動(dòng)編程、套料等軟件系統(tǒng)的支持，使數(shù)控切割機(jī)在生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用，并以成為我國(guó)生產(chǎn)制造企

24、業(yè)切割加工的首選。 1.2.3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較 目前，熱切割在工程機(jī)械行業(yè)應(yīng)用廣泛，而火焰、等離子、激光三種切割技術(shù)均屬于熱切割，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性如下： 火焰切割變形大、切割速度較慢、切割前需要預(yù)熱，花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，也采用多割炬同時(shí)切割，但易耗零件的使用壽命。等離子切割雖可切割一切已知金屬板材和許多非金屬材料，最高切割速度可達(dá)10m/min，是火焰切割的10倍，但其切口寬度較大，除薄板外，切割面易“塌邊”，對(duì)中厚度板能夠經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行切割。激光切割機(jī)價(jià)格雖然昂貴，但對(duì)薄板及中厚度板可實(shí)現(xiàn)高速度、高精度切割，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人化操作。 1.3 本文研究的主要內(nèi)容 在切割技術(shù)形形色色的

25、今天，工程機(jī)械制造業(yè)的切割設(shè)備也將不在“一支獨(dú)秀”。近年來(lái)，已經(jīng)形成小型切割設(shè)備與門(mén)架式數(shù)控切割設(shè)備兼?zhèn)?，火焰切割技術(shù)與等離子、激光切割技術(shù)兼容的格局。 1.3.1 設(shè)備注意事項(xiàng) 從重型廠的切割技術(shù)的應(yīng)用情況可看出，工程機(jī)械在選用切割技術(shù)、切割設(shè)備時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面： 1.需明確加工對(duì)象。比如：切割材料、厚度、工件的工藝特殊性等，另外還需要了解公司對(duì)所選用設(shè)備的效率要求； 2.需了解國(guó)內(nèi)外的切割技術(shù)發(fā)展情況、成熟程度，了解各種切割技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，分析綜合效益； 3.選定切割技術(shù)，提出特殊要求； 4.在先進(jìn)切割技術(shù)推廣應(yīng)用的同時(shí)應(yīng)做到環(huán)保、安全、節(jié)能、節(jié)材等，加大相關(guān)新技術(shù)、

26、新工藝的推廣應(yīng)用。 焊接接頭的坡口加工包括焊前成型加工及焊縫根部的碳弧氣刨清理焊根部等。對(duì)焊件的坡口進(jìn)行邊緣加工，常采用氣焊、砂輪打磨以及刨削、銑削等機(jī)械加工方法。可利用改變割醉的傾斜角度來(lái)氣割加工焊接坡口，一般多采用半自動(dòng)化氣割機(jī)。坡口機(jī)械加工多采用刨邊機(jī)或銑邊機(jī)，能加工形狀復(fù)雜的坡口，以獲得較好的質(zhì)量。圓形結(jié)構(gòu)的端面加工在立式車(chē)床或臥式機(jī)床上進(jìn)行。 對(duì)接頭雙面焊接時(shí)，為保證焊縫質(zhì)量，特別是根部熔透，需對(duì)根部進(jìn)行清理，以清除焊縫根部的夾雜，裂縫等缺陷。清理焊根可采用砂輪打磨的方法，但目前應(yīng)用較多的是采用碳弧刨清理根部，特別是在返修有焊接缺陷的焊縫時(shí)采用碳弧氣刨容易發(fā)現(xiàn)焊根部各種細(xì)

27、小的缺陷。 1.3.2 工作內(nèi)容 大型薄壁節(jié)筒端面坡口，由于材料硬度大、節(jié)筒尺寸大，導(dǎo)致加工定位和操作困難，不僅難于加工，而且節(jié)筒壁薄容易變形。針對(duì)這種情況，開(kāi)發(fā)了一種面向大型節(jié)筒端面坡口加工的新型專(zhuān)用機(jī)床。該機(jī)床適用節(jié)筒直徑在2 400～2 800 mm、節(jié)筒高度在600～3 000 mm、加工坡口角度在20～60壁厚60 mm的薄壁節(jié)筒加工。該研究主要完成以下幾方面工作： 1.通過(guò)調(diào)研并查閱大量的研究資料，深入了解目前大型節(jié)筒坡口加工機(jī)床的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合當(dāng)前較為成熟的坡口加工機(jī)床和坡口加工方法，給出大型節(jié)筒坡口加工

28、機(jī)床的總體設(shè)計(jì)方案。 2.對(duì)大型節(jié)筒坡口加工機(jī)械系統(tǒng)各組成部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成主要零部件的分析和選擇。重點(diǎn)對(duì)坡口加工機(jī)床的徑向進(jìn)給、縱向提升和切割角度調(diào)整等重要部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。 3.根據(jù)設(shè)計(jì)和使用要求，采用有限元分析軟件對(duì)夾緊裝置的靜態(tài)剛度和強(qiáng)度、節(jié)筒受力變形及其加工誤差進(jìn)行仿真和分析。 第2章 機(jī)床總體設(shè)計(jì) 2.1 坡口加工工藝 坡口加工方法有兩種方法，一種是切削、剪切、磨削等機(jī)械加工方法；另一種是氣割、等離子切割、碳弧氣刨等熱切割方法。常用材料最佳坡口加工方法的選擇見(jiàn)表2–1。 表2–1　坡口加工方法比較 材料 厚度/mm 氧氣切割 等離子切割 碳弧氣刨

29、 沖剪 切削 磨削 碳鋼 3～20 ○ □ □ ☆ ☆ ○ 20～50 ☆ □ ○ □ ○ □ ＞50 ○ — □ □ □ □ 不銹鋼 ＜3 — — — ☆ ☆ ○ 3～20 — □ □ □ ○ ○ 20～50 — □ □ □ □ □ 復(fù)合板 3～20 — — — ☆ ☆ ○ 20～50 □ — — □ ○ □ ＞50 ○ — — □ ○ □ 鈦及鈦合金 ＜3 — — — ☆ □ ☆ 3～20 — — — ○ ○ □ ＞20

