船舶建造工艺09边缘加工

第二节船体构件的边缘加工船体构件的边缘加工主要是指零件的边缘切割和焊接坡口加工船体构件有直线边缘和曲线边缘之分，加工所用的机械设备和方法也有不同边缘加工的方法有机械切割法(剪切、冲孔、刨边和铣边)化学切割法(氧乙炔气割和氧丙烷气割)物理切割法(等离子切割和激光切割)一、机械剪切法（一）机械剪切原理机械剪切的实质在超过材料极限强度的剪切力作用下，被加工金属受挤压而发生剪切变形和断裂的过程这一过程大致分为三个连续发生的阶段弹性变形阶段塑性变形阶段断裂阶段剪切过程的三个阶段弹性变形阶段剪切开始时上剪刃下压至被加工构件构件在剪切力的作用下发生弹性变形内应力低于材料的屈服极限塑性变形阶段上剪刃继续下压，使被加工构件的内应力超过屈服点并继续上升直到相当于材料抗剪强度的最大值构件在剪力作用下发生塑性的剪切变形塑性变形阶段最大剪切变形从剪刀的刃边部分开始，变形沿滑移面发生由于上下剪刃间具有一定的间隙，剪切变形的同时还存在着弯曲和拉伸变形剪刀挤入被剪金属的深度视材料的硬度和塑性而定一般为被剪金属厚度的20％~50％断裂阶段随塑性变形增加，沿着滑移面的方向逐渐形成裂缝并迅速扩大，直到完全脱离→剪断剪切后的断面剪切边缘有两个明显区域窄面亮的条带区(相当于塑性变形阶段)较宽面无光的断裂条带区在条带区附近纤维受挤部分是机座剪切所造成的硬化区(二)机械剪切加工工艺船体构件的边缘有直线和曲线之分，加工所用的机械设备和方法也有不同直边构件：加工车床主要有斜刃龙门剪床和压力剪切机(或联合冲剪机)两种斜刃龙门剪床是剪切长直边工件的专用设备，对中、薄板较为适宜压力剪切机用于短直线的剪切，加工长直线或缓曲线时，质量较差且操作复杂曲线边缘：加工车床主要是圆盘剪切机，应用较少1.斜刃龙门剪床图示为斜刃龙门剪床工作部分剪切板材时，上剪刀不断做上下往复运动，剪切范围为图中平行四边形ABCD上下剪刀之间的夹角剪床的功率与四边形面积ABCD成正比增大剪床上下剪刀间的夹角可使四边形面积减小，从而降低剪切所需的功率•过大时，斜剪刃所产生的水平分力会使板材移动，给剪切操作带来不便•上下剪刃夹角在1.5°~5°范围取值斜口刀刃的剪角值根据所剪材料的硬度确定在保证刀刃强度的情况下剪切硬或中等硬度材料时，为75°~85°软质金属其值约为65°~70°•为便于刀刃的调用，也有将其做成90°剪刀平面之间的间隙S为减少刀刃与剪截板边的摩擦，有利于板材分离，上下刃口间应留有一定间隙S值根据所剪板材的材料和厚度决定最大不超过板材厚度的7％剪刀刀口间隙调整曲线斜刃龙门剪床剪板刀片斜刃龙门剪床的剪板刀片较长，为1.5~8.3m剪刀的后角γ为2°~3°剪床的下剪刀固定，上剪刀经由离合器与剪床的运动部分相连斜刃龙门剪床工作过程(1)剪切操作时合上离合器，上剪刀做一次下剪动作完成一次剪切后，上剪刀回到原来位置，离合器自行脱开，工作部分停止运动保证安全操作有充分的时间进行下一次剪切的准备工作，有利于提高剪切质量剪刀每分钟行程次数为5~45次剪切板厚可达20~50mm斜刃龙门剪床工作过程(2)斜刃龙门剪床上设有压料架上剪刀下剪前，剪床的压紧装置将板料自动压紧避免钢板在剪切时产生移动和翻转避免剪下的条料出现向下弯曲折卷的现象剪断力P的近似估算系数K1=0.5×10-6K2=1.2×10-6或1.8×10-6(薄板)U为单位剪切功；低碳钢：U=9.8×10-7J/m3t为板厚(mm)221cp2KtKUtP(5)P(5)tgtg或•为抗剪强度(0.8~0.86)(Pa)cpb•考虑弯曲作用，板厚不均匀性及刀口变钝等情况，将P的估算值增加20~30%作为实际剪断力斜刃龙门剪床机械龙门剪床的传动方式有机械传动和液压传动两种液压传动方式的龙门剪床具有的优点结构简单、体积小和重量轻振动小、作用力恒定且可以防止过载工作台可以回转的龙门剪床，在剪裁构件边缘的同时可以直接加工出焊接破口中小型船厂所用钢板不厚，龙门剪床是直线构件边缘加工的高效而经济的加工设备2.