船舶建造工藝09邊緣加工

第二節(jié)

船體構(gòu)件的邊緣加工船體構(gòu)件的邊緣加工主要是指零件的邊緣切割和焊接坡口加工船體構(gòu)件有直線邊緣和曲線邊緣之分，加工所用的機械設(shè)備和方法也有不同邊緣加工的方法有

機械切割法(剪切、沖孔、刨邊和銑邊)

化學切割法(氧乙炔氣割和氧丙烷氣割)

物理切割法(等離子切割和激光切割)2024/5/201一、機械剪切法

（一）機械剪切原理機械剪切的實質(zhì)在超過材料極限強度的剪切力作用下，被加工金屬受擠壓而發(fā)生剪切變形和斷裂的過程這一過程大致分為三個連續(xù)發(fā)生的階段

彈性變形階段塑性變形階段斷裂階段2024/5/202剪切過程的三個階段

彈性變形階段剪切開始時上剪刃下壓至被加工構(gòu)件構(gòu)件在剪切力的作用下發(fā)生彈性變形內(nèi)應(yīng)力低于材料的屈服極限塑性變形階段上剪刃繼續(xù)下壓，使被加工構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力超過屈服點并繼續(xù)上升直到相當于材料抗剪強度的最大值構(gòu)件在剪力作用下發(fā)生塑性的剪切變形2024/5/203塑性變形階段

最大剪切變形從剪刀的刃邊部分開始，變形沿滑移面發(fā)生由于上下剪刃間具有一定的間隙，剪切變形的同時還存在著彎曲和拉伸變形剪刀擠入被剪金屬的深度視材料的硬度和塑性而定一般為被剪金屬厚度的20％~50％斷裂階段

隨塑性變形增加，沿著滑移面的方向逐漸形成裂縫并迅速擴大，直到完全脫離→剪斷2024/5/204剪切后的斷面剪切邊緣有兩個明顯區(qū)域窄面亮的條帶區(qū)(相當于塑性變形階段)較寬面無光的斷裂條帶區(qū)在條帶區(qū)附近纖維受擠部分是機座剪切所造成的硬化區(qū)2024/5/205(二)機械剪切加工工藝

船體構(gòu)件的邊緣有直線和曲線之分，加工所用的機械設(shè)備和方法也有不同

直邊構(gòu)件：加工車床主要有斜刃龍門剪床和壓力剪切機(或聯(lián)合沖剪機)兩種斜刃龍門剪床是剪切長直邊工件的專用設(shè)備，對中、薄板較為適宜壓力剪切機用于短直線的剪切，加工長直線或緩曲線時，質(zhì)量較差且操作復(fù)雜曲線邊緣：加工車床主要是圓盤剪切機，應(yīng)用較少2024/5/2061.斜刃龍門剪床圖示為斜刃龍門剪床工作部分剪切板材時，上剪刀不斷做上下往復(fù)運動，剪切范圍為圖中平行四邊形ABCD2024/5/207上下剪刀之間的夾角剪床的功率與四邊形面積ABCD成正比增大剪床上下剪刀間的夾角可使四邊形面積減小，從而降低剪切所需的功率

