船体钢料加工

1、第四章 船体钢料加工4-1 概述4-2 单根型线的数学放样4-3 型线数学光顺流程4-4 外板的数学展开4-5 零件图元生成与处理第四章 船体钢料加工船体钢料加工：使钢板和型材成为船体构件的工艺过程。船体钢料加工分为钢材预处理、构件边缘加工和构件成形加工。钢材预处理包括钢材的矫正、表面清理、防护。构件边缘加工是指边缘切割和焊接坡口加工。成形加工则是将切割好的平面钢板加工成构成船体所需要的折角、折边和曲面形状。船体构件加工的常用方法及设备见下表：表 4-1 船体钢料加工类别、方法及设备分类表4-1 构件的成组分类方法一、成组技术概念 成组技术的实质是以零件的结构特征、加工方法和工艺流程的相似性为

2、基础，打破产品界限，将生产的全部零件进行分类编码，然后将相似零件汇集成若干不同的零件组，使生产批量增大；在此基础上，按照零件组的加工要求制定最佳工艺路线；有目的地选择生产人员和设备，建立成组地生产单元或生产线，进而采取合理地计划方式 组织方式和严密地控制手段，确保完成任务。二、对船体构件进行分类成组的方法船体构件的分类成组方法，主要取决于构件特征的相似性和船体加工车间的设备条件。船体构件的相似性主要表现为结构特征、 材料特征和工艺特征等的相似性，它们对船体构件的分类起决定作用。图4-1 直边扁平件工艺流程图图4-2 直边折边、曲面件工艺流程图4-2 钢材预处理一、钢材的矫正 船厂中一般用多辊矫

3、平机矫正钢板变形，用型材矫直机矫正型材的变形。1. 钢板的矫正 钢板的矫正实际上是将较长的纤维缩短或是将较短的纤维拉长，使它们和周围的纤维有相同的长度，从而消除局部不平。根据轴辊的排列形式和可调节辊的位置,多辊矫平机有两种类型：一类是上下辊列平行且轴辊可以单独调节的矫平机，另一类是上下辊列不平行的矫平机（具体见下图）。图4-3 矫平机工作原理图2型材的矫正 型材主要用型材矫直机进行矫正，工作原理见下图。图4-4 型材矫直机的工作原理二、钢材的表面清理船体的防腐方法主要是用涂料保护和阴极保护相结合的方法。钢材预处理过程中的除锈方法有机械抛丸除锈法和化学除锈法.1抛丸除锈法 抛丸除锈法一般用于原材

4、料除锈。它是利用专门的抛丸机将铁丸或其他磨料高速地抛射到钢材表面，以除去钢材表面的氧化皮、铁锈和污垢。图4-5 抛丸机的基本布置形式2化学除锈法 对于5mm以下的钢板可用化学除锈法，即酸洗法。其基本工艺过程是：将经脱脂并洗净后的钢材置于酸洗槽内，将氧化皮和铁锈除去，用水洗净后再用碱液将残余的酸液予以中和，防止其对钢材造成腐蚀，然后再用水冲洗干净。 酸洗除锈法主要用于处理管子，舾装件和形状复杂的零部件，可作为抛丸除锈法的补充手段。三、钢材预处理自动流水线所谓钢材预处理自动流水线，是指由钢材输送、矫正、除锈、喷涂底漆、烘干等工序形成的自动作业流水线。通常分为钢板预处理流水线和型材预处理流水线。1钢

5、板预处理流水线的工艺流程 具体工艺流程件下图。图4-6 钢板预处理流水线2. 钢材预处理自动流水线的特点（1）生产效率高，大型流水线每小时处理钢板面积达800平方米（2）劳动条件好，除锈过程密闭，全自动控制（3）除锈质量理想，表面粗糙度均匀（4）底漆附着牢固，预处理后的钢材，露天存放10-12个月不生锈。4-3 构件的边缘加工边缘加工主要是指边缘的切割和焊接坡口的加工。目前边缘加工方法有机械切割法、化学切割法和物理切割法.一、构件的边缘切割 1机械剪切1）剪切原理机械剪切是指对材料施加超过材料极限强度的机械剪切力，使其挤压变形并断裂分离的工艺过程。这一过程可以分为以下三个连续发生的阶段:（1）

