（机械工程专业论文）多管、板相贯件数控切割关键技术问题研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 在管道、桥梁、建筑等行业中，常存在多管、板等相贯情况。为了保证结构的美观 和稳定性，对管子切割的时候一般要求沿其相贯线来进行，有时候还要留出焊接坡口， 对于多管、板的坡口切割还要实现一次切割成形。为了开发出一种能够满足行业需求， 切割出符合精度要求的数控切管机，必须就多管、板相贯件数控切割的一些关键问题予 以研究。 本文针对多管、板相贯件的数控切割现状，首先分析比较几种圆管切割方法的切割 原理、特点及应用范围。分析了生产中常用到的管结构类型；介绍了相贯线切割的有关 参数，分析选择了相贯线的求解方法，利用三维空间齐次坐标变换，结合空间解析几何 知识建立了管一管、管- 板相贯的数学模型，并求解出相贯线上任意点两面角的表达式等 切割控制变量，设计了相应的计算机程序流程图，能够自动计算出数控切割所需的各项 参数。 在分析数控切割管件相贯线原理的基础上，分析研究了在满足给定逼近误差的条件 下，空间直线段逼近复杂空间曲线的d d a 积分插补算法以及提高d d a 法插补质量的 措旆。研究了数控切管机切割过程中需要的控制变量。介绍了一种相贯线数控火焰切割 机的设计思路、主要结构、性能特点、适用范围和控制方法。 本文通过研究的多管、板相贯件数控切割的几个关键问题，为研制实用性及经济性 更好的数控圆管切割机提供了有益的参考依据。 关键词：相贯线；数学模型；数控切割 多管、板相贯件数控切割关键技术问题研究 r e s e a r c ho nk e yt e c h n i c a lp r o b l e m so fn c c u t t i n go f i n t e r s e c t i o no fm u l t i p l ep i p e sa n dp l a t e s a b s t r a c t i nt h ec a l l i n go f c o n d u i t , b r i d g e ，b u i l d i n ga n ds oo n ，t h e r ea r et h ei n t e r s e c t i o no f m u i t i p l e p i p e sa n dp l a t e s f o rp l e d g eb e a u t ya n ds t a b i l i t yo f t h ec o n f i g u r a t i o n , w h e ne u t t i l l gp i p e si ti s r e q u e s t e dt h a tt og oa l o n gt h ei n t e r s e c t i n gf f t u v e s o m et i m e si ts t i l ls e ta s i d et h eg r o o v e a n d t h a tf o rc u t t i n gt h ei n t e r s e c t i n gg r o o v eo f m u l t i p l ep i p e sa n dp l a t e sm u s tc o m et r u ei n c i s et a k e s h a p eo n c e f o re m p l o y e ras o r to f n c p c m ( n u m e r i c a lc o n t r o lp i p ec u t t i n gm a c h i n e ) t h a tc a n s a t i s f yt h er e q u i r e m e n to f c a l l i n ga n da c c o r dt h er e q u e s to f p r e c i s i o n , w em u s ts t u d ys o m ek e y t e c h n i c a lp r o b l e m sa b o u tn c c u t t i n go f t h ei n t e r s e c t i o no f m u l t i p l ep i p e sa n dp l a t e s t h ep a p e rf o rd i s c u s s i o na i ma tt h ea c t i l a l i t yo f t h en u m e r i c a lc o n t r o lc l l t t i n go f m u l t i p l e p i p e sa n dp l a t e s ，f i r s to fa l l ，t h i sa r t i c l ea n a l y s e sa n dc o m p a r e si n c i s ee l e m e n t s ，c h a r a c t e ra n d a p p l i c a t i o nr a n g eo fi n c i s em e a s u r eo fs e v e r a lk i n d so fc i r c