30、— — — □ ○ □ 銅及銅合金 3～20 — — □ ☆ ☆ □ 20～50 — □ □ □ ○ □ ＞50 — — — □ — □ 注： ☆——最佳；○——良好；□——可能。 表2–1尚不能形象地、全面地反映現(xiàn)有坡口加工方法的適應(yīng)性，因此，有必要對(duì)各種加工方法的特點(diǎn)加以詳細(xì)比較，以選擇適合于超大型節(jié)筒坡口加工的工藝方案。 2.1.1 機(jī)械加工方法 1．切削 用切削加工坡口的方法有刨、銑兩種，尺寸精度和坡口面的表面粗糙度都很高，沒(méi)有熱影響區(qū)。用切削加工坡口的缺點(diǎn)是：加工面與刃口的冷卻及潤(rùn)滑都必須用潤(rùn)滑油，坡口面的潤(rùn)滑油如果清

31、除不干凈，焊接時(shí)往往造成氣孔、裂紋、氫脆等缺陷。 2．剪切 剪切加工面根據(jù)加工時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)分為喇叭口、剪切面、斷裂面、飛邊四個(gè)部分。各部分對(duì)于板厚的關(guān)系一般是：上刃和下刃間隙大，喇叭口和飛邊相對(duì)較大，導(dǎo)致剪切面變小。因此，采用剪切加工的坡口面由于有喇叭口和飛邊部分，坡口面、鈍邊都不易整齊，一般經(jīng)剪切后需進(jìn)行切削加工。 3．磨削 磨削加工坡口，幾乎都是用手提砂輪機(jī)加工?，F(xiàn)有磨削工具小型輕便，使用方便，但工作效率低，不夠安全，且衛(wèi)生條件差。這種加工方法基本是憑借操作者的經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué)，要保證坡口精度是困難的。但是，風(fēng)動(dòng)砂輪、電動(dòng)砂輪總成本低，用途廣泛，對(duì)于厚度小于8 mm的部件，多采用磨削方法

32、加工坡口，該方法更適于現(xiàn)場(chǎng)修磨。使用該方法時(shí)，要注意選取適合的砂輪，特別是對(duì)于超低不銹鋼及有色金屬，砂輪的砂粒會(huì)污染工件，從而造成脆化。 2.1.2 熱切削方法 1．氧氣切割 該方法在熱切割坡口中最常采用。氧氣切割與機(jī)械加工切割相比，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、投資費(fèi)用少、操作方便且靈活性好的一系列特點(diǎn)，對(duì)于各種含曲線形狀的零件和大厚工件，切割質(zhì)量良好。因此，一直作為工業(yè)生產(chǎn)中切割碳鋼和低合金鋼的基本方法，而被普遍采用。氧氣切割時(shí)在正確掌握切割參數(shù)和操作技術(shù)的條件下，氣割坡口的質(zhì)量良好，可直接用于裝配和焊接。 用于焊接的主要坡口形式有I、V、Y、X、U形等。對(duì)橫截面是直線形的I、V、Y、X形坡口

33、，可采用單割具或2～3把割具同時(shí)加工。對(duì)V形坡口可用3把割具一次加工成型，不僅可以限制多余的熱量輸入，而且能夠保持在板材寬度方向中心部切割。這樣，相對(duì)于切割方向左右對(duì)稱(chēng)加熱，可保持部件的尺寸精度。但是，對(duì)于左右非對(duì)稱(chēng)切割時(shí)，必須考慮由于彎曲和熱變形所造成的尺寸偏差允許值。 U形坡口用氣割工藝加工比機(jī)械加工方法效率高、周期短，且不需要投資高的機(jī)床設(shè)備。U形坡口（在板邊加工時(shí)實(shí)際是J形）的下部有圓弧段，氣割時(shí)鐵的氧化反應(yīng)不能像一般氣割時(shí)那樣一直垂直向下，當(dāng)達(dá)到一定程度后轉(zhuǎn)向側(cè)面方向。為此需采用多割具同時(shí)加工，一邊使工件沿板厚度方向形成溫度梯度，一邊通過(guò)調(diào)節(jié)切割氧壓力割出圓弧段。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)已生產(chǎn)出配

34、有3割具的U形坡口半自動(dòng)氣割機(jī)，可以切割60 mm以下鋼板的U形坡口。另外，U形坡口也可用普通割具與碳弧氣刨組合等方法加工。 由于切割面上產(chǎn)生的氣割凹痕多是造成未焊透和熔合不良的主要原因，所以在焊前必須對(duì)凹痕進(jìn)行修補(bǔ)。對(duì)焊縫質(zhì)量要求高的情況下，必須去除坡口面的氧化皮。 2．等離子切割 等離子加工又稱(chēng)等離子弧加工，是利用電弧放電使氣體電離成過(guò)熱的等離子氣體流束，靠局部熔化及氣化來(lái)去除材料。 等離子弧不但具有溫度高、能量密度大的優(yōu)點(diǎn)，而且焰流可以控制。適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)功率大小、氣體類(lèi)型、氣體流量、進(jìn)給速度和火焰角度以及噴射距離等，便可利用一個(gè)電極加工不同的厚度和多種材料。 等離子加工已廣泛用于

35、切割。各種金屬材料，特別是不銹鋼、銅、鋁的成型切割，已獲得重要的工業(yè)應(yīng)用。它可以快速而較整齊地切割軟鋼、合金鋼、鈦、鑄鐵、鎢、鉬等。切割不銹鋼、鋁及其合金的厚度一般為3～100 mm。等離子切割的速度是很高的，成型切割厚度為25 mm的鋁板時(shí)的切割速度為760 mm/min，而厚度為6.4 mm鋼板的切割速度為4 060 mm/min，采用水噴時(shí)可增加碳鋼的切割速度，對(duì)厚度為5 mm的鋼板，切割速度為6 100 mm/min。 切邊的斜度一般為2～7，當(dāng)仔細(xì)控制工藝參數(shù)時(shí)，斜度可保持在1～2。對(duì)厚度小于25 mm的金屬，切縫寬度通常為2.5～5.0 mm；厚度達(dá)150 mm的金屬，切縫寬度為

