船舶建造工艺边缘加工

第二节

船体构件的边缘加工船体构件的边缘加工主要是指零件的边缘切割和焊接坡口加工船体构件有直线边缘和曲线边缘之分，加工所用的机械设备和方法也有不同边缘加工的方法有

机械切割法(剪切、冲孔、刨边和铣边)

化学切割法(氧乙炔气割和氧丙烷气割)

物理切割法(等离子切割和激光切割)2023/1/10一、机械剪切法

（一）机械剪切原理机械剪切的实质在超过材料极限强度的剪切力作用下，被加工金属受挤压而发生剪切变形和断裂的过程这一过程大致分为三个连续发生的阶段

弹性变形阶段塑性变形阶段断裂阶段2023/1/10剪切过程的三个阶段

弹性变形阶段剪切开始时上剪刃下压至被加工构件构件在剪切力的作用下发生弹性变形内应力低于材料的屈服极限塑性变形阶段上剪刃继续下压，使被加工构件的内应力超过屈服点并继续上升直到相当于材料抗剪强度的最大值构件在剪力作用下发生塑性的剪切变形2023/1/10塑性变形阶段

最大剪切变形从剪刀的刃边部分开始，变形沿滑移面发生由于上下剪刃间具有一定的间隙，剪切变形的同时还存在着弯曲和拉伸变形剪刀挤入被剪金属的深度视材料的硬度和塑性而定一般为被剪金属厚度的20％~50％断裂阶段

随塑性变形增加，沿着滑移面的方向逐渐形成裂缝并迅速扩大，直到完全脱离→剪断2023/1/10剪切后的断面剪切边缘有两个明显区域窄面亮的条带区(相当于塑性变形阶段)较宽面无光的断裂条带区在条带区附近纤维受挤部分是机座剪切所造成的硬化区2023/1/10(二)机械剪切加工工艺

船体构件的边缘有直线和曲线之分，加工所用的机械设备和方法也有不同

直边构件：加工车床主要有斜刃龙门剪床和压力剪切机(或联合冲剪机)两种斜刃龙门剪床是剪切长直边工件的专用设备，对中、薄板较为适宜压力剪切机用于短直线的剪切，加工长直线或缓曲线时，质量较差且操作复杂曲线边缘：加工车床主要是圆盘剪切机，应用较少2023/1/101.斜刃龙门剪床图示为斜刃龙门剪床工作部分剪切板材时，上剪刀不断做上下往复运动，剪切范围为图中平行四边形ABCD2023/1/10上下剪刀之间的夹角剪床的功率与四边形面积ABCD成正比增大剪床上下剪刀间的夹角可使四边形面积减小，从而降低剪切所需的功率

