（机械设计及理论专业论文）大型节筒端面坡口加工机床结构设计.pdf

摘要 大型节筒端面坡1 2 1 加工机床是针对我国某大型船舶制造厂的需求研究丌 发的。针对该机床结构设计这一任务，本文完成了机床的总体结构、各功能 装置的装配图和零件图的设计，对关键支撑件和机构进行了刚度、强度和稳 定性校核，建立了机床运动干涉校验模型，完成了机床的虚拟装配和干涉校 验，并对影响节筒加工精度的主要因素进行了深入的分析。 本文首先分析了大型节筒端面坡口加工机床的功能需求和技术要求，提 出了4 种解决方案，并对各个方案的优缺点进行了分析，最终选择了立式母 线定位加工方案，并确定了相应机床的总体结构布置方式、坡口切割方式与 节筒定位支撑方式；完成机床相关机构的运动设计，确定其运动参数，包括 支撑摆杆的杆长、割矩驱动丝杠的参数、丝杠间隙调整弹簧的参数以及中央 立柱的高度尺寸。 基于虚位移法得到机床摆动臂与不同规格的节筒接触部分的应力分布， 由此建立了机床关键构件的力学模型，得到了表明力与角度关系的方程式， 以及加工不同规格的节筒时各个杆件的受力大小，包括扛摆杆、下摆杆以及 下支臂的受力太小，然后确定了加工不同规格节筒所需的液压系统的压强大 小；完成机床关键构件的受力分析后，本文对机床关键构件和支承件进行了 刚度、强度和稳定性校核，包括基于压杆稳定性欧拉公式的机床杆类构件的 稳定性校核，基于广义强度理论的机床中央立柱强度特性分析，基于 a n s y s 软件的回转支撑和底座支承件的网0 度和强度分析。 在具体分析机床关键装置的结构特点的基础上，本文完成了机床关键装 鬻的虚拟装配建模、虚拟装配约束实现、虚拟装配路径规划和虚拟装配顺序 生成等工作，实现了其虚拟装配仿真；同时，结合机床关键构件的运动特性 和整体结构特点，提出了机床运动干涉模型，完成了其运动干涉校验，并探 讨了基于校验结果改进了机床设计的实施方法。 最后，对节筒在加工过程中的受力变形进行了分析，推导出了节筒应变 和应力z i 日j 的关系，分析了不同规格的节筒的受力变形，得到了其轴向和径 向变形分布，同时对床身支承件静刚度、立柱小角度倾斜以及节筒受力变形 对节筒加工精度的影响进行了分析，并对节筒加工精度进行综合评定。 关键词焊接坡口； 机床；结构设计； 虚拟装配；加工精度 晴尔滨丁业人学t 学倾f 学位论文 a b s t r a c t a c c o r d i n gt o t h ed e m a n do fa l a r g e s c a l es h i p p i n gm a n u f a c t o r yo fo u r c o u n t r y ，ac u t t i n gm a c h i n ef o rm a n u f a c t u r i n gt u b es l o p e m o u t hi sr e s e a r c h e da n d d e v e l o p e d t h es t u d y o ft h i s p a p e rm a i n l ys u r r o u n d s t h e k e yt e c h n o l o g yo f s t r u c t u r ed e s i g no ft h ec u t t i n gm a c h i n e t h eo v e r a l ls t r u c t u r a l d e s i g n ，a s s e m b l y p l o td e s i g na n dp a r tp l o td e s i g no fe a c hf u n c t i o nd e v i c eo ft h ec u t t i n gm a c h i n e a r ef i n i s h e d ，a n d r i g i d i t yc h a r a c t e r i s t i c ，i n t e n s i t y c h a r a c t e r i s t i c ，s t a b i l i t y c h a r a c t e r i s t i co fk e yc o m p o n e n t sa n dc r u t c h e sa r ev e r i f i e d t h i sp a p e rp r e s e n t s m o t i o ni n t e r f e r em o d e l ，a c c o m p l i s h e sv i r t u a la s s e m b l ya n di n t e r f e r ec h e c k o u to f t h ec u t t i n gm a c h i n e ，a l s oa n a l y s e st h em a j o rf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c ep r o c e s s p r e c i s i o no f t u b ei nd e t a i l f i r s t l y ，b a s e d o nt h e a n a l y s