36、1 020 mm。加工后的表面粗糙度Ra通常為1.6～3.2 μm，熱影響層分布的深度為1～5 mm，決定于工件的熱學(xué)性質(zhì)、加工速度、切割深度以及所采用的加工參數(shù)。 3．碳弧氣刨 采用碳弧氣刨可加工坡口，但是刨削面精度不高，而且噪聲大，污染嚴(yán)重。碳弧氣刨另一個(gè)主要用途是去除有缺陷的焊縫，用于焊縫返修。 上述比較體現(xiàn)了各種加工方法的優(yōu)缺點(diǎn)，而且，在已有研究中，許多學(xué)者針對(duì)等離子切割的相關(guān)參數(shù)對(duì)切割坡口的影響均作了比較詳細(xì)的論述，文中不再贅述。 在綜合考慮成本、加工質(zhì)量和加工效率的基礎(chǔ)上，該設(shè)計(jì)選取切割速度快、切縫窄、切口光潔、體積小、重量輕、高速節(jié)能的LGK系列空氣等離子切割機(jī)，既能夠保

37、證加工速度，又能夠達(dá)到加工表面粗糙度要求。 此外，根據(jù)內(nèi)外割具角度調(diào)整裝置，即由刻盤(pán)角度調(diào)整機(jī)構(gòu)調(diào)整等離子切割頭的傾斜角度，可以實(shí)現(xiàn)不同角度坡口的加工，適用于加工技術(shù)所要求的坡口角度切割范圍。 2.2 機(jī)床總體設(shè)計(jì)的基本要求 評(píng)價(jià)機(jī)床性能的優(yōu)劣，主要是根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來(lái)判斷，需要若干科學(xué)、簡(jiǎn)明、實(shí)用的評(píng)價(jià)指標(biāo)，可歸納為如下幾個(gè)方面的基本要求。 1．工藝范圍 機(jī)床的工藝范圍包含機(jī)床可以完成的工序種類(lèi)，加工零件的類(lèi)型、材料和尺寸范圍，機(jī)床的生產(chǎn)率和加工零件的單件成本，毛坯的種類(lèi)，適用的生產(chǎn)規(guī)模，加工精度和表面粗糙度等幾方面內(nèi)容。一臺(tái)通用機(jī)床可以完成一定尺寸的各種工件的多種工序加工，以適

38、應(yīng)不同工序的需要，所以加工的工藝范圍應(yīng)該寬廣一些。而專(zhuān)用機(jī)床只能完成一種或幾種工件的特定工序，是為某一特定工藝要求服務(wù)。因此，合理地縮小機(jī)床工藝范圍以簡(jiǎn)化機(jī)床結(jié)構(gòu)、提高效率、保證質(zhì)量、降低成本是設(shè)計(jì)該類(lèi)機(jī)床的基本原則。 2．生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度 要提高機(jī)床的生產(chǎn)率，應(yīng)縮短工作時(shí)間，其中包括切削加工時(shí)間、輔助時(shí)間以及準(zhǔn)備與結(jié)束時(shí)間。為了縮短切削加工時(shí)間，可以采用先進(jìn)刀具，提高切削速度、進(jìn)給速度，加大切削深度等方法。另外，還需要注意縮短輔助時(shí)間。提高機(jī)床的自動(dòng)化程度，可以減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，更好地保證加工精度及穩(wěn)定性。 3．加工精度和表面粗糙度 影響機(jī)床加工精度的主要因素是機(jī)床的精度和靜剛度

39、。機(jī)床的精度包括幾何精度、傳動(dòng)精度、運(yùn)動(dòng)精度和定位精度。為了保證機(jī)床的加工精度，要求機(jī)床要具有相當(dāng)?shù)膭偠龋送?，機(jī)床的熱變形也會(huì)影響加工精度。機(jī)床加工工件表面粗糙度與工件和刀具的材料、進(jìn)給量、刀具幾何開(kāi)關(guān)和切削時(shí)的振動(dòng)有關(guān)。機(jī)床的動(dòng)態(tài)精度是指機(jī)床在重力、夾緊力、切削力、各種激振力和溫升的作用下主要零部件的形位精度。 4．可靠性 機(jī)床的可靠性是指其在額定壽命內(nèi)，在特定工作條件下，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)故障的幾率。這是一項(xiàng)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。隨著自動(dòng)化水平的不斷提高，需要許多機(jī)床、儀表、控制系統(tǒng)和輔助裝置協(xié)同工作。因此，納入自動(dòng)線和局部自動(dòng)化生產(chǎn)中的機(jī)床，對(duì)可靠性有更高的要求。 5．機(jī)床的效率和壽

40、命 機(jī)床的效率是指切削消耗的有效功率與電動(dòng)機(jī)輸出功率之比，兩者的差值就是損失，主要是摩擦損失。而且，摩擦功轉(zhuǎn)化為熱量，將引起機(jī)床的熱變形，又對(duì)機(jī)床的運(yùn)行帶來(lái)不良后果。機(jī)床的壽命是指機(jī)床保持其應(yīng)具有的加工精度的時(shí)間。在壽命期內(nèi)，正常工作條件下，機(jī)床不應(yīng)喪失設(shè)計(jì)時(shí)所規(guī)定的精度性能。對(duì)于中、小型通用機(jī)床，其壽命為8 a左右；對(duì)于專(zhuān)用機(jī)床要求短些，它將隨著所加工產(chǎn)品的更新而廢棄；對(duì)于大型精密級(jí)、高精度級(jí)機(jī)床則要求更長(zhǎng)的壽命。 6．“四化”程度 “四化”是指機(jī)床品種系列化、零部件通用化、零件標(biāo)準(zhǔn)化以及機(jī)床模塊化。系列化包括機(jī)床參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的判定、型譜的編制和產(chǎn)品的系列設(shè)計(jì)。零部件通用化是指不同型號(hào)的機(jī)

