（机械制造及其自动化专业论文）压力容器筒体焊接法兰孔加工装置的研究与开发.pdf

兰州理- t 大学硕士学位论文 摘要 随着化工行业的发展，压力容器被广泛的使用。压力容器随着生产需求的不断增加， 趋向于大型化方向发展。压力容器筒体在制造过程中，遇到法兰焊接坡口随着筒体壁厚 的不断增加，带来了严重的加工问题。法兰坡口的形状直接影响到坡口与法兰的焊接质 量。本着这一问题，本课题的核心是研发一台专门加工法兰坡口的加工装置。 本课题在深入分析研究压力容器法兰坡口的结构特点、当前加工方法的基础上，对 简体法兰坡口加工问题进行深入研究，提出了实现坡口加工的技术方案，研究开发了一 台主轴可摆动的数控专用机床，用于简体焊接法兰坡口的加工。机床的主运动采用调速 电机驱动，轴向进给运动采用伺服电机驱动，径向进给运动采用步进电机驱动。并对机 床的三个运动系统的结构进行了设计分析，对主要运动部件进行了计算与分析。机床的 控制系统采用p l c 可编程控制器为主控制器，通过自主开发的系统控制软件，实现法兰 坡口的成形加工。为了便于操作，设计了悬挂式移动操作台，可进行远程操作。完成了 人机界面的开发。 本课题实现了压力容器筒体焊接法兰坡口的有效加工，解决了筒体法兰孔的加工问 题。给压力容器的制造带来极大的便利，给压力容器制造厂家能带来直接的经济效益， 提高企业在市场中的竞争力，也拓宽了数控技术的应用领域。 关键词：压力容器；法兰坡口；专用机床；p l c 可编程控制器；人机界面 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc h e m i c a li n d u s t r y ，t h ep r e s s u r ev e s s e li sp u ti n t ou s e b r o a d l v p r e s s u r ev e s s e lw i t ht h ep r o d u c t i o nn e e d so ft h e i n c r e a s i n gt r e n di nt h ed i r e c t i o no f l a r g e - s c a l ed e v e l o p m e n t p r e s s u r ev e s s e ls h e l lm a n u f a c t u r e p r o c e s s ，f l a n g ew e l d i n ge d g ew i t h t h es h e l lw a l lt h i c k n e s si n c r e a s i n gp r o c e s s i n gb r o u g h ta b o u t b yas e r i o u sp r o c e s s i n gp r o b l e m t h es h a p eo ft h ef l a n g ee d g et oe d g ead i r e c ti m p a c to nt h ew e l d i n g q u a l i t ya n dt h en a n 2 e 1 1 1 t h i s1 s s u e ，t h ec o r eo ft h i si s s u ei st or e s e a r c ha n d d e v e l o pas p e c i a l i z e dp m c e s s i n g 丑a n g e e d g ep r o c e s s i n gd e v i c e i h i s t o p i ci n - d e p t ha n a l y s i so fp r e s s u r ev e s s e l f l a n g ee d g e o ft h es t r u c t u r a l c n 撇c t e r i s t i c s ，t h ec u r r e n tp r o c e s s i n gm e t h o d sb a s e do nt h ep r o c e s s i n g s h e l lf l a n g ee d g e d e p t hr e s e a r c ht oa c h i e v et h ee d g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fa c n cs p e c i a lm a c h i n et o o l so fs p i n d l es w i n g ，w e l d i n gf l a n g ef o rt h es h e l l e d g ep r o c e s s 洫g 1 h em a i nm o t