i s o ft h ef u n c t i o nd e m a n da n d t e c h n o l o g y d e m a n do ft h ec u t t i n gm a c h i n e ，f o u rd e s i g ns c e n a r i o sa r ep r e s e n t e d ，a n dv e r t i c a l c u t t i n g m a c h i n ew i t h g e n e r a t r i x o r i e n t a t i o ni ss e l e c t e do nt h eb a s i so ft h e a n a l y s i so ft h ef o u rd e s i g ns c e n a r i o s ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gm o d e so fo v e r a l l s t r u c t u r a lc o l l o c a t i o n ，s l o p e m o u t hc u t t i n ga n do r i e n t a t i o nc l a m p i n ga r ef i n i s h e d ， t h i sp a p e ra c c o m p l i s h e sm o t i o nd e s i g no fc o r r e l a t i v ec o m p o n e n t so ft h ec u t t i n g m a c h i n ea n dd e f i n e sc o r r e s p o n d i n gm o t i o np a r a m e t e r ，w h i c hc o n t a i n st h el e n g t h o fs w i n gh a u l m s ，p a r a m e t e ra b o u tt o r c hd e r i v i n gs c r e w , p a r a m e t e ra b o u ts p r i n g a d j u s t i n gs c r e w c l e a r a n c ea n dh i g hd i m e n s i o no fc e n t e rc o l u m n i a t i o n i na c c o r d a n c ew i t hv i r t u a l d i s p l a c e m e n t ，t h i sp a p e rp r e s e n t s s t r e s s d i s t r i b u t i o nb e t w e e ns w i n gh a u l m so fo r i e n t a t i o nc l a m pd e v i c ea n dt u b e ，a n d d e f i n e sm e c h a n i c sm o d e lo fk e yc o m p o n e n t s a c c o r d i n gt ot h em e c h a n i c sm o d e l ， t h i s p a p e rp r e s e n t se q u a t i o n a b o u tf o r c ea n da n g l e ，a n d p r o v i d e s t h ef o r c e m a g n i t u d eo ft h et o ps w i n gh a u l m ，t h eb o t t o ms w i n gh a u l m ，t h eb o t t o mc r u t c h a r ma n dt h ei n t e n s i t yo fh y d r a u l i cs y s t e mf o rc u t t i n gd i f f e rs i z et u b e t h e n ， r i g i d i t y c h a r a c t e r i s t i c ，i n t e n s i t yc h a r a c t e r i s t i c ，s t a b i l i t y c h a r a c t e r i s t i co fk e y c o m p o n e n t sa n dc r u t c h e sa r ev e r i f i e d s t a b i l i t y o ft h e c u t t i n gm a c h i n eh a u h n s w h i c hl o a ds t r e s si sv e r i f i e db a s e do ne u l e rf o r m u l a ，t h ec u t t i n gm a c h i n ec e n t e r c o l u m n i a t i o ni n t e n s i t yc h a r a c t e r i s t i ci sp r o v e dw i t hf a r g o i n gi n t e n s i t yt h e o r y ， r i g i d i t ya n di n t e n s i t yc h a r a c t e r i s t i c o fg y r a t i o nc r u t c ha n dp e d e s t a li sa n a l y z e d 尘尘鎏三些垒兰三兰堡；! 