船體鋼料加工

1、第四章 船體鋼料加工第四章 船體鋼料加工船體鋼料加工：使鋼板和型材成為船體構(gòu)件的工藝過程。船體鋼料加工分為鋼材預(yù)處理、構(gòu)件邊緣加工和構(gòu)件成形加工。鋼材預(yù)處理包括鋼材的矯正、表面清理、防護。構(gòu)件邊緣加工是指邊緣切割和焊接坡口加工。成形加工則是將切割好的平面鋼板加工成構(gòu)成船體所需要的折角、折邊和曲面形狀。船體構(gòu)件加工的常用方法及設(shè)備見下表：表 4-1 船體鋼料加工類別、方法及設(shè)備分類表4-1 構(gòu)件的成組分類方法一、成組技術(shù)概念 成組技術(shù)的實質(zhì)是以零件的結(jié)構(gòu)特征、加工方法和工藝流程的相似性為基礎(chǔ)，打破產(chǎn)品界限，將生產(chǎn)的全部零件進行分類編碼，然后將相似零件匯集成若干不同的零件組，使生產(chǎn)批量增大；在此基

2、礎(chǔ)上，按照零件組的加工要求制定最佳工藝路線；有目的地選擇生產(chǎn)人員和設(shè)備，建立成組地生產(chǎn)單元或生產(chǎn)線，進而采取合理地計劃方式 組織方式和嚴密地控制手段，確保完成任務(wù)。二、對船體構(gòu)件進行分類成組的方法船體構(gòu)件的分類成組方法，主要取決于構(gòu)件特征的相似性和船體加工車間的設(shè)備條件。船體構(gòu)件的相似性主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)特征、 材料特征和工藝特征等的相似性，它們對船體構(gòu)件的分類起決定作用。圖4-1 直邊扁平件工藝流程圖圖4-2 直邊折邊、曲面件工藝流程圖4-2 鋼材預(yù)處理一、鋼材的矯正 船廠中一般用多輥矯平機矯正鋼板變形，用型材矯直機矯正型材的變形。1. 鋼板的矯正 鋼板的矯正實際上是將較長的纖維縮短或是將較短的

3、纖維拉長，使它們和周圍的纖維有相同的長度，從而消除局部不平。根據(jù)軸輥的排列形式和可調(diào)節(jié)輥的位置,多輥矯平機有兩種類型：一類是上下輥列平行且軸輥可以單獨調(diào)節(jié)的矯平機，另一類是上下輥列不平行的矯平機（具體見下圖）。圖4-3 矯平機工作原理圖2型材的矯正 型材主要用型材矯直機進行矯正，工作原理見下圖。圖4-4 型材矯直機的工作原理二、鋼材的表面清理船體的防腐方法主要是用涂料保護和陰極保護相結(jié)合的方法。鋼材預(yù)處理過程中的除銹方法有機械拋丸除銹法和化學(xué)除銹法.1拋丸除銹法 拋丸除銹法一般用于原材料除銹。它是利用專門的拋丸機將鐵丸或其他磨料高速地拋射到鋼材表面，以除去鋼材表面的氧化皮、鐵銹和污垢。圖4-5

4、 拋丸機的基本布置形式2化學(xué)除銹法 對于5mm以下的鋼板可用化學(xué)除銹法，即酸洗法。其基本工藝過程是：將經(jīng)脫脂并洗凈后的鋼材置于酸洗槽內(nèi)，將氧化皮和鐵銹除去，用水洗凈后再用堿液將殘余的酸液予以中和，防止其對鋼材造成腐蝕，然后再用水沖洗干凈。 酸洗除銹法主要用于處理管子，舾裝件和形狀復(fù)雜的零部件，可作為拋丸除銹法的補充手段。三、鋼材預(yù)處理自動流水線所謂鋼材預(yù)處理自動流水線，是指由鋼材輸送、矯正、除銹、噴涂底漆、烘干等工序形成的自動作業(yè)流水線。通常分為鋼板預(yù)處理流水線和型材預(yù)處理流水線。1鋼板預(yù)處理流水線的工藝流程 具體工藝流程件下圖。圖4-6 鋼板預(yù)處理流水線2. 鋼材預(yù)處理自動流水線的特點（1）

