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第七章 船体构件加工 6学时 教学要求:理解船体构件的边缘加工船体板材构件的成形加工船体型材构件的成形加工. 重点:火焰切割. 难点:船体板材构件的水火成形加工. 教学内容: 钢材经过预处理和号料画线后按其要求制造成各种各样的船体结构构件这个工艺过程称为船体构件加工. 船体构件加工的方法按加工时钢材的温度情况可分为冷加工和热加工两大类.冷加工是指钢材在再结晶温度Fe-C状态图中的二次结晶温度即同素异晶转变温度约727以下时对其施加一定的外力而发生断裂或塑变的工艺过程热加工则是将钢材加热到Fe-C状态图中的二次结晶温度以上利用船体结构钢材在高温时易与氧气燃烧和强度降低塑性增高的特性进行分离或塑变的工艺过程. 船体构件加工的方法从其构件特点和加工要求来看可分为边缘加工和成形加工两大类这样分类有利于了解船体构件加工工艺的特点.现将部分常见船体构件按形状特征的分类列于表7-1中船体构件中加工方法分类见图7-1所示. 随着船体建造工艺的发展船体构件的加工技术也有很大发展主要趋向是:加工设备高效化辅助工作机械化工艺操作流水化加工机床数控化. 本章主要介绍船体构件的边缘加工和成形加工. 第一节 船体构件的边缘加工 船体构件的边缘加工是指进行边缘的切割和焊接坡口加工的统称.船体构件的边缘可分为直线边缘和曲线边缘较厚的船体构件焊接前需在边缘开坡口其坡口形式按焊接规范要求可分为I型V型K型X型和U型等. 船体构件边缘加工的工艺方法是机械剪切刨边或铣边和气割. 一船体构件的边缘切割的机械加工 1.机械剪切原理 剪切工件的过程是将材料放在剪刃之间由外力人工机械液压等带动两刃作相对运动从而对材料施加一定的剪力当剪力超过材料的强度极限时材料就发生变形最终沿刃口断裂分离. 2.机械剪切的特点 适应性强适应中低碳钢铝铜不锈钢加工经济损耗小加工速度快成本低加工时有扭转弯曲变形剪切曲线时效率低噪音大劳动强度大. 3.直边构件的边缘剪切 平口刀刃剪床的剪切力分析 假设平口剪床的切削角为90此时平口剪床剪切时材料的受力情况图7-3所示. 图7-3 剪切时受力分析 4.曲边构件的边缘剪切 圆盘剪床剪切力的分析 圆盘剪床的剪力为一对圆形的刀刃刀刃间可有一定的重叠部分当圆滚刀作同速反向旋转时材料被剪断.图7-4为圆盘剪床剪切时的受力情况. 图7-4 圆盘剪床剪切时受力分析 二船体构件焊接坡口的机械加工 刨边机和铣边机都是加工钢板构件直线边缘的专用设备.一般经过剪切和手工气割半自动气割的平直船体板材构件都可以在刨边机上刨出坡口如I型V型U型X型等坡口只要更换不同的刨刀旋转刀架至不同的角度便可开出不同的坡口亦可在铣边机上铣出I型坡口供要求钢板边缘平直而整洁的自动焊使用. 三船体构件的边缘切割和焊接坡口的气割加工 1.气割原理 所谓气割通常系指氧乙炔切割或氧丙烷切割.其实质是金属在氧气中燃烧.通常可将它分为预热燃烧去渣三个阶段. 从气割过程的特点可知只有满足下述条件的金属才能进行气割: 被割金属的燃点应低于其熔点.这是最基本的可割条件.否则金属尚未达到燃点就已开始熔化变成液态就不可能进行切割.低碳钢和低合金钢都属于燃点低于熔点的金属所以它们具有良好的气割性能. 试验研究资料指出黑色金届的含碳量对其燃点和熔点的影响很大.通常随着含碳量的增加其熔点降低燃点升高.