過大時，斜剪刃所產(chǎn)生的水平分力會使板材移動，給剪切操作帶來不便上下剪刃夾角在1.5°~5°范圍取值2024/5/208斜口刀刃的剪角

值根據(jù)所剪材料的硬度確定在保證刀刃強度的情況下剪切硬或中等硬度材料時，為75°~85°

軟質(zhì)金屬其值約為65°~70°為便于刀刃的調(diào)用，也有將其做成90°2024/5/209剪刀平面之間的間隙S為減少刀刃與剪截板邊的摩擦，有利于板材分離，上下刃口間應(yīng)留有一定間隙S值根據(jù)所剪板材的材料和厚度決定最大不超過板材厚度的7％2024/5/2010剪刀刀口間隙調(diào)整曲線2024/5/2011斜刃龍門剪床剪板刀片斜刃龍門剪床的剪板刀片較長，為1.5~8.3m剪刀的后角γ為2°~3°剪床的下剪刀固定，上剪刀經(jīng)由離合器與剪床的運動部分相連2024/5/2012斜刃龍門剪床工作過程(1)剪切操作時合上離合器，上剪刀做一次下剪動作完成一次剪切后，上剪刀回到原來位置，離合器自行脫開，工作部分停止運動保證安全操作有充分的時間進行下一次剪切的準備工作，有利于提高剪切質(zhì)量剪刀每分鐘行程次數(shù)為5~45次剪切板厚可達20~50mm2024/5/2013斜刃龍門剪床工作過程(2)斜刃龍門剪床上設(shè)有壓料架上剪刀下剪前，剪床的壓緊裝置將板料自動壓緊避免鋼板在剪切時產(chǎn)生移動和翻轉(zhuǎn)避免剪下的條料出現(xiàn)向下彎曲折卷的現(xiàn)象2024/5/2014剪斷力P的近似估算

系數(shù)K1=0.5×10-6

K2=1.2×10-6

或1.8×10-6(薄板)U為單位剪切功；低碳鋼：U=9.8×10-7J/m3t為板厚(mm)

為抗剪強度(0.8~0.86)(Pa)考慮彎曲作用，板厚不均勻性及刀口變鈍等情況，將P的估算值增加20~30%作為實際剪斷力2024/5/2015斜刃龍門剪床機械龍門剪床的傳動方式有機械傳動和液壓傳動兩種液壓傳動方式的龍門剪床具有的優(yōu)點結(jié)構(gòu)簡單、體積小和重量輕振動小、作用力恒定且可以防止過載工作臺可以回轉(zhuǎn)的龍門剪床，在剪裁構(gòu)件邊緣的同時可以直接加工出焊接破口中小型船廠所用鋼板不厚，龍門剪床是直線構(gòu)件邊緣加工的高效而經(jīng)濟的加工設(shè)備2024/5/20162.壓力剪切機

常用的壓力剪切機為剪切和沖孔兩用的聯(lián)合機床，可剪切板材和型材也可進行沖孔作業(yè)剪切機的刀片較短，在300~600mm的范圍內(nèi)刀片實際有效的工作長度為250~300mm，適宜于剪切短直線剪切較長直線及曲度較小的外彎曲線，剪切的質(zhì)量不理想壓力剪切機上下刀刃的夾角取為9°~12°上下剪刀平面之間的間隙S在所剪板材厚度的2％~7％的范圍內(nèi)調(diào)整2024/5/2017壓力剪床的種類根據(jù)剪刀裝置的方向，壓力剪切機分縱向和橫向兩種橫向式壓力剪切機如圖所示喉深為600~1000mm板材剪切的寬度受到喉深的限制縱向式壓力剪切機無喉深的限制可沖剪金屬板材和剪切角鋼等型材2024/5/2018縱向式壓力剪切機示意圖2024/5/20193.圓盤剪切機厚度較小，具有任意曲線邊緣的船體構(gòu)件，可用圓盤剪切機進行剪切圓盤剪切機的工作部分如圖所示剪刀由兩個錐形圓盤組成軸線平行安裝(圖a))軸線傾斜安裝(圖b))2024/5/2020圓盤剪切機的應(yīng)用上刀盤為主動盤，下刀盤為從動盤剪刀刃口的重疊值h為板厚的1/5~1/3兩個剪刃重疊的弧線很短，所以可用轉(zhuǎn)動被加工構(gòu)件的方式剪裁曲線輪廓這在斜裝的剪床上尤為方便這種剪床操作復(fù)雜、勞動強度大，在船體構(gòu)件的邊緣加工中應(yīng)用較少主要用于薄板和有色金屬構(gòu)件的曲線邊緣切割2024/5/20214.