i o ns y s t e mo ft h em a c h i n e t o o l su s e ds p e e dm o t o r - d r i v e nm o v e m e n t t h eu s eo f a x l a jf e e ds e r v om o t o r - d r i v e nm o v e m e n t ，r a d i a lf e e dm o v e m e n t u s i n gs t e p p e rm o t o rd r i v e r i h et h r e es t r u c t u r eo ft h em a c h i n et o o lm o v e m e n t s y s t e mp r o g r e s sd e s i g na n da n a l y s i s m o v e m e n to ft h em a i nc o m p o n e n t sp u tu pc a l c u l a t i o na n da n a l y s i s m a c h i n et o o l c o n t r o l s y s t e ml l s e sp l cp r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r - b a s e d c o n t r o l l e r , d e v e l o p e dt h r o u g ht h e s y s t e mc o n t r o ls o f t w a r eo fi n d e p e n d e n td e v e l o p m e n t ，t h er e a l i z a t i o no ft h ef l a n g ee d g et a k e s h a p ep r o c e s s i no r d e rt of a c i l i t a t et h eo p e r a t i o n ，t h ed e s i g no ft h eh a n g i n gm o b i l ec o n s 0 1 e c a nb eo p e r a t e dr e m o t e l y c o m p l e t e dt h ed e v e l o p m e n to f m a n m a c l l i n ei n t e r f a c e 1n ei s s u ea c h i e v e da p r e s s u r ev e s s e ls h e l lf l a n g ew e l d i n ge d g ee f f e c t i v ep r o c e s s i n g t o s o l v et h es h e l lf l a n g eh o l ep r o c e s s i n gp r o b l e m s t h er e s e a r c hr e s u l tb r i n g sg r e a t c o n v e n i e n c e 士o rt h em a n u f a c t u r eo fp r e s s u r ev e s s e l sa n d b r i n g ，d i r e c te c o n o m i cb e n e f i t sf o rt h ep r e s s u r e v e s s e im a n u f a c t u r e r s ，e n h a n c e dt h ee n t e r p r i s ei nt h em a r k e tc o m p e t i t i v ea b i l i t y , a n dw i d e n e d d e v e l o p i n gt h ea p p l i c a t i o nf i e l di nt h en u m e r i c a lc o n t r o lt e c l l n 0 1 0 9 y k e y w o r d s ：p r e s s u r ev e s s e l ；f l a n g ee d g e ；s p e c i a lm a c h i n e ；p l cp r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ；m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e i i 兰州理t 大学硕 ：学伊论文 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图2 1 3 图3 1 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 插图索引 分气缸7 氨蒸馏塔7 立式储罐8 分离容器8 筒体接管法兰焊接坡口形状9 平面坡口剖面图9 马鞍坡口剖面图9 筒体节1 0 筒体组焊1 0 法兰坡口的加工现场1 1 大孔径筒体1 1 机床布局图。