5、生產(chǎn)效率高，大型流水線每小時處理鋼板面積達800平方米（2）勞動條件好，除銹過程密閉，全自動控制（3）除銹質(zhì)量理想，表面粗糙度均勻（4）底漆附著牢固，預(yù)處理后的鋼材，露天存放10-12個月不生銹。4-3 構(gòu)件的邊緣加工邊緣加工主要是指邊緣的切割和焊接坡口的加工。目前邊緣加工方法有機械切割法、化學(xué)切割法和物理切割法.一、構(gòu)件的邊緣切割 1機械剪切1）剪切原理機械剪切是指對材料施加超過材料極限強度的機械剪切力，使其擠壓變形并斷裂分離的工藝過程。這一過程可以分為以下三個連續(xù)發(fā)生的階段:（1） 彈性變形階段（2） 塑性變形階段（3）斷裂階段機械剪切加工機床有： 斜刃龍門剪床 壓力剪切機 圓盤剪切機2）

6、斜刃龍門剪床斜刃龍門剪床是用來剪切長直邊構(gòu)件的專用設(shè)備，其工作部分如圖 4-7 所示。圖4-7 龍門剪床工作部分示意圖圖4-8 斜刃龍門剪床的剪刀刀口間隙調(diào)整曲線3）壓力剪切機船廠中常見的壓力剪切機一般是剪切與沖孔兩用的聯(lián)合機床，它既可以剪切板材料和型材，又可以進行沖孔。圖4-9 剪切時喉深影響示意圖圖4-10 Q34-25型縱向式聯(lián)合沖剪機4）圓盤剪切機對于厚度較小，具有任意曲線邊緣的船體構(gòu)件，可用圓盤剪切機的工作部分如圖4-11 所示。圖4-11 圓盤剪切機工作部分示意圖2. 氣割所謂氣割，通常是指氧-乙炔切割或氧-丙炔切割，其實質(zhì)是金屬在氧氣中燃燒。通?？蓪⑵浞譃轭A(yù)熱、燃燒、去渣三個階段

7、。只有滿足以下條件才能進行氣割：（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，并具有良好的流動性。（3）金屬在氧氣中燃燒能放出較多的熱量。（4）金屬的導(dǎo)熱率不應(yīng)過高。（5）金屬不應(yīng)含有使氣割過程惡化的雜質(zhì)。圖4-12 氣割示意圖理論和研究表明，提高氣割速度的主要途徑是：（1）強化對切口處的預(yù)熱；（2）提高切割氧氣流的流速和動量；（3）提高并保持切口區(qū)內(nèi)氧氣的純度。氣割設(shè)備可以分為以下幾種:1）手工氣割炬2）半自動氣割機3）門式自動氣割機 4）光電跟蹤自動氣割機5）數(shù)控自動氣割機圖4-13 半自動氣割機圖4-14 光電頭光學(xué)系統(tǒng)原理圖1）等離子切割 處于完全電離狀態(tài)的氣體便

8、是所謂的“等離子氣體”。 圖4-15 a）是一種典型等離子發(fā)生裝置的示意圖；圖4-15 b）所示為一種較先進的水射流等離子切割示意圖，它與一般的等離子弧切割的區(qū)別主要在于割嘴結(jié)構(gòu)上的不同，其割嘴上的弧柱出口處，增加了一圈水射流孔，水射流從四周射向電弧，經(jīng)水冷卻，弧柱被進一步收縮，電弧的能量密度更為集中，從而進一步提高切割速度。3. 等離子切割和激光切割圖4-15 典型等離子發(fā)生裝置示意圖2）激光切割 圖4-16 所示為激光切割示意圖。 激光切割技術(shù)主要用于金屬薄板的切割，與氧乙炔焰、等離子弧切割相比，它具有速度快、割縫窄、熱影響區(qū)小、割縫邊緣垂直度好、切割邊光潔度高等特點。圖4-16 激光切割

