过程装备制造第7讲-制造准备.ppt

主讲 曲延鹏 机械工程学院过控研究所 8 508 88395100 Omail SDU QYP 过程装备制造技术 本讲主要内容 净化矫形划线下料 思考题 1净化 矫形 展图 下料的概念和方法2净化的作用3矫形的意义4展图的原则与方法5号料时加工余量包括哪些 6合理排料的原则7边缘加工的目的 制造准备 材料检验钢材预处理 钢板及型钢的矫形 净化 划线下料 钢材的预处理 净化处理 对钢板 管子和型钢在划线 切割 焊接加工前和钢材经过切割 坡口加工 成形 焊接后清除表面的锈 氧化皮 油污和熔渣等矫形 对钢材在运输 吊装或存放过程中的不当所产生的变形进行矫正的过程涂保护漆 为提高钢材的耐腐蚀性 防止氧化 延长零部件及装备的寿命 在表面涂上一层保护涂料 净化处理 净化处理 作用 除锈质量的好坏直接影响钢材腐蚀速度 对焊接接头处尤其是坡口处进行净化处理 清除锈 氧化物 油污等 可以保证焊接质量 可以提高下道工序的配合质量 方法 手工净化 手工用砂布 钢丝刷或手提砂轮打磨机械净化 金属刷净化 砂轮净化 刨削净化及喷砂净化等化学清洗 有机溶剂擦洗 碱洗和酸洗物理净化 火焰净化法 喷砂法 原理 利用高速的带有棱角的石英砂对金属表面的冲击作用 把金属表面上的污物清除掉 特点 效率较高但粉尘大 对人体有害 应在封闭的喷砂室内进行 组成 喷砂枪 砂子回收设备 钢板输送设备及除尘设备 吸入式喷砂枪 利用来自导管1的0 392 0 49MPa的压缩空气 在拉法尔喷嘴2处将入口压力的位能全部变为出口处的有效速度能 使出口的气流超过音速 气流周围造成负压 使储砂器中的砂子经过管6进入吸砂室5 在混合室3处砂与空气混合后自喷枪口4高速喷出 加压式喷砂机 压缩空气经阀3引入 把从孔4进来的砂子带走 阀5可以开启或关闭孔4 砂子与压缩空气混合后经软管6进入喷嘴7喷出 抛丸法 原理 利用高速旋转的叶轮把小钢丸或者小铁丸抛掷出去高速撞击零件表面 除去零件表面的氧化层 同时钢丸或铁丸高速撞击零件表面 造成零件表面的晶格扭曲变形 使表面硬度增高特点 改善劳动条件 易实现自动化 被处理材料表面质量控制方便 钢铁酸洗除锈 目的 去除氧化皮 锈蚀 熔渣等除锈多用盐酸 其速度快 效率高 不产生氢脆 表面状态好 配制洗液时比硫酸安全 经济常温特效除锈液 能快速除锈及氧化皮 并兼有除油作用 钢铁材料可用酸洗膏除锈 涂膏厚度1 2mm 除锈时间60min 用水冲洗 用乙醇和氨水混合液擦干 以利防锈不锈钢酸洗 浓硝酸20 氢氟酸10 水70 室温 时间15 30min 金属表面除油 原理 利用油脂能溶于有机溶剂 能发生皂化反应等特性 将金属表面上的油污除掉有机溶剂除油 要求溶剂溶解力强 不易着火 毒性小 便于操作 挥发慢常用溶剂有汽油 石油溶剂 松节油 丙乙酮 酒精 甲苯 二甲苯 二氯乙烷 三氯乙烯 四氯乙烯等一般采用浸渍法 还有蒸汽法和超声波法碱液除油 借助碱的化学作用 清除金属表面的油脂和轻微锈蚀主要适用于黑色金属如钢 铸铁和不溶于碱液的金属如镍 铜等乳化除油 利用能促使两种互不相溶的液体 形成稳定乳浊液的物质来除去表面油脂及其他污物此法在室温比碱液效率高 金属表面的氧化 磷化和钝化 氧化 与氧或氧化剂作用 形成保护性的氧化膜 防止金属被进一步腐蚀 主要有酸性氧化法和碱性氧化法 前者经济 应用较广 耐腐蚀性和机械强度均超过碱性氧化膜磷化 用锰 锌 镉的正磷酸盐溶液处理金属 使表面生成一层不溶性磷酸盐保护膜此薄膜可提高金属的耐腐蚀性和绝缘性 并能作为油漆的良好底层钝化 与铬酸盐作用 