1 3 筒体加工布置图1 4 机床结构1 6 主运动结构图2 3 进给控制系统示意图2 3 轴向进给结构图2 7 径向进给结构图3 0 轴向调节机构3 0 径向调节机构31 主轴倾角调节机构3 1 筒体位置布置图3 2 机床结构图一3 3 主轴的三维实体3 6 “s t u d y ”属性管理器3 6 生成“s t u d yl ”3 7 设定r e s t r a i n t ：3 7 设定f o r c e l 3 8 创建网格3 8 运行分析3 9 s r r e s s l ( 主轴静载荷应力图解) 3 9 d i s p l a c e m e n t l ( 主轴静载荷位移图解) 3 9 i i l 乐力容器筒体焊接法j 皇孔加t 装置的研究j 开发 图5 1 0s t r a i n l ( 主轴静载荷应变图解) 。4 0 图6 1c n c 控制系统构成4 2 图6 2p l c 主机端子配置图4 3 图6 3p l c 开关量输入接线4 3 图6 4p l c 开关量输出接线4 4 图7 1移动式操作台面板4 6 图7 2触摸屏一4 7 图7 3s c r e e ne d i t o r 软件的设计环境4 8 图7 4界面首页4 9 图7 5平坡口界面5 0 图7 6马鞍坡口界面5 0 图7 7筒体参数修改界面一5 0 图7 8轨迹图形“1 ”5 1 图7 9轨迹图形5 1 图7 10 编写轨迹界面5 2 图7 1 1 特定轨迹界面一5 2 图7 12 手动调整界面一5 3 图7 1 3 单步轨迹5 3 图7 1 4 单步晃面一5 4 图7 15 系统故障显示界面。5 4 图7 16f o 检查显示界面5 5 i v 兰州理t 大学硕斗：学伊论文 曼皇曼曼蔓皇皇曼皇曼曼曼鼍曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼寰曼曼皇曼量曼曼曼! _ i i j i 鼍曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼! 曼! ! 曼曼曼! ! 曼曼曼曼 附表索引 表1 不同法兰坡口直径下的切削用量1 8 表2y 2 0 0 l - 4 三相异步电动机参数2 0 表3p x 行星减速器的减速比与输出扭矩参数2 1 表4s g m g h 型1 5 0 0p m i n 标准伺服电机的参数。2 5 表5110 b y g 3 5 0 d h s a k s m a 0 5 0 1 型电机参数2 9 v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 弓槲嘭 日期：沙7 年月 罗e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“”) 篡曩蓉爹 导师签名：叙终 日期：产6 月7 日 日期：2 c , o7 年占月7 日 兰州理t 人学硕十。譬伊论文 第1 章绪论 1 1 机械制造业的作用 当今的机械制造业随着计算机技术、信息技术、自动化技术的不断进步，正在以迅 猛的速度发展着。人们对机械制造业的理念也不断开放起来，最突出的一个概念就是先 进制造技术。国内外专家都勾勒了先进制造技术的蓝图，并在生产实践中取得了良好的 效果。 但是从另一个角度来看，先进制造技术是以高科技作为基础，是高科技与传统制造 技术组合的结果。而高科技必然有相关的尖端技术支撑：高科技往往伴随着高成本，而 且对技术人员的业务素质要求非常高；再者，目前高科技没有也不可能覆盖整个机械制 造业。因此，面对具体的特定待加工零件，经过分析，设计出一个能达到加工要求、自 动化程度高、成本尽量低、结构简单、便于操作和维修的经济性数控机床也是极其必要 的。 在整个工业生产中作为生产工具的机床起着重要的作用。且机械制造业的这一分支 具有重要的战略意义和经济意义。 根据对各工业国家的统计，制造业( 包含机械制造) 创造其国民经济总收入的 3 0 - 4 0 ，没有机械制造工业提供质量优良、技术先进的技术装备，信息技术、新材料技 术、海洋工程技术、生物工程技术以及空间技术等新技术的发展就会受到制约。一个国 家机械制造工业发展的水平，在很大程度上标志着这个国家工业生产能力和科学技术发 展水平。乜 3 3 显然，机械制造工业在国民经济现代化建设中起着重要的作用。 