41、床采用相同的零部件。標(biāo)準(zhǔn)件是由國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的零件，零件標(biāo)準(zhǔn)化程度高，可以獲得明顯的經(jīng)濟(jì)效益，使成本下降1/4～1/3?，F(xiàn)代機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)是根據(jù)廣大用戶提出的功能要求，設(shè)計(jì)出一系列具有不同結(jié)構(gòu)和用途，而功能相同并可互換的功能模塊和一些專(zhuān)用部件的設(shè)計(jì)法。通過(guò)模塊的不同組合即可組裝成滿足客戶要求的機(jī)床、專(zhuān)用機(jī)床、柔性加工單元等，這種設(shè)計(jì)方法可提高機(jī)床設(shè)計(jì)工作效率和適應(yīng)性。 7．造型與色彩 機(jī)床造型是根據(jù)機(jī)床功能和特點(diǎn)，要簡(jiǎn)潔明快，美觀大方，使用舒適方便。主要有曲線型、方型和梯型三種，目前趨向以方型和梯型相結(jié)合。機(jī)床色彩的設(shè)計(jì)應(yīng)有利于產(chǎn)品功能的發(fā)揮，符合時(shí)代特點(diǎn)，滿足使用對(duì)象、環(huán)境的審美要求，

42、色彩設(shè)計(jì)應(yīng)充分表達(dá)產(chǎn)品功能特征并與使用環(huán)境相協(xié)調(diào)。 2.3 總體結(jié)構(gòu)布局 2.3.1 總體結(jié)構(gòu)布局原則 機(jī)床的總體布局設(shè)計(jì)是指按工藝要求決定機(jī)床所需的運(yùn)動(dòng)，確定機(jī)床的組成部件，以及各個(gè)部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和位置關(guān)系。同時(shí)也要確定操縱、控制機(jī)構(gòu)在機(jī)床中的位置。通用機(jī)床的布局已形成傳統(tǒng)的型式，但是，隨著數(shù)控等新技術(shù)的應(yīng)用，傳統(tǒng)的布局也在發(fā)生變化。專(zhuān)用機(jī)床的布局沒(méi)有固定的布局形式，靈活性大，必須根據(jù)被加工工件要求，進(jìn)行工藝分析，在擬定總體方案中進(jìn)行總體布局設(shè)計(jì)。合理的總體布局的基本要求是： （1）保證工藝方法所要求的節(jié)筒和割具的相對(duì)位置和相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 （2）保證機(jī)床具有與所要求的

43、加工精度相適應(yīng)的剛度和抗振性。 （3）使用方便，便于操作、調(diào)整、維修，便于輸送、裝卸工件。 （4）經(jīng)濟(jì)效果好，節(jié)省材料，減少機(jī)床占地面積等。 2.3.2配置形式的選擇 1．臥式配置　大型節(jié)筒臥式配置方案常采用轉(zhuǎn)輪支承，壓輪壓緊的夾緊方式。該支承方式割具不動(dòng)，由滾輪帶動(dòng)節(jié)筒旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)筒件的坡口加工。該方案結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，便于理解機(jī)構(gòu)各部件的運(yùn)行情況。但在實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)構(gòu)整體運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要有其他的附屬裝置，占地面積大，不便于配合其他機(jī)構(gòu)的安裝和運(yùn)行，導(dǎo)致加工效率低下，且不利于工件的吊裝和加工。由于被加工筒件尺寸龐大，采用該配置方式，節(jié)筒易發(fā)生變形，不利于保證多次抓取工件的定位誤差和加工精

44、度。臥式配置方案如圖2–1所示。 圖2–1　臥式加工方案 2．立式配置　立式配置時(shí)采用節(jié)筒內(nèi)表面定位和夾緊，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的加工頭分別由節(jié)筒內(nèi)、外表面定位，割具的進(jìn)給和升降裝置隨回轉(zhuǎn)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)一周完成一端平端面坡口的加工。立式加工方案如圖2–2所示。 圖2–2　立式加工機(jī)床結(jié)構(gòu) 該方案由于其定位與夾緊裝置連為一體，一次裝夾即可完成一端內(nèi)、外坡口的加工，避免了多次抓取造成的定位誤差。因此，圓筒多豎直放在機(jī)床上，重力方向豎直向下，工件受到的磨削扭力將會(huì)極大減小，有利于減小扭曲變形和外形誤差，因而加工精度容易保證。 2.3.3　方案選擇 臥式和立式配置方案的特點(diǎn)如表2–2所示。

45、 表2–2　臥式與立式配置的比較 項(xiàng)目 臥式配置 立式配置 評(píng)價(jià) 機(jī)床尺寸 3.2 m3.0 m3.5 m 3.6 m3.6 m3.7 m 臥式占用空間較小 吊裝方式 壓輪升起，圓筒避過(guò)壓輪裝置，徑向吊裝，安放在滾回轉(zhuǎn)輪上 拉桿降下，圓筒自上而下吊裝，安放在預(yù)先放置好的平臺(tái)上 立式對(duì)機(jī)床損害小，但所需徑向空間較大 裝夾方式 兩對(duì)滾輪轉(zhuǎn)輪支承，一對(duì)壓輪壓緊，須承受一定的翻倒力矩 中心支承固定，靠摩擦力和平臺(tái)的支承使圓筒夾緊 立式比較安全可靠 加工方式 割具不動(dòng)，圓筒靠滾輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)，兩組滾輪保持較高的平行度 圓筒不動(dòng)，割具固定在回轉(zhuǎn)臺(tái)上 立式比較容易實(shí)現(xiàn)

46、 加工所須運(yùn)動(dòng)空間 6.5 m3.0 m5.0 m 3.6 m3.6 m6.5 m 臥式較小，但占用大量空間 專(zhuān)機(jī)裝卸難度 為保證滾輪的平行度，滑動(dòng)輪平行移動(dòng)需用導(dǎo)軌限制 專(zhuān)機(jī)直接安放在工作場(chǎng)地，不需固定 立式比較容易拆裝 從表2–2可以看出，臥式配置雖然尺寸和加工所需運(yùn)動(dòng)空間較小，但其對(duì)機(jī)床損害較大，所需裝夾空間也較大，同時(shí)，臥式加工布置還需要有其他的附屬裝置，占地面積大，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，并不利于工件的吊裝和加工。從裝夾方式、加工方式和專(zhuān)機(jī)裝卸難度各方面來(lái)看，立式方案要優(yōu)于臥式方案。因此，根據(jù)節(jié)筒加工特點(diǎn)和技術(shù)要求，該設(shè)計(jì)采用立式內(nèi)表面定心方式，將圓筒定位和夾緊裝置合為一體。