兰堡丝兰 b a s e do na n sy sf i n i t ee l e m e n t p l a t f o r m a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so nt h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i co fk e yd e v i c e so f t h ec u t t i n gm a c h i n e ，t h e i rv i r t u a l a s s e m b l ye m u l a t i o np r o c e s si sa c c o m p l i s h e d ， w h i c hc o n t a i n sv i r t u a l a s s e m b l ym o d e l i n g ，v i r t u a la s s e m b l yr e s t r i c t i o n ，v i r t u a l a s s e m b l yp a t hp l a n n i n g a n dv i r t u a l a s s e m b l ys e q u e n c ep l a n n i n g f o u r p a r t s m e a n w h i l e ，c o m b i n e d t h em o t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h e c u t t i n g m a c h i n ea n d o v e r a l ls t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c ，t h i sp a p e rp r o p o s e sm o t i o ni n t e r f e r em o d e la n d v e r i f i e st h es i t u a t i o no fm o t i o ni n t e r f e r et h r o u g hm o t i o ne m u l a t i o n b e s i d e s ，t h e m e t h o do fi m p r o v i n gt h es t r u c t u r a ld e s i g no ft h ec u t t i n gm a c h i n eo nt h eb a s i so f t h em o t i o ne m u l a t i o nr e s u l ti sd i s c u s s e d a tl a s t t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ed e f o r m a t i o ns i t u a t i o ni nt h ec o u r s eo f p r o c e s s i n go fr o b e ，a n da t t a i n sc o r r e s p o n d i n g r e l a t i o nb e t w e e nt h es t r e s sa n dt h e s t r e s sd e f e l r m a t i o nt h e o r e t i c a l l y t h ed e f o r m a t i o ns i t u a t i o no f d i f f e rs i z et u b e si s a n a l y z e d a n dt h e i ra x i a ld e f o r m a t i o nd i s t r i b u t i o na n dr a d i a ld e f o r m a t i o n d i s t r i b u t i o na r eg a i n e d b e s i d e s ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c e p r o c e s sp r e c i s i o no ft u b e ，s u c ha ss t a t i cr i g i d i t yo fl a t h eb e dc r u t c h ，s m a l la n g l e i n c l i n eo fc e n t e rc o l u m n i a t i o na