1 2 课题的意义 随着化工行业的发展，压力容器被广泛的使用。压力容器作为反应器和储存器，是 在一定温度和压力下工作且介质异常复杂的一种特殊设备。随着生产和工业技术的不断 发展，压力容器操作条件更向高温、高压或低温发展，加上介质的复杂多变，不少容器 具有易燃、易爆、剧毒等特点h ，。 压力容器在化学、化肥等行业应用广泛；在液化石油气、化工原料气的储运，核电 站设备中也起着重要作用。因此，压力容器制造在制造业有着举足轻重的作用，在国民 经济中占有非常重要的地位。2 0 0 6 年是“十一五 开局之年，机械行业经济运行形势比 较好，国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见、国家中长期科学和技术发展规 划纲要及其若干配套政策的颁布为装备制造业创造了有利的政策环境，成为今后若干 年我国装备制造业加快发展的纲领性文件，预测“十一五”期间及2 0 2 0 年前中国机械工 业年均增速仍将达1 2 - 1 5 5 6 3 7 1 。 j t 力容器简体焊接法兰孑l j j r l t 装置的石) f 究与开发 近几年，我国的炼油行业取得了长足的进展，具备了较强的实力，但由于国内油价 高、油气资源不足，同时国际油价波动大，致使国内原油价格已基本与国际接轨，但成 品油与国际油价却不能同步，导致国内原油加工业“价格倒挂”，致使我国的炼油行业 面临着严峻的挑战陋明n 删。为了使炼油水平进一步提高，为了解决这一系列的问题， 各炼油厂商正在使炼油过程向着更深更精细的程度发展，以减少出渣提高成品出油率。 为了提高成品油的收率，获取高品质的石油产品和适应高硫原油、劣质原油的深度加工， 必须要建设大型加氢裂化装置。为降低成本，提高投入产出比，压力容器正在趋向于大 型化及超大型化方向发展。迄今世界最大的加氢裂化装置1 6 0 0 吨加氢裂化反应器在 中国一重大连加氢公司制造完成，其长4 6 3 3 7 米，直径5 3 7 3 米h 1 。 1 3 课题的提出及现状 在化工行业的快速发展下，压力容器制造步入了快车道，同时，在炼化规模、压力 容器设计与制造等方面都带来了严峻的问题。由于化工行业的重要性，国家十一五期间 投入了大量资金用于扩建及改建炼、化规模，这种举措促使了炼化设备的更新换代，随 之给炼化设备的制造厂商带来了生机，也提出了许多难题，特别是由于炼化生产规模的 扩大，使原来的炼化设备装置由几十吨增加到几百吨及上千吨。作为炼化行业关键设备 之一的加氢反应器，其操作条件十分苛刻，高温、高压、临氢和硫腐蚀的工作条件，而 且其介质氢气易燃、易爆，危险性高。那么随着加氢反应器趋于大型化，对加氢反应器 的设计、材料、制造、检验、运输、安装提出了新的挑战。热壁加氢反应器是加氢装置 的关键设备，影响其制造质量的因素很多，主要因素有设计、原材料质量、焊接结构、 焊接工艺、焊接过程控制、热处理工艺以及严格质量的检验等n 。在诸多因素中，由于 加氢反应器容积的增加，使反应器壁厚、结构尺寸增加及整体重量成倍增加，这一变化 对反应器的制造装备提出了新的要求，如车间尺寸、热处理炉尺寸、起吊设备、反应器 成型等各工艺环节所涉及到的各种制造装备，其中之一是在反应器加工过程中的筒体焊 接法兰坡口的加工问题。 作为国内大型压力容器制造厂商之一的兰州石油机械厂，由于承接的压力容器不断 大型化，使得壁厚不断增加，在制造过程中遇到由于壁厚带来的筒体焊接法兰孔的加工 问题。 目前，对于薄壁压力容器筒体，在加工焊接法兰坡口时，对焊坡口一般为圆形结构， 使用设备主要有马鞍形火焰切割机、手工气割机、手工等离子弧切割机、碳弧气刨机、 数控火焰切割机、数控激光切割机、镗床等，加工后坡口不规范时，需用手工修磨辅助 完成15 1 。 对于厚壁压力容器简体，平面坡口加工则采用镗床或数控镗床。而马鞍坡口，其特 点是结构应力状态较好且利于焊接并可进行射线及超声检测，焊接接头的质量可靠。由 于接管和壳体两者的焊接坡口是三维空间曲线，加工难度很大，通过数控镗床或采用很 2 3 纠f 1 理下大学硕 _ 予：伊论文 曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼! 曼量皇曼曼皇! 曼曼曼曼! 曼曼皇曼! 曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼璺m _ -m i ! 曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇蔓曼曼皇曼曼 复杂的工装和工艺只能加工出近似的坡口形状。目前，只有采用五坐标数控镗铣床才能 完成马鞍形坡口的加工。但是，从经济性来考虑，使用上千万元高精密度的数控镗床或 数控镗铣床加工法兰坡口，是极其不经济的，造成了极大的资源浪费；采用很复杂的工 装和工艺加工，费工又费材料。