生成三价或六价铬化层铬化层具有一定的耐腐蚀性 多用于不锈钢 铝等金属 火焰净化法 原理 氧化皮和铁锈会因加热及冷却时的膨胀系数不同于钢本身而相继脱落 操作 用安装在滚子支架上的若干个氧乙炔火焰喷嘴来进行的 火嘴沿被净化面往复移动 移动速度约为1 5 6m min 喷嘴距表面约50mm 火焰对表面的倾角小于45度 加热温度不得高于150 净化过程不应使金属内部组织发生变化 设备净化处理 必要性 运行后会产生污垢等 为了恢复 提高设备的工作效率 防止损失或因污垢引起的局部腐蚀方法 机械清洗和化学清洗 矫形 变形原因 钢材在运输过程中所产生的变形 钢材在吊装过程中所产生的变形 钢材在存放过程中所产生的变形 变形的根本原因 塑性变形 矫形的必要性 影响尺寸的测量和划线影响切割给装配带来困难影响成形后零件尺寸和几何形状的精度 供货技术要求 变形允许偏差 矫正的原理 矫形的原理 反向塑性变形或等长变形冷矫与热矫 为了减小型材在矫正 矫直后材质本身塑性性能的损失 型材在矫正 矫直之前的变形量不能太大 即对可有所规定 低碳钢在矫正时的伸长率不能超过1 若超出规定则应考虑热矫 冷矫允许的变形量 矫正的方法 拉伸法压弯法滚弯法火焰加热法 多辊矫形机 原理 钢板由辊轴的转动拖入 在通过辊轴时 受到多次交变的弯曲 产生的应力超过材料屈服极限 使板材得到调直特点 有局部变形缺陷的钢材向曲皱反向弯曲 火焰加热矫形 原理 钢板凸起处局部加热 受热金属膨胀 受周围金属限制 产生压应力 该应力 屈服极限时 产生塑性变形 使受热区金属尺寸缩小 同时待加热区冷却时金属收缩 使钢板得到矫正 划线 划线 划线 将要制造的零件按其实际尺寸正确地展开为一定尺寸的平面几何图形 正确地划在准备好的材料上 标注必要的符号 标记 步骤 分拆展图号料坯料尺寸 由零件展开尺寸和各种加工余量组成确定 分拆 分拆 定义 将设备依次分成部件 零件和毛坯设备 工艺过程中的一个工作单位 塔 换热器 储罐等 部件 设备制造或安装检修中的一个装拆单位零件 部件上的一个几何单位 例如简体 封头等 它按加工方法来区别毛坯 划线单位 小零件由一个毛坯构成 大零件是若干个毛坯拼成 如拼接的球形封头 分拆原则 部件拆成零件接头处要有圆滑的过渡焊缝分布要均匀对称焊缝不要集中尽可能使焊缝不要分布在受力严重的部位零件拆成毛坯除要遵守焊缝分布的原则外 还要妥善处理减少焊接加工量和充分利用材料的矛盾 展图 展图 展图 放样 将空间曲面展成平面展图方法 作图法 用几何图法将零件展成平面图形计算法 按展开原理或压 拉 延变形前后面积不变原则推导出计算公式试验法 由试验公式决定形状较复杂的零件坯料综合法 对计算过于复杂的零件 可对不同部位分别采用作图法 计算法 有时尚需用试验法配合验证 筒节展开 步骤 以中性层为基准Dm Dg 确定零件展开后图形的形状和几何参数 圆柱形筒体展开后为矩形 几何参数分别为长和宽l Dm Dg h H根据现有钢板的宽度 来求需要的筒节数量同时注意高压筒节h 600mm 低压筒节h 300mm 无折边锥形封头展开 展开图形为扇形 几何参数为圆心角 大小端半径 360 r l 360sin 2 180 R l Dm 2 sin 2 Dmr dm 带折边锥形封头展开 展开仍为扇形 360sin 2 r dm等弧长法求展开后大端展开半径R 椭圆形封头展开 1 椭圆形封头 球形封头 碟形封头都属于不可展的零件 生产中冲压或旋压加工时毛坯料都为圆形 要求出展开后的半径或直径 椭圆形封头展开 2 等面积法 板材在成形前后的体积是不变的 但实际上壁厚的变化很小而可以忽略 