47、工件不動(dòng)，割具放置在回轉(zhuǎn)臺(tái)上，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)回轉(zhuǎn)進(jìn)行工件加工，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，便于圓筒吊裝和加工。 2.4機(jī)床工作原理 按照實(shí)現(xiàn)功能的不同，大型節(jié)筒坡口數(shù)控等離子束加工機(jī)床可由工件定位夾緊裝置、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、底座、中央立柱、外割具角度調(diào)整裝置、內(nèi)、外割具徑向進(jìn)給裝置、內(nèi)、外割具升降裝置、靠背輪機(jī)構(gòu)、液壓動(dòng)力系統(tǒng)、控制驅(qū)動(dòng)裝置以及空氣等離子切割裝置等結(jié)構(gòu)組成。各組成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下。 （1）工件定位夾緊裝置由上擺桿、下擺桿、下支臂和擺動(dòng)臂組成8個(gè)平面連桿機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)上擺桿和下擺桿的一端與中央立柱鉸接，另一端和擺動(dòng)臂鉸接；下支臂一端和擺動(dòng)臂鉸接，另一端和液壓動(dòng)力系統(tǒng)的拉桿鉸接；液壓動(dòng)力系統(tǒng)通過(guò)下拉桿帶動(dòng)下

48、支臂來(lái)驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)臂工作，擺動(dòng)臂中放置臂墊板，根據(jù)節(jié)筒的不同直徑，可以調(diào)整接觸狀態(tài)。這種夾緊裝置既便于節(jié)筒的夾緊定位，又能夠保證已成型的節(jié)筒在加工過(guò)程中不易在力的作用下變形，保證加工精度。 （2）回轉(zhuǎn)工作臺(tái)由回轉(zhuǎn)架和回轉(zhuǎn)支承構(gòu)成?；剞D(zhuǎn)支承采用步進(jìn)電機(jī)和行星擺線針輪減速器及二級(jí)減速的驅(qū)動(dòng)方式。行星擺線針輪減速器置于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)預(yù)留空間內(nèi)，空間整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較緊湊。 （3）底座由上下板和加強(qiáng)筋板焊接而成，既可減輕加工設(shè)備的質(zhì)量，又能增加底座的剛度。底座下方底板設(shè)計(jì)有4個(gè)水平調(diào)節(jié)支座，端面加工時(shí)便于加工設(shè)備整機(jī)水平位置調(diào)平，保證端面加工水平度。 （4）中央立柱采用圓柱形、中空的結(jié)構(gòu)方式，既能減輕加工

49、設(shè)備的質(zhì)量，又便于液壓動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)；中央立柱上端采用懸臂結(jié)構(gòu)，便于工件夾緊裝置上下擺桿桿長(zhǎng)的設(shè)計(jì)。 （5）外割具角度調(diào)整裝置由靠背輪機(jī)構(gòu)和脈沖驅(qū)動(dòng)角度調(diào)整機(jī)構(gòu)組成。加工已成形節(jié)筒時(shí)，引入靠背輪是為了保證加工后的端面坡口和已成形節(jié)筒原內(nèi)外表面形狀一致，保證切割的節(jié)筒坡口等寬。脈沖驅(qū)動(dòng)角度調(diào)整機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)加工角度的精確調(diào)整。 （6）內(nèi)、外割具采用徑向進(jìn)給和縱向升降相結(jié)合的運(yùn)動(dòng)方式。內(nèi)、外割具徑向進(jìn)給裝置采用步進(jìn)電機(jī)和絲杠徑向?qū)蝌?qū)動(dòng)結(jié)合方式。絲杠驅(qū)動(dòng)部分均設(shè)計(jì)有水箱和防護(hù)罩，以防止等離子切割所產(chǎn)生的大量灰塵外濺和散發(fā)以及灰塵、金屬切削碎片和其他雜質(zhì)落入回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。徑向進(jìn)給平臺(tái)上放置內(nèi)、外

50、割具升降裝置，升降裝置采用步進(jìn)電機(jī)和蝸輪蝸桿減速器及單級(jí)蝸桿減速的驅(qū)動(dòng)方式；蝸輪蝸桿減速器采用蝸桿側(cè)置式，便于水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)。 （7）液壓動(dòng)力系統(tǒng)的進(jìn)出油管、驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)回轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)以及加工機(jī)床裝置所需的電源插板、導(dǎo)線均布置在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)和底座預(yù)留的空間內(nèi)，使加工機(jī)床整體結(jié)構(gòu)緊湊，便于操作。 （8）電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置均采用轉(zhuǎn)角定位精度無(wú)累積誤差、分辨率小、精度高、低頻無(wú)振蕩、高頻力矩大的混合式BYG系列步進(jìn)電機(jī)；控制徑向進(jìn)給的步進(jìn)電機(jī)置于相應(yīng)的徑向溜板上，控制縱向升降的步進(jìn)電機(jī)置于相應(yīng)的升降臺(tái)上，便于實(shí)際操作控制。 綜合上述設(shè)計(jì)思想，大型節(jié)筒坡口數(shù)控等離子束加工專(zhuān)機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖2–3所示。

51、 1．節(jié)筒；2．下拉桿機(jī)構(gòu)；3．外割具角度調(diào)整裝置；4．外割具靠背輪裝置；5．外割具等離子切割裝置；6．外割具升降裝置；7．外割具防護(hù)罩；8．外割具徑向進(jìn)給裝置；9．外割具步進(jìn)電機(jī)；10．回轉(zhuǎn)工作臺(tái)；11．底座支承調(diào)節(jié)座；12．工件定位夾緊裝置；13．內(nèi)割具靠背輪裝置；14．內(nèi)割具角度調(diào)整裝置；15．內(nèi)割具等離子切割裝置；16．內(nèi)割具升降裝置；17．內(nèi)割具徑向進(jìn)給裝置；18．內(nèi)割具防護(hù)罩；19．內(nèi)割具步進(jìn)電機(jī)；20．液壓動(dòng)力系統(tǒng)；21．中央立柱；22．回轉(zhuǎn)支承；23．底座 圖2–3　機(jī)床總體結(jié)構(gòu) 大型坡口等離子數(shù)控加工機(jī)床加工坡口時(shí)的工作過(guò)程可描述如下： （1） 預(yù)先根據(jù)節(jié)筒的直徑

