船體構(gòu)件的邊緣加工

武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院船體教研室船體加工與裝配課程課堂教學(xué)設(shè)計編寫者：何志標(biāo)第2次課授課時間第周周第節(jié)課時安排2授課題目（教學(xué)章、節(jié)或主題）項目六船體鋼料加工項目6-2船體構(gòu)件的邊緣加工教學(xué)目的通過講解、展示工廠實際生產(chǎn)的圖片、討論分析等手段，學(xué)習(xí)船體構(gòu)件邊緣加工的主要方法——機械剪切、氣割法和物理切割法。教學(xué)知識目標(biāo)教學(xué)能力目標(biāo)（包括基本任務(wù)、項目、事件）1、熟悉機械剪切和氣割原理、設(shè)備、方法。2、熟悉金屬能進(jìn)行氣割的條件。3、了解數(shù)控氣割的優(yōu)點。4、了解幾種高效能的物理切割方法。5、熟悉用割炬組開坡口的方法。1、能識別鋼機械剪切的設(shè)備和使用方法。2、熟悉手工氣割、半自動氣割和數(shù)控氣割的操作方法。3、能制定用割炬組開坡口的工藝方案。教學(xué)過程設(shè)計復(fù)習(xí)5分鐘，授新課70分鐘，提問10分鐘，小結(jié)和布置作業(yè)5分鐘討論、思考題、作業(yè)討論思考題：1、什么是構(gòu)件邊緣加工？構(gòu)件邊緣加工有哪些常用的工藝方法？2、金屬能進(jìn)行氣割的條件是什么?分析船用鋼材的氣割性能是否良好。3、分析數(shù)控切割法和等離子切割法在構(gòu)件加工過程中各自的優(yōu)越性。課外作業(yè)：習(xí)題集第2、3題參考資料（含參考書、文獻(xiàn)等）《船體修造與工藝》王鴻斌主編人民交通出版社授課類型（請打√）：理論課√練習(xí)課討論課實驗課實訓(xùn)課其他教學(xué)方式（請打√）：講授√討論指導(dǎo)其他教學(xué)資源（請打√）：多媒體√模型實物掛圖音像其他填表說明：1.每項頁面大小可自行添減；2.教學(xué)內(nèi)容與討論、思考題、作業(yè)部分可合二為一。項目6-2船體構(gòu)件的邊緣加工邊緣加工：邊緣的切割和開焊接坡口。邊緣加工方法：機械切割法：剪切，沖孔，刨邊，銑邊等?；瘜W(xué)切割法：氣割。物理切割法：等離子切割，激光切割。一、機械剪切1、剪切原理被切割金屬受到剪刀給予的超過材料極限強度的機械剪切力的擠壓而發(fā)生變形并斷裂分離。機械剪切的過程可分為三個連續(xù)發(fā)生的階段：①彈性變形階段：材料受上、下剪刀作用力，發(fā)生彈性變形，應(yīng)力沒有超過屈服極限。②塑性變形階段：上、下剪刀繼續(xù)作用，應(yīng)力超過屈服極限并繼續(xù)上升，直到相當(dāng)于材料抗剪強度的最大值，塑性剪變形從剪刀的刃邊開始，變形方向沿著滑移面發(fā)生。剪刀擠入被剪金屬的深度隨著材料性質(zhì)的不同可達(dá)其厚度的20～50％。③斷裂階段：隨著塑性變形的增加，由于剪刃間有一定間隙使金屬纖維彎曲拉伸，沿著滑移面的方向逐漸形成裂隙并迅速擴大，直到材料的一部分與另一部分完全脫離，材料即被剪斷。