故可以认为中性层处的表面积在展开前后是相等的 等弧长法 经验法 相贯作图法 加工余量 加工余量 加工余量 成形变形量 机加工余量 切割余量 焊接工艺余量等由于实际加工制造方法 设备 工艺过程等内容不尽相同 因此加工余量的最后确定是比较复杂的 要根据具体条件来确定 边缘加工余量 包括焊接坡口余量 主要考虑内容为机加工余量和热切割加工余量 筒节卷制伸长量 伸长量 被卷材质 板厚 卷制直径大小 卷制次数 加热等有关冷卷 伸长量较小 忽略 约7 8mm热卷 伸长量较大 不容忽略经验公式 l 1 K DmK 0 9931 0 9960 焊接坡口余量 坡口间隙 坡口形式 焊接工艺 焊接方法等确定 焊缝变形量 1 对于尺寸要求严格的焊接结构件 划线时要考虑焊缝变形量 焊缝收缩量 焊缝变形量 2 单层焊对接接头焊缝纵向收缩量 划线技术要求 实际用料线尺寸 展开尺寸 卷制伸长量 焊缝收缩量 坡口间隙 边缘加工余量切割下料线尺寸 实际用料线尺寸 切割余量 划线公差划线公差目前划线尚无统一标准 各制造单位根据具体情况制定内部要求 来保证产品符合国家制造标准 对角线不大于1mm 两平行线的不平行度不大于1mm 可考虑相对长度 宽度的关系 划线公差也可考虑为制造公差的一半 排料 合理排料 充分利用原材料 边角余料 使材料利用率达到90 以上 零件排料要考虑到切割方便 可行 注意保证筒节的卷制方向应与钢板的轧制方向 轧制纤维方向 一致 认真设计焊缝位置划线下料的同时 基本确定了焊缝的位置 钢板邵边缘往往就是焊缝的位置 必须认真配置 焊缝设计要求 1 封头 管板 Dg 2200 拼接焊缝 1 D 2200 拼接焊缝 2封头各种不相交的拼焊焊缝中心线间距至少应为封头钢材厚度的3倍 且不小于100mm 封头由成形的瓣片和顶圆板拼制成时 焊缝方向只允许是径向和环向的锅炉炉胆 锅壳的筒节 Dg 1800 拼接焊缝 2 Dg 1800 拼接焊缝 3筒体 锅壳等 每节筒体纵向焊缝中心线间的弧长不应小于300mm 相邻筒体纵向焊缝以及封头 或管板 拼接焊缝与筒体纵向焊缝应互相错开 且两焊缝中心间的弧长不得小于100mm最短筒节长度不应小于300mm 焊缝设计要求 2 探伤方便 超声波检验时 在焊缝两侧要留有适当的探头操作移动范围和空间 探头移动区应 1 25P1 同时再考虑探头尺寸及适当的余量空间 样板和排板 样板 除最简单的筒节等零件的划线是在钢板上直接划出外 绝大部分是用纸板或薄铁皮制成样板 再用样板在钢板上划线排板 套填下料 把小零件填在大料的空隙拼接下料 把长弧变成短弧再拼接展直下料 把曲线形变成直线 再变曲 筒节展开 标记移植 标记和标记移植 在钢板划线时对制造受压元件的材料应有确认的标记 如打上冲眼 涂上标号 如原有确认标记被截掉或材料分成几块 应于材料切割前完成标记移植工作 以保证材料及加工尺寸的准确 清晰 有利于后续工序顺利进行 有利于材料的管理 待查和核准对有防腐要求的不锈钢以及复合钢板制容器 不得在防腐蚀面采用硬印作为材料的确认标记 加工符号 下料 切割及边缘加工 分类 机械切割 剪切 联合冲剪机 振动剪床 圆盘剪床锯割 砂轮锯 锯床铣刨机切割 等 热切割 火焰切割电弧切割 包括等离子弧 激光切割 等 机械切割 机械切割 常见的是闸门式剪板机 分为平口式和斜口式两种 多用于直线切割 锯切主要用于管材及型材切割 振动剪床及圆盘式剪板机用于厚度小于4毫米的薄板曲线和直线切割 A平口剪切机 两个刀片刃口都是水平 B斜口剪切机 主要用来剪切宽度较大的板料特点在于剪切时 上剪刀并不是全部刃口同时参加剪切 