52、和坡口尺寸，調(diào)整機(jī)床內(nèi)、外割具升降裝置的升降量、割具角度，使其滿足加工要求，并分別調(diào)整內(nèi)、外割具的靠背輪與節(jié)筒內(nèi)、外表面的距離，保證等離子切割頭與被加工坡口間的距離。 （2） 吊裝所要加工的節(jié)筒，通過(guò)底座調(diào)整機(jī)構(gòu)，即底座下方的4個(gè)水平調(diào)節(jié)支座，調(diào)整機(jī)床底座支承件的水平度，使其達(dá)到加工的技術(shù)要求，保證端面加工水平度。機(jī)床工件定位夾緊裝置通過(guò)液壓動(dòng)力系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)由上擺桿、下擺桿、下支臂和擺動(dòng)臂組成的8個(gè)平面連桿機(jī)構(gòu)，對(duì)工件定位和夾緊。 （3） 內(nèi)、外割具徑向進(jìn)給，使靠背輪裝置靠緊節(jié)筒。然后，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置（步進(jìn)電機(jī)）驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)（內(nèi)、外割具）進(jìn)行回轉(zhuǎn)的同時(shí)，固定于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上的內(nèi)、外割具同時(shí)進(jìn)行

53、坡口的等離子切割工作，工作臺(tái)回轉(zhuǎn)一周完成被加工節(jié)筒一端內(nèi)、外坡口的切割加工。 （4） 完成節(jié)筒一端坡口的加工后，內(nèi)、外割具徑向進(jìn)給裝置和升降裝置離開(kāi)節(jié)筒，退回到初始位置，液壓動(dòng)力裝置卸荷，松開(kāi)工件。 （5） 將節(jié)筒翻轉(zhuǎn)，重復(fù)步驟（1）～（4），完成節(jié)筒另一端的坡口加工。 第3章 機(jī)床各個(gè)裝置和機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 工件定位夾緊裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 工件定位夾緊裝置是由包括上擺桿、下擺桿、下支臂和擺動(dòng)臂等組成的8個(gè)異形平面連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成，其功能是通過(guò)液壓動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)8個(gè)異形平面連桿機(jī)構(gòu)對(duì)被加工節(jié)筒進(jìn)行定位夾緊，機(jī)構(gòu)上下擺桿的一端和中央立柱鉸接，另一端和擺動(dòng)臂鉸接，下支臂一端和擺動(dòng)臂鉸接，另一

54、端與下拉桿鉸接，液壓動(dòng)力系統(tǒng)通過(guò)下拉桿帶動(dòng)下支臂來(lái)驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)臂工作，擺動(dòng)臂中放置臂墊板，根據(jù)加工節(jié)筒的直徑的不同，可以調(diào)整接觸狀態(tài)。這種夾緊裝置既便于節(jié)筒的夾緊定位，又能夠保證已成型的節(jié)筒在加工過(guò)程中不易在力的作用下變形，保證加工精度。 工件定位夾緊裝置的結(jié)構(gòu)示意如圖3-1所示。 1.上擺桿 2.下擺桿 3.擺動(dòng)臂 4.下支臂 5.節(jié)筒 6.下拉桿 7.中央立柱 8.液壓系統(tǒng) 圖3-1 工件定位夾緊裝置的結(jié)構(gòu)示意圖 3.2 割炬橫向進(jìn)給裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 割炬橫向進(jìn)給裝置固定在回轉(zhuǎn)支架上，包括外割炬橫向進(jìn)給裝置結(jié)構(gòu)和內(nèi)割炬橫向進(jìn)給結(jié)構(gòu)兩個(gè)部分，兩部分裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原理是一致的，只是

55、具體的設(shè)計(jì)參數(shù)不一樣，這里給出外割炬橫向進(jìn)給裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理。 外割炬橫向進(jìn)給裝置包括滑動(dòng)臺(tái)、防護(hù)罩、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、支撐座、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、聯(lián)軸器、軸承端蓋、軸套、絲杠與絲母、專(zhuān)用彈簧和步進(jìn)電機(jī)等組成部分。 外割炬橫向進(jìn)給裝置的結(jié)構(gòu)示意如圖3-2所示。 1.步進(jìn)電機(jī) 2.聯(lián)軸器 3.絲杠 4.滑動(dòng)臺(tái) 5.專(zhuān)用彈簧 6.絲母 7.防護(hù)罩 8.支承座 圖3-2外割炬橫向進(jìn)給裝置結(jié)構(gòu)示意圖 工作特性: 1.導(dǎo)向機(jī)構(gòu):采用雙桿（光桿）導(dǎo)向方式，光桿材料采用45Cr，且對(duì)稱(chēng)分布于絲杠兩面。 2.傳動(dòng)方式：采用絲杠傳遞力和位移的方式；橫向受力小，傳遞性能好。 3.滑動(dòng)臺(tái)：用于放置外割炬縱

56、向升降裝置，材料采用16Mn；絲母在絲杠的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)專(zhuān)用彈簧與焊接在滑動(dòng)臺(tái)上支板作用，實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)臺(tái)的橫向移動(dòng)；支板有加強(qiáng)筋，不易變形。 4.軸承：絲杠一端固定采用成對(duì)雙聯(lián)角接觸球軸承（面對(duì)面方式）。 5.支撐座：材料采用16Mn，放置步進(jìn)電機(jī)和橫向移動(dòng)裝置。 6.驅(qū)動(dòng):步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器直接驅(qū)動(dòng)絲杠，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。 對(duì)于加工筒徑范圍為2400mm~2800mm的筒體來(lái)說(shuō)，割炬的橫向位移量較大，易產(chǎn)生橫向跨度變形，影響加工質(zhì)量問(wèn)題?；诖耍谕飧罹鏅M向進(jìn)給裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入雙桿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和直線軸承（見(jiàn)圖2-3），導(dǎo)向桿對(duì)稱(chēng)分布于絲杠的兩側(cè)，每個(gè)導(dǎo)向桿中間由兩個(gè)直線軸承支撐，且兩端還有