9、示意圖4. 水射流切割水射流切割具有以下特點：不產(chǎn)生熱量，故不會影響材料的特性；割縫質(zhì)量高，不產(chǎn)生任何毛刺和掛渣，割縫邊緣平直，表面光滑；割縫較窄；不易產(chǎn)生環(huán)境污染；生產(chǎn)效率高，對于特殊規(guī)格、大厚度鋼板不需要多道工序而一次完成。二、船體構(gòu)件邊緣切割的主要工藝要求1. 剪切的主要工藝要求1）剪切前應(yīng)根據(jù)構(gòu)件的尺度和邊緣特征選擇合適的剪切機床,并核對機床的工作能力是否滿足所剪切材料的要求，同時還應(yīng)根據(jù)構(gòu)件的厚度調(diào)整上下刀片的間隙，并使其整個刀片長度內(nèi)保持一致；2）當(dāng)一張鋼板上排列多個構(gòu)件時，應(yīng)根據(jù)其排列情況預(yù)先確定剪切順序；3）剪切時，使構(gòu)件的剪切線與下刀口邊緣嚴格對準，保證邊緣不發(fā)生偏差。2.

10、氣割的主要工藝要求1）割前應(yīng)根據(jù)構(gòu)件厚度選擇合適的割嘴；2）切割薄板時割嘴宜后傾30度到45度，切割厚度時割嘴宜前傾10度到20度；3）為了減小構(gòu)件在氣割時的熱變形，操作中應(yīng)遵循:大型構(gòu)件的切割，應(yīng)先從短邊開始；在同一張鋼板上切割尺寸的構(gòu)件時，應(yīng)先割小件，后割大件；切割不同形狀的構(gòu)件時，應(yīng)先割較復(fù)雜的構(gòu)件，后割較簡單的構(gòu)件。三、割嘴運動軌跡的數(shù)字控制原理簡介割嘴每進給一步，控制裝置都要完成“偏差判斷割嘴進給偏差計算終點判斷”四個工作步驟。所謂偏差判斷，就是判別割嘴當(dāng)前位置相對于規(guī)定曲線的偏差，以決定進給的方向；割嘴進給，是指偏差判斷結(jié)果所決定的進給方向驅(qū)動割嘴進給下一步；偏差計算，是在割嘴進給

11、一步后，計算出新切割點相對于規(guī)定曲線之間的位置偏差，作為下一次偏差判斷的依據(jù)；終點判斷，則是判別切割點是否已經(jīng)到達切割程序規(guī)定的終點，如果未到達終點，繼續(xù)重復(fù)上述過程，直至切割出所要求的輪廓曲線。1直線插補原理根據(jù)相似三角形的關(guān)系，有：取 作為偏差公式。memememeYYY XX YXX或mmemFY XX Y圖4-17 直線插補示意圖若 ，表明 點在直線 上；若 ，表明 點在直線 的上方；若 ，表明 點在直線 的下方。0mFmmmOAOAOA0mF0mF若 時，進給后，割嘴的新坐標(biāo)為：新的偏差為：若 時，進給后，割嘴的新坐標(biāo)為：新的偏差為：0mF 111,mmmmXXYY0mF 111mm

12、ememem eemeFY XX YY XX Y YFY1mmeFFX11,1mmmmXX YY若 ，表明切割點在圓弧上；若 ，表明切割點在圓弧外；若 ，表明切割點在圓弧內(nèi)。2圓弧插補原理0mF0mF0mF圖4-18 圓弧插補示意圖若 時，進給后，割嘴的新坐標(biāo)為：新的偏差為：若 時，進給后，割嘴的新坐標(biāo)為：新的偏差為：0mF 111,mmmmXXYY22211121mmmmmFRFXXY0mF 11,1mmmmXX YY121mmmFFY四、船體構(gòu)件邊緣焊接坡口的加工1機械刨邊法刨邊機設(shè)備大，加工效率低，只能加工坡口。2氣割法一般都是在進行構(gòu)件邊緣切割時，同時切割出焊接坡口。 1）V型坡口板邊

13、的氣割加工，可以采用兩個割炬，如圖4-20 所示。 圖4-19 氣割法加工各種焊接坡口圖4-20 用雙割炬開V型坡口2）X型和K型坡口 它是用三個割炬的割炬組來完成的，其割炬布置如圖4-21所示。圖4-21 用三個割炬切割雙面焊接坡口圖4-22 割炬2在切割過程中傾斜的圖解4-4 型材構(gòu)件的成形加工非平直的船體構(gòu)件經(jīng)過邊緣加工后應(yīng)該進行成形加工，以便得到所要求的空間形狀。成形加工包括型材成形加工和板材成形加工。船體結(jié)構(gòu)中常用的型材種類有角鋼和球扁鋼。一、肋骨成形方法及其分類船體肋骨彎曲的方法有以下幾種:1手工熱彎2中頻加熱肋骨彎曲淬火機熱彎3型材矯直機冷彎4三輪滾彎機滾彎5多模頭一次成形數(shù)控肋