压力剪切机常用的压力剪切机为剪切和冲孔两用的联合机床，可剪切板材和型材也可进行冲孔作业剪切机的刀片较短，在300~600mm的范围内刀片实际有效的工作长度为250~300mm，适宜于剪切短直线剪切较长直线及曲度较小的外弯曲线，剪切的质量不理想压力剪切机上下刀刃的夹角取为9°~12°上下剪刀平面之间的间隙S在所剪板材厚度的2％~7％的范围内调整压力剪床的种类根据剪刀装置的方向，压力剪切机分纵向和横向两种横向式压力剪切机如图所示•喉深为600~1000mm•板材剪切的宽度受到喉深的限制•纵向式压力剪切机无喉深的限制•可冲剪金属板材和剪切角钢等型材纵向式压力剪切机示意图3.圆盘剪切机厚度较小，具有任意曲线边缘的船体构件，可用圆盘剪切机进行剪切圆盘剪切机的工作部分如图所示•剪刀由两个锥形圆盘组成•轴线平行安装(图a))•轴线倾斜安装(图b))圆盘剪切机的应用上刀盘为主动盘，下刀盘为从动盘剪刀刃口的重叠值h为板厚的1/5~1/3两个剪刃重叠的弧线很短，所以可用转动被加工构件的方式剪裁曲线轮廓这在斜装的剪床上尤为方便这种剪床操作复杂、劳动强度大，在船体构件的边缘加工中应用较少主要用于薄板和有色金属构件的曲线边缘切割4.剪切加工的主要工艺要求根据构件尺度和边缘特征选择合适的剪切机床,核对机床的工作能力是否满足所剪材料的要求根据构件厚度调整上下刀片的间隙，使其在整个刀片长度内保持一致一张钢板上排列多个构件时，根据排列情况预先确定剪切顺序，以便顺利地进行操作剪切时，应使构件的剪切线与上下刀口边缘严格对准，保证剪切边缘不发生偏差加工后，构件的剪断位置与划线位置的偏移应不超过1.0mm，断面不垂直度应不超过5°二、气割方法(化学切割法)在船体构件加工中，气割方法进行直线边缘和曲线边缘的加工切割各种形状和不同厚度的工件切出各种不同型式的焊接坡口在船体装配中，气割方法广泛应用于切割余量和修正边缘(一)气割原理气割也称火焰切割，通常是指氧—乙炔焰切割或氧—丙烷焰切割实质是金属在氧气中燃烧的过程气割分为金属预热、金属燃烧和去渣三个阶段预热焰加热金属，使割缝起点温度上升达到被切割材料的燃点时，放出高速的切割纯氧气流金属在氧气中急速氧化(燃烧)借助高速氧气流的动能将燃烧生成的熔渣(即金属氧化物)迅速吹除掉连续不断地进行上述过程，从而在被割金属上形成一条割缝将金属分开，达到切割的目的气割的过程铁在纯氧中燃烧的化学反应式2Fe+O2→2FeO+5.380×105J/mol4Fe+3O2→2Fe2O3+1.660×106J/mol3Fe+2O2→Fe3O4+1.117×106J/mol从气割过程的特点可知，只有满足一定条件的金属才能被气割(1)被割金属的燃点必须低于其熔点气割能正常进行的基本条件，因为气割的实质是金属在氧气中的燃烧如果被割金属的燃点高于其熔点，那么金属尚未达到燃点就已熔化，切割过程不是燃烧过程而只是熔化过程气割方法所提供的热能大大低于物理切割法，因此难以得到光滑平整的割缝低碳钢和低合金钢都属于燃点低于熔点的金属，都具有良好的气割性能含碳量对黑色金属燃点和熔点的影响由铁碳合金相图可知，黑色金属的含碳量对其燃点和熔点的影响很大铁碳合金随含碳量的增加，熔点降低、燃点升高含碳量达到0.7%时，铁碳合金的熔点与燃点相同一般含碳量小于0.7%的黑色金属都能满足气割过程是燃烧过程的要求(2)氧化物熔点应低于金属的熔点并且具有良好的流动性气割形成的氧化物熔点低、流动性好,便容易被高速氧气流吹除若氧化物熔点高于金属的熔点，则氧化物不可能以液体状态从切割处排除氧化物薄膜附着在割缝金属表面产生粘渣现象，从而妨碍切割过程的进行铜、铝等金属不符合这个条件，一般不能用气割的方法进行切割(3)金属在氧气中燃烧是放热反应且能