过大时，斜剪刃所产生的水平分力会使板材移动，给剪切操作带来不便上下剪刃夹角在1.5°~5°范围取值2023/1/10斜口刀刃的剪角

值根据所剪材料的硬度确定在保证刀刃强度的情况下剪切硬或中等硬度材料时，为75°~85°

软质金属其值约为65°~70°为便于刀刃的调用，也有将其做成90°2023/1/10剪刀平面之间的间隙S为减少刀刃与剪截板边的摩擦，有利于板材分离，上下刃口间应留有一定间隙S值根据所剪板材的材料和厚度决定最大不超过板材厚度的7％2023/1/10剪刀刀刀口间间隙调调整曲曲线2022/12/29斜刃刃龙龙门门剪剪床床剪板板刀刀片片斜刃刃龙龙门门剪剪床床的的剪剪板板刀刀片片较较长长，，为为1.5~8.3m剪刀刀的的后后角角γ为2°~3°°剪床床的的下下剪剪刀刀固固定定，，上上剪剪刀刀经经由由离离合合器器与与剪剪床床的的运运动动部部分分相相连连2022/12/29斜刃龙门门剪床工工作过程程(1)剪切操作作时合上离合合器，上剪刀刀做一次次下剪动动作完成一次次剪切后后，上剪剪刀回到到原来位置置，离合器器自行脱脱开，工作部分分停止运运动保证安全全操作有充分的的时间进进行下一一次剪切切的准备备工作，，有利于于提高剪剪切质量量剪刀每分分钟行程程次数为为5~45次剪切板厚厚可达20~50mm2022/12/29斜刃龙门门剪床工工作过程程(2)斜刃龙门门剪床上上设有压压料架上剪刀下下剪前，，剪床的的压紧装装置将板板料自动动压紧避免钢板板在剪切切时产生生移动和和翻转避免剪下下的条料料出现向向下弯曲曲折卷的的现象2022/12/29剪断力P的近似估估算系数K1=0.5×10-6K2=1.2×10-6或1.8××10-6(薄板)U为单位剪剪切功；；低碳钢钢：U=9.8×10-7J/m3t为板厚(mm)为抗剪强强度(0.8~0.86)(Pa)考虑弯曲曲作用，，板厚不不均匀性性及刀口口变钝等等情况，，将P的估算值增加20~30%作作为实际际剪断力力2022/12/29斜刃龙门剪床床机械龙门剪床的传传动方式有机械传动和液液压传动两种液压传动方式式的龙门剪床床具有的优点点结构简单、体体积小和重量量轻振动小、作用用力恒定且可可以防止过载载工作台可以回回转的龙门剪剪床，在剪裁裁构件边缘的的同时可以直直接加工出焊焊接破口中小型船厂所所用钢板不厚厚，龙门剪床床是直线构件件边缘加工的的高效而经济济的加工设备备2022/12/292.压力剪剪切机常用的压力剪剪切机为剪切切和冲孔两用用的联合机床床，可剪切板板材和型材也也可进行冲孔孔作业剪切机的刀片片较短，在300~600mm的范围内刀片实际有效效的工作长度为250~300mm，适宜于剪切短短直线剪切较长直线线及曲度较小小的外弯曲线线，剪切的质质量不理想压力剪切机上上下刀刃的夹夹角取为9°~12°上下剪刀平面面之间的间隙隙S在所剪板材厚厚度的2％~7％的范围内调整整2022/12/29压力剪床的种类类根据剪刀装装置的方向向，压力剪剪切机分纵向和横向向两种横向式压力力剪切机如如图所示喉深为600~1000mm板材剪切的的宽度受到到喉深的限限制纵向式压力力剪切机无无喉深的限限制可冲剪金属属板材和剪剪切角钢等等型材2022/12/29纵向式压力力剪切机示示意图2022/12/293.圆盘盘剪切机厚度较小，，具有任意意曲线边缘缘的船体构构件，可用用圆盘剪切切机进行剪剪切圆盘剪切机机的工作部部分如图所所示剪刀由两个个锥形圆盘盘组成轴线平行安安装(图a))轴线倾斜安安装(图b))2022/12/29圆盘剪切机机的应用上刀盘为主动盘，下刀盘为为从动盘剪刀刃口的的重叠值h为板厚的1/5~1/3两个剪刃重重叠的弧线线很短，所所以可用转转动被加工工构件的方方式剪裁曲曲线轮廓这在在斜斜装装的的剪剪床床上上尤尤为为方方便便这种种剪剪床床操操作作复复杂杂、、劳劳动动强强度度大大，，在在船体体构构件件的边边缘缘加加工工中中应应用用较较少少主要要用用于于薄板板和和有有色色金金属属构构件件的曲曲线线边边缘缘切切割割2022/12/294.