剪切加工的主要工藝要求

根據(jù)構(gòu)件尺度和邊緣特征選擇合適的剪切機床,核對機床的工作能力是否滿足所剪材料的要求根據(jù)構(gòu)件厚度調(diào)整上下刀片的間隙，使其在整個刀片長度內(nèi)保持一致一張鋼板上排列多個構(gòu)件時，根據(jù)排列情況預(yù)先確定剪切順序，以便順利地進行操作剪切時，應(yīng)使構(gòu)件的剪切線與上下刀口邊緣嚴格對準，保證剪切邊緣不發(fā)生偏差加工后，構(gòu)件的剪斷位置與劃線位置的偏移應(yīng)不超過1.0mm，斷面不垂直度應(yīng)不超過5°2024/5/2022二、氣割方法(化學切割法)在船體構(gòu)件加工中，氣割方法

進行直線邊緣和曲線邊緣的加工

切割各種形狀和不同厚度的工件

切出各種不同型式的焊接坡口在船體裝配中，氣割方法廣泛應(yīng)用于切割余量和修正邊緣2024/5/2023(一)氣割原理氣割也稱火焰切割，通常是指氧—乙炔焰切割或氧—丙烷焰切割實質(zhì)是金屬在氧氣中燃燒的過程氣割分為金屬預(yù)熱、金屬燃燒和去渣三個階段預(yù)熱焰加熱金屬，使割縫起點溫度上升達到被切割材料的燃點時，放出高速的切割純氧氣流金屬在氧氣中急速氧化(燃燒)2024/5/2024借助高速氧氣流的動能將燃燒生成的熔渣(即金屬氧化物)迅速吹除掉連續(xù)不斷地進行上述過程，從而在被割金屬上形成一條割縫將金屬分開，達到切割的目的氣割的過程2024/5/2025鐵在純氧中燃燒的化學反應(yīng)式2Fe+O2→2FeO+5.380×105J/mol4Fe+3O2→2Fe2O3+1.660×106J/mol3Fe+2O2→Fe3O4+1.117×106J/mol從氣割過程的特點可知，只有滿足一定條件的金屬才能被氣割2024/5/2026(1)被割金屬的燃點必須低于其熔點氣割能正常進行的基本條件，因為氣割的實質(zhì)是金屬在氧氣中的燃燒如果被割金屬的燃點高于其熔點，那么金屬尚未達到燃點就已熔化，切割過程不是燃燒過程而只是熔化過程氣割方法所提供的熱能大大低于物理切割法，因此難以得到光滑平整的割縫低碳鋼和低合金鋼都屬于燃點低于熔點的金屬，都具有良好的氣割性能

2024/5/2027含碳量對黑色金屬燃點和熔點的影響由鐵碳合金相圖可知，黑色金屬的含碳量對其燃點和熔點的影響很大鐵碳合金隨含碳量的增加，熔點降低、燃點升高含碳量達到0.7%時，鐵碳合金的熔點與燃點相同一般含碳量小于0.7%的黑色金屬都能滿足氣割過程是燃燒過程的要求2024/5/2028(2)氧化物熔點應(yīng)低于金屬的熔點

并且具有良好的流動性氣割形成的氧化物熔點低、流動性好,便容易被高速氧氣流吹除若氧化物熔點高于金屬的熔點，則氧化物不可能以液體狀態(tài)從切割處排除氧化物薄膜附著在割縫金屬表面產(chǎn)生粘渣現(xiàn)象，從而妨礙切割過程的進行銅、鋁等金屬不符合這個條件，一般不能用氣割的方法進行切割2024/5/2029(3)金屬在氧氣中燃燒是放熱反應(yīng)