14、骨拉彎機冷彎6三支點肋骨冷彎機冷彎7純彎曲原理肋骨冷彎機冷彎圖4-23 三輪滾彎機滾彎肋骨示意圖上述方法可按是否預(yù)熱，進給方式和加工時受力狀態(tài)進行分類。1按是否預(yù)熱冷彎加工，就是在常溫下直接施加外力使型材產(chǎn)生塑性變形，將其彎成所要求的形狀，如方法37。熱彎加工，是將型材加熱到材料結(jié)晶溫度以上，使其塑性增加而易于變形，再施加外力將其彎成所要求的形狀，如方法1、2。 2按進給方式分類方法2、4是連續(xù)進給加工，較適用于加工圓形肋骨，但加工任意形狀的肋骨時，操作較復(fù)雜。方法5是一次成形加工，是指整根肋骨的一次加工成形。方法3、6、7是逐段進給加工。是進給一段彎曲一段。圖4-24 多模頭一次成形肋骨的數(shù)

15、控肋骨拉彎機3按型材受力狀態(tài)分類方法5是應(yīng)用拉彎原理的肋骨冷彎機，優(yōu)點是型材再彎曲過程中不出現(xiàn)壓應(yīng)力，因此產(chǎn)生皺折現(xiàn)象的可能性較小。方法3、4、6是用集中力彎曲原理。方法7是純彎曲原理。力學(xué)中的純彎曲，系指某一段梁截面上只受彎矩作用而不受剪力作用時所產(chǎn)生的平面彎曲狀態(tài)。圖4-25 集中力彎曲時的受力情況圖4-26 純彎曲時的受力情況二、型材構(gòu)件的冷彎成形1三支點逐段進給式肋骨冷彎機 具體見下圖2純彎曲原理肋骨冷彎機 這種肋骨冷彎機有以下優(yōu)點： 1）加工質(zhì)量好 2）加工效率高 3）機床性能比較完善圖4-27 三支點肋骨冷彎機工作部分示意圖圖4-28 50噸純彎曲原理肋骨冷彎機示意圖1肋骨冷彎成形

16、中的若干工藝問題1）檢測和控制成形的方法（1）用鐵樣人工對樣（2）逆直線法a確定型材中和軸位置和中和軸至腹板邊緣的距離b在放樣臺的肋骨型線圖上作出肋骨型材的中和軸曲線，并在中和軸曲線附近畫一條直線c將其分為若干等分，各分點到中和軸曲線端點的弧長為 ；過各分點作其垂線與肋骨線及所配逆直線相交，兩交點間距離為 。hiLiHd量取各分點的 和 值后，先在平直型材上作出中和軸直線e在該直線上量取各 值，得到對應(yīng)的分點f過各分點作中和軸的垂線，在各垂線上以腹板邊緣為起點量取對應(yīng)的 值，得到一組離散點g用樣條將這些點連成一根光順曲線，即為所求的逆直曲線。iLiLiHiH圖4-29 逆直線及其作法（3）仿形

17、控制法 所謂仿形控制，就是在肋骨冷彎機上安裝一套仿形裝置。2）旁彎變形及消除措施 所謂旁彎變形，系指腹板厚度方向上的彎曲變形。 消除旁彎變形主要采用以下措施： （1）采用預(yù)置反變形措施 （2）型材冷彎方法將已產(chǎn)生的旁彎變形消除圖4-30 仿形裝置示意圖圖4-31 旁彎變形產(chǎn)生原因3）型材冷彎過程中的回彈及其處理回彈是指型材冷彎過程中產(chǎn)生塑性變形的同時，也伴隨有彈性變形，外力卸除后彈性變形的恢復(fù)。 處理方法有兩種:（1） 用理論計算的方法預(yù)先算出可能出現(xiàn)的回彈量，將它疊加到彎曲量上使型材過量彎曲，待回彈后即能準確成形。（2）實測出每一次彎曲后的實際回彈量，再以它的大小對型材作過量彎曲。三、型材數(shù)

