【正文】 行業(yè)發(fā)展最快的現(xiàn)代化切割設備之一，坐標式數(shù)控切割機以其良好的人機對話操作界面及強大的輔助支持功能，并配有自動編程、套料等軟件系統(tǒng)的支持，使數(shù)控切割機在生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用，并以成為我國生產(chǎn)制造企業(yè)切割加工的首選。 本文研究的主要內(nèi)容 在切割技術形形色色的今天，工程機械制造業(yè)的切割設備也將不在“一支獨秀”。 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。圓形結構的端面加工在立式車床或臥式機床上進行。針對這種情況，開發(fā)了一種面向大型節(jié)筒端面坡口加工的新型專用機床。 該研究主要完成以下幾方面工作： ，深入了解目前大型節(jié)筒坡口加工機床的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，結合當前較為成熟的坡口加工機床和坡口加工方法，給出大型節(jié)筒坡口加工機床的總體設計方案。 黑龍江科技 學院畢業(yè)設計（論文） 6 第 2章 機床總體設計 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。 黑龍江科技 學院畢業(yè)設計（論文） 7 機械加工方法 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，沒有熱影響區(qū)。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)剪切后需進行切削加工。但是，風動砂輪、電動砂輪總成本低，用途廣泛，對于厚度小于 8 mm 的部件，多采用磨削方法加工坡口，該方法更適于現(xiàn)場修磨。 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。對 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。 U 形坡口（在板邊加工時實際是 J 形）的下部有圓弧段，氣割時鐵的氧化反應不能像一般氣割時那樣一直垂直向下，當達到一定程度后轉向側面方向。 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，所以在焊前必須對凹痕進行修補。適當?shù)恼{(diào)節(jié)功率大小、氣體類型、氣體流量、進給速度和火焰角度以及噴射距離等， 便 可利用一個電極加工不同 的 厚度和多種材料。切割不銹鋼、鋁及其合金的厚度一般為 3～100 mm。當仔細控制工藝參數(shù)時，斜度可保持在1176。 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 黑龍江科技 學院畢業(yè)設計（論文） 9 噪聲大，污染嚴重。 此外，根據(jù)內(nèi)外割具角度調(diào)整裝置，即由刻盤角度調(diào)整機構調(diào)整等離子切割頭的傾斜角度，可以實現(xiàn)不同角度坡口的加工，適 用于 加工技術 所 要求的坡口角度切割范圍。而專用機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 。另外，還需要注意縮短輔助時間。 黑龍江科技 學院畢業(yè)設計（論文） 10 為了保證機床的加工精度，要求機床要具有相當?shù)膭偠?，此外，機床的熱變形也會影響加工精度。這是一項重要的技術經(jīng)濟指標。而且，摩擦功轉化為熱量，將引起機床的熱變形，又對機床的 運行 帶來不良后果。 6． “ 四化 ” 程度 “ 四化 ” 是指機床品 種系列化、零部件通用化、零件標準化以及機床模塊化?，F(xiàn)代機床模塊化設計是根據(jù)廣大用戶提出的功能要求，設計出一系列具有不同結構和用途，而功能相同并可互換的功能模塊和一些專用部件的設計法。機床色彩的設計應有利于產(chǎn)品功能的發(fā)揮，符合時代特點，滿足使用對象、環(huán)境的審美要求，色彩設計應充分表達產(chǎn)品功能特征并與使用環(huán)境相協(xié)調(diào)。專用機床的布局沒有固定的布局形式，靈活性大，必須根據(jù)被加工工件要求，進行工藝分析，在擬定總體方案中進行總體布局設計。 （ 4）經(jīng)濟效果好，節(jié)省材料，減少機床占地面積等。但在實際應用中，機構整體運動時，需要有其他的附屬裝置，占地面積大，不便于配合其他機構的安裝和運行，導致加工效率低下，且不利于工件的吊裝和加工。