n dd e f o r m a t i o no ft u b e m e a n w h i l e ，t h ep r o c e s s p r e c i s i o no f t u b ei se v a l u a t e ds y n t h e t i c a l l y k e yw o r d sw e l d i n gs l o p e m o u t h ， c u t t i n g m a c h i n e ， s t r u c t u r e d e s i g n v i r t u a la s s e m b l y ，p r o c e s sp r e c i s i o n i i i 哈尔滨工业人学工学硕上学位论文 第l 章绪论 1 1 课题来源及研究的目的和意义 1 1 1 课题来源 本文研究的大型节简端面坡i z l 加工机床是根据我国某大型船舶制造企业 的需求研发的。 1 1 2 课题研究的目的和意义 我国某大型船舶制造企业急需一种能够对多种规格的大型薄壁节筒进行 端面和坡口加工的机床，用传统的立车和卧车进行加工往往效率低，成本 高，同时，目前我国针对节筒端面和坡口加工的机床，主要集中在中小型加 工机床方面，还没有针对大型薄壁节筒的端面和坡口加工的专用机床。本文 研究的目的就是设计一种面向大型节筒端面坡口加工的专用机床，解决该企 业对多种规格的大型薄壁节筒进行端面和坡口加工的需求，使企业的综合竞 争力得到提高，因而，具有很大的实用意义。 针对大型薄壁节筒的端面和坡口加工这实际问题，本文进行了加工机 床的总体结构布局和支撑方式的确定，完成了液压系统的压力计算、杆类构 件的运动设计和稳定性校核、中央立柱和底座等支承件的刚强分析、虚拟装 配和干涉校验等工作，较好地将并行设计的思想应用到机床的设汁中，这些 技术对于类似的设备的设计具有一定的理论借鉴和技术指导作用。 1 2 国内外研究现状及分析 1 2 1 国外机床发展状况综述 国外机床的发展起步比较早，发展速度比较迅速，到了2 0 世纪8 0 年 代后期，国外机床的发展已经具有十分明显的体系化，应用范围广，除通用 机床外，又出现了各种各样的专用机床。近些年来，电子技术、计算机技 坠兰鎏三些查兰三兰丝兰兰堡丝兰 术、信息技术、激光技术等的发展并在机床领域得到应用，使机床丌始了迅 猛发展的新时代，特别是数控技术的引入，使得机床结构发生重大变革，数 控车床、数控铣床、立式加工中心、卧式加工中，t 3 以及五轴龙门加工中心等 产品相继被研发生产。技术的加速发展更新和产品更新换代的加快使得国外 的机床主要面向多品种，中小批量生产，国际现代机床不仅能够保证加工精 度、加工质量、加工效率和高度自动化，并且还具有一定的柔性和可持续发 展性，使之能够很方便地适应加工对象的变化，多样化、精密化、高效化、 复合化、环保化、智能化是这一时代机床发展的基本特征n 。”。 国际现代机床的发展速度十分迅猛，并且技术要求和科技含量越来越 高，专业性越来越强，从小品种、大批量生产转换为多品种、专用化和小批 量生产，少带或不带不必要的功能，由传统的万能机床转向机床功能专用化 和产品多样化。通过归纳可以发现，国际现代机床发展存在以下特点：一是 高速、高效和复合加工机床发展迅速：二是机床更强调安全和环保要求；三 是功能部件发展迅速，已形成完整配套件产业，机床配套件产业的发展有力 地推动了机床主机的发展，不但有助于提高机床的速度和性能，而且大大缩 短主机的生产周期，降低生产成本，这f 是我国机床行业所缺乏的；四是控 制系统功能更加完善、强大，开放式结构趋势明显，更高速的处理器和更精 确的控制设备使机床的功能和性能完善而强大，技术密集己进入超速发展阶 段，面集成的关键是开放式结构；五是机床的外观质量水平更高，机床制造 商更注重机床造型的美观和色调的协调柔和，其机床精品更向工艺品方向发 展，六是特种加工机床业逐渐成形，加工方法丰富，如电解加工、电火花加 工、激光、超声波、电子束、等离子束、水喷射等加工方法“1 。 在这方面比较有代表性的国外公司和企业有很多，如德国德马吉公司 f d m g ) 是世界第二、欧洲最大的机床设备制造企业。其机床产品以精度高、 技术全、刚性高、性能住而闻名，广泛应用于汽车制造、航空航天、医疗器 械、模具、轻工机械等领域；德国斯宾纳机床制造有限公司是世界著名的精 密数控机床制造商，系列化生产各种超精密和高精密数控车床、高精密立式 加工中心以及最新式的七轴车铣加工中心；日本大隈株式会社是同本及世界 上最大的数控机床制造厂之一，生产各种数控车床、车削中心、立式、卧 式、龙门式( 五面体) 加工中心、数控磨床等，其产品以刚性好、切削效率 高、精度高、寿命长、操作方便而著称于世，深得世界各地用户好评；美国 哈斯自动化公司是美国最大的c n c 机床制造厂，在数控领域是当今世界上 规模最大的制造商之一，主要产品有数控立式和卧式加工中心、数控车削中 哈尔滨丁业人学r 学硕卜学位论文 心、转台和分度仪，该公司的产品以精确性好、定位精度及重复定位精度 高，易于操作，以及经久耐用见长，有着优良的性价比；意大利菲迪亚集团 ( f i d i a ) 是世界著名的数字控制及高速铣床研究制造企业，该集团在数字控 制技术、仿形技术等方面始终处于行、世的领导者地位等”“1 。 