放出较多的热量在气割过程中，预热焰的热量约占总热量30%，金属燃烧产生的热量约占70%排除氧化物带走一部分热量，大部分热量用来预热金属并保持切口的温度气割过程中上层金属燃烧放热对下层预热的作用十分重要金属燃烧放出的热量是预热被割金属的主要热源金属燃烧应是放热反应金属的燃烧是吸热反应，可能造成割缝中未燃烧金属预热不足预热达不到金属的燃点，气割过程就会中断此时要使气割过程连续进行，需要消耗更多的热能预热金属，用以维持金属的燃点温度(4)金属的导热率不应过高气割过程中这一点必须满足金属导热率过高，金属切割处的热量将因金属本身的传导而迅速散失切割处温度很快低于燃点，使切割过程不能开始或者中断即使切割过程能够进行，也会导致割缝过大(5)金属中不应含有使气割过程恶化的杂质气割方法属于化学方法，金属中的有害杂质会给气割带来不利影响使氧化物熔点升高；妨碍金属燃烧；使割缝处金属性能变坏、引起裂纹等等含C＞0.7%的钢，必须预热到400℃~700℃时才能进行气割，否则会在割缝表面产生淬化组织，甚至出现裂纹钢中含硫量超过1%~1.2%时，就不能进行气割(二)气割工艺过程1.气割过程常用的燃气气割中常用的燃气主要是乙炔(C2H2)和液化石油气(以丙烷C3H8为主，含有一定的丁烷C4H10和烯烃等成分)燃气焰在火工校正和水火弯板工艺中，也常被用做加工热源乙炔的特点是火焰集中、温度高、预热时间短，起割快，具有一定的切割速度乙炔爆炸极限较宽液化石油气做为燃气在常温下的液化压力较低，便于贮存、运输和管理在气割过程中没有污水和废渣产生，回火和爆炸的可能性很小，使用安全切割出的割缝切口光洁、棱角整齐，而且很少粘渣，在中、厚板中更为突出液化石油气的比重大于空气，在低洼处容易堆积发生危险丙烷气的火焰大、分布宽，对钢板的预热时间长，耗氧量大2.气割常用工艺装备常用的气割装备有手工气割炬半自动气割机门式自动气割机数控自动气割机用于手工操作可燃气体及氧气流进行火焰切割按构造与工作原理，割炬可分为射吸式和中压式两种型式气割过程中，操作者手工控制割嘴的运动轨迹割嘴沿事先在钢板上画出的切割线移动切割的精度主要取决于操作的平稳程度(1)手工气割炬预热氧气经喷射管由细小喷射孔射出在射孔周围造成一个负压区，将聚积在该区的低压乙炔吸出氧和乙炔在混合室以一定比例混合，从割嘴喷出以维持预热火焰的燃烧切割氧气用来加速金属的燃烧射割炬由三部分组成切割部分(包括割嘴、气体管路及调节装置等)动力部分(行走电动机和减速装置等)(2)半自动气割机•辅助设备(直线轨道和割圆圆规等)•气割机由电动机驱动，沿直线轨道做匀速运动而实现构件直线边缘的切割半自动气割机性能割嘴可以倾斜一定角度切割V型或X型焊接坡口小车行走速度就是切割速度，可以在50~750mm/min的范围进行无极调速切割钢板的厚度为5~60mm切割圆弧的直径为200~2000mm割缝光洁，切割精度高与自动切割机比，具有设备简单、移动方便、操作容易以及适应性强、投资少、易于扩大施工面等优点在一座门形支架设置一套或数套切割装置的设备切割时，电动机驱动支架沿两根固定导轨做直线运动运动速度等于切割装置的切割速度切割装置随门式支架的运动切出一条或数条直线割缝切割装置的间距可按被切割构件的尺寸进行调整(3)门式自动气割机应用门式自动气割机切割直边构件，加工精度高、切割速度快通常每套切割装置装有三个割嘴，可一次切割出各种焊接坡口将边缘切割和坡口加工一次完成，取代刨边机的全部工作内容省去原来剪切和半自动气割机中拼板构件的二次加工缩短船体构件的加工周期，节省工时门式自动气割机作业数控自动气割机由数字控制装置和气割执行装置组成通常与计算机辅助建造系统配套使用切割前，需将被切割构件的图形用图形处理语言编成构件程序经计算机处理、计算和对数控指令编码，得到数控切割程序录入程序载(如纸带、磁盘等)切割时，将数控切割程序输入