立式加工方案如圖 2– 2所示。 表 2– 2 臥式與立式配置的比較 黑龍江科技 學院畢業(yè)設計（論文） 13 項目 臥式配置 立式配置 評價 機床尺寸 m m m m m m 臥式占用空間較小 吊裝方式 壓輪升起，圓筒避過壓輪裝置，徑向吊裝，安放在滾回轉輪上 拉桿降下，圓筒自上而下吊裝，安放在預先放置好的平臺上 立式 對機 床 損害小， 但所 需 徑向空間較大 裝夾方式 兩對滾輪轉輪支承，一對壓輪壓緊，須承受一定的翻倒力矩 中心支承固定，靠摩擦力和平臺的支承使圓筒夾緊 立式比較安 全可靠 加工方式 割具不動，圓筒靠滾輪的轉動帶動，兩組滾輪保持較高的平行度 圓筒不動，割具固定在回轉臺上 立式比較容易實現(xiàn) 加工所須運動空間 m m m m m m 臥式 較小 ， 但占用大量空間 專機裝卸難度 為保證滾輪的平行度，滑動輪平行移動需用導軌限制 專機直接安放在工作場地，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動空間較小，但其對機床損害較大，所需裝夾空間也較大，同時，臥式加工布置還需要有其他的附屬裝置，占地面 積大，結構較復雜，并不利于工件的吊裝和加工。 機床工 作原理 按照實現(xiàn)功能的不同， 大型 節(jié)筒 坡口數(shù)控等離子束加工機床可由工件定位夾緊裝置、回轉工作臺、底座、中央立柱、外割具角度調(diào)整裝置、內(nèi)、外割具徑向進給裝置、內(nèi)、外割具升降裝置、靠背輪機構、液壓動力系統(tǒng) 、 黑龍江科技 學院畢業(yè)設計（論文） 14 控制驅動裝置以及空氣等離子切割裝置等結構組成。 （ 2）回轉工作臺由回轉架和回轉支承構 成。底座下方底板設計有 4 個水平調(diào)節(jié)支座，端面加工時便于加工設備整機水平位置調(diào)平，保證端面加工水平度。 脈沖驅動角度調(diào)整機構實現(xiàn)加工角度的精確調(diào)整。徑向進給平臺上放置內(nèi)、外割具升降裝置，升降裝置采用步進電機和蝸輪蝸桿減速器及單級 蝸桿減速的驅動方式；蝸輪蝸桿減速器采用蝸桿側置式，便于水平旋轉機構的傳動。 1．節(jié)筒； 2．下拉桿機構； 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．外割具防護罩； 8．外割具徑向進給裝置； 9．外割具步進電機； 10．回轉工作臺； 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)割具徑向進給裝置； 18．內(nèi)割具防護罩； 19．內(nèi)割具步進電機； 20．液壓動力系統(tǒng)； 21．中央立柱； 22．回轉支承； 23．底座 圖 2–3 機床總體結構 大型坡口等離子數(shù)控加工機床加工坡口時的工作 過程可 描述如下： （ 1） 預先根據(jù)節(jié)筒的直徑和坡口尺寸，調(diào)整機床內(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。然后，進 給驅動裝置（步進電機）驅動回轉工作臺（內(nèi)、外割具）進行回轉 的同時，固定于回轉工作臺上的 內(nèi)、外割具同時進行 坡口的 等離子切割工作，工作臺回轉一周完成被加工節(jié)筒一端內(nèi)、外坡口的切割加工。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)筒在加工過程中不易在力的作用下變形，保證加工精度。 外割炬 橫向進給 裝置的結構示意如圖 32 所示。 ：絲杠一端固定采用成對雙聯(lián)角接觸球軸承（面對面方式）?；诖?，在外割炬 橫向進給 裝置的結構設計中引入雙桿導向機構和直線軸承（見圖 23），導向桿對稱分布于絲杠的兩側，每個導向桿中間由兩個直線軸承支撐，且兩端還有支撐點，這樣就確保在絲杠驅動和傳動的過程中， 導向桿和絲杠均不會產(chǎn)生跨度變形，保證了加工質量。 外割炬縱向升降裝置坐于橫向滑動臺上，包括升降臺、導向機構、底板、傳動機構、聯(lián)軸器、 L 型板和步進電機等部分。 4. 法蘭盤：材料采用 16Mn；法蘭盤通過六角頭螺栓的作用，使得渦輪蝸桿減速器 緊固在升降臺的底板上，保證傳動的穩(wěn)定性。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現(xiàn)，且液壓系統(tǒng)的進出油管對回轉支撐的回轉不會有任何影響，另外與液壓缸活塞連接的下拉桿的應用極大地降低了加工機床的整體高度，使得整機穩(wěn)定性得到極大地提高。