1 2 2 国内机床发展状况综述 我国已经形成了布局比较合理、结构比较完整的机床工业体系。机床的 产量不断上升，机床产品除满足国内建设的需要以外，而且有一部分产品远 销国外。我国已经制定了完整的机床系列型谱，生产的机床品种也开趋齐 全，现在已经具备成套装备现代化工厂的能力。目前，我国已经能生产从小 型仪表机床到重型机床的各种各样机床，也能生产出各种精密的、高度自动 化的、高效率的机床和自动线，机床的性能也在逐渐提高，有些机床的性能 已经接近世界先进水平。在消化吸收引进技术的基础上，我国的数控技术也 有新的发展，目前我国已能生产l o o 多种数控机床，并研制出六轴五联动的 数控系统，可用于更加复杂型面的加工，国产数控机床的分辨率已经提高到 o 0 0 1 m m “。 目前，我国机床工业已经形成了企业、高等院校研究部门与专门设置的 研究机构相结合的研发力量。企业的研发基地为产品创新、性能升级作出成 效的事例很多：如秦川机床集团技术研究院在2 0 0 2 年研发的高效数控七坐 标六联动蜗杆型砂轮磨齿机，达到世界先进水平并填补国际规格上的空白： 险峰机床厂的国家技术开发中心开发出的配置自行开发的专用数控系统的高 精度超重型轧辊磨床进入了世界先进行列；高等院校科研队伍以基础共性技 术、前沿技术、软件技术研究见长：中南大学研发出达到世界先进技术的弧 齿锥齿轮磨齿机；华中科技大学2 0 世纪7 0 年代开始数控机床研究，在中国 高校首次研制出立式和卧式加工中心、数控曲轴磨床及六角转塔头自动机 床，并开发出属于世界一流的快速成型机：哈尔滨工业大学机电设备研究所 研发出六轴联动并联机床，且在这类机床的理论研究上与国外相比并 无很大差距。我国机床工业领域的独立研究单位一直承担基础共性研究开 发工作，具有以多项基础共性技术的集成开发顶缴产品的优势，经过科研体 制改革，具备科技先导型企业性质，活力更为增强：如北京机床研究所的纳 米技术机床，济南铸造锻压设备研究所的数控回转头冲压与激光复合机床都 是体现我国研发实力的事例”1 ”。 此外，我国机床制造企业和公司也已经成形，比较有代表性的机床制造 企业和公司有：北京第一机床厂是中国最大的数控机床生产基地，建厂五十 多年来，先后为各类顾客提供了4 5 0 多个品种的中小型、大型、重型以及超 重型机床1 0 余万台，产品主要品种有数控铣床、数控车床、立卧式加工中 心、数控龙门镗铣床等；沈阳第一机床厂是沈阳机床股份有限公司的直属企 业，是中国规模最大的综合性车床制造厂和国家级数控机床开发制造基地， 工厂的产品主要分为数控机床、专用机床、普通机床三大类，其中c k s 系 列、c k h 系列、c a k 系列数控车床和t a c 系列数控立车等在广大用户中 享有盛誉；大连机床集团公司是我国高效自动化成套技术与装备的产业化基 地和出口基地，有着雄厚的技术力量和制造能力，主要产品有组专机及柔性 制造系统，立、卧式加工中心，数控车床和车铣中心，高效精密车床及附件 等。 我国机床工业已经取得了巨大的成就，但与世界先进水平相比，还有较 大的差距，主要表现在：机床产品的精度、质量稳定性、自动化程度以及基 础理论研究等方面，以及大部分高精度和超精密机床的性能还不能满足加工 要求，精度保持性也较差，特别是高效自动化和数控机床的产量、技术水平 和质量保证等方面都明显落后。我国机床以及数控机床基本上是中等规格的 车床、铣床和加工中心等，而精密的、大规格及超大规格或小规格的还远远 不能满足需要，至于航天、航空、冶金、汽车、造船和重型机器制造等工业 部门所需要的多种类型的特种数控机床基本上还是一片空白。在技术水平和 性能方面的差距也很明显。国外已做到了l 5 一1 9 轴联动，分辨率达o 1 - o 0 1l l m ，而我国目前只能做到5 - 6 轴联动，分辨率为lg m 。国内产品的质 量与可靠性也不够稳定，机床基础理论和应用技术的研究明显落后，人员技 术素质还跟不上现代机床技术飞速发展的需要，特别是大型重型机床的研发 还处于落后阶段。 1 2 3 国内外坡口加工机发展状况综述 在坡口加工机设计方面，国外的发展一直以来都处于领先的地位，其坡 口加工机的应用范围包含大、中、小各种规格的节筒的加工，并且能够满足 节筒全位鼹自动焊接技术对坡i z l 形状及精度的要求。节筒坡口加工机在国外 管道施工中已得到普遍的应用，并且国外已有多家公司研制并开发了具有自 己独立产权的节筒切割坡口杌，如美国的c r c 公司和c c 公司、德国的 v i e t z 公司及加拿大的p r o l i n e 公司等。国外具有代表性的坡口加工机可 分为两类：一是火焰切割坡口加工机，以美国h & m 公司产品为代表；二是 冷切割坡口加工机，分为系列化产品和通用产品两类，系列化产品以意大利古 倍喜公司生产的内卡式、外卡式坡口机和管端坡口车床为代表，通用产品以 日本板桥全自动柔性轴切管机和美国马泰、瓦奇公司的爬管式切割坡口加工 机，德国g f 公司生产的适用于薄壁细长管切割开坡口的r a 系列管道切割 兼坡口机为代表。目前国外切割坡口加工机成型产品可靠性较高”“”】。 