u l a r i t yc a n a l ，a n dh a sa n a l y z e d p i p ej o i n t si np r o d u c t i o nf i e l d i ti n t r o d u c e st h er e l a t ep a r a m e t e ro fc u t t i n ga l o n gt h e i n t e r s e c t i n gc u r v e i ta n a l y s e sa n dc h o i c e st h em e 踮u r eo ft r yd i s p e lo ft h ei n t e r s e c t i n gc 2 r v e a l s o t h r o u g hm a k i n gu s eo fc h a n g e so fc o m p l e t ec o o r d i n a t eo ft h r e ed i m e n s i o n s ，a n d c o u p l e d 、：l ，i mt h ek n o w l e d g eo fs p a c ea n a l y t i c a lg e o m e t r yb u i l dam a t h e m a t i c a lm o d _ e la n d s o l v et h ee x p r e s sf o r m u l ao fa r b i t r a r i l yp o i n td i h e d r a la n o eo nt h ei n t e r s e c t i n gc u r v ea n ds o o n d e s i g n i n gc o r r e s p o n d i n gc o m p u t e rf o r m a l i t yf l o wc h a r li tc a nw o r ko u ts e l f - m o t i o nt h e p a r a m e t e ro f n u m e r i c a lc o n t r o li n c i s e o nt h eb a s eo f a n a l y z i n gt h ep r i n c i p l eo f n u m e r i c a lc o n t r o li n c i s ep i p ei n t e r s e c t i n gc u r v e ， i ta n a l y z e sa n dr e s e a r c h e sd d a i n t e g r a li n s e r tc a l c u l a t i o na n dt h em e a s u r e so fi m p r o v i n go f q u a l i t yo fd d a i n s e r t i tr e s e a r c h e st h ec u t t i n gt h e o r yo fn u m e r i c a lc o n t r o lc u t t i n gm a c h i n e a n dt h ec o n t r o lc h a n g e so fi t sn e e d i ti n t r o d u c e sm a i ns t l u c r l l - e ，p r o p e r t y , f e a t u r e ，r a n g eo f u s i n ga n dm e t h o do f c o n t r o l l i n go nn u m e r i c a lc o n t r o lf l a m ec u t t i n go f i n t e r s e c t i n gc u r v e ， t h ea r t i c l es t u d i e st h ek e yt e c h n i c a lp r o b l e m so fn cc u t t i n go fi n t e r s e c t i o no fm u l t i p l e p i p e sa n dp l a t e sa n di tp r o v i d e sp r o f i t a b l er e f e r e n c eb a s i sf o rd e v e l o p i n gt h en c p c mo f p r a c t i c a b i l i t ya n de c o n o m yb e t t e r k e yw o r d s ：i n t e r s e c t i n gc u r v e ；m a t h e m a t i c a lm o d e l ：n u m e r i c a lc o n t r o lc u t t i n g 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：蚴日期： 大连理工大学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 储躲鲨受 导师签名( 主至主茎匦 也! 