6、 弹性变形阶段（2） 塑性变形阶段（3）断裂阶段机械剪切加工机床有： 斜刃龙门剪床 压力剪切机 圆盘剪切机2）斜刃龙门剪床斜刃龙门剪床是用来剪切长直边构件的专用设备，其工作部分如图 4-7 所示。图4-7 龙门剪床工作部分示意图图4-8 斜刃龙门剪床的剪刀刀口间隙调整曲线3）压力剪切机船厂中常见的压力剪切机一般是剪切与冲孔两用的联合机床，它既可以剪切板材料和型材，又可以进行冲孔。图4-9 剪切时喉深影响示意图图4-10 Q34-25型纵向式联合冲剪机4）圆盘剪切机对于厚度较小，具有任意曲线边缘的船体构件，可用圆盘剪切机的工作部分如图4-11 所示。图4-11 圆盘剪切机工作部分示意图2. 气割

7、所谓气割，通常是指氧-乙炔切割或氧-丙炔切割，其实质是金属在氧气中燃烧。通常可将其分为预热、燃烧、去渣三个阶段。只有满足以下条件才能进行气割：（1）被割金属的燃点应低于其熔点。（2）氧化物的熔点应低于金属熔点，并具有良好的流动性。（3）金属在氧气中燃烧能放出较多的热量。（4）金属的导热率不应过高。（5）金属不应含有使气割过程恶化的杂质。图4-12 气割示意图理论和研究表明，提高气割速度的主要途径是：（1）强化对切口处的预热；（2）提高切割氧气流的流速和动量；（3）提高并保持切口区内氧气的纯度。气割设备可以分为以下几种:1）手工气割炬2）半自动气割机3）门式自动气割机 4）光电跟踪自动气割机5）

8、数控自动气割机图4-13 半自动气割机图4-14 光电头光学系统原理图1）等离子切割 处于完全电离状态的气体便是所谓的“等离子气体”。 图4-15 a）是一种典型等离子发生装置的示意图；图4-15 b）所示为一种较先进的水射流等离子切割示意图，它与一般的等离子弧切割的区别主要在于割嘴结构上的不同，其割嘴上的弧柱出口处，增加了一圈水射流孔，水射流从四周射向电弧，经水冷却，弧柱被进一步收缩，电弧的能量密度更为集中，从而进一步提高切割速度。3. 等离子切割和激光切割图4-15 典型等离子发生装置示意图2）激光切割 图4-16 所示为激光切割示意图。 激光切割技术主要用于金属薄板的切割，与氧乙炔焰、等

9、离子弧切割相比，它具有速度快、割缝窄、热影响区小、割缝边缘垂直度好、切割边光洁度高等特点。图4-16 激光切割示意图4. 水射流切割水射流切割具有以下特点：不产生热量，故不会影响材料的特性；割缝质量高，不产生任何毛刺和挂渣，割缝边缘平直，表面光滑；割缝较窄；不易产生环境污染；生产效率高，对于特殊规格、大厚度钢板不需要多道工序而一次完成。二、船体构件边缘切割的主要工艺要求1. 剪切的主要工艺要求1）剪切前应根据构件的尺度和边缘特征选择合适的剪切机床,并核对机床的工作能力是否满足所剪切材料的要求，同时还应根据构件的厚度调整上下刀片的间隙，并使其整个刀片长度内保持一致；2）当一张钢板上排列多个构件时

10、，应根据其排列情况预先确定剪切顺序；3）剪切时，使构件的剪切线与下刀口边缘严格对准，保证边缘不发生偏差。2. 气割的主要工艺要求1）割前应根据构件厚度选择合适的割嘴；2）切割薄板时割嘴宜后倾30度到45度，切割厚度时割嘴宜前倾10度到20度；3）为了减小构件在气割时的热变形，操作中应遵循:大型构件的切割，应先从短边开始；在同一张钢板上切割尺寸的构件时，应先割小件，后割大件；切割不同形状的构件时，应先割较复杂的构件，后割较简单的构件。三、割嘴运动轨迹的数字控制原理简介割嘴每进给一步，控制装置都要完成“偏差判断割嘴进给偏差计算终点判断”四个工作步骤。所谓偏差判断，就是判别割嘴当前位置相对于规定曲线

11、的偏差，以决定进给的方向；割嘴进给，是指偏差判断结果所决定的进给方向驱动割嘴进给下一步；偏差计算，是在割嘴进给一步后，计算出新切割点相对于规定曲线之间的位置偏差，作为下一次偏差判断的依据；终点判断，则是判别切割点是否已经到达切割程序规定的终点，如果未到达终点，继续重复上述过程，直至切割出所要求的轮廓曲线。1直线插补原理根据相似三角形的关系，有：取 作为偏差公式。memememeYYY XX YXX或mmemFY XX Y图4-17 直线插补示意图若 ，表明 点在直线 上；若 ，表明 点在直线 的上方；若 ，表明 点在直线 的下方。0mFmmmOAOAOA0mF0mF若 时，进给后，割嘴的新坐标