与国外的同类产品相比，圆内的产品多数为模仿国外制造，针对于特种 材料和专用场合的坡口加工机床基本上是处于研发的初始阶段，没有一定的 市场规模，投入使用的范围有限”1 “。国内仅有几家企业生产管道切割开坡 口机，如浙江的奥太机械有限公司等，但都是针对城市水管线的小管径、铸 铁管道，而且采用小型电机或气动马达驱动，不适合大口径、高强度管道施 工；管道科学研究院特种施工机具研究所研制生产了适用于大管径、长输管 道施工现场加工坡口的p f m 系列管端坡1 3 机，目前只有适合管径 d 7 1 l m m d 9 3 0 m m d 1 0 1 6 m m 的三个系列品种，但是对于直径更大的节筒加 工，没有相应的坡口加工机“1 。可以看出我国针对节筒端面和坡1 3 加工的机 床，主要集中在中小型节简端面和坡1 3 加工机床方面，而对于大型节筒的端 面和坡口加工一般不易实现，并且加工精度较低，加工质量不稳定，鉴于 此，开发一种新型的面向大型节筒端面坡1 3 加工机床以满足国内大型节筒坡 口加工的需求是十分必要的。 1 3 本文主要研究内容 根据用户的功能需求和节筒加工技术要求，运用功能模块化结构设计思 想，耻，l a 厶i ：a 产品整机结构设计特点，完成大型节筒端面坡口加工机床的设计。 本文的主要研究内容如下： 1 进行大型节筒端面坡口加工机床的总体设计。分析用户的功能需求 和机床设计技术要求，在对多种方案进行分析的基础上，确定机床的总体结 构方案，完成机床相关机构的运动设计，确定其运动参数和中央立柱的高度 尺寸。 2 ，进行机床关键件的刚度、强度和稳定性分析。根据机床的结构特 点，建立关键构件的力学模型并对其进行受力分析。并进行压杆的稳定性校 核，同时，根据机床的结构特点及节筒的尺寸和重量，确定液压系统的压强 哈尔滨t 业大学工学硕士学位论文 大小范围。中央立柱、回转支撑和底座总成是机床的重要部件，本文将建立 它们的刚度和强度分析模型，并用a n s y s8 0 软件，进行其刚度计算和强 度计算。 3 进行机床的虚拟装配和干涉校验。该机床属大型机床，可装配性判 断和干涉校验在机床结构设计中起着十分重要的作用，为此本文将根据机床 的结构特点，进行机床关键件的虚拟装配建模和运动仿真，确保设计结果的 合理性。 4 对节筒受力变形和影响节筒加工精度的因素进行分析。影响节筒加 工精度的因素很多，本文将首先分析大型薄壁节筒在加工过程中的变形情 况，从理论上推导出节筒应变和应力之间的对应关系，给出不同规格的节筒 受力变形情况，分析其轴向和径向变形分布，同时对影响大型薄壁节筒加工 精度的主要因素进行分析，并对节筒加工精度进行综合评定。 ； 坠! ! 量三些尘兰。：耋堡：! 耋竺丝兰 第2 章大型节筒端面坡口加工机床的总体设计 2 1 机床设计需求 国内某大型船舶制造企业需要设计一种用于大型节筒端面坡口加工的专 用机床。如图2 1 所示，节筒上、下端面都要进行坡v l3 n _ - e ，上、f 端面的 坡口又包括内坡口和外坡口，开坡口的目的是方便进行两节筒之问的焊接。 坡口加工技术要求包括如下几个方面： 1 加工面粗糙度满足1 2 5 a m ； 2 上、下端面加工平面，节筒高度满足尺寸要求，公差为0 l m m ； 3 坡口加工后角度公差为1 5 。； 根据工厂需要，节筒有9 种规格，其高度日的变化范围为 6 0 0 r a m 3 0 0 0 m m ，直径d 的变化范围为0 2 4 0 0 m m 0 2 8 0 0 m m ，节筒壁厚f 的变化范围为2 0 r a m 8 0 m m ，焊接定位面宽度h 变化范围为2m m l o m m ， 内外坡口角度0 j 、0 2 变化范围为o 。6 0 。，材料为合金钢，其强度指标为 9 8 0 m p a 。 i 幽2 - 1竹筒加l 示意幽 上述节筒端面坡口加工有如下特点和难点： 1 节筒质量重，最大可达到8 吨； 2 不同节筒的直径、高度和坡口角度一般不同； 3 节筒为高强度材料，机械切削加工很困难； 4 加工精度较高； 5 节筒壁薄，加工过程中易变形，焊接定位面宽度h 的值不易保证； 一： 坠尘堡三些查兰三兰竺占兰竺篁兰 6 根据节筒的生产批量，节筒加工后机床应快速方便搬离加工现场 因而机床应有搬运方便的特点。 2 2 机床总体方案设计 2 2 1 节简不同加工方案的分析 针对大型节筒端面坡口加工的实际特点，可采取以下4 种加工方案：轨 道式母线定位加工方案( 图2 - 2 ) 、卧式母线定位加工方案( 图2 3 ) 、立式 轴线定位加工方案( 图2 1 4 ) 和立式母线定位加工方案( 图2 5 ) 。 图2 - 2 轨道式母线定位加【? 方案幽2 - 3 卧式母线定值加i ? 方案 图2 。4 立式轴线定位加下方案 幽2 - 5 立式母线定位加1 ：方案 轨道式母线定位加工方案采用装置为轨道式，放到节筒沿口由摩擦轮驰 动旋转，旋转周完成一端坡口加工。这种机床结构较简单，尺寸比较小， 但是结构实现困难，并且加工精度和加工质量均不易保证，辅助工时长。 卧式母线定位加工方案采用内外加工头固定形式，节筒由滚柱支撑，摩 擦轮驱动旋转，旋转一周完成一端坡口加工。这种机床支撑结构比较简单， 加工精度容易保证，但是整体结构尺寸大，并且辅助工时很长。 