除了五坐标数控镗铣床之外，其它加工方法无法实现符 合焊接工艺的坡口轨迹的加工，从而带来了严重的焊接质量问题。所以大型厚壁压力容 器筒体焊接法兰孔的加工遇到的问题有： 1 零件的重量与体积大，加工余量也大。提高加工效率，降低加工成本成为大型厚 壁容器制造中的突出问题。 2 马鞍坡口是确保焊接法兰在圆周上的等强度及焊接质量的重要环节之一。马鞍坡 口的形成手段成为瓶颈问题。 因此，为解决筒体壁厚带来的简体接管法兰焊接坡口加工问题，提出了开发专门用 于加工的装置。来很好的保证接管法兰符合焊接质量的对接坡口，以提高接管法兰的焊 接质量，降低法兰焊接坡口的加工成本。同时，提出的方案必须加工范围广，适用性能 好，操作简单方便。 虽然筒体接管法兰焊接坡口的加工具有独特的工况，但从本专机的最基本功能看所 加工的焊接坡口线型组合有直线、圆弧及在旋转圆周上具备等吃刀深度的要求。 1 4 现代机床发展动向 本专机的开发技术支持与现代机床的发展技术密不可分，熟悉掌握国内外现代机床 技术发展动向，掌握现代机床关键技术的最新成果对本项目的实施非常重要。 1 4 1 数控机床的发展 随着自动控制技术、微电子技术、计算机技术、精密测量技术及制造技术的发展， 数控机床得到了迅速发展，不断更新换代。晶体管元件、小规模集成电路、小型计算机 以及中、大规模集成电路的依次问世把数控机床技术推向了一个又一个高潮。目前数控 机床己经发展到第五代。 数控机床一般由三部分组成：主机，数控系统( 包括伺服及驱动系统) 及相关配套件。 它集现代机械制造技术、计算机技术、通讯技术、控制技术、液压气动技术、光电技术 为一体，具有高效率、高精度、高自动化和高柔性的特点。d 叼 数控机床技术发展关键在于数控功能部件技术的发展。数控功能部件是指数控系 统、主轴单元、数控刀架和转台、滚珠丝杠副和滚动直线导轨副、刀库和机械手、高速 防护装置等。它们是数控机床的重要组成部分。功能部件技术水平的高低，性能的优劣 以及整体的配套水平，都直接决定和影响着数控机床整机的技术水平和性能。随着数控 部件技术的发展，数控机床技术正朝着如下四个方面的趋势发展。 第一，高速、高效化方向 压力容器筒体焊接法兰孔加i ：装置的研究与开发 提高生产率是机床技术追求的基本目标之一，实现该目标的关键是提高切削速度、 进给速度和减少辅助时间。新一代数控机床为提高生产效率，向着超高速方向发展，采 用新型功能部件( 如电主轴、直线电机、高速滚珠丝杆等) 实现超高速加工，主轴转速可 达1 5 0 0 0 1 0 0 0 0 0 r m i n ，进给运动部件快速移动速度6 0 1 2 0 m m i n ，切削进给速度 6 0 r n m i n ，最高加速度1 0 g ，加工中心换刀时间减少到小于1 s 。 第二，智能化、柔性化、开放性和网络化 近年来，世界上许多数控系统生产厂家利用p c 机丰富的软硬件资源开发开放式体系 结构的新一代数控系统。数控系统在控制性能上向智能化方向发展。随着人工智能在计 算机领域的渗透和发展，数控系统引入了自适应控制、模糊系统和神经网络的控制机理， 不但具有自动编程、前馈控制、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、 三维刀具补偿、运动参数动态补偿、温差刚性变形补偿等功能，而且人机界面极为友好， 故障诊断专家系统使得自诊断和故障监控功能更趋完善。伺服系统智能化的主轴交流驱 动和智能化进给伺服装置，能自动识别负载并自动优化调整参数。直线电机驱动系统己 实用化。在制造系统的柔性化( 女n f m c 、f m l 、f m s 和f a 等) 继续发展的基础上，单机智能 化、柔性化的趋势日渐增强，其典型代表为近年发展起来的虚拟轴机床，其智能化、柔 性化程度大大提高，同时，机床产品网络化的发展趋势也十分明显。 第三，复合加工 复合加工是指工件一次装夹，能进行多种工序复合加工，可以大大提高生产效率和 加工精度。近几年来，制造企业对复合化要求的程度更高，国外已经出现了加工中心与 车削中心复合机床，加工中心与激光加工复合机床，集车、磨、铣、钻、铰、镗、滚齿 等工序与一身的车磨复合机床，复合加工机床的发展适应多品种小批量、变品种变批量 生产时代的要求，取得了快速的发展。 第四，精密加工 从精密加工发展到超精密加工是目前国际加工技术发展的热点之一，其精度已从微 米级发展到亚微米级、纳米级。超精加工主要包括超精密切削( 车、铣) 、超精密磨削、 超精密研磨抛光以及超精密特种加工。h 7 1 8 3 1 4 2 伺服系统 数控机床的伺服系统是实现机床轴运动( 包括进给运动、主轴运动及位置控制) 的关 键的系统之一。它的性能对数控机床的重复定位精度、动态响应特性，以及最高空程运 动速度具有重要影响。同时伺服系统的发展对数控机床的发展产生了不可估量的影响。 