12、为：新的偏差为：若 时，进给后，割嘴的新坐标为：新的偏差为：0mF 111,mmmmXXYY0mF 111mmememem eemeFY XX YY XX YYFY1mmeFFX11,1mmmmXX YY若 ，表明切割点在圆弧上；若 ，表明切割点在圆弧外；若 ，表明切割点在圆弧内。2圆弧插补原理0mF0mF0mF图4-18 圆弧插补示意图若 时，进给后，割嘴的新坐标为：新的偏差为：若 时，进给后，割嘴的新坐标为：新的偏差为：0mF 111,mmmmXXYY22211121mmmmmFRFXXY0mF 11,1mmmmXX YY121mmmFFY四、船体构件边缘焊接坡口的加工1机械刨边法刨边机设

13、备大，加工效率低，只能加工坡口。2气割法一般都是在进行构件边缘切割时，同时切割出焊接坡口。 1）V型坡口板边的气割加工，可以采用两个割炬，如图4-20 所示。 图4-19 气割法加工各种焊接坡口图4-20 用双割炬开V型坡口2）X型和K型坡口 它是用三个割炬的割炬组来完成的，其割炬布置如图4-21所示。图4-21 用三个割炬切割双面焊接坡口图4-22 割炬2在切割过程中倾斜的图解4-4 型材构件的成形加工非平直的船体构件经过边缘加工后应该进行成形加工，以便得到所要求的空间形状。成形加工包括型材成形加工和板材成形加工。船体结构中常用的型材种类有角钢和球扁钢。一、肋骨成形方法及其分类船体肋骨弯曲的

14、方法有以下几种:1手工热弯2中频加热肋骨弯曲淬火机热弯3型材矫直机冷弯4三轮滚弯机滚弯5多模头一次成形数控肋骨拉弯机冷弯6三支点肋骨冷弯机冷弯7纯弯曲原理肋骨冷弯机冷弯图4-23 三轮滚弯机滚弯肋骨示意图上述方法可按是否预热，进给方式和加工时受力状态进行分类。1按是否预热冷弯加工，就是在常温下直接施加外力使型材产生塑性变形，将其弯成所要求的形状，如方法37。热弯加工，是将型材加热到材料结晶温度以上，使其塑性增加而易于变形，再施加外力将其弯成所要求的形状，如方法1、2。 2按进给方式分类方法2、4是连续进给加工，较适用于加工圆形肋骨，但加工任意形状的肋骨时，操作较复杂。方法5是一次成形加工，是指

15、整根肋骨的一次加工成形。方法3、6、7是逐段进给加工。是进给一段弯曲一段。图4-24 多模头一次成形肋骨的数控肋骨拉弯机3按型材受力状态分类方法5是应用拉弯原理的肋骨冷弯机，优点是型材再弯曲过程中不出现压应力，因此产生皱折现象的可能性较小。方法3、4、6是用集中力弯曲原理。方法7是纯弯曲原理。力学中的纯弯曲，系指某一段梁截面上只受弯矩作用而不受剪力作用时所产生的平面弯曲状态。图4-25 集中力弯曲时的受力情况图4-26 纯弯曲时的受力情况二、型材构件的冷弯成形1三支点逐段进给式肋骨冷弯机 具体见下图2纯弯曲原理肋骨冷弯机 这种肋骨冷弯机有以下优点： 1）加工质量好 2）加工效率高 3）机床性能

16、比较完善图4-27 三支点肋骨冷弯机工作部分示意图图4-28 50吨纯弯曲原理肋骨冷弯机示意图1肋骨冷弯成形中的若干工艺问题1）检测和控制成形的方法（1）用铁样人工对样（2）逆直线法a确定型材中和轴位置和中和轴至腹板边缘的距离b在放样台的肋骨型线图上作出肋骨型材的中和轴曲线，并在中和轴曲线附近画一条直线c将其分为若干等分，各分点到中和轴曲线端点的弧长为 ；过各分点作其垂线与肋骨线及所配逆直线相交，两交点间距离为 。hiLiHd量取各分点的 和 值后，先在平直型材上作出中和轴直线e在该直线上量取各 值，得到对应的分点f过各分点作中和轴的垂线，在各垂线上以腹板边缘为起点量取对应的 值，得到一组离散