一瞬间只是一部分上刀片刃口倾斜 所以处于上刀片下面的材料在切割以后 将发生弯曲现象 QC11Y系列液压闸式剪板机 机架 刀架采用整体焊接结构 振动消除应力 精度保持性好采用先进的集成式液压系统 可靠性好采用三点支承滚动导轨 消除支承间隙 提高剪切质量刀片间隙手轮调整迅速 准确 方便矩形刀片 四个刃口均可使用 使用寿命长剪切角可调 减少板料扭曲变形上刀架采用内顷结构 便于落料 提高了制件的精度 具有分段剪切功能机动后挡料 数字显示 QC11Y32 3200 鳄鱼式剪切机 氧乙炔切割 氧乙炔切割原理 利用氧乙炔火焰使被切金属加热到燃点 然后在一股纯氧气流中燃烧 猛烈氧化 并用高压氧流把燃烧形成的氧化物吹走 使金属分割成两块 氧乙炔切割的特点和条件 特点 可准确地切出直线 圆及复杂的形状 可用于加工焊接坡口 割缝光洁 割缝宽度一般可控制到2mm 所需设备简单 使用广泛条件 金属熔点高于其在氧气中的燃点生成的氧化物的熔点低于金属的熔点金属在氧气流中燃烧时要放出足够的热量以维持切割过程的进行导热性不能过高生成氧化物的流动性要好 碳钢的燃点 金属及氧化物的熔点 气割工艺 1 1 氧气速度及控制措施作用 被割金属燃烧和排除燃烧生成的熔渣要求 氧射流具有一定的速度 形成柱状 末端不发散的气流2 燃料气和氧气的比例实现 调整内外喷嘴尺寸比例 3 切割速度要求 应当与金属氧化的速度相适应实现 一般人工控制 气割工艺 2 4 切割氧纯度影响 纯度愈低 切割速度愈慢 氧耗量显著增加 切口质量恶化要求 氧气纯度尽可能高 一般在99 5 以上 气割工艺 3 5 钢材初始温度影响 初始温度增加 切割速度增大6 切割氧流攻角影响 攻角增大 氧流量的水平分量增大 熔渣先吹向割缝前缘再被吹走 充分利用铁氧反应的热量 提高割速 减少后拖量 攻角过大 使氧气量沿板厚的分量减小 降低切割能力取值 薄板取大值 厚板取小值 高速切割 目的 提高切割速度和降低切口粗糙度提高速度是为适应光电跟踪切割机和数控切割机的机头移动速度的要求 降低切口粗糙度以用气割法代替机械加工基本原理 根据氧气切割的机理 若要大幅度提高氧气切割的速度 必须提高切割氧气流的动量和纯度 同时强化预热过程促使钢板燃烧反应加速 增加了排除熔渣的能力 扩散型割嘴 扩散型割嘴 切割氧孔道呈拉伐尔喷管状切割氧压力已从最早的0 49 0 68MPa发展到1 56 3 52MPa 甚至高达9 8MPa 相应地切割氧的出口流速从1 8 2马赫提高到3 3 6马赫 三孔割嘴高速精密切割法 1 原理 三个切割氧孔同时喷出三股切割氧流 中间一个是主割氧流 用于预切割 在主切割氧流后面 设置两个平行的辅助切割氧流 其作用是清除预切割时在切口面上形成的凹槽 三孔割嘴高速精密切割法 2 特点 能得到两边都相当光洁的切口 切口表面的粗糙度不高于5 由于所有的切割氧流与被切割钢板间形成一个攻角 充分利用了熔渣的热量 提高切割速度缺点 只能直线切割 氧 丙烷和氧 天然气切割 优点 经济 产生回火和爆炸可能性小 使用维护方便 没有污水废渣 切口光洁度高 粘渣少 缺点 点火困难 预热时间长 氧气耗量高 氧纯度要求高 燃烧特性 1 完全燃烧的耗氧量 乙炔 1 1 1 2 丙烷 2 5 3 52 热值 丙烷 乙炔 甲烷3 燃烧速度 乙炔 8 5m s 甲烷 乙烷 2 5 3m s4 火焰温度 乙炔 2700 乙烷 2700 甲烷 2000 氧 丙烷割炬 氧气切割对金属性质的影响 1 切口边缘化学成分 切口表面及近缝区有所改变切割边缘的表层中 C Ni及Cu的含量增高 Cr Si的含量减少 