57、支撐點(diǎn)，這樣就確保在絲杠驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)的過(guò)程中，導(dǎo)向桿和絲杠均不會(huì)產(chǎn)生跨度變形，保證了加工質(zhì)量。專(zhuān)用彈簧的設(shè)計(jì)是為了保證絲杠和絲母接觸的緊密性，有利于絲杠傳遞的穩(wěn)定性和減少?gòu)较蚣庸ふ`差。 1. 絲杠 2. 直線軸承 3. 滑動(dòng)臺(tái)支板 4. 加強(qiáng)筋 5. 光杠 6. 滑動(dòng)臺(tái) 7. 絲母 8. 專(zhuān)用彈簧 圖3-3雙桿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和直線軸承示意圖 3.3 割炬縱向升降裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 割炬縱向升降裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括外割炬縱向升降裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和內(nèi)割炬縱向裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩部分。兩部分裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原理是一致的，只是具體的設(shè)計(jì)參數(shù)不一樣，這里給出外割炬縱向升降裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理。 外割炬縱向升降裝置坐

58、于橫向滑動(dòng)臺(tái)上，包括升降臺(tái)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、底板、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、聯(lián)軸器、L型板和步進(jìn)電機(jī)等部分。 1.升降臺(tái) 2.導(dǎo)向桿 3.緊定螺釘 4.絲杠 5.絲母 6.圓頭普通平鍵 7.渦輪蝸桿減速器 8.六角頭螺栓 9.底板 10.導(dǎo)向套 11.六角螺母 12.法蘭盤(pán) 13.普通螺栓 14.聯(lián)軸器 15.L型板 16.步進(jìn)電機(jī) 圖3-4 割炬縱向升降裝置結(jié)構(gòu)示意圖 結(jié)構(gòu)特點(diǎn): 1. 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)：由導(dǎo)向桿、導(dǎo)向套和六角螺母構(gòu)成，采用基于絲杠中心線斜對(duì)稱(chēng)方式布置，便于導(dǎo)向功能的實(shí)現(xiàn)；導(dǎo)向桿設(shè)計(jì)成軸端突臺(tái)和中間螺紋形式，升降臺(tái)上升時(shí)通過(guò)軸端突臺(tái)的作用使得導(dǎo)向桿沿著導(dǎo)向套上升，升降臺(tái)

59、下降時(shí)通過(guò)六角螺母的作用使得導(dǎo)向桿沿著導(dǎo)向套下降，導(dǎo)向功能好。 2. 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：采用渦輪蝸桿減速器和絲杠驅(qū)動(dòng)升降臺(tái)升降相結(jié)合的傳動(dòng)方式；絲杠通過(guò)升降臺(tái)內(nèi)的絲母對(duì)升降臺(tái)產(chǎn)生作用，絲母和升降臺(tái)的內(nèi)孔緊配合并由緊定螺釘緊固；縱向裝置總體質(zhì)量輕，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)性能好。 3. 驅(qū)動(dòng)：渦輪蝸桿減速器采用步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器直接驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。 4. 法蘭盤(pán)：材料采用16Mn；法蘭盤(pán)通過(guò)六角頭螺栓的作用，使得渦輪蝸桿減速器緊固在升降臺(tái)的底板上，保證傳動(dòng)的穩(wěn)定性。 5. L型板：材料采用16Mn；用于放置步進(jìn)電機(jī)，達(dá)到結(jié)構(gòu)緊湊的目的。 3.4 液壓動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 由于大型節(jié)筒端面坡口加工機(jī)床

60、有較多且復(fù)雜的傳動(dòng)系統(tǒng)，且空間結(jié)構(gòu)比較緊湊，采用一般的液壓系統(tǒng)將會(huì)使大型節(jié)筒端面坡口加工機(jī)床的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜，且難于實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橐簤合到y(tǒng)不僅要實(shí)現(xiàn)工件夾緊裝置的夾緊功能，而且回轉(zhuǎn)支撐回轉(zhuǎn)對(duì)筒體加工時(shí)，液壓系統(tǒng)的進(jìn)出油管將限制回轉(zhuǎn)支撐的回轉(zhuǎn)。針對(duì)這種難題，我們根據(jù)機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)出新的液壓裝置，使中央立柱置于液壓缸內(nèi)缸體內(nèi)，進(jìn)出油管均從回轉(zhuǎn)支撐和底座預(yù)留的空間通過(guò)，并設(shè)計(jì)出下拉桿來(lái)傳遞動(dòng)力驅(qū)動(dòng)夾緊裝置工作。這種液壓系統(tǒng)的布置不僅解決了工件夾緊裝置的夾緊功能實(shí)現(xiàn)，且液壓系統(tǒng)的進(jìn)出油管對(duì)回轉(zhuǎn)支撐的回轉(zhuǎn)不會(huì)有任何影響，另外與液壓缸活塞連接的下拉桿的應(yīng)用極大地降低了加工機(jī)床的整體高度，使得整機(jī)穩(wěn)定性得到極

61、大地提高。 液壓缸結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)分別如圖3-5和圖3-6所示。 1.下缸蓋 2.支撐筒 3.外缸體 4.活塞 5.內(nèi)缸體 6.上缸蓋 7.半環(huán) 圖3-5 液壓缸結(jié)構(gòu)示意圖 、 圖3-6 液壓系統(tǒng)圖 3.5 回轉(zhuǎn)支架和底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 回轉(zhuǎn)支架和底座支承件是機(jī)床的基礎(chǔ)件，其作用是支承機(jī)床零部件，并保持支承零部件間的相互位置關(guān)系和相互運(yùn)動(dòng)精度以及承受各種力和力矩，并保持機(jī)床有足夠的剛度、穩(wěn)定性以及耐用性等。本文進(jìn)行回轉(zhuǎn)支架和底座支承件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先考慮到面向大型節(jié)筒端面坡口加工機(jī)床所屬的機(jī)床類(lèi)型、布局，選定回轉(zhuǎn)支架與底座支承件的形狀。由于回轉(zhuǎn)支架與底座支承件主要承受正應(yīng)力的作