年兰月上曰 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景及研究意义 在海洋工程、船舶、铁塔、桥梁、管道、现代建筑结构等有关钢结构的工程中，常 常会遇到管一管或者管与其它物体相贯的情况【i 】。为了保证结构的稳定性、密封性及美观， 一般都需要在这些结构的节点处，支管( 被切管) 直接焊接在主管( 相贯管) 上，而不采用 任何连接件为了钢管相贯处焊缝均匀，焊接可靠，需要沿着管子相贯线的轨迹准确切 割成型，然后将带有空间曲线切口的支管用电焊焊接在主管上。如果在切割相贯线的同 时留出焊接坡口( 规定管壁厚度大于6 衄时，要留出焊缝坡口) ，管端切口就成为一个复 杂的曲面，增加了加工的难度。而切口质量却是影响整个工程质量的重要因素之一翻。 对这种相贯线焊接坡口加工的传统方法是：采用人工放样、制样板、划出相贯线， 然后对相贯体蒙皮，按照相贯线轨迹手工切割，最后经人工打磨的工艺方法来进行加工。 这种切割方式工作强度大，自动化程度低，对工人的熟练程度有严格的要求，加工质量 受限于操作者的技能，不但大大降低了工作效率，而且加工精度得不到保证，因为两管 件接口部分的划线与切割只要有一点差错，接在一起后就会产生很大的缝隙，这对于高 压管件是绝对不允许的，对于建筑钢结构来说也是很不安全的。如果管头切割质量不 准、焊缝间隙和坡口准备不良，对将来相贯焊缝自动焊接的实现也是很难的。另外还存 在着工件报废，造成巨大的材料浪费和增加企业成本的可能，远远不能适应实际生产的 需要唧【4 】。也有不少单位采用机械式切管机，但是这种切管机只能用来切割管一管对心垂 直相贯等简单情况下的管接头或者对主管开孔，不能根据要求留出焊接坡口嘲，更不能 实现对多管、板相贯的加工。 ， 为了改变这种加工质量差、效率低的状况，必须实现焊接坡口的数控切割。于2 0 0 3 年1 2 月1 日开始实施的由中华人民共和国建设部和中华人民共和国国家质量监督检验 检疫总局联合制订的钢结构设计规范( g b5 0 0 1 7 - 2 0 0 3 ) 中就规定，钢结构中的钢管 接头应该使用数控切管机切割旧。由此可见研究多管、板相贯件焊接坡口的数控切割具 有一定的理论研究价值和明确的应用背景。 数控圆管切割机作为一种数控机床，具有切割效率高、质量好、精度高、加工范围 广的特点，因此逐步取代了原来的手工切割方式，成为圆管切割的主要方法。国内外对 于相贯管接头坡口的数控加工研究和工程应用多限于管一管或管一板相贯的情况，而对于 多管、板相贯管接头坡口的加工是以管一管或管一板相贯的数学模型为基础分多次切割完 成的，如渤海石油公司从日本引进的数控火焰切管机( y a s n a c 一4 0 0 0 p b ) 切割这类坡口 多管、板相贯件数控切割关键技术问题研究 时是分多次完成的，其次数等于与被切管相贯的构件( 管、板) 数这样加工不仅生产效 率低，而且产品的成本高，已不能满足现在的生产要求。 相贯线接头属于多品种、多规格、单件小批量生产，因此对切割机的切割功能、控 制功能、工艺、调整和操作等都有非常严格的要求。一般国外的数控机器虽然能进行较 为精确的加工，但价格比较贵，并不能适应较多数生产厂家的要求。因此，发展我们自 己的经济、高效、多功能、机电一体化的圆柱相贯线切割机是改变圆柱相贯线加工技术 落后的有效途径。 要实现多管、板相贯件管接头坡口的一次切割成形，关键问题一是要建立与数控切 割原理相对应的一般条件下管一管或管一板相贯数控切割相贯线的数学模型，进而导出多 管、板相贯条件下的相贯线及有关角度的数学模型，然后设计相应的计算机程序，从而 完成原需要多次切割才能完成的多管、板相贯及其坡口的一次切割。其次是数控切管机 的设计与研究，包括切管机的设计原理、插补方式的研究、误差的估算及控制的实现等 关键问题。从而开发出切割精度较高、适用范围较广、价格低廉的、自动化程度高的相 贯线切割机床。 1 2 国内外数控切管机的研究现状和发展 目前国内外的数控圆管切割机发展非常迅速，已有多种品牌的数控圆管切割机进入 工程领域。 1 2 1 国外研究状况 随着微电子技术、自动信息处理、数据处理以及计算机的发展，给自动化技术带来 了新的概念，使数控技术的应用越来越普及1 9 5 8 年英国0 2 公司成功试制出世界上第 一台数控圆管切割机，1 9 6 0 年挪威斯托德船厂就开始把数控切割机应用于生产。上个世 纪八十年代初，日本首次展出了k o p c i 系列的数控切管机。这是数控切管机发展史上 的一次飞跃。该切割机采用圆柱坐标系三轴联动控制方式，能够在管端切割相贯线，并 可以切割变角度的焊接坡口面。美国w e l dt o o l i n gc o r p 生产的s e 4 、s e - 5 马鞍 形和弯头管切割机( s a d d l ea n de l b o wc u t t e r ) 能够在直径较小的短管上切割管接头和“虾 米节”。上述设备均采用机械凸轮或者连杆机构控制，结构简单，切割范围窄。其控制 软件功能较弱，只能求解切割支管轴线与主管轴线垂直相交的主管相贯孔或支管相贯接 头，而且切割精度较低，操作不方便。 进入八十年代，随着高强度钢材的使用和新施工技术的发展，管材大量应用于实际 生产，越来越多的国家开始投入到切割机的研制和生产当中。