立式轴线定位加工方案采用节简由中心支撑成圆后固定，由旋转的内外 哈尔滨工业人学1 学坝j j 学位论文 加工头同时加工，旋转一周完成一端坡口加工。这种机床加工方案的支撑装 鼹结构比较复杂，加工精度和加工质量不易保证，并且对机床装置装配、定 位等要求十分严格。 立式母线定位加工方案采用节筒由中心支撑固定，旋转的加工头由母线 定位，旋转一周完成一端坡口加工。这种机床加工方案的支撑结构简单，加 工精度和加工质量容易保证，并且容易实现节筒的加工和吊装。 2 2 2 总体结构布莺方式的确定 通过对上述4 种加工方案分析，基于节筒的加工难点和加工技术要求， 本文采用图2 5 所示的立式母线定位加工布置方式。该布置方式有以下几个 方面的优点： ( 1 ) 加工精度容易保证 采用这种加工布嚣方式，定位与央紧装置连为一体，一次装夹完成一端 平端面、内坡口加工和外坡口加工，避免多次抓取造成的定位误差。此外， 节筒竖直放在机床上，重力方向竖直向下，工件受到的磨削扭力将会大大减 少，有利于减小工件的扭曲变形和外形误差因而加工精度容易保证。 ( 2 ) 结构简单紧凑 该加工布置方式将节筒定位和兴紧装置合为一体，工件不动，刀具装置 放置在回转台上，回转台回转进行工件加工，结构简单紧凑，便于节筒吊装 和加工。而卧式加工布置方式则需要有其他的附属装置，占地面积大，结构 较复杂，并且不利于工件的吊装和加工。 f 3 ) 运动容易实现和控制 该加工布置方式在加工过程中，回转台回转，而工件不动，动力系统功 率小，运动容易实现并容易控制，有利于确保工件的加工精度和加工质量。 2 2 3 坡口切割方式与节筒定位支撑方式的确定 根据节筒的材料为难加工的合金钢且节筒壁薄刚性差的特点，在广泛调 研和征求企业意见的基础上，进行了切割方式和定位方式的确定。 ( 1 ) 采用等离子切割方式进行坡臼和端面的加工，并选取切割速度快、 切缝窄、切口光洁、体积小、重量轻、高速节能的l o k 系列空气等离子切 割机，既能够保证加工速度，又能够保证加工表面粗糙度要求。内外割炬角 度调整装置由刻盘角度调整机构调整实现坡口加工角度的调整功能。 坠垒堡三些奎兰三兰丝：! ；兰竺丝兰 ( 2 ) 采用母线定位原理，并用靠背轮进行实现。靠背轮以节筒成型后的 内表面母线进行定位，并驱动内外割炬头实现径向运动，从而使得加工后的 坡口形状不会因节筒的变形而改变，减少了节筒变形对其加工精度的影响。 ( 3 ) 工件由8 个定位块进行定位，采用如图2 - 6 所示的总体结构。夹紧 装置由上下摆杆、下支臂和摆动臂组成的8 个异形平面连杆机构构成。机构 上下摆杆的一端和中央立柱铰接，另一端和摆动臂铰接，下支臂一端和摆动 臂铰接，另一端与下拉杼铰接，液压动力系统通过下拉杆带动下支臂来驱动 摆动臂工作，摆动臂中放置臂垫板，根据加工节筒的直径的不同，可以调整 接触状态。这种夹紧装置既便于节筒的夹紧定位，又能够保证已成型的节简 在加工过程中不易在力的作用下变形，保证加工精度。 11 p 1 1 | ! 筒2 f 拉杆机构3 外割炬角度调整装置4 外割炬靠背轮装置5 外割 炬等离子切割机6 外割炬纵向升降装置7 外割炬防护罩8 外割炬横向进给装 置9 外割炬步进电机1 0 回转支架1 1 底座支撑调悼鹰 i 2 ：f _ = 件定位夹紧装 置1 3 ，内割炬靠背轮装置1 4 内割炬角度调整装置1 5 内割炬等离子切割机1 6 ， 内割炬纵向升降装置1 7 内割炬横向进给装置i 8 内割炬防护罩1 9 内割炬步 进电机2 0 液压动力系统2 i 中央立拄2 2 同转支撑2 3 底庠 图2 - 6 加i 机床总体结构主视图 ( 4 1 该机床按照功能实现的不同可以分为工件定位夹紧装置、回转支架 总威、底座、中央立柱、内外割炬角度调整装置、内外割炬横向进给装置、 内外割炬纵向升降装置、靠背轮机构总成、液压动力系统装嚣、控制驱动装 置以及空气等离子切割机等组成部分。 ( 5 ) 内外割炬采用步进电机和丝杠相结合的驱动方式，驱动力矩小，驱 动性能好；采用丝杠和丝母相结合的传动方式，轴向受力小，传动性能好： 横向进给装置采用双杆( 光杆) 导向，且双杆对称分布于丝杠两侧，纵向升 窒丝鎏三些垒兰三兰丝三兰堡尘兰 降装置采用双导向筒和导向杆结合的导向形式，两者的导向性好。 ( 6 ) 回转支架总成由回转架和回转支撑构成，采用步进电机和减震性能 好的行星摆线针轮减速机及二级减速的驱动方式，驱动性能好，转速震动对 节筒加工精度影响小：减速机置于回转架预留的空间内，整体结构紧凑。 ( 7 ) 底座由上下底板与加强筋板焊接组成，加强筋板对称均匀地分布在 上下底板之间，既减轻了设备的重量，又提高了机床的静态刚度，减少加工 误差：底座下底板处设计有四个水平调节支座，保证平端面加工的水平度。 ( 8 ) 中央立柱总成采用圆柱形且中央置空的结构形式，既减轻加工设备 的重量，又便于液压动力系统的实现。立柱上端部采用悬臂结构，便于工件 定位夹紧装置上下摆杼的设计；立柱下端部采用加强筋板对称均匀分布的结 构形式，既提高了立柱的刚强特性，又能够保证中央立柱的稳定性。 2 2 4 支撑摆杆的杆长设计 摆杆杆长是机床整体设计中比较关键的技术参数之一。摆杆的长度除了 直接影响到工件定位夹紧装置的稳定性和摆杆摆动角度之外，还影响到机床 的整体结构尺寸，如中央立柱高度和活塞连接体移动距离等，同时还决定着 机床所能加工的工件的大小，所以，对于摆杆长度的设计是非常重要的。 