斷口變形情況2、常用的機械剪切加工機床（1）斜刃龍門剪床——剪切長直邊構(gòu)件的專用設(shè)備①工作部分如圖所示：γ＝2°～3°，α＝75°～80°，φ=1.5°～5°S——刀口間隙剪刀長度：1.5～8②剪刀刀口間隙調(diào)整曲線③剪切過程剪床的下剪刀固定，離合器合上，上剪刀做一次下剪動作。完成一次剪切動作后上剪刀回到原來位置時，離合器自行脫開，工作部分停止運動。這樣有充分時間進(jìn)行下一次剪切的各項準(zhǔn)備工作。同時，在上剪刀下剪以前，剪床的壓緊裝置將板料自動壓緊，以免鋼板產(chǎn)生移動或翻轉(zhuǎn)。④剪切板厚：最大可達(dá)20～50mm。⑤優(yōu)點：剪切長直線時，可獲得比較高的精度；加工效率高；經(jīng)濟。（2）壓力剪切機——常見的是剪切與沖孔兩用的聯(lián)合機床①作用：既可以剪切板材和型材，又可以進(jìn)行沖孔。②剪切刀片有效工作長度：剪切刀片較短，一般在300-600mm范圍內(nèi)。③刀片的有效工作長度一般是250-300mm。④適用情況：適宜于剪切短直線，也可以剪切較長直線及曲度較小的外彎曲線，但剪切的質(zhì)量不夠理想。⑤兩種類型：根據(jù)剪刀裝置的方向，壓力剪分縱向和橫向兩種。橫向式壓力剪喉深一般為600—1000mm，板材剪切的寬度受到喉深的限制。而縱向式壓力剪卻無喉深的限制。（3）圓盤剪切機①工作部分如圖示：剪刀由兩個軸線平行或傾斜安裝的錐形圓盤組成。剪切時，上刀盤為主動盤，下刀盤為從動盤。②適用情況：對于厚度較小，具有任意曲線邊緣的船體構(gòu)件，可用圓盤剪切機進(jìn)行剪切。由于這種機床操作復(fù)雜，勞動強度大，所以在船體構(gòu)件的邊緣加工中應(yīng)用較少，主要用于薄板和有色金屬構(gòu)件的曲線邊緣切割。二、氣割氣割：氧—乙炔氣割或氧—丙烷氣割1、氣割的原理氣割示意圖：氣割的實質(zhì)：金屬在氧氣中燃燒。氣割的過程：預(yù)熱→燃燒→去渣。首先用調(diào)節(jié)好的預(yù)熱火焰加熱金屬，使割縫起點的溫度逐步上升，直到達(dá)到被割材料的燃點；然后，放出高壓的純氧氣流，使金屬燃燒(即劇烈氧化)，并將燃燒生成的熔渣(金屬氧化物)迅速吹掉。連續(xù)不斷地進(jìn)行上述過程，就能在被割金屬上形成一條光潔的割縫從而將材料分離開來。2、氧炔焰中性焰：氧氣和乙炔完全燃燒，適合作為預(yù)熱火焰；氧化焰：氧氣燃燒不完全，燃燒溫度低，對金屬產(chǎn)生氧化作用。碳化焰：乙炔燃燒不完全，燃燒彎度低，對金屬產(chǎn)生滲碳作用。3、金屬能進(jìn)行氣割的條件①被割金屬的燃點應(yīng)低于其熔點；②氧化物的熔點應(yīng)低于金屬熔點，并且具有良好的流動性。③金屬在氧氣中燃燒時應(yīng)能放出較多的熱量。④金屬的導(dǎo)熱率不應(yīng)過高。⑤金屬中不應(yīng)含有使氣割過程惡化的雜質(zhì)。4、提高氣割速度的主要途徑提高切割速度是船廠氣割技術(shù)發(fā)展的重要方向。主要途徑：強化對切口處的預(yù)熱；提高切割氧氣流的流速和動量；提高并保持切口區(qū)內(nèi)氧氣的純度。這要求：一方面提高供氧的質(zhì)量，一方面改進(jìn)割嘴的結(jié)構(gòu)。國內(nèi)外都從這幾方面出發(fā)，研制出一些新型割嘴，如擴散型割嘴和具有氧氣屏的割嘴等。5、船廠常用的氣割設(shè)備①手工氣割炬割嘴的運動軌跡由操作者手工控制。