经过较长时间的发展和完 善，目前国外的数控切割机技术先进，自动化程度高，加工范围广，性能优良，在我国 大连理工大学专业学位硕士学位论文 占有一定的市场份额，但是其价格昂贵，维修也不方便。具有代表性的有日木丸秀公司 的p i p ec o a s t e r 系列切割机，松本机械株式会社( m a s t s u m o t oc o l t d ) 生产的p c m 系 列数控管子相贯线切割机；德国m u l l e r 公司生产的数控管子火焰切割机( c n cp i p e f l a m ec u t t i n gm a c h i n e ) ，德国k i s t l e r 生产的数控管子切割机( c n c c o n t r o l l e dp i p e c u t t i n g m a c h i n e ) ，美国v e r n o n t o o l c o m p a n y 生产的m p m - 2 0 0 0 系列v e r n o n t u b e c u t t i n g m a c h i n e ，美国j e s s e 酗n g 矾e r r gc o 生产的支管和马鞍形孔切割机( p i p ec o a s t e r f o rb r a n c ha n d s a d d l eh o l ec u t t i n g ) 是比较高级的数控切割机。其中有一些公司还开发了 和切割机配套的辅助编程系统。这些数控切管机的控制软件均采用高级语言编写，功能 齐全，操作方便，大部分能在管端上切割多种相贯接头，能切割多管相贯接头，并能够 沿相贯线开定角度或者变角度坡口( “】。 1 2 2 国内研究状况 在数控圆管切割机方面，国内起步较晚，技术相对落后。近几年数控切割机得到了 迅猛的发展，切管机由单纯的机械式切割机发展为数控切割机，切割功能也由单一逐渐 变为多功能，缩小了与发达国家的距离，促进了工业的发展。国内涌现出了不少生产切 割机的厂家，如哈尔滨华威公司、北京林克曼公司、深圳博利昌公司等。在编程方面， 只有少数几种国产切割机配套了自动编程系统。 西北工业大学研制了一种悬臂式四坐标切管机。它采用直角坐标系四轴联动微机数 控，切割时钢管固定不动，采用机械头在钢管上移动的方式进行切割，该切割机只能在 主管上切割两轴线垂直相交的相贯孔，不能切割支管管端相贯线，更不能在相贯线处切 割焊接坡口面。 武汉大学机械系数控技术实验室是国内最早从事数控管子切割机开发和设计的单 位之一，他们在各种简单管子相贯的数学建模，割炬的运动分析方面提供了不少新的理 论，目前已研制出多种类型的切割机0 2 - 1 4 。其中g g k w 4 系列切割机能切割常见的各种 端头及变角度焊接坡口面，还能切割无坡口的相贯孔。g g k w 5 、g g k w 6 系列切割机 采用五轴或六轴数控，技术更为先进，不但能切割具有变角度坡口面的相贯线端头，而 且能够切割各种插入式和骑座式的相贯孔。天津大学在对渤海石油公司两台日本进口的 数控切管机改造的工程中，自己研究了一种算法，利用该算法能够求解海洋平台中常见 的管管、管板相贯问题。该算法己经成功地应用到数控切割系统中，并开发了相应的海 洋平台管件专用的数控切管机 1 5 - 1 7 。 上述几种类型的切割机在国内许多地方投入了使用，在工程实际中表现出了较好的 性能，得到了广大用户的好评。但是这几种类型的切割机自动化程度不高，均没有配套 相应的自动编程系统，在设计图纸和数控程序之间没有软件联系，而是由使用者从图纸 多管、板相贯件数控切割关键技术问题研究 中读取并手工计算所需的数据，编程效率低，客易出错，因而在一定程度上影响了切割 机的推广和应用。 综上所述，我国数控切管机的研制还在起步阶段，其数控系统不够完善，要么只能 满足单一行业的要求，要么只能切割几种简单情况；而且操作复杂，也不能满足切割精 度要求。国内数控切管机要发展，无论是从数控切管机的机构设计上，还是数控软件的 编写上，都有很长的路要走。 1 3 课题研究的主要内容 本文主要研究一种设计合理、经济实用、性能可靠的多管、板相贯件的数控切割机。 将工业中常见的管相交的情况分类，分别建立数学模型利用空间解析几何知识求出相 贯线的数学表达式，并根据行业要求，分析出相贯线上任意一点的坡口角，从而计算出 切割角，分析计算出切割路径曲线，并将切割路径曲线数据分解到割炬的各个运动方向， 利用割炬在各个方向的运动配合来完成切割过程。该轨迹控制软件能够自动进行管件相 贯线和坡口角的计算，能按照要求控制割炬运动。分析了在数控切割机上实现相贯线切 割的方案，并研制一种管子相贯线数控火焰切割机。 本课题从理论上解决了数控切管机只能求解和切割几种简单的管子相贯接头的问 题，扩大了数控切管机的应用范围。以本文建立的数学模型开发数控软件，可以应用数 控切管机地配套，也可以用于焊接机器入的开发。本文主要从以下几个部分展开论述： ( 1 ) 阐述了课题的研究背景以及研究意义，对国内外数控切管机的研究状况做了概 述。介绍了相贯件数控切割方法的分类、切割原理，分析比较了几种热切割方法的特点 及应用范围。 ( 2 ) 将生产中常见的切管类型划分为管端接头切割、短管两端切割和主管开孔开槽 三大类，并对不同情况下的管接头的坡口规则及切割情况做了分析。 ( 3 ) 按照管管相贯、多管相贯、管一板相贯三种情况，建立了各自的数学模型。分 别利用空间解析几何知识求出其相贯线表达式，割炬切割轨迹表达式，并根据选择的切 割方式将切割轨迹分解到割炬在各个运动方向上。 ( 4 ) 选择了一种合理的切管机机构，并在此种机构下，为各个切割类型选择了合理 的切割方式。分析研究了在满足给定逼近误差的条件下，利用空间直线段逼近复杂空间 曲线的插补算法，研制一种适用于计算机数控的相贯线插补方法，这对控制机床或切割 机运行是十分必要的。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( 5 ) 分析研究了一种较为简洁的切管机的设计原理，并依据设计原理选择了一种适 应上述情况的切割装置。介绍了相贯线数控火焰切割机的设计思路、主要结构、性能特 点、适用范围和控制实现等。 多管，扳相贯件数控切割关键技术问题研究 2 常见相贯线切割方法简介 近年来相贯线切割技术的开发和应用取得了长足的发展，其切割方法大致可归纳为 冷切割和热切割两大类。现代焊接生产中钢材的切割主要采用热切割。热切割是利用热 能使材料分离，最常见的有气体火焰切割、等离子弧切割和激光切割掣嘲。 2 1 气体火焰切割 利用气体火焰的热能将金属材料分离的方法称为气体火焰切割法，简称气割。气割 是金属在纯氧中燃烧并借助高速氧流动量排除熔渣的化学和物理作用相结合的过程，所 以除了必须使用氧气外，还必须使用可燃气体，如乙炔、液化石油气等。气体火焰切割 放广泛用在石油化工、锅炉及压力容器、造船等部门，也是应用最广泛的相贯线切割方 法。 2 1 1 气体火焰切割原理 气割是利用气体火焰的热能将工件切割处金属预热到一定温度后，喷出高速切割氧 流，使预热金属燃烧并放出热量实现切割的方法。气割除了必须使用氧气外，还必须使 用可燃气体，如乙炔、液化石油气、天然气等。最常见的气体火焰切割是氧乙炔火焰 切割。 钢材的气割如图2 1 所示，是利用气体火焰( 称预热火焰) 将钢材表面加热到能够在 氧气流中燃烧的温度( 即燃点) ，然后送进高纯度、高流速的切割氧，使钢中的铁在氧氛 围中燃烧生成氧化铁熔渣，同时放出大量的热，借助这些燃烧热和熔渣不断加热钢材的 下层和切i z i 前缘，使之也达到燃点，直至工件的底部。与此同时，切割氧流把氧化铁熔 渣吹掉，从丽形成切口将钢材切割开。 气体火焰切割的实质是被切割的材料在纯氧中燃烧的过程，不是熔化的过程。从宏 观上来说，气体火焰切割是钢中的f e 在高纯度氧中燃烧的化学过程和借助切割氯流动 量排除熔渣的物理过程相结合的一种加工方法。整个气体火焰切割过程可分为互有关联 的四个阶段： ( 1 ) 起割点处的金属表面用预热火焰加热到燃点，随之在切割氧中开始燃烧反应； ( 2 ) 燃烧反应向金属下层进展； ( 3 ) 排除燃烧反应生成的熔渣，沿厚度方向割开金属； ( 4 ) 利用熔渣和预热火焰的热量将切口前缘的金属上层加热到燃点，使之继续与氧 产生燃烧反应。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 c 羽r h d zqc 品+ g | ii 图2 1 钢材的气体火焰切割示意图 f i g 2 1s k e t c ho f t h eg a sf l a m ec u t t i n go f s t e e l 但是并非所有的金属都可以进行气割加工，只有满足以下条件的金属才能顺利地实 现气割。 ( 1 ) 金属能同氧发生剧烈的燃烧反应并放出足够的反应热。这种燃烧热除了补偿辐 射、导热和排渣等热散失外，还必须保证将切口前缘的金属表层迅速且连续地预热到其 燃点。 ( 2 ) 金属的燃点应比熔点低，否则不能实现氧气切割，而变成熔割。 ( 3 ) 燃烧生成的氧化物熔渣的熔点应比金属熔点低，且流动性好。氧化物的熔点低 于金属的熔点，则生成的氧化物才可能以液体状态从切口中被纯氧吹除。 ( 4 ) 金属的热导率不能太高。 在金属材料中低碳钢符合上述条件，气割性能良好。铁虽然其熔点略低于氧化物的 熔点，但氧化反应热较大，特别是熔渣的黏度低、流动性好，易于被切割氧流吹除。一 般碳素结构钢因主要成分是铁，气割性能良好，是气割加工的主要对象。 2 1 2 气割特点及应用范围 气割在工业生产中有两个特性：一是与焊接生产的配套性；二是作为分离切割的独 立性。与焊接生产配套，作为焊接生产的第一道加工工序，气割的效率、质量、成本将 直接影响焊接工序及焊接质量和成本。气体火焰切割的效率高，成本低、设备简单，能 在各种位置进行切割，因此被广泛用于下料、焊接破口的切割。 多管、板相贯件数控切割关键技术问题研究 气割技术的应用领域十分广阔，几乎覆盖了机械、造船、军工、石油化工、矿山冶 金、交通、能源等多种工业领域。气割工艺对不同材料的适用性有所不同。目前，气体 火焰切割主要用于切割各种碳钢和普通低合金钢，其中淬火倾向大的高碳钢和强度等级 高的低合金高强钢气割时，为了避免切口处脆硬或产生裂纹，应采取适当加大预热火焰 功率和放慢切割速度，甚至切割前先对工件进行预热等工艺措施。厚度较大的不锈钢板 和铸铁件冒口可以采用特种气割方法进行气割。 