本文采用的是约束图解法进行摆杆杆长的设计，根据工件定位夹紧装置 结构设计的特点，以中央立柱的中心线为j ，轴，可以把杆长设计图简化成图 2 7 所示，虚线部分表示加工最小直径节筒时上下摆杆所处的位置。 中央立梓：2 摆动臂：3r 支臂；4 液压系统 图2 7 杆长计算简图 堕! ：堡三些查兰三兰堡圭兰堡丝兰 1 约束条件摆杆本身质量较轻，可以简化成二力杆，从稳定性的角度 看，为了保证上下摆杆支撑节筒后不向上倾覆，应有加工直径最大的节简时 护j 4 5 。，加工直径最小的节筒时 4 5 。；摆杆摆动的过程中，纵向移动距 离如应该满足加工最短节筒时摆动臂的上端部力作用点仍然在节筒上端邦 以下，从而保证工件定位夹紧装置的稳定性，即上 2 0 0 m m ；节筒最大半径 l ? = 1 4 0 0 m m 。节筒最小半径上_ 1 2 0 0 m m ，则摆动臂横向移动距离l 。= l 7 l j = 2 0 0 m m 。 2 几何关系式根据图2 7 所示，可以得到相应的几何关系式： ( l 1 一，) c o s 曰l( 上2 ，) c o s 日2， i 矿面f 一一“ 型：堕：丝： s i n 毋is i n 占! 其中表示摆杆长度，厶表示中央立柱上端部悬臂体半径 最大半径与最小半径差。由上述各式可以得到： ，lh 扣忑盈孚忑砰 c o s a r c s i n ( ! = ) 一c o sa r c s i n ( = = ) ( 2 1 ) ( 2 2 ) 厶表示节筒 ( 2 3 ) 曰1 ：a r c s i n z 1 - l 4 5 。( 2 4 ) 三 日2 ：a r c s i n 墨! 二生 4 5 。 ( 2 5 ) 上 由式2 ，3 可知杆长是关于h 和，的隐式函数，一旦确定厶和l 的 数值，则杆长上即可确定。 3 杆长参数确定考虑到中央立柱的结构特性和摆动臂与节筒的接触状 态，给定中央立柱上端部悬臂体半径l ，= 8 0 0 m m ，限制摆杆纵向移动距离 l h = 1 5 0 m m ，由图2 7 所示，直接做出线p 的中垂线m k ( 为加工直径为 0 2 8 0 0 m m 节筒时摆杆支撑点，p 为加工直径为0 2 4 0 0 m m 节筒时摆杆支撑 点) ，得到线m k 与直线x = l 的交点k 即为摆杆与中央立柱的铰接点，线 k n 的长度即为摆杆的长度，杆长l = 1 2 5 5 m m ，口，= 3 0 9 6 。，岛= 4 4 3 6 。 2 2 5 割矩驱动丝杠的参数设计 内外割炬横向进给装置和纵向升降装置均是采用丝杠传递力和位移的传 墓尘堡三些垒兰三兰丝! ；兰竺鎏兰 动方式，丝杠结构参数的确定，实质上即是内外割炬横向进给装置的横向移 动位移和纵向升降装置纵向升降距离的确定。两者对丝杠的参数设计原理是 一致的，本文给出横向进给装置丝杠参数设计的具体过程。横向进给装置丝 杠参数决定着机床能加工的节筒的大小。 1 约束条件被加工节筒直径是可变的，为了保证实现这种可变直径节 筒的加工，横向割炬横向移动位移三它上。- l m t n = 2 0 0 m m ，l 。表示最大节 筒半径，厶。表示最小节筒半径，同时考虑到吊装的方便性以及无干涉性， 割炬横向有一定的预留位移& ，取= 5 0 r a m ，所以取丝杠横向移动位移 l 。= 2 5 0 m m ，丝杠横向工作长度取乙= 6 5 0 m m ；此外，丝杠横向传递时仅是 轴向受力，受力由两部分组成，一是推动横向溜板的推力 r = m g u = 5 0 x 9 8 x 0 ，1 5 = 7 3 5 n ，m 表示溜板重量，一是加工时丝杠通过靠背轮 装置顶住节筒内表面的顶力胚1 0 0 0 n ，则丝杠横向受力 产r 十胚1 0 7 3 5 n 。丝杠参数设计简化模型如图2 8 ，位置l 表示割炬初始 位置，位置2 表示加工最大节筒时割炬位置。 位置2 位置1 1 1 靠背轮：2 纵向升降姨置；3 横向溜板机构；4 丝杠 图2 - 8 丝杠参数设计简化模型图 2 结构参数确定根据受力分析，从稳定性和刚强特性角度看，选取丝 杠螺距p = 3 m m ，螺杆外径d 2 = 3 0 r a m ，旋合圈数z _ 1 0 ，则有： 螺纹工作高度h = 0 5 p = 1 5 r a m ( 2 - 6 ) 螺母高度h = z p = 3 0 r a m ( 2 - 7 ) 螺杆中径d2 = 等= 2 0 m m ( 2 - 8 ) 妒 驱动转矩7 臼= t i + t , 2 + t 3 = m g d 2 u + c o s 目 = 5 0 x 9 8 x 2 7 x 0 1 xc o s6 0 。= 0 4 9 n m l l q ( 2 9 ) f1 螺纹导程角 甲= a t c t a n 去2 a r c t a n 2r 矗刍2 2 7 3 。 2 - 1 冗d ，l q x 吩尔演 _ _ 业人学工学硕。t 学位论文 当量摩擦角 = a r c t a i l c o s 0 况2 = ”c t a n c o 羔s 菩万2 = 5 2 8 。 ( 2 一1 1 ) 6 0 0