剪切切加加工工的的主主要要工工艺艺要要求求根据据构构件件尺尺度度和和边边缘缘特特征征选选择择合合适适的的剪剪切切机机床床,核核对对机机床床的的工工作作能能力力是是否否满满足足所所剪剪材材料料的的要要求求根据据构构件件厚厚度度调调整整上上下下刀刀片片的的间间隙隙，，使使其其在在整整个个刀刀片片长长度度内内保保持持一一致致一张张钢钢板板上上排排列列多多个个构构件件时时，，根根据据排排列列情情况况预预先先确确定定剪剪切切顺顺序序，，以以便便顺顺利利地地进进行行操操作作剪切切时时，，应应使使构构件件的的剪剪切切线线与与上上下下刀刀口口边边缘缘严严格格对对准准，，保保证证剪剪切切边边缘缘不不发发生生偏偏差差加工工后后，，构构件件的的剪剪断断位位置置与与划划线线位位置置的的偏偏移移应应不超超过过1.0mm，断面面不不垂垂直直度度应应不超超过过5°°2022/12/29二、、气气割割方方法法(化化学学切切割割法法)在船船体体构构件件加加工工中中，气气割割方方法法进行行直直线线边边缘缘和和曲曲线线边边缘缘的的加加工工切割各种种形状和和不同厚厚度的工工件切出各种种不同型型式的焊焊接坡口口在船体装装配中，气割方方法广泛泛应用于于切割余量量和修正正边缘2022/12/29(一)气气割原原理气割也称称火焰切切割，通通常是指指氧—乙炔炔焰切割或或氧—丙烷烷焰切割实质是金金属在氧氧气中燃燃烧的过过程气割分为为金属预热热、金属属燃烧和和去渣三个阶段段预热焰加加热金属属，使割割缝起点点温度上上升达到被切切割材料料的燃点点时，放放出高速速的切割割纯氧气气流金属在氧氧气中急急速氧化化(燃烧烧)2022/12/29借助高高速氧氧气流流的动动能将将燃烧烧生成成的熔熔渣(即金金属氧氧化物物)迅迅速吹吹除掉掉连续不不断地地进行行上述述过程程，从从而在在被割金金属上上形成成一条条割缝缝将金属属分开开，达到切切割的的目的的气割的的过程程2022/12/29铁在纯纯氧中中燃烧烧的化化学反反应式式2Fe+O2→2FeO+5.380×105J/mol4Fe+3O2→2Fe2O3+1.660×106J/mol3Fe+2O2→Fe3O4+1.117×106J/mol从气割过程程的特点可可知，只有有满足一定条条件的金属才能能被气割2022/12/29(1)被割金属的的燃点必须须低于其熔熔点气割能正常常进行的基基本条件，因为气割割的实质是金属属在氧气中中的燃烧如果被割金金属的燃点点高于其熔熔点，那么么金属尚未达达到燃点就就已熔化，，切割过程程不是燃烧过过程而只是是熔化过程程气割方法所所提供的热热能大大低低于物理切切割法，因因此难以得得到光滑平平整的割缝缝低碳钢和低低合金钢都都属于燃点点低于熔点点的金属，，都具有良良好的气割割性能2022/12/29含碳量对对黑色金金属燃点点和熔点点的影响响由铁碳合合金相图图可知，，黑色金金属的含含碳量对对其燃点点和熔点点的影响响很大铁碳合金金随含碳碳量的增增加，熔熔点降低低、燃点点升高含碳量达达到0.7%时时，铁碳合合金的熔熔点与燃燃点相同同一般含碳量小小于0.7%的的黑色金金属都能满足足气割过过程是燃燃烧过程程的要求求2022/12/29(2)氧化物物熔点应低于于金属的熔点点并并且具有有良好的流动动性气割形成的氧氧化物熔点低低、流动性好好,便容易被高速氧氧气流吹除若氧化物熔点点高于金属的的熔点，则氧化物不可能能以液体状态态从切割处排排除氧化物薄膜附附着在割缝金金属表面产生生粘渣现象，，从而妨碍切割过程程的进行铜、铝等金属属不符合这个条条件，一般不不能用气割的的方法进行切切割2022/12/29(3)金属在在氧气中燃烧烧是放热反应应且且能放出出较多的热量量在气割过程中中，预热焰的的热量约占总总热量30%，金属燃烧产生生的热量约占占70%排除氧化物带带走一部分热热量，大部分分热量用来预预热金属并保保持切口的温温度气割过程中上上层金属燃烧烧放热对下层层预热的作用用十分重要金属燃烧放出出的热量是预预热被割金属属的主要热源源2022/12/29金属燃燃烧应应是放放热反反应金属的的燃烧烧是吸热反反应，可能能造成成割缝缝中未未燃烧烧金属属预热热不足足预热达达不到到金属属的燃燃点，，气割割过程程就会会中断断此时要要使气气割过过程连连续进进行，，需要要消耗耗更多多的热热能预预热金金属，，用以以维持持金属属的燃燃点温温度2022/12/29(4)金金属的的导热热率不不应过过高气割过过程中中这一一点必必须满满足金属导导热率率过高高，金金属切切割处处的热热量将将因金金属本本身的的传导导而迅迅速散散失切割处处温度度很快快低于于燃点点，使使切割割过程程不能能开始始或者者中断断即使切切割