随着各种自动、半自动气割设备和新型割嘴的应用，特别是数控火焰切割技术的发 展，使得气割可以代替部分机械加工有些焊接坡口可一次直接用气割方法切割出来， 切割后直接进行焊接。气体火焰切割的精度和效率大幅度提高，使气体火焰切割的应用 领域更加广阔。 2 1 3 钢管的气体火焰切割 钢管的气割分为固定钢管和转动钢管的气割。不论哪一种管件的气割，预热时火焰 均应垂直于钢管的表面。待割透后，将割嘴逐渐倾斜，直到接近于管子的切线方向后， 再继续切割。 固定钢管的气割如图2 2 所示，首先从管子的下部开始预热。切割时，割嘴沿接近 管子的切线方向按图中l 所示的方向进行切割。当切割到管子的水平位置时，关闭切割 氧，再将割炬移到管子的下部并沿图中2 所示的方向继续切割。 图2 2 固定钢管气割的示意图 f i g 2 2s k e t c ho f t h ef l x e ds t e e lp i p eg a sc u i n g 一8 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 转动钢管的气割和快速气割示意如图2 3 a 所示。首先预热管侧部位，嘴头与管子表 面接近垂直。切透后嘴头往上倾斜并与管子接近切线角度。切割过程中，割炬应不断改 变位置，以保持这一切割角度。 快速气割如图2 3 b 所示，把圆管置于回转胎具上按逆时针方向转动，将割炬设在偏 离圆管顶面一定距离处。切割时，切割氧流向对切口前缘形成一个攻角，同时炙热的熔 渣沿管壁内、外表面把切口前缘预热至很高的温度，大大加速了铁氧燃烧反应，使切 割速度大为提高。 a b 图2 3 转动钢管气割的示意图 f i g ，2 3s k 酏c ho f t l 坞r o t a t e ds t e e lp i p eg 舔c u t t i n g 2 1 4 气体火焰切割技术的新发展 工业的迅猛发展使钢材切割工作量大幅度增加，提高切割速度和效率引起人们的关 注。一些工业发达的国家，如德国、日本、瑞典等，积极开发各种新型切割设备( 特别 是数控切割机) 和新的切割工艺。相继开发出了各种快速割嘴和高速切割方法，如高压 扩散型快速割嘴、高压细氧射流割嘴、高压氧帘割嘴、双层氧帘割嘴，以及多割嘴组和 高速切割方法等。目前，氧气切割技术的新发展主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 开发新的割嘴材料和制造工艺，提高割嘴的精度，特别是提高切割氧孔道的尺 寸精度和降低表面粗糙度； ( 2 ) 推广应用低压扩散型快速割嘴和氧帘割嘴； 多管、板相贯件数控切割关键技术问题研究 0 ) 研制并改善各种小型切割机、光电跟踪和数控切割机等设备，提高成形零件的 切割质量和效率； ( 4 ) 扩大液化石油气的应用，研制性能好的混合燃气，替代耗电、易爆的乙炔；推 广使用瓶装乙炔或切割气体，节约电石和减少对环境的污染； ( 5 ) 推广应用液态氧，提高切割速度和质量，节约能源。 为了提高切割效率，各种快速割嘴相继问世，割嘴的切割氧孔道由过去的圆柱型变 为特性曲面，将喷气发动机的原理应用于割嘴切割氧孔道上。快速割嘴的问世及与各种 切割机的配合，大大提高了切割速度和切割质量。快速切割还具有减小切割热交性、热 影响区小、割缝窄等优点。快速切割工艺需要各种设备来保证，配备的切割设备精度越 高，快速切割的效果越好。 液态氧的使用在切割质量、效率、切割成本等各方面都会给企业带来显著的效益。 液态氧的推广首先要建立大的液氧站，还要组织流动的液态氧槽车。 2 2 等离子弧切割 2 2 1 等离子弧切割原理 等离子弧是利用等离子枪将阴极( 如钨极) 和阳极之间的自由电弧压缩成高温、高电 离度、高能量密度及高焰流速度的电弧。等离子弧切割是用非常热的高速射流来进行的， 将电弧和惰性气体强行穿过小直径孔以产生这种高速射流。电弧能量集中在一个小区域 内，使材料熔化，高温膨胀的气体射流迫使熔化金属穿过切口并吹掉熔融金属。等离子 电弧温度一般在l o o o o 1 4 0 0 0 之间，远远超过所有金属以及非金属的熔点。因此能 切割绝大多数的金属和非金属材料。切割用离子气焰流速度及强度取决于离子气种类、 气体压力、电流、喷嘴孔道等参数。切割碳钢或铸铁时，在气流中加入氧气，还可以提 供额外的切割能量。用等离子弧切割时只采用支流正接的电流极性，即工件接电源的正 极。切割金属时采用转移弧，引燃转移弧的方法与割枪有关。割枪分为有维弧割枪及无 维弧割枪两种。 2 2 2 等离子弧切割分类及特点 等离子弧切割又分为一般等离子弧切割、水再压缩等离子弧切割和空气等离子弧切 割等。水再压缩等离子弧切割时，由喷枪喷出的除了工作气体外，还伴随着高速流动的 水束，共同迅速地将金属排开。空气等离子弧切割是将空气压缩后直接通入喷嘴，经电 弧加热分解出氧，未分解的空气以高速冲刷割口，分解出的氧与切割金属产生强烈化学 放热反应。 壁翌盔兰垫丝堡主塑堡奎 一 等离子弧切割方法具有切割厚度大、机动灵活，装夹工件简单及可以切割曲线等优 点。与氧乙炔焰切割相比，等离子弧能量集中、切割变形小、起始切割时不用预热， 能切割几乎所有的金属，而且切割碳钢的速度比氧气切割悚但是由于割口较宽，所以 被熔化掉的金属较多，切口不如氧乙炔切割的那样光滑平整。为了保证切口侧面平行， 需要用专门的割嘴。