事先應(yīng)在鋼板上經(jīng)號料畫出切割線跡，操作者控制割嘴沿切割線跡運動。切割精度主要取決于操作的平穩(wěn)程度。②半自動氣割機組成：切割部分(包括割嘴、氣體管路及其調(diào)節(jié)裝置等)、動力部分(行走電動機和減速裝置等)、輔助設(shè)備(直線軌道和割圓圓規(guī)等)。切割能力：氣割機由電動機驅(qū)動，沿直線軌道作勻速直線運動而實現(xiàn)構(gòu)件直線邊緣的切割。割嘴可以處于垂直位置，也可以傾斜一定的角度以便切割出V型或X型坡口。小車的行走速度就是切割速度，能進(jìn)行無極調(diào)速，速度范圍為50～50mm／min，切割鋼板的厚度為5-60mm，切割圓弧的直徑為200～2000mm。優(yōu)點：與自動氣割機相比，它還具有設(shè)備簡單、便于移動、容易操作、適應(yīng)性強、投資少、易于擴大施工面等③門式自動氣割機組成：在兩根固定導(dǎo)軌上設(shè)置一座堅固的“門”形支架，在支架上裝置一套或數(shù)套切割裝置。切割過程：由電動機驅(qū)動門式支架以一定的速度沿導(dǎo)軌作直線運動(運動速度等于切割裝置的切割速度)，切割裝置隨門式支架的運動而切出一條或數(shù)條精度很高的直線割縫。切割能力：一般，每套切割裝置上都裝有三個割嘴，除切割平直邊緣外，尚可一次割出V型、X型、K型、Y型焊接坡口。優(yōu)點：加工精度高、切割速度快；能將邊緣切割和開坡口一次完成，以代替原來刨邊機的全部工作內(nèi)容，省去原來剪切和半自動氣割中拼板構(gòu)件的二次加工，縮短船體構(gòu)件的加工周期，節(jié)省大量的勞動工時。④光電跟蹤自動氣割機組成：光電跟蹤機構(gòu)，氣割執(zhí)行機構(gòu)。工作過程：光電跟蹤系統(tǒng)自動跟蹤圖紙上的線條；氣割執(zhí)行機構(gòu)按照一定的比例同步地切割出底圖(或仿形圖)上所繪制的船體構(gòu)件。1：1光電跟蹤氣割機：其跟蹤機構(gòu)可直接跟蹤構(gòu)件底圖上的線條，光電跟線切割機：一種小型自動切割機，它能自動跟蹤鋼板上的線條進(jìn)行緩曲線零件的切割。⑤數(shù)控自動氣割機組成：數(shù)字控制部分，氣割執(zhí)行部分。工作原理：把被切割構(gòu)件的圖形用圖形處理語言編成構(gòu)件程序，經(jīng)過通用電子計算機進(jìn)行處理、計算和對數(shù)控指令進(jìn)行編碼，得到數(shù)控切割程序(簡單圖形也可以手工編程序)，然后將其錄入程序載體(紙帶、磁盤等)，再輸入到數(shù)字控制裝置中，以控制氣割執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行切割。切割能力：執(zhí)行部分的機架上安裝有一套或數(shù)套切割裝置。割炬在控制裝置的控制下，除了能作平面移動外，還有自動升降和旋轉(zhuǎn)等功能。能切割不同厚度和任意形狀的構(gòu)件；若切割裝置為多割嘴割炬組，則可切割焊接坡口；若配置有劃線裝置，則還能在鋼板上劃安裝線、加工線和各種符號。數(shù)控氣割的優(yōu)點：根據(jù)CAM提供的資料直接進(jìn)行切割，可實現(xiàn)放樣、切割過程自動化；切割精度高，其誤差可控制在±0.切割效率較之光電跟蹤氣割機高15%以上；可省去號料工序，不僅可以節(jié)省勞動力，改善勞動條件，還可消除各工序間的積累誤差。