过过程能能够进进行，，也会会导致致割缝缝过大大2022/12/29(5)金金属属中中不不应应含含有有使使气气割割过过程程恶恶化化的的杂杂质质气割割方方法法属属于于化化学学方方法法，，金金属属中中的的有有害害杂杂质质会会给给气气割割带带来来不不利利影影响响使氧氧化化物物熔熔点点升升高高；；妨妨碍碍金金属属燃燃烧烧；；使使割割缝缝处处金金属属性性能能变变坏坏、、引引起起裂裂纹纹等等等等含C＞0.7%的钢钢，，必必须须预预热热到到400℃℃~700℃℃时时才才能能进进行行气气割割，，否否则则会会在在割割缝缝表表面面产产生生淬淬化化组组织织，，甚甚至至出出现现裂裂纹纹钢中中含含硫硫量量超超过过1%~1.2%时时，，就就不不能能进进行行气气割割2022/12/29(二)气气割工工艺过程程1.气气割过过程常用用的燃气气气割中常常用的燃燃气主要要是乙炔炔(C2H2)和液化石石油气(以丙烷烷C3H8为主，含含有一定定的丁烷烷C4H10和烯烃等等成分)燃气焰在在火工校校正和水水火弯板板工艺中中，也常常被用做做加工热热源乙炔的特特点是火火焰集中中、温度度高、预预热时间间短，起起割快，，具有一一定的切切割速度度乙炔爆炸炸极限较较宽2022/12/29液化石油油气做为为燃气在常温下下的液化化压力较较低，便便于贮存存、运输输和管理理在气割过过程中没没有污水水和废渣渣产生，，回火和和爆炸的的可能性性很小，，使用安安全切割出的的割缝切切口光洁洁、棱角角整齐，，而且很很少粘渣渣，在中中、厚板板中更为为突出液化石油油气的比比重大于于空气，，在低洼洼处容易易堆积发发生危险险丙烷气的的火焰大大、分布布宽，对对钢板的的预热时时间长，，耗氧量量大2022/12/292.气气割常常用工艺艺装备常用的气气割装备备有手工气割割炬半自动气气割机门式自动动气割机机数控自动动气割机机2022/12/29用于手工操操作可燃气气体及氧气气流进行火火焰切割按构造与工工作原理，，割炬可分分为射吸式和中中压式两种型式气割过程中中，操作者者手工控制制割嘴的运运动轨迹割嘴沿事先先在钢板上上画出的切切割线移动动切割的精度度主要取决决于操作的的平稳程度度(1)手手工气割炬炬2022/12/29预热氧气经喷射管由由细小喷射孔孔射出在射孔周围围造成一个个负压区，将聚积在该该区的低压压乙炔吸出出氧和乙炔在在混合室以一定比例例混合，从割嘴喷出出以维持预预热火焰的的燃烧切割氧气用来加速金金属的燃烧烧射割炬2022/12/29由三部分分组成切割部分分(包括割割嘴、气气体管路路及调节节装置等等)动力部分分(行走电电动机和和减速装装置等)(2)半半自自动气割割机辅助设备备(直线轨轨道和割割圆圆规规等)气割机由由电动机机驱动，，沿直线线轨道做做匀速运运动而实实现构件件直线边边缘的切切割2022/12/29半自动气割机机性能割嘴可以倾斜斜一定角度切切割V型或X型焊接坡口小车行走速度度就是切割速速度，可以在在50~750mm/min的范围进行无无极调速切割钢板的厚厚度为5~60mm切割圆弧的直直径为200~2000mm割缝光洁，切切割精度高与自动切割机机比，具有设备简简单、移动方方便、操作容容易以及适应应性强、投资资少、易于扩扩大施工面等等优点2022/12/29在一座门形支支架设置一套套或数套切割割装置的设备备切割时，电动动机驱动支架架沿两根固定定导轨做直线线运动运动速度等于于切割装置的的切割速度切割装置随门门式支架的运运动切出一条条或数条直线线割缝切割装置的间间距可按被切切割构件的尺尺寸进行调整整(3)

门式式自动气割机机2022/12/29应用门式自自动气割机机切割直边边构件，加加工精度高高、切割速速度快通常每套切切割装置装装有三个割嘴，可一次切切割出各种种焊接坡口口将边缘切割割和坡口加加工一次完完成，取代刨边边机的全部部工作内容容省去原来剪剪切和半自自动气割机机中拼板构构件的二次加工缩短船体构构件的加工工周期，节节省工时门式自动气气割机作业业2022/12/29数控自动气气割机由数字控制装装置和气割割执行装置置组成通常与计算算机辅助建建造系统配配套使用切割前，需将被切切割构件的的图形用图图形处理语语言编成构构件程序经计算机处处理、计算算和对数控控指令编码码，得到数数控切割程程序录入程序载载(如纸带带、磁盘等等)切割时，将数控切切割程序输输入到数字字控制装置置中，数