为了获得一定的坡口，还需要专门的切割技术。主要用于切割各种 有色。金属材料 2 3 激光切割 激光切割使材料加工中一种先进的和应用较为广泛的切割工艺。它是利用高能量密 度的激光束作为“切割刀具”对材料进行热切割的加工方法 2 3 1 激光切割原理及分类 激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、 汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除烙融物质，从而实现将工 件割开。激光切割的原理见图2 4 。 从切割过程不同的物理形式来看，激光切割大致可分为汽化切割、熔化切割、氧助 熔化切割和激光划片与控制断裂四类。 镡一动 i 酬蝴锄 人坼州l 图2 ，4 激光切割的原理 f i g 2 4t h ef o u n d a t i o no f l a s e rc u t t i n g 多管、板相贯件数控切割关键技术问题研究 ( 1 ) 激光汽化切割是利用高能量密度的激光束加热工件，使温度迅速上升，在非常 短的时间内达到材料的沸点，材料开始汽化，形成蒸气。这些蒸气的喷出速度很大，再 蒸气喷出的同时，在材料上形成切口多用于极薄金属材料和非金属材料的切割。 ( 2 ) 激光熔化切割时，用激光加热使金属材料熔化，然后通过与光束同轴的喷嘴喷 吹非氧化性气体，依靠气体的强大压力使液态金属排出，形成切口。主要用于一些不易 氧化的材料或活性金属的切割，如不锈钢、钛、铝及其合金等。 ( 3 ) 激光氧气切割原理类似于氧乙炔切割。它是用激光作为预热热源，用氧气等活 性气体作为切割气体。喷吹出的气体一方面与切割金属作用，发生氧化反应，放出大量 的氧化热；另一方面把熔融的氧化物和熔化物从反应区吹出，在金属中形成切口主要 用于碳钢、钛钢以及热处理钢等易氧化的金属材料。 ( 4 ) 激光划片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面进行扫描，使材料受热蒸 发出一条小槽，然后施加一定的压力，脆性材料就会沿小槽处裂开。控制断裂是利用激 光刻槽时所产生的陡峭的温度分布，在脆性材料中产生局部热应力，使材料沿小槽断开。 2 3 2 激光切割特点及应用范围 激光切割总的特点是切割速度快，质量高。具体概括如下： ( 1 ) 切割质量好 由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快，因此激光切割能获得较好的切割质量。 切口细窄，切缝两边平行并且于表面垂直，若采用高精度的切割装置与控制技术，尺寸 精度可达微米量级。 切割表面光洁美观，表面粗糙度只有几十微米。材料经过激光切割后，热影响区宽 度很小，切缝附近材料的性能也几乎不受影响。 ( 2 ) 切割的效率高 激光切割机上一般配有多台数控工作台，整个切割过程可以全部实现数控。操作时， 只需改变数控程序，就可以适用不同形状零件的切割。而且切割速度快，材料不需装夹 固定，节省辅助时间。 ( ) 非接触式切割 激光切割时割炬与工件无接触，不存在工具磨损。噪声低，振动小，无污染。 ( 4 ) 切割材料种类多。 激光切割作为一种精密加工方法，几乎可以切割所有的材料，包括金属、非金属、 金属基和非金属基复合材料、皮革、木材及纤维等。 大勰工大学专业学位硕士学位论文 但激光切割由于受激光器功率和设备体积的限制，激光切割只能切割中、小厚度的 板材和管材，而且随着工件厚度的增加，切割速度明显下降。激光设备费用高，一次性 投资大 大多数激光切割机都由数控程序进行控制操作或做成切割机器人。目前已广泛地应 用于汽车，航空航天、化工、石油和冶金等工业部门。近年来，激光切割技术在国内外 科技工作者努力下不断地向前发展。 2 4 切割方法的选择 在选择切割方法和切割设备时需要考虑的主要因素如下： ( 1 ) 切割对象：包括切割材料( 碳钢、低合金钢、不锈钢、有色金属等) 、零部件形 状和尺寸、材料厚度及批量等。 ( 2 ) 对切割质量的要求：包括切割面质量、热影响区材质的变化，零件尺寸精度、 是成形切割零件还是一般性的下料切割等。 ( 3 ) 切割效率：包括切割速度、切割后的工件处理作业量、多割炬同时切割的可行 性等。 ( 4 ) 切割工作量的大小：包括一天的切割工作量和年总加工工作量。 ( 5 ) 切割设备投资和日常切割成本：包括易损零部件的价格和寿命、气体与水和电 成本、工时费用等。 ( 6 ) 对环境的影响：包括烟尘、有害气体、噪声和弧光等对工作环境影响。 适应无人自动化切割的可行性，有时还要考虑对柔性生产系统的适应性。 选用切割方法和相应设备，需结合工厂实际情况。不宜盲目追求新颖和先进，不顾 及切割加工的对象和工厂实际引进新的方法或设备，以免因技术力量不足、加工工作量 不平衡、易耗零件价格高等导致设备闲置，或有故障不能修复而停用。 多管、扳相贯件数控切割关键技术问题研究 3 圆管相贯线切割的数学建模 钢管在各种工程领域中应用非常广泛。在海洋平台、造船、桥梁、建筑、输电塔、 塔式起重机、水工、发电设备、石油化工、冶金等钢管结构中，存在多种型式和多种规 格的钢管相贯接头。钢管与其它型材相比，具有材质较轻、强度高、韧性好，可以承受 较高内压，制造使用灵活，并且能适应复杂或恶劣的地质情况的特点。