1 9 作为数控机床的执行机构，伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一 体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步， 经历了从步进到直流，进而到交流的发展过程。交流伺服系统包括基于异步电动机的交 4 兰州理t 大学硕 学伊沦文 曼皇i i i io 曼曼曼曼曼鼍曼皇曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼 流伺服系统和基于同步电动机的交流伺服系统。目前机床主要采用的是永磁同步交流伺 服系统。在交流伺服研究领域，日本、美国和欧洲的研究一直走在世界前列。日本的安 川公司在2 0 世纪8 0 年代中期研制成功世界上第一台交流伺服驱动器。随后f a n u c 、三菱、 松下等公司先后推出各自的交流伺服系统。随着生产力的不断发展，交流伺服系统向着 集成化、智能化和网络化方向发展。心阳 1 5s o | d w o r k s 、o o s m o s w o r k s 分析软件简介 为了能尽快开发出专门用于加工筒体接管法兰焊接坡口的装置，在装置开发过程中 采用了先进的开发平台s 0 1i d w o r k s 软件。 s o l i d w o r k s 软件自1 9 9 6 年问世之后，就进入了中国的c a d c a m 市场，数年来 s o l i d w o r k s 软件在草图图元类型，编辑和复制草图功能，以及编辑与复制特征功能上， 都有长足的进步，更增添了许多有关曲线以及曲面的构图功能。s o l i d w o r k s 三维机械设 计软件具有“功能强大”、“易用性和高效性 等特点。2 1 3 2 2 3 m 3 s o l i d w o r k s 不是一个简单的实体建模工具，而是一个面向产品级的机械设计系统。 它既提供自底向上的装配方法，同时还提供自顶向下的装配方法。自顶向下的装配方法 使工程师能够在装配环境中参考装配体其他零件的位置及尺寸设计新零件，更加符合工 程习惯。在装配设计，特别是大装配的情形下，新零件，更加符合工程习惯。s o l i d w o r k s 设计了具有独创性的“封套”功能，分块处理复杂装配体。装配设计中的“产品配置” 功能，为用户设计不同“构型”的产品提供了解决方案，同时为产品数据管理系统的实 施打下了坚实的基础。将单个的实体模型连接起来，就可以生成装配模型。智能化约束 条件表示出部件间的装配约束关系，同时可以把一组部件按照需要组成一些子装配模 型。装配模型可以用来检验属性及干涉情况。还可以自动生成爆炸图效果。与实体模型 一样，装配模型中也包含一些很有价值的工程数据，这些数据在后期软件中要用到，比 如：运动学仿真软件、动态分析软件。 c o s m o s w o r k s 是一个与s o l i d w o r k s 完全集成的设计分析系统。而s o l i d w o r k s 本身并 没有有限元分析功能，但是c o s m o s w o r k s 能对s o l i d w o r k s 生成的零件和部件进行有限元 分析，可以对零部件施加各种外力、压强、温度、重力、乃至辐射。零件材料可有多种 选择，可以是不同种类的钢铁、有色金属、非金属等，也可以自定义材料，只要将材料 的极限强度等资料输入系统，就可以通过软件的分析得到零部件的应变、应力、形变等 数据。因此，c o s m o s w o r k s 分析软件是提供了对模型( 零件或装配体) 进行应力分析、频 率分析、扭曲分析、热分析和优化分析的一整套解决方案。瞳阳 1 6 课题的研究内容 本研究项目根据处理对象的性质( 加工焊接坡口) ，所研发的机床特点是： 压力容器筒体焊接法l t l # n - e 装置的研究与开发 ( 1 ) 要求具有大的切削动力，实现高效快速的粗加工； ( 2 ) 能适应直径尺寸变化较大的简体零件； ( 3 ) 具有直线、圆弧进给的轨迹控制功能，适应焊接坡口截面形状的要求； ( 4 ) 具有马鞍轨迹控制的功能，适应筒体焊接坡口在圆周上的等深度要求。 由所研发机床的特点，主要设计内容如下： 根据筒体外径尺寸的变化，调节设备各环节变化及滚轮架配合实现镗刀旋转中心 与要求法兰位置中心线重合问题； 根据法兰孔径及切削量要求对主轴传动系统结构设计； 根据坡口结构及简体半径的影响，对刀具轴向进给系统结构的设计； 根据坡口结构及简体半径的影响，对刀具径向进给系统结构的设计； 应用c o s m o s w b r k s 2 0 0 7 对关键受力部件进行静力载荷应力分析； 制定镗孔机控制方案与人机界面的开发。 6 第2 章简体的结构特点及n t 方案构思 鉴于目前筒体的大型化以及制造的复杂性，本章对简体结构进行了相关说明，对法 兰坡口形状进行相应的分析，在对当前坡口加工情况了解之后，继而提出了简体坡口的 加工方案。 