一般含碳量低于0.7的黑色金属都能满足气割过程是燃烧过程. 氧化物的熔点应低于金属熔点并且具有良好的流动性.否则氧化物不可能以液体状态自切割处排除易产生粘渣等现象妨碍切割过程进行. 金属在氧气中的燃烧应是放热反应且应能放出较大的热量.因为气割过程中上层金属燃烧放热对下层金属的补充预热作用是十分重要的.在气割过程中预热焰的热量约占气割总热量的30而气割过程中金属燃烧产生的热量约占气割总热量的70.虽然排除熔渣时带走了部分热量但是金属燃烧时所产生的热量仍然是预热被割金属的主要热源.如果是吸热反应气割过程就不能连续进行. 金属的导热率不应过高.否则预热火焰的热量和被割金属燃烧所产生的热量将从切割处迅速散失使温度很快下降而低于燃点使切割过程不能开始或者中断甚至还会导致割缝过大. 金属中不应含有使气割过程恶化的杂质.因为有的杂质会使氧化物熔点升高有的会妨碍金属燃烧有的则使割缝处金属性能变坏引起裂缝等等.例如含碳量超过0.7的钢必须将其预热到400700时才能进行气割否则会在割缝表面产生淬火组织甚至出现裂纹. 2.气割的特点主要有切割厚度大切割形状方面适应性强自动化程度高噪音小劳动强度底. 3.常用气割方法 手工气割法 手工气割常用工具是射吸式气割炬.它使用的氧气压力约为0.40.6MPa乙炔气的压力一般都低于0.156MPa.气割炬在工作时慢风氧气通道进入喷射管由径孔细小的射吸孔射出使射孔周围的空间造成一个负压区将聚集于该区的低压乙炔吸出 然后氧气与乙炔以一定的比例在混合室进行混合并且以一定的流速从割嘴喷出.为了使较高压的氧气与低压的乙炔能够均匀的按一定比例体积比例约为1:1混合并以相当高的流速喷出割炬的喷射管和混合室都是特殊构造的.这种混合气体是供预热火焰用的快风氧气则是供燃烧金属用的.国产射吸式气割炬分大中小3种型号造船中常用小号.为了适应不同切割的需要我们采用调换割嘴及调节慢风氧气阀顶针来改变喷射管孔径的方法予以解决故对每种型号的割炬配备3种不同规格的割嘴以切割不同厚度的钢板. 半自动气割机 半自动气割机由切割部分包括割嘴气体管路及其调节装置等动力部分电动机减速装置等和辅助设备直线轨道割圆圆规等3部分组成. 门式自动气割机 门式自动气割机是在两根固定导轨上设置一座坚固的门形支架在支架上设置一套或数套切割装置. 4 数字程序控制自动切割机 数控自动切割机是由控制部分和执行部分所组成.它是把被切割的曲线及直线用图形几何语言编制成构件程序经通用电子计算机运算和编码而得到数控切割机的切割程序简单图形也可以手工编制程序然后穿孔制成穿孔纸带或拷入软磁盘作为控制信息输入到控制装置中去以控制切割装置进行切割的一种自动切割设备. 4.气割的主要工艺要求是: 1割前应根据工件厚度选择合适的割嘴. 切割薄板的割嘴宜后倾3045切割厚板时割嘴宜前倾1020. 为了减小零件在气割时的热变形操作中应遵循:大型零件的切割应先从短边开始在同一张钢板上切割不同尺寸的零件时应先割小件后割大件切割不同形状的零件时应先割较复杂的零件后割较简单的零件. 5.其它切割方法 1等离子切割 2激光切割. 第二节 船体板材构件的成形加工 船体非平直钢板构件较多弯曲加工工作量较大.主要的成形加工方法有机械冷弯法和水火弯板法.一般单向曲度板都采用机械冷弯法加工而复杂曲度板则先用冷弯机械加工出一个方向的曲度该方向曲度较大然后再用水火弯板法加工出其它方向的曲度若批量较大则可在压力机上安装专用压模压制成形.