【正文】 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。重點對坡口加工機床的徑向進給、縱向提升和切割角度調整等重要部件進行設計。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。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沖剪切削磨削碳鋼3～20○□□☆☆○20～50☆□○□○□＞50○—□□□□不銹鋼＜3———☆☆○3～20—□□□○○20～50—□□□□□復合板3～20———☆☆○20～50□——□○□＞50○——□○□鈦及鈦合金＜3———☆□☆3～20———○○□＞20———□○□銅及銅合金3～20——□☆☆□20～50—□□□○□＞50———□—□注： ☆——最佳；○——良好；□——可能。 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)。2．剪切 剪切加工面根據加工時的應力狀態(tài)分為喇叭口、剪切面、斷裂面、飛邊四個部分。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，一般經剪切后需進行切削加工。現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。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，該方法更適于現場修磨。 熱切削方法 1．氧氣切割 該方法在熱切割坡口中最常采用。因此，一直作為工業(yè)生產中切割碳鋼和低合金鋼的基本方法，而被普遍采用。用于焊接的主要坡口形式有I、V、Y、X、U形等。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。但是，對于左右非對稱切割時，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（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。現在國內已生產出配有3割具的U形坡口半自動氣割機，可以切割60 mm以下鋼板的U形坡口。由于切割面上產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。2．等離子切割 等離子加工又稱等離子弧加工，是利用電弧放電使氣體電離成過熱的等離子氣體流束，靠局部熔化及氣化來去除材料。適當的調節(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。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)應用。切割不銹鋼、鋁及其合金的厚度一般為3～100 mm。切邊的斜度一般為2176。當仔細控制工藝參數時，斜度可保持在1176。對厚度小于25 mm的金屬，～ mm；厚度達150 mm的金屬，切縫寬度為1 020 mm。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，污染嚴重。上述比較體現了各種加工方法的優(yōu)缺點，而且，在已有研究中，許多學者針對等離子切割的相關參數對切割坡口的影響均作了比較詳細的論述，文中不再贅述。此外，根據內外割具角度調整裝置，即由刻盤角度調整機構調整等離子切割頭的傾斜角度，可以實現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。1．工藝范圍 機床的工藝范圍包含機床可以完成的工序種類，加工零件的類型、材料和尺寸范圍，機床的生產率和加工零件的單件成本，毛坯的種類，適用的生產規(guī)模，加工精度和表面粗糙度等幾方面內容。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。2．生產率和自動化程度 要提高機床的生產率，應縮短工作時間，其中包括切削加工時間、輔助時間以及準備與結束時間。另外，還需要注意縮短輔助時間。3．加工精度和表面粗糙度 影響機床加工精度的主要因素是機床的精度和靜剛度。為了保證機床的加工精度，要求機床要具有相當的剛度，此外，機床的熱變形也會影響加工精度。機床的動態(tài)精度是指機床在重力、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。這是一項重要的技術經濟指標。因此，納入自動線和局部自動化生產中的機床，對可靠性有更高的要求。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。在壽命期內，正常工作條件下，機床不應喪失設計時所規(guī)定的精度性能。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。零部件通用化是指不同型號的機床采用相同的零部件?，F代機床模塊化設計是根據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。7．造型與色彩 機床造型是根據機床功能和特點，要簡潔明快，美觀大方，使用舒適方便。機床色彩的設計應有利于產品功能的發(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品功能特征并與使用環(huán)境相協調。同時也要確定操縱、控制機構在機床中的位置。專用機床的布局沒有固定的布局形式，靈活性大，必須根據被加工工件要求，進行工藝分析，在擬定總體方案中進行總體布局設計。（2）保證機床具有與所要求的加工精度相適應的剛度和抗振性。（4）經濟效果好，節(jié)省材料，減少機床占地面積等。