17、点g用样条将这些点连成一根光顺曲线，即为所求的逆直曲线。iLiLiHiH图4-29 逆直线及其作法（3）仿形控制法 所谓仿形控制，就是在肋骨冷弯机上安装一套仿形装置。2）旁弯变形及消除措施 所谓旁弯变形，系指腹板厚度方向上的弯曲变形。 消除旁弯变形主要采用以下措施： （1）采用预置反变形措施 （2）型材冷弯方法将已产生的旁弯变形消除图4-30 仿形装置示意图图4-31 旁弯变形产生原因3）型材冷弯过程中的回弹及其处理回弹是指型材冷弯过程中产生塑性变形的同时，也伴随有弹性变形，外力卸除后弹性变形的恢复。 处理方法有两种:（1） 用理论计算的方法预先算出可能出现的回弹量，将它叠加到弯曲量上使型材过

18、量弯曲，待回弹后即能准确成形。（2）实测出每一次弯曲后的实际回弹量，再以它的大小对型材作过量弯曲。三、型材数控冷弯的控制方法成型控制的方法主要有1端点测量法所谓端点测量法，就是控制肋骨的端点，使其在弯曲过程中按特定的轨迹运动，从而将平直型材弯成所需要的肋骨。如图4-32所示。 图4-32 端点测量法控制原理图2适应控制法它是以每小段肋骨的弯曲挠度作为成形控制量，并且为了避开用理论计算方法求取回弹量。如图4-33所示，型材受集中载荷作用时，其载荷P和加载点处的挠度V之间有如图4-34所示的理论关系。图4-33 肋骨冷弯的支店布置情况图4-34 载荷挠度曲线图4-35 实测的载荷挠度曲线3弦线测量

19、法1）控制原理2）控制量的计算3）回弹问题的处理-逐步逼近法图4-36 弦线测量法原理图图4-37 逐步逼近原理图四、型材构件的热弯成形这种工艺具有如下特点（1）从感应器到喷水圈这一狭窄范围内的肋骨处于高温状态，而其两侧则处于冷态，弯曲只再这一加热窄带中进行，可有效地避免肋骨的起拱；同时，机床本身不需要很大的弯曲功率和刚度。（2）由于是采用压力喷水冷却，能使肋骨达到完全淬火的目的，故而淬火质量比水槽中淬火质量好；并且可以通过调节肋骨进给速度或中频电源的功率来调节淬火的温度。图4-38 中频加热弯曲淬火工艺示意图4-5 零件图元生成与处理 船体非平直钢板较多，弯曲加工工作量较大。主要的成形加工方

20、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。而复杂曲度板则先冷弯机械加工出一个方向的曲度，然后再用水火弯板法加工出其他方向的曲度；若批量较大，则可在压力机上安装专用压模压制成形。一、钢板构件的冷弯加工1简单曲度板的冷弯成形具有圆柱或圆锥形的单向曲度板称为简单曲度板，可用三辊弯板机加工成形。三辊弯板机分为开式和闭式两种类型.但是他们只能作上下调节不能作其他调节，为了解决这些问题，可采用以下机械：（1）三根轴均可上下升降调节的三辊弯板机（2）轴辊可作横向调节的三辊弯板机（3）四辊弯板机图4-39 普通三辊弯板机的弯板情况图4-40 下辊可上下调节的三辊弯板机工作示意图图4-4

21、1 上辊可横移的开式三辊弯板机工作示意图图4-42 四辊弯板机示意图图4-43 能进行矫平的四辊弯板机在用弯板机弯制锥形板时，必须采用如下的工艺措施：（1）为了能获得锥形板两端的不同曲率，上辊必须对于下辊呈倾斜状态，使锥形曲率大的一端处的上 下辊间距小于另一端；（2）将锥形板作如图 4-44 所示的35等分的划分，并分别对其进行辊弯。图4-44 锥形板三等分分区辊弯示意图2复杂曲度板的冷弯成形具有双向曲度和多向曲度的板称为复杂曲度板，其冷弯主要是液压机。3数控弯板简介图4-45 液压机的压模图4-46 用三角板确定冷弯加工线图4-47 多压头式数控弯板机弯板示意图图4-48 通用多压头式数控弯板机平面示意图二、水火弯板所谓水火弯板，是指沿预定的加热线用氧-乙炔烘炬对板材进行局部线状加热，并用水进行跟踪冷却，使板产生局部塑性变形，从而将板弯成所要求的曲面形状的一种弯板方法，也称为线状加热法。1