2 1 筒体结构 压力容器的使用范围非常广泛，根据用途的不同，其简体结构各异。下面给出了 些压力容器设备图，依次为分气缸、氨蒸馏塔、立式储罐、分离容器等口6 3 。 图21 分气缸 囤22 氨蒸馏塔 錾耋耋量堑些堡堡董至；塑 耋錾垒耋耋耋垩茎 图23 立式储罐 22 坡口形状分析 图24 分离容器 通过图2l 24 可见，压力容器的简体上接管法兰焊接坡口的个数、大小不定且 其加工位置是比较随意的。随着压力容器的简体的日趋大型化，筒体在直径、长度及壁 厚上变化较大，其中部分参数的变化范围如下：简体直径巾1 0 0 0m m 06 0 0 0 m m ，筒体 长度2 0 0 0 0 】h i l 3 0 0 0 0 r i 】i n ，筒体壁厚2 0 唧3 0 0 【i l m ，苘体上法兰对焊坡u 直径巾15 0 册 巾13 0 0 r a n 。这些变化使得筒体的制造问题显得史为尖锐，更为困难。 就简体接管法兰焊接坡u 的加工问题，进行如下的| 兑明。圈25 给出两种简体接管 法兰焊接坡口形状，i 为平面坡口，i i 为马鞍坡口，a 、b 分别为轴向和径向剖视。 兰州理t 大学硕十。伊论文 形阿 蟛么 图2 5 简体接管法兰焊接坡口形状 通过对两种坡口进行a 、b 向剖视，得到两种坡口的轴向和径向的剖面示意图。法 兰对焊坡口形状如图2 6 所示的平面坡口( a - 沿筒体的径向剖面；b 一筒体的轴向剖面) 及图2 7 所示的马鞍坡口( 犷沿筒体的径向剖面；b 一筒体的轴向剖面) 。 图2 6 平面坡口剖面图 ( a )( b ) 图2 7 马鞍坡口剖面图 由两个剖面图可知，平面坡口为锥形孔，刀具轨迹是连续的圆面，在坡口的底部圆 周上沿坡口轴线方向的深度不一致；马鞍坡口是侧母线为鼓型的锥孔，刀具轨迹是连续 的鼓型面，在坡口的底部圆周上沿坡口轴线方向等深。对于小型简体，壁厚很薄，只有 几个毫米到几十毫米，其法兰坡口3 n - r - 通常采用火焰切割、手工气割、镗床机加工等方 法，不管加工的接管法兰焊接坡口形状是平面坡口还是马鞍坡口，由于壁很薄，两种坡 口形状相差不大，而且接管法兰焊接坡口的堆焊面积小，法兰焊接质量一般能够保证。 既使在探伤后发现焊接质量没有达标，完全可以将堆焊层熔掉后再次进行堆焊，对整个 制造过程不会带来很大的影响。对于大型简体，壁厚增加了很多，接管法兰焊接坡口的 堆焊深度、面积都增大了，对于几百毫米厚的筒壁，如果堆焊层的质量没达标，势必会 对简体的制造周期带来很大的影响。那么，如何减小接管法兰焊接坡口的堆焊面积，提 9 压力容器筒体焊接法兰孔加t 皱拦的研究与开拄 高堆焊均匀性是提高焊接质量的方法之一，筒体上法兰坡口的形状直接决定法兰焊接坡 口的堆焊面积及堆焊手段( 手工堆焊及自动堆焊，自动堆焊焊接质量高，缺陷少，但是 要求坡口围周缝隙尺寸一致) 。随着擘厚的增加，两种坡u 形状的差异越来越明显，如 果法兰坡口直径不变，开出平面坡口和马鞍垃u ，前者的堆焊曲】积比后者要大很多，且 前者只能手工堆焊。因此，采用马鞍坡口更为理想，而且马鞍坡l j 较平面坡口具有焊接 工艺性好，连接强度高等优点。但目前还没有能加工马鞍坡口的机械设备。 23 加工方案分析 根据筒体结构及接管法兰焊接坡口形状的分析可知，在筒体的体积和质量不断增大 的情况下，简体长度和直径及坡口尺寸的变化范围很大，给接管法兰焊接坡口的加工带 来了很大的囝难。因此，在对当前加工情况分析之后，提出了新的加工方案。 2 31 简体组成 由于简体的长度可能达到2 0 0 0 0r t 叽 3 0 0 0 0i 咄，在制造筒体过程中，它一般是山很 多节的简体组焊而成的，如图28 所示为3 0 0 0m r n 长的简体。一个完整的简体是将灯儿节 体j 歪、白_ = 嚣嘿拨正戒n ：罱2q 为下盘。史册凸囊导挥接管件 图29 简体组埠 232 法兰坡口加工现状 阁21 ( ) 所示为前法兰坡口加丁的睁况图巾足钱床加工直径为巾1 8 0 0 衄擘厚为 1 5 0m m 的筒体，图片左侧是数控镗床t 6 9 1 6 ，右侧是正在加丁的零件。根据现场挫术人员 二4 1 【堙j 、，。硕i 学傲论文 的介绍得知1 前的加t 情况，链床加j 。的最人孔径为巾5 ( 1 0 舯，如果簦加工简体的注 兰扎径大丁巾5 0 0 1 i 时，只能靠d 、吃刀带来慢慢完成，甚t 要靠机床的辅助研麝采完成。 如图21 i 所示是坡口直径为$ 8 0 0 唧的法兰对接后的筒体， 图21 】兀孔径简体 2 33 镗床径向加工 在简体洼兰坡r 加上过程中，径阿进给系统是电机带动刀架台径向移动，米实现刀 具的径同切削。