應(yīng)當(dāng)指出，數(shù)控氣割機必須和計算機輔助建造系統(tǒng)配套使用，否則不能發(fā)揮其優(yōu)越性。三、高效能物理切割法氧炔氣割速度較低、切割范圍狹窄，研究發(fā)展高效能物理切割法以提高切割速度、擴大切割范圍。1、等離子切割①“等離子體”處于完全電離狀態(tài)的氣體，不再由原子、分子構(gòu)成，而是由帶電的離子所組成，但其整體卻保持著電中性。它具有較強的導(dǎo)電能力，能受電場和磁場的作用。②等離子切割原理使用一定的裝置，可獲得流速300～1500m/s、溫度15000～33000℃的高速高溫等離子弧及其焰流，利用它可把割縫處的金屬熔化和蒸發(fā)并吹離基體，隨著割嘴的移動而形成割縫。③等離子發(fā)生裝置圖a）是一種典型的等離子切割裝置。電弧通過噴嘴孔道在鎢極和被切金屬之間燃燒；冷卻氣體使弧柱產(chǎn)生熱收縮效應(yīng)；弧柱電流的固有磁場產(chǎn)生磁收縮效應(yīng)；兩種收縮效應(yīng)與等離子體內(nèi)部的熱擴散作用達(dá)到平衡時，離子體以相當(dāng)高的流速和溫度從噴嘴孔中噴出；高溫高速的離子噴射到被切構(gòu)件上，遇冷便立即復(fù)合成原子或分子，并放出能量，使割縫處的溫度迅速升高而熔化，同時，將被溶化的金屬沖走。圖b)水射流等離子切割裝置在割嘴上的弧柱出口處增加了一圈水射流孔，水射流從四周冷卻電弧，弧柱被進(jìn)一步收縮，電弧的能量密度更集中，從而進(jìn)一步提高切割速度。④等離子切割的優(yōu)點熱變形較?。磺懈钏俣瓤?是氧乙炔切割的3～6倍)；切割質(zhì)量好；能切割的材料多（銅、鋁、不銹鋼和各種高溫難熔金屬）；切割成本低。將等離子切割設(shè)備裝到普通數(shù)控切割機上能提高數(shù)控切割效率。2、激光切割①原理激光器發(fā)出水平激光束經(jīng)過45°全反射以及聚焦形成極小的光斑；被切割材料受激光光斑的照射產(chǎn)生局部高溫(高達(dá)10000℃以上)使材料瞬時熔化或氣化；一定壓力的輔助氣體將割縫處的熔渣吹除；隨著割嘴的移動，在材料上形成割縫，從而使材料被切開。②優(yōu)點速度快，割縫窄(約0.2～0.3mm)，熱影響區(qū)小(寬度約0.1mm)；割縫邊緣垂直度好、光潔度高。應(yīng)用范圍很廣（可切割各種高熔點材料、耐熱合金等特種金屬材料，硅、鍺等半導(dǎo)體材料和塑料、橡膠、石英、陶瓷、玻璃等非金屬材料）。尤其適合薄板的切割。數(shù)控激光切割機以其高效率、高質(zhì)量、高精度的特點，逐漸被國內(nèi)廠家所認(rèn)識。但由于其一次性投資太高，尚阻礙著國內(nèi)船廠應(yīng)用激光切割工藝的進(jìn)程。四、氣割法加工各種焊接坡口利用割炬組可以在構(gòu)件邊緣切割的同時加工所要求的焊接坡口。1、開V型坡口（用二個割炬）方案Ⅰ：所開坡口在板材的正面割炬1：在前，垂直，進(jìn)行直角切斷；割炬2：在后，與加工表面成一傾斜角，割出所需坡口；間距a：依板厚不同而變，不使熔渣粘著板邊的反面。間距b：取決于板的厚度、坡口角度和鈍邊的大小。方案Ⅱ：所開坡口在板材的反面割炬布置與方案I基本相同；b值比方案I小得多。方案Ⅱ和方案I比較切除金屬的體積相同，方案