62、用，需要較大的抗彎剛度，所以選用矩形面的筋板結(jié)構(gòu)；其次，根據(jù)機(jī)床受力特點(diǎn)以及排屑、吊運(yùn)、安裝等要求，確定結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式與尺寸參數(shù)；根據(jù)機(jī)床設(shè)計(jì)支承件尺寸設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，對(duì)于大型機(jī)床支承件筋板為15~20mm，支承壁厚為30~40mm，選用底座上下板厚為30mm，加強(qiáng)筋板厚20mm。由于底座承載較大，采用雙層壁結(jié)構(gòu)形式，以提高機(jī)床剛度?；剞D(zhuǎn)支架和底座均是采用上下底板和加強(qiáng)筋板焊接的構(gòu)成方式，回轉(zhuǎn)支架和底座各含有24塊加強(qiáng)筋板并且均勻分布在上下底板之間。 回轉(zhuǎn)支架和底座的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-7所示。 圖3-7 回轉(zhuǎn)支架和底座剖視圖 3.6 坡口割炬角度及靠背輪調(diào)整裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 割具角度調(diào)整裝

63、置用來(lái)調(diào)整割具的工作角度，關(guān)鍵要解決兩方面內(nèi)容。一是角度調(diào)整機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)；二是控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。筆者設(shè)計(jì)的角度調(diào)整機(jī)構(gòu)是一個(gè)平面四連桿機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)連桿驅(qū)動(dòng)滑塊在角度調(diào)整支承架上0～60弧形槽中滑動(dòng)，滑塊上固定著割具，滑塊沿弧形槽滑動(dòng)使得割具的角度得到調(diào)整，控制系統(tǒng)通過(guò)程序的設(shè)置與控制脈沖激發(fā)驅(qū)動(dòng)平面四連桿的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)割具工作角度的精確調(diào)整。 引入靠背輪裝置是為了保證節(jié)筒加工時(shí)，靠背輪始終和節(jié)筒內(nèi)（或外）表面相接觸，實(shí)現(xiàn)割具相對(duì)節(jié)筒的加工定位，保證切割的節(jié)筒坡口等寬，達(dá)到加工形狀的精確控制?？勘齿喲b置采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、絲杠螺母相結(jié)合的傳遞方式。加工過(guò)程中，靠背輪緊貼著內(nèi)（或）外節(jié)筒表面，當(dāng)遇到節(jié)筒壁

64、形狀有變化時(shí)，會(huì)有力作用在靠背輪上，靠背輪通過(guò)銷(xiāo)軸把力傳遞給靠背輪支架，然后通過(guò)螺母、絲杠傳給軸承、端蓋，端蓋把力傳給座套，座套和底板連為一體。靠背輪裝置的底板與縱向升降裝置的上底板連接，使割具做出相應(yīng)的位移變化，達(dá)到加工形狀的精確控制的目的。 第4章 機(jī)床夾緊裝置的計(jì)算與分析 4.1 定位夾緊裝置桿類(lèi)構(gòu)件的受力計(jì)算與穩(wěn)定性分析 加工不同規(guī)格的節(jié)筒時(shí)，工件定位夾緊裝置的擺動(dòng)臂與節(jié)筒內(nèi)表面的接觸狀態(tài)是不同的，使得工件定位夾緊裝置的各個(gè)桿類(lèi)構(gòu)件的受力不同，從而對(duì)節(jié)筒的受力變形有所影響。加工直徑較小、高度較小的節(jié)筒時(shí)，擺動(dòng)臂與節(jié)筒是部分接觸；加工直徑較大、高度較大的節(jié)筒時(shí)，擺動(dòng)臂與節(jié)筒是全接

65、觸。為此加工大節(jié)筒即擺動(dòng)臂與節(jié)筒全接觸時(shí)，把擺動(dòng)臂與節(jié)筒間的接觸應(yīng)力的分布簡(jiǎn)化為近三角形線性分布，記為接觸狀態(tài)一；加工小節(jié)筒即擺動(dòng)臂與節(jié)筒部分接觸時(shí)，把擺動(dòng)臂與節(jié)筒間的接觸應(yīng)力的分布簡(jiǎn)化為近平行四變形線性分布，記為接觸狀態(tài)二。建立兩種接觸狀態(tài)下的力學(xué)模型如圖4-1所示。 圖4-1狀態(tài)一構(gòu)件力學(xué)模型和狀態(tài)二構(gòu)件力學(xué)模型 其中：F1表示下支臂對(duì)擺動(dòng)臂的支持力，F(xiàn)2表示下擺桿對(duì)擺動(dòng)臂的壓力，F(xiàn)3表示上擺桿對(duì)擺動(dòng)臂的壓力，F(xiàn)f表示節(jié)筒與擺動(dòng)臂之間的摩擦力，G0表示擺動(dòng)臂自重，N1表示節(jié)筒對(duì)擺動(dòng)臂的等效壓力，L1、L2、L3分別表示力 N1、Ff、F3對(duì)o點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)力臂。 根據(jù)上述力學(xué)模型，建立

66、求解方程為 （4－1） 即存在方程組 （4－2） 由力學(xué)模型圖，可以看出加工不同的節(jié)筒，各個(gè)桿件擺動(dòng)的角度不同，受力也隨之改變，由此可以寫(xiě)出力F1 、F2和F3關(guān)于角度、、的矩陣方程式為 （4－3） 式中是角度矩陣，F(xiàn)是未知力矩陣，M為常量矩陣。 根據(jù)已知條件補(bǔ)充方程 （4－4） 式中，i=1、2、3，G1表示1/8節(jié)筒的重量。 由此可以得到表明力與角度關(guān)系的矩陣方程式 （4－5） 求解得到 （4－6） （4－7） （4－8） 根據(jù)已知的結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到