目前，坡口的加工采用的是镗床加j ：，但镗床车身并不具备径向切削的 功能，因此，为了实现坡口的径向切削，在镗床主轴前端配装一个、f 旋盘，通过同装在 土轴组件上的电机来驱动刀具往平旋盘上移动，完成释向切削。这样，镗床孰通过主轴 的轴向运动和刀具在平旋盘上的移动完成法兰坡口的加工。这种3 h 2 - 方法，只能完成平 坡口加工，向无法完成马鞍形坡n 的加工。从成本角度柬考虑，当前一台镗床大约8 0 0 力元左右这已经是一笔很大的费用了，还有完成径向进给运动的配件一平旋盘，其价 格也很高。经过网上查询，在固内购买个中6 0 01 1 i 】的平旋盘大约4 0 万元左右蚴买 一个08 0 0m 的平旋盘也需要6 0 万元丘右。如果采用国外的产品，价格就更高了，购 买一个q b8 0 0 衄的平旋盘需要15 0 万元左右。由此可见，如果用镗床加工，则需要付出 1 0 0 0 力兀左右的昂贵贽用，这笔费h 对任f u j 一个企业都是相当大的开支。从这点来看， 设计一台坡口加工机床就硅得很有必荽了。 234 简体与机床的布局分析 根掘r 述对肖前加1 = 情况的说叫，在本设计中考忠了简体值筲、旋转以及同定等问 压力容器筒体焊梭法兰孔加t 装置的研冗与开发 题，提出了下述解决方法。 1 筒体法兰孔之间位置的要求。即根据法兰孔之间的相对位置，决定法兰孔应该在 筒体组焊前加工还是在组焊后加工。如果法兰孔之间距离较大，对位置精度要求不高， 而且不影响对接法兰的安装，可以在组焊前加工；如果法兰孔之间位置要求较为精确， 在组焊前i n - r 可能保证不了位置精度，影响对接法兰的安装，因此，可以在筒体组焊之 后再进行孔加工，这样就更有利于保证法兰孔之间相对位置，从而保证对接法兰的顺利 安装。 2 根据对当前机床与筒体相对位置的分析，构思出本机床与简体的相对位置解决办 法。根据当前筒体搁置情况，在本设计中，将筒体置于滚轮架上，机床应该置于筒体的 一侧，由于其切削抗力较大，为了保证机床i n - f - 的稳定性，将机床直接固定于地面上。 筒体通过在滚轮架上旋转，来调整法兰坡口的加工位置。根据筒体长度的不同，引出了 筒体与机床的相对位置调整问题。为了保证机床与筒体的相对位置，设计两条平行轨道： 一条为调整滚轮架位置，一条为调整机床相对筒体位置。通过这两条平行轨道，就可以 保证不同长度下的筒体与机床的相对位置，解决了筒体长度变化，带来的加工位置调节 问题。 3 由于坡口位置的任意性，粗略位置对准由起吊设备完成，精确位置由机床调节 机构实现。 4 目前筒体的固定方法如图2 1 0 所示，筒体置于支撑架上，然后通过压板来固定， 对于直径较大的简体，一般都置于滚轮架上用压板来固定。在本设计中，对筒体的固定 问题是这样考虑的。筒体置于滚轮架上，机床从侧面加工法兰坡口时，筒体侧面会受力， 即使简体质量很大，也不能保证简体在滚轮架上不会发生轻微旋转移位，如果发生了移 位，直接影响到加工坡口的形状，可能导致工件的报废等问题。因此，考虑利用钢丝绳 来固定筒体，根据筒体长度的不同，在筒体两侧的地上打四个桩或者更多，通过钢丝绳 来拉压筒体，从而起到固定作用。 2 3 5 机床布局构思 由于筒体置于滚轮架上，随着简体直径大小的不同，法兰孔轴线的位置在不断变化， 机床主轴轴向位置随之要发生变化。如何解决这个问题，就成为设计机床的关键点。针 对这一情况，提出了下述两种解决方案。 方案一： 1 将简体置于滚轮架上，通过滚轮架旋转进行法兰轴向定位，即将简体法兰焊接坡 口的轴线旋转到机床一侧的水平方向，然后利用钢丝绳将筒体固定。 2 专用机床固定于筒体一侧，由于筒体直径的不同，法兰孔轴线的位置也在变化中， 因此，将专用机床设计为可升降式，使用液压系统来控制工作台的升降，在升降台升至 与加工坡口轴向在同一水平面时，锁住升降台。 兰州理t 大学硕 学伊论文 3 由于简体在滚轮架上的坡口轴向处于水平位置，为使得机床主轴轴向与坡口轴 向完全重合，在机床底部设计沿主轴的径向调节滑台，来调节机床主轴轴向与坡口轴向 在水平方向的重合定位。 4 由于筒体直径的不同，为避免机床与简体发生碰撞，在机床底部设计轴向调节滑 台，来调节机床沿主轴轴向与简体的相对位置。 5 为了解决轴向和径向的位置调节，机床的底座设计为两层，通过螺钉与机架连接。 通过地脚螺钉将机床固定于地面。 在所有的准备工作到位后，进行坡口的加工。机床布局如图2 1 2 所示。 图2 1 2 机床布局图 方案二： 1 将简体置于滚轮架上，专用机床固定于筒体一侧，由于筒体重量大且直径不同， 为了避免机床与筒体发生碰撞，就要解决二者间的位置变化问题。由于滚轮架固定于设 计的平行轨道上，就通过机床的轴向移动调节相对于筒体的位置，因此，在机床底部设 计一个轴向调节机构，用于调节机床沿主轴轴向上相对筒体的位置。 2 。筒体在吊上滚轮架时，加工坡口位置基本到位，即坡口轴向与机床主轴轴向基本 重合，通过轴向调节机构调节机床与筒体轴向位置，同时还需要调节简体与机床的径向