由于回轉支架與底座支承件主要承受正應力的作用，需要較大的抗彎剛度，所以選用矩形面的筋板結構；其次，根據(jù)機床受力特點以及排屑、吊運、安裝等要求，確定結構件結構形式與尺寸參數(shù)；根據(jù)機床設計支承件尺寸設計準則，對于大型機床支承件筋板為 15~20mm，支承壁厚為 30~40mm，選用底座上下板厚為 30mm，加強筋板厚 20mm。 黑龍江科技 學院畢業(yè)設計（論文） 23 圖 37 回轉支架和底座剖視圖 坡口割炬角度及靠背輪 調(diào)整裝置 結構設計 割具角度調(diào)整裝置用來調(diào)整割具的工作角度，關鍵要解決兩方面內(nèi)容 ?；⌒尾壑谢瑒?，滑塊上固定著割具，滑塊沿弧形槽滑動使得割具的角度得到調(diào)整，控制系統(tǒng)通過程序的設置與控制脈沖激發(fā)驅動平面四連桿的運動，實現(xiàn)割具工作角度的精確調(diào)整。靠背輪裝置的底板與縱向升降裝置的上底板連接，使割具做出相應的位移變化，達到加工形狀的 精確控制的目的。建立兩種接觸狀態(tài)下的力學模型如圖 41所示。 由此可以得到表明力與角度關系的矩陣方程式 1 2 3 1 11 2 3 2 03 3 3 1 1 2c os c os c ossi n si n si n0 0 c os ffFNF G Fl F N l F l? ? ?? ? ??? ? ? ? ? ??? ? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? （ 4－ 5） 求解得到 1 1 2 3 1 1 21 2 0 233112 t a n ( )( ) s i n c o ss i n ( )ff fN l F l N l F lN G FllF???????? ? ?????? ? （ 4－ 6） 1 1 2 3 1 1 21 1 0 133212 t a n ( )( ) s i n c o ss i n ( )fN l F l N l F lN G FllF???????????? ? （ 4－ 7） 黑龍江科技 學院畢業(yè)設計（論文） 26 1 1 23 33cos fN l F lF l ?? （ 4－ 8） 根據(jù)已知 的 結構參數(shù)，得到第一種極限狀態(tài)時 壓力為 F1 =? 104N， F2=? 104N， F3=? 104N； 第二種極限狀態(tài)時 壓力 F1 =? 103N， F2=? 103N， F3=? 103N。把 F 數(shù)值代人到壓桿穩(wěn)定性條件式，可以得到： 451 . 4 8 1 0 2 . 1 7 8 1 0 NP c rF N F? ? ? ? ? （ 4－ 10） 下支臂壓桿穩(wěn)定系數(shù)為 5 10 10Pc rst Fn F ?? ? ?? （ 4－ 11） 黑龍江科技 學院畢業(yè)設計（論文） 27 液壓缸體壓強 液壓缸體受力模型如圖 4–2 所示。 取 kp=2，代入各參數(shù)值，得到第一種極限狀態(tài)時 p= MPa；第二種極限狀態(tài)時 p= MPa，這種壓力值屬于低壓范圍。 黑龍江科技 學院畢業(yè)設計（論文） 29 節(jié)筒加工誤差分析 節(jié)筒加工精度主要受到機床的結構設計、節(jié)筒徑向受力變形以及立柱小角度傾斜 3 個方面因素的影響。 立柱小角度傾斜引起的節(jié)筒軸向加工誤差為 ? ?222 1 0 0 0 0c o s ( ) c o s ( ) 2q h h h r h? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? （ 4－ 18） 由于結構設計時確定的中央立柱的垂直度公差等級較高，由此引起的誤差對節(jié)筒加工精度影響很?。s為 ）。通過對機床相關構件的受力計算和分析可知，本機床所涉及的驅動裝置所需的最大驅動力矩 2Nm 左右，基此選取了相應的步進電機；由于本機床基本上不承受傾覆力矩，垂直方向的受力約為 5x121. 04N。該研究主要完成以下幾方面工作： 1．在深入了解目前大型節(jié)筒坡口加工機床的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢的基礎上，結合當前較為成熟的坡口加工機床和坡口加工方法，通過技術分析與比較，選擇 機床結構和加工方式。 黑龍江科技 學院畢業(yè)設計（論文） 32 致謝 感謝尊敬的導師 劉榮濱老師 ，本論文的完成是在他的悉心指導和關心下完成的，從課題選擇、方案制定、工作實施到論文的修改，無不滲透著導師