本节主要介绍机械冷弯法和水火弯板法. 一船体板材的冷弯加工 1.简单曲度板的冷弯成形 具有园柱形或园锥形的单向曲度板如平行中体处的舭部列板等称为简单曲度板可用三辊弯板机加工成形. 2.复杂曲度板的冷弯成形 具有双向曲度或多向曲度的板称为复杂曲度板.其冷弯成形设备主要是液压机也有少数船厂使用万能弯板机来弯制复杂曲度板的但是它要求操作技术高度熟练而且成形质量不易控制弯板的劳动强度大因此使用并不广泛.对于双向曲度不大的构件也可在三辊弯板机上进行冷弯.下面主要介绍液压机弯板中的有关问题. 二船体板材的水火弯板法 水火弯板工艺是热加工的一种.热加工有两种基本工艺方式.一种是氧炔焰对工件进行局部加热利用钢材热胀冷缩的原理使工件产生残余塑性变形来达到弯曲成行的目的水火弯板即属此类.这种热加工工艺俗称小火.另一种方法是将工件放在炉灶内进行整体或局部加热利用钢材加热后塑性增大的特性施加外力强迫工件弯曲成形俗称大火.它是过去外板肋骨热弯加工的主要方法.随着水火弯板工艺的出现大火热弯工艺已极少应用. 1.水火弯板工艺的基本原理 所谓水火弯板.是指用氧炔焰对板材或型材进行局部线状加热并用水进行跟踪冷却使板材产生局部塑性变形从而将工件弯成所要求的曲面形状的一种热加工方法.由于水火弯板时加热火焰的移动速度较快故在加热处工件的厚度方向存在较大的温差加热面的温度高于背面的温度这种热场的局部性使加热面金属在膨胀时受到周围冷金属的限制因而在加热区产生压缩塑性变形热源移除后在板厚方向产生收缩变形的同时钢板加热面产生拉应力这相当于作用在平板上的外加弯矩结果使板件产生弯曲变形图7-17.水火弯板就是利用板材在局部加热冷却过程中会产生角变形和横向收缩变形这一特点来达到弯曲成形的目的.用水跟踪冷却的作用在于加大这种变形增加其成形效果. 图7-17 水火弯板原理 2.各种工艺因素对成形效果的影响 1加热线对成形效果的影响 水火弯板时加热线的位置疏密和长短对板材成形效果影响极大. 图7-18 加热线分布 2各种加热参数对成形效果的影响 所谓加热参数主要是指加热速度烘嘴口径加热温度加热深度和水火距即浇水点至火焰点的距离. 3冷却方式对成形效果的影响 目前水火弯板的冷却方式有自然冷却正面跟踪水冷却和背面跟踪水冷却3种. 综上所述当加热速度等加热参数在一定范围内变化时3种冷却方式相比较3.水火弯板的主要工艺要求 1板前应根据构件的成形要求在钢板上画出加热线.各加热线的起点应相互错开不可在同一条直线上. 2根据构件成形要求来选择合理的加热参数.推荐选用表7-2所列的工艺参数. 3左右形状对称的零件其加热线位置数量和长短应对称一致操作也应对称进行. 4应尽量避免在同一部位重复加热尤其是低合金钢.一般情况下重复加热次数不得超过3次否则不仅影响成形效果还会降低钢材的机械性能. 5新钢种采用水火弯板法需经过试验鉴定后才能进行. 总之水火弯板工艺是我国各类船厂目前使用最广泛的弯板工艺方法之一90以上复杂曲度船壳板可以用该法进行弯曲加工. 角变形效果以背冷最大空冷次之正冷最小而横向收缩变形以背冷最大正冷次之空冷最小.总之背冷的成形效果最高.但是由于操作时需将板垫高并在板下作业十分不便故在造船生产中应用较少.正冷角变形虽小于空冷但它的横向收缩变形却大于空冷总的成形效果还是比空冷好因此常见的复杂曲度板在水火弯板时主要利用正面跟踪水冷却法的横向收缩变形来达到弯制构件纵向曲度的.