含锰量不大时 锰保持不变2 切口附近金属组织 影响区随承受热量的增加而增大3 切口附近硬度 含碳量高 淬硬倾向高 等离子切割 等离子切割 原理 利用等离子弧高温将被切的金属局部迅速熔化 同时利用压缩的高速气流的机械冲刷力将熔化金属吹掉 形成割缝特点 切割金属或非金属 速度快 质量好 热影响区和变形小等离子体 一种特殊的物质形态 现代物理学上把它列于固体 液体 气体之后的物质第四态 即等离子态 等离子弧产生原理 在电极和工件之间加一个高电压 借助于高频振荡器先在电极与喷嘴之间激发形成小电弧 切割时电弧转移到电极与工件之间 等离子弧的压缩效应 1 机械压缩效应 强迫自由电弧通过喷嘴的细孔 使弧柱直径被迫缩小2 热压缩效应 喷嘴细孔中弧柱周围有常温的高速气流 不断地将弧柱的热量带走 使弧柱边缘层的温度下降3 电磁压缩效应 导体自身磁场产生的磁力使导体相互吸引 特点和类型 特点 能量高度集中 电弧的温度梯度极大 电弧稳定性好 有很强的机械冲刷力 类型 转移型等离子弧 直接弧 电极接负极 工件接正极非转移型等离子弧 间接弧 电极接负极 喷嘴接正极 等离子切割工艺 1 1 等离子弧切割用的气体作用 在弧柱和喷嘴孔内壁之间起绝热 绝缘作用 对电弧进行压缩 保证电弧稳定燃烧 作为电离介质和电弧的热导体 使被割金属迅速熔化 吹掉熔化金属形成狭窄 光滑的切缝 对钨极起冷却作用 要求 应保证电弧稳定 不与喷嘴和钨极发生反应 有较高的电离电位和分解热 使等离子弧的功率和温度增加 还应该容易制备 成本低 危险性小 应用 氮 氩 氢及混合气 最多的是氮气 等离子切割工艺 2 2 钨极和喷嘴的烧损钨极的烧损 不可避免 但尽量减少喷嘴的烧损 钨极与喷嘴不同心 气流分布不均 破坏了对喷嘴的冷却作用 产生 双弧 现象3 等离子切割工艺参数 主要有空载电压 切割电流 工作电压 气体流量 切割速度 喷嘴到割件的距离 钨极到喷嘴端面的距离及喷嘴尺寸等 不锈钢切割规范 等离子切割的安全技术 1 有害气体及金属烟尘 臭氧 O3 刺激呼吸系统氮氧化物 NO2 特殊的臭味 有毒金属烟尘 产生金属烟雾热2 光辐射 眼睛灼伤 皮肤损伤3 高频电磁场 对人体热作用 引起中枢神经系统的某些机能障碍4 放射性钍的沾染 外照射 内照射 粉尘 水射等离子切割 原理 水沿切线方向喷入涡流室 形成水膜 使等离子弧进一步压缩 涡流室对等离子弧周围的水起稳定和导向作用 水涡流与切割气体旋转方向相同 并有足够大的角速度来维持水膜的稳定和均匀 从涡流室出来的水 大部分成圆锥形喷到工件上 冷却工件表面 使切口变窄 碳弧气刨 碳弧气刨原理 利用碳极电弧的高温 把金属局部加热到熔化状态 同时用压缩空气的气流把这些熔化金属吹掉 碳弧气刨特点及应用 优点 具有较高的切割速度 比风铲可提高生产率4倍 尤其在仰脸位置及垂直位置时其优越性更大 没有震耳的噪声 减轻劳动强度缺点 由于碳棒本身是碳 切割时易产生渗碳作用 对于要求严格的设备这是不允许的 此时需采用其他切割方法应用 可用来铲除焊根 返修有缺陷的焊缝时清除缺陷 开坡口等 还可用来清理铸件的毛刺 浇铸的冒口 以及铸件中的缺陷 切割不锈钢等金属的中 薄板等 碳弧气刨工艺 1 1 极性 多采用直流反接2 碳棒直径 考虑钢板厚度和刨槽宽度 3 刨削速度 影响 刨槽尺寸 表面质量取值 0 5 1 2m min左右 碳弧气刨工艺 2 4 压缩空气压力 影响 压力高刨削有力取值 0 39 0 588MPa5 电弧长度 约1 2毫米6 碳棒与工件间的倾角影响 影响刨槽的深度取值 一般常采用45 左右7 碳棒的伸出长度 80 100