而且管状体近似 流线型结构，抗风压，水压能力比较强。加之管状结构造型美观，因此钢管被广泛的应 用到各行业。尤其是海洋石油钻井平台、高层铁塔等承受很大水压或者风压的结构，几 乎全部是由钢管和钢板搭建而成的。 在这些钢架结构中都存在着管管相贯、管与其它形状的结构体相贯的情况。由于 行业的要求不同，各种钢结构的功能和特点不一样，这些钢管接头的形式不同，钢管的 数控切割方式也不尽相同。为了能方便、高效、正确地加工这些型式各异的相贯接头， 需要将这些接头分类，然后再根据分类特点，选择合理的切割方式。 3 1 圆管相贯接头切割加工的分类 圆管相贯接头切割类型划分方式多种多样：根据相贯体的形状来分，可分为管管相 贯、管板相贯、多管相贯、管球向贯、管锥相贯等；根据焊接结构来分，有马鞍型相贯 和圆管三通相贯；根据相贯管接头的用途来分，可分为承压式管接头和承载式管接头； 根据行业的不同可分为压力容器、管道、建筑等每种分法都有自己的优缺点，也都 不能涵盖各个切管类型的要求。下面介绍一下按照相贯管接头用途的分类方法。 3 1 1 承载式管接头 在桥梁、建筑等的桁架结构中，基本上钢管是作为承受拉力或压力的杆件。这种情 况下，主管不需要开孔，支管采用马鞍式的相贯接头( 图3 1 ) ，能够承受各种轴向载荷， 所受应力多为压应力。其相贯线为支管内壁和主管外壁的交线，需要在支管端部切割相 贯线形状及焊接坡口面，有时也可不切割焊接坡口面。在国标g b5 0 0 1 7 2 0 0 3 中对这类 接头的焊接结构做了以下规定1 1 9 1 ： ( 1 ) 主管的外部尺寸不应小于支管的外部尺寸，主管的壁厚不应该小于支管壁 厚，在支管与主管连接处不得将支管插入主管内。 ( 2 ) 主管与支管或者两支管轴线之间的夹角不宜小于3 0 * 。 ( 3 ) 支管与主管的连接点处，除搭接型节点外，应尽可能避免偏心。 ( 4 ) 支管与主管的连接焊缝，应沿全周连续焊接并平滑过渡。 ( 5 ) 支管端部宜使用自动切管机切割，支管壁厚小于6 m m 的时候可以不开坡口。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 l i 哆二d 办 图3 1 承受外载荷马鞍型相贯接头 f i g 3 1i n t e r s e c t i n g j o i n to f s a d d l es h a p es u f f e r i n gf i o ml o a d i n g 承受外载荷的相贯接头有多种形式【2 0 1 ，如图3 2 所示，这些类型的接头在工程实际 中的应用比较普遍。最基本的相贯形式是两圆管相贯和管板相贯，其他复杂的相贯形 式是由这两种组合而成的。 瞽磐坠逝t 、3 1 ) 2 )3 )4 ) 图3 2 承受外载荷的相贯接头形式 1 ) 两管相贯2 ) 三管相贯 3 ) 管- 板相贯4 ) 管管板相贯 f i g 3 2t y p eo f j o i n ts u f f e r i n gf r o ml o a d i n g 1 ) t w op i p e si n t e r s e c t i n g2 ) t h r e ep i p e si n t e r s e c t i n g3 ) p i p e - p l a t ei n t e r s e c t i n g4 ) p i p e - p i p e p l a t ei n t e r s e c t i n g 3 1 2 承压式管接头 承压式的相贯管接头在工程实际中的应用比较普遍，常用于石油和化工设备、工业 和电站锅炉、输油管道、压力容器等行业，对这类结构需要在主管上切割孔。其中三通 式相贯接头就是一种应用较多的结构，该结构可以承受内压，作为液体或者气体的流通 管道，其相贯线一般为支管外壁和主管内壁的交线。 当主管直径较小时，可以采用马鞍型的相贯接头。其支管轴线与主管轴线多为垂直 相交形式，少数也有倾斜相交、偏心垂直交叉的形式，在支管端部要切割出焊接坡口面 多管、板相贯件数控切割关键技术问题研究 ( 图3 3 ) ；当主管( 或容器) 直径很大时，采用插入式的相贯接头，插入式接头又可分为支 管外壁和主管内壁相贯、支管外壁和主管外壁相贯。当主管壁厚与支管相差不大时，可 以用支管外壁和主管内壁相贯( 图3 4 ) ；当主管直径很大且管壁很厚时，可以用支管外壁 和主管外壁相贯( 图3 4 ) 。 皿 图3 3 马鞍型主管开孔 f i g 3 3h o l eo f m a i np i p eo f t h es a d d l es h a p e 爪瓜 1 )2 ) 图3 4 承受内压的插入式相贯接头 1 ) 支管外壁与主管内壁相贯 2 ) 支管外壁与主管外壁相贯 f i g 3 4i n t e r s e c t i n g j o i n to f s u f f e d n gf r o mi n s i d ep r e s s 1 ) i 砷潞e c t i i l go f b r a n c hp i p e so u t s i d ea n dm a i np i p e si n s i d e 2 ) i n t e r s e c t i n