該支承方式割具不動，由滾輪帶動節(jié)筒旋轉，從而實現筒件的坡口加工。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。臥式配置方案如圖2–1所示。立式加工方案如圖2–2所示。因此，圓筒多豎直放在機床上，重力方向豎直向下，工件受到的磨削扭力將會極大減小，有利于減小扭曲變形和外形誤差，因而加工精度容易保證。表2–2　臥式與立式配置的比較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。因此，根據節(jié)筒加工特點和技術要求，該設計采用立式內表面定心方式，將圓筒定位和夾緊裝置合為一體。按照實現功能的不同，大型節(jié)筒坡口數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、外割具角度調整裝置、內、外割具徑向進給裝置、內、外割具升降裝置、靠背輪機構、液壓動力系統(tǒng)、控制驅動裝置以及空氣等離子切割裝置等結構組成。（1）工件定位夾緊裝置由上擺桿、下擺桿、下支臂和擺動臂組成8個平面連桿機構，機構上擺桿和下擺桿的一端與中央立柱鉸接，另一端和擺動臂鉸接；下支臂一端和擺動臂鉸接，另一端和液壓動力系統(tǒng)的拉桿鉸接；液壓動力系統(tǒng)通過下拉桿帶動下支臂來驅動擺動臂工作，擺動臂中放置臂墊板，根據節(jié)筒的不同直徑，可以調整接觸狀態(tài)。（2）回轉工作臺由回轉架和回轉支承構成。行星擺線針輪減速器置于回轉工作臺預留空間內，空間整體結構設計比較緊湊。底座下方底板設計有4個水平調節(jié)支座，端面加工時便于加工設備整機水平位置調平，保證端面加工水平度。（5）外割具角度調整裝置由靠背輪機構和脈沖驅動角度調整機構組成。脈沖驅動角度調整機構實現加工角度的精確調整。內、外割具徑向進給裝置采用步進電機和絲杠徑向導向驅動結合方式。徑向進給平臺上放置內、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。（8）電機驅動裝置均采用轉角定位精度無累積誤差、分辨率小、精度高、低頻無振蕩、高頻力矩大的混合式BYG系列步進電機；控制徑向進給的步進電機置于相應的徑向溜板上，控制縱向升降的步進電機置于相應的升降臺上，便于實際操作控制。1．節(jié)筒；2．下拉桿機構；3．外割具角度調整裝置；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．底座支承調節(jié)座；12．工件定位夾緊裝置；13．內割具靠背輪裝置；14．內割具角度調整裝置；15．內割具等離子切割裝置；16．內割具升降裝置；17．內割具徑向進給裝置；18．內割具防護罩；19．內割具步進電機；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） 預先根據節(jié)筒的直徑和坡口尺寸，調整機床內、外割具升降裝置的升降量、割具角度，使其滿足加工要求，并分別調整內、外割具的靠背輪與節(jié)筒內、外表面的距離，保證等離子切割頭與被加工坡口間的距離。機床工件定位夾緊裝置通過液壓動力系統(tǒng)，驅動由上擺桿、下擺桿、下支臂和擺動臂組成的8個平面連桿機構，對工件定位和夾緊。然后，進給驅動裝置（步進電機）驅動回轉工作臺（內、外割具）進行回轉的同時，固定于回轉工作臺上的內、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、外坡口的切割加工。（5） 將節(jié)筒翻轉，重復步驟（1）～（4），完成節(jié)筒另一端的坡口加工。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。 圖31 工件定位夾緊裝置的結構示意圖 割炬橫向進給裝置結構設計割炬橫向進給裝置固定在回轉支架上，包括外割炬橫向進給裝置結構和內割炬橫向進給結構兩個部分，兩部分裝置結構設計的原理是一致的，只是具體的設計參數不一樣，這里給出外割炬橫向進給裝置結構設計原理。外割炬橫向進給裝置的結構示意如圖32所示。：采用絲杠傳遞力和位移的方式；橫向受力小，傳遞性能好。：絲杠一端固定采用成對雙聯角接觸球軸承（面對面方式）。:步進電機通過聯軸器直接驅動絲杠，可以實現無級調速?；诖耍谕飧罹鏅M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生跨度變形，保證了加工質量。1. 絲杠 2. 直線軸承 3. 滑動臺支板 4. 加強筋 5. 光杠 6. 滑動臺 7. 絲母 8. 專用彈簧圖33雙桿導向機構和直線軸承示意圖 割炬縱向升降裝置結構設計割炬縱向升降裝置的結構設計包括外割炬縱向升降裝置結構設計和內割炬縱向裝置結構設計兩部分。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、聯軸器、L型板和步進電機等部分。2. 傳動機構：采用渦輪蝸桿減速器和絲杠驅動升降臺升降相結合的傳動方式；絲杠通過升降臺內的絲母對升降臺產生作用，絲母和升降臺的內孔緊配合并由緊定螺釘緊固；縱向裝置總體質量輕，傳動機構傳動性能好。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。 液壓動力系統(tǒng)結構設計由于大型節(jié)筒端面坡口加工機床有較多且復雜的傳動系統(tǒng)，且空間結構比較緊湊，采用一般的液壓系統(tǒng)將會使大型節(jié)筒端面坡口加工機床的設計變得復雜，且難于實現，因為液壓系統(tǒng)不僅要實現工件夾緊裝置的夾緊功能，而且回轉支撐回轉對筒體加工時，液壓系統(tǒng)的進出油管將限制回轉支撐的回轉。這種液壓系統(tǒng)的布