它还具有操作方便等特点故是目前水火弯板法中最常见的冷却方法. 第三节 船体型材构件的成形加工 一型钢弯曲加工的特点 型材弯曲加工属于塑性弯曲.塑性弯曲时的应力应变状态是复杂的同时由于材料强化数学分析比较困难在过去的理论研究和公式推导中大都作过这样或那样假设忽略了一些因素所得的结论和公式是近似的.因此在解决生产实际问题时需视工况加以具体分析合理运用其结论与公式. 下面介绍一下型材弯曲加工的特点和复杂现象这些都是在研究设计型材弯曲机时所必须注意的问题. 1.由于实际材料是不均匀的故即使其它影响因素不考虑这一不均匀因素也将导致弯曲回弹的复杂性使预计回弹量困难. 2.肋骨常用球扁钢和不等边角钢等制成由于这类型材的截面不对称弯曲加工时往往产生旁弯的有害变形使矫正工作量增大. 3.由于船用型材的腹板高度相对较大而板厚较小在反弯时腹板边缘处受压应力作用常会因刚性不足而发生失稳而产生皱折. 4.对于面板较薄的角钢等在弯曲加工时由于面板中的切向应力作用不论角钢在正弯和反弯情况下均会形成倒边的合力使面板与腹板间的夹角变小. 二成型方法的分类 1.冷弯成型 撑床冷弯成型其原理同型钢矫直相似. 三轮滚弯机滚弯成型. 多模头一次成形数控肋骨拉弯机冷弯成形 三支点肋骨冷弯机冷弯成形 纯弯曲原理肋骨冷弯机冷弯成形 2.热弯成型 第四节 船体加工流程的合理化 采用流水作业法组织生产既是现代化大工业生产的特点也是实现生产过程机械化自动化的需要.为了有效地提高船厂生产效率在设计建造新船厂或对老厂实行技术改造时不仅应使船厂总体布置得合理使钢材进厂到船舶下水的整个生产过程形成流水作业而且各车间内部的设计也要适应轮流水生产的需要.由于船体加工车间承担着将原材料加工成船体构件的繁重任务故内部布置必须合理. 一个加工车间的布置是否合理目前尚无统一的衡量标准.从工艺角度看主要应考虑合理选择和布置加工设备保证工艺线路畅通使构件在加工中没有往返运输和使运输线路最短以利组成流水生产线其次应尽量实现船体加工车间辅助作业机械化因此拟组建船体钢材成组加工区. 船体钢料加工虽属制造型但其生产是按产品分段组织的各类零件所需的工作量并不均衡实施成组技术不能过分强调提高设备利用率而应着眼于理顺生产过程中的物流降低制造成本. 1.工艺流程 根据船体钢料加工流程运用流程分析法可形成船体零件组并可同时建立相应的设备组船体板材零件大致可分为4各个加工族: 1刨边件 2曲形大板件 3平面板件 4折边与小件. 按照这种分类再加上型钢加工可以得到钢料加工的五种典型工艺流程. 1刨边板工艺流程 根据刨边板尺寸厚度曲度进行分线加工该流程能加工以下板件. 拼板板 如上层建筑围壁板甲板板平台板舱壁板内底板以及平行中体处的舷侧外板和外底板等. 柱面板 如平行中体处的舭部外板柱形桅杆板弧形舷顶列板和转角围壁板等. 棱柱板 如槽形舱壁板箱柜折角板和棱柱形支柱板等. 2曲形大板工艺流程 因曲形大板多数是曲边板件通常采用样板或草图号料故不用数控切割设备.这类板件的加工根据其曲度而采用不同的成形设备.该流程可加工以下的几类板件. 锥面板 如首尾外板烟囱板台形桅杆板舭列板等. 双向曲度板 如首尾外板首柱板等. 折角曲形板 如K行板首部舷顶列板等. 复杂曲度板 如球鼻首外板轴壳包板首尾舭列板尾部外板首柱板等. 3平面