18、控冷彎的控制方法成型控制的方法主要有1端點測量法所謂端點測量法，就是控制肋骨的端點，使其在彎曲過程中按特定的軌跡運動，從而將平直型材彎成所需要的肋骨。如圖4-32所示。 圖4-32 端點測量法控制原理圖2適應(yīng)控制法它是以每小段肋骨的彎曲撓度作為成形控制量，并且為了避開用理論計算方法求取回彈量。如圖4-33所示，型材受集中載荷作用時，其載荷P和加載點處的撓度V之間有如圖4-34所示的理論關(guān)系。圖4-33 肋骨冷彎的支店布置情況圖4-34 載荷撓度曲線圖4-35 實測的載荷撓度曲線3弦線測量法1）控制原理2）控制量的計算3）回彈問題的處理-逐步逼近法圖4-36 弦線測量法原理圖圖4-37 逐步逼近

19、原理圖四、型材構(gòu)件的熱彎成形這種工藝具有如下特點（1）從感應(yīng)器到噴水圈這一狹窄范圍內(nèi)的肋骨處于高溫狀態(tài)，而其兩側(cè)則處于冷態(tài)，彎曲只再這一加熱窄帶中進行，可有效地避免肋骨的起拱；同時，機床本身不需要很大的彎曲功率和剛度。（2）由于是采用壓力噴水冷卻，能使肋骨達到完全淬火的目的，故而淬火質(zhì)量比水槽中淬火質(zhì)量好；并且可以通過調(diào)節(jié)肋骨進給速度或中頻電源的功率來調(diào)節(jié)淬火的溫度。圖4-38 中頻加熱彎曲淬火工藝示意圖4-5 零件圖元生成與處理 船體非平直鋼板較多，彎曲加工工作量較大。主要的成形加工方法有機械冷彎法和水火彎板法。一般，單向曲度板都采用機械冷彎法加工。而復(fù)雜曲度板則先冷彎機械加工出一個方向的曲

20、度，然后再用水火彎板法加工出其他方向的曲度；若批量較大，則可在壓力機上安裝專用壓模壓制成形。一、鋼板構(gòu)件的冷彎加工1簡單曲度板的冷彎成形具有圓柱或圓錐形的單向曲度板稱為簡單曲度板，可用三輥彎板機加工成形。三輥彎板機分為開式和閉式兩種類型.但是他們只能作上下調(diào)節(jié)不能作其他調(diào)節(jié)，為了解決這些問題，可采用以下機械：（1）三根軸均可上下升降調(diào)節(jié)的三輥彎板機（2）軸輥可作橫向調(diào)節(jié)的三輥彎板機（3）四輥彎板機圖4-39 普通三輥彎板機的彎板情況圖4-40 下輥可上下調(diào)節(jié)的三輥彎板機工作示意圖圖4-41 上輥可橫移的開式三輥彎板機工作示意圖圖4-42 四輥彎板機示意圖圖4-43 能進行矯平的四輥彎板機在用彎

21、板機彎制錐形板時，必須采用如下的工藝措施：（1）為了能獲得錐形板兩端的不同曲率，上輥必須對于下輥呈傾斜狀態(tài)，使錐形曲率大的一端處的上 下輥間距小于另一端；（2）將錐形板作如圖 4-44 所示的35等分的劃分，并分別對其進行輥彎。圖4-44 錐形板三等分分區(qū)輥彎示意圖2復(fù)雜曲度板的冷彎成形具有雙向曲度和多向曲度的板稱為復(fù)雜曲度板，其冷彎主要是液壓機。3數(shù)控彎板簡介圖4-45 液壓機的壓模圖4-46 用三角板確定冷彎加工線圖4-47 多壓頭式數(shù)控彎板機彎板示意圖圖4-48 通用多壓頭式數(shù)控彎板機平面示意圖二、水火彎板所謂水火彎板，是指沿預(yù)定的加熱線用氧-乙炔烘炬對板材進行局部線狀加熱，并用水進行跟蹤冷卻，使板產(chǎn)生局部塑性變形，從而將板彎成所要求的曲面形狀的一種彎板方法，也稱為線狀加熱法。1水火彎板的基