且能放出較多的熱量在氣割過程中，預(yù)熱焰的熱量約占總熱量30%，金屬燃燒產(chǎn)生的熱量約占70%排除氧化物帶走一部分熱量，大部分熱量用來預(yù)熱金屬并保持切口的溫度氣割過程中上層金屬燃燒放熱對下層預(yù)熱的作用十分重要金屬燃燒放出的熱量是預(yù)熱被割金屬的主要熱源2024/5/2030金屬燃燒應(yīng)是放熱反應(yīng)金屬的燃燒是吸熱反應(yīng)，可能造成割縫中未燃燒金屬預(yù)熱不足預(yù)熱達不到金屬的燃點，氣割過程就會中斷此時要使氣割過程連續(xù)進行，需要消耗更多的熱能預(yù)熱金屬，用以維持金屬的燃點溫度2024/5/2031(4)金屬的導(dǎo)熱率不應(yīng)過高氣割過程中這一點必須滿足金屬導(dǎo)熱率過高，金屬切割處的熱量將因金屬本身的傳導(dǎo)而迅速散失切割處溫度很快低于燃點，使切割過程不能開始或者中斷即使切割過程能夠進行，也會導(dǎo)致割縫過大2024/5/2032(5)金屬中不應(yīng)含有使氣割過程

惡化的雜質(zhì)

氣割方法屬于化學方法，金屬中的有害雜質(zhì)會給氣割帶來不利影響使氧化物熔點升高；妨礙金屬燃燒；使割縫處金屬性能變壞、引起裂紋等等含C＞0.7%的鋼，必須預(yù)熱到400℃~700℃時才能進行氣割，否則會在割縫表面產(chǎn)生淬化組織，甚至出現(xiàn)裂紋鋼中含硫量超過1%~1.2%時，就不能進行氣割2024/5/2033(二)氣割工藝過程1.

氣割過程常用的燃氣氣割中常用的燃氣主要是乙炔(C2H2)和液化石油氣(以丙烷C3H8為主，含有一定的丁烷C4H10和烯烴等成分)燃氣焰在火工校正和水火彎板工藝中，也常被用做加工熱源乙炔的特點是火焰集中、溫度高、預(yù)熱時間短，起割快，具有一定的切割速度乙炔爆炸極限較寬2024/5/2034液化石油氣做為燃氣在常溫下的液化壓力較低，便于貯存、運輸和管理在氣割過程中沒有污水和廢渣產(chǎn)生，回火和爆炸的可能性很小，使用安全切割出的割縫切口光潔、棱角整齊，而且很少粘渣，在中、厚板中更為突出液化石油氣的比重大于空氣，在低洼處容易堆積發(fā)生危險丙烷氣的火焰大、分布寬，對鋼板的預(yù)熱時間長，耗氧量大2024/5/20352.

氣割常用工藝裝備常用的氣割裝備有

手工氣割炬半自動氣割機門式自動氣割機數(shù)控自動氣割機2024/5/2036用于手工操作可燃氣體及氧氣流進行火焰切割按構(gòu)造與工作原理，割炬可分為射吸式和中壓式兩種型式氣割過程中，操作者手工控制割嘴的運動軌跡割嘴沿事先在鋼板上畫出的切割線移動切割的精度主要取決于操作的平穩(wěn)程度(1)手工氣割炬2024/5/2037預(yù)熱氧氣經(jīng)噴射管由細小噴射孔射出在射孔周圍造成一個負壓區(qū)，將聚積在該區(qū)的低壓乙炔吸出氧和乙炔在混合室以一定比例混合，從割嘴噴出以維持預(yù)熱火焰的燃燒切割氧氣用來加速金屬的燃燒射割炬2024/5/2038由三部分組成

切割部分(包括割嘴、氣體管路及調(diào)節(jié)裝置等)動力部分(行走電動機和減速裝置等)(2)

半自動氣割機輔助設(shè)備(直線軌道和割圓圓規(guī)等)氣割機由電動機驅(qū)動，沿直線軌道做勻速運動而實現(xiàn)構(gòu)件直線邊緣的切割2024/5/2039半自動氣割機性能割嘴可以傾斜一定角度切割V型或X型焊接坡口小車行走速度就是切割速度，可以在50~750mm/min的范圍進行無極調(diào)速切割鋼板的厚度為5~60mm切割圓弧的直徑為200~2000mm割縫光潔，切割精度高與自動切割機比，具有設(shè)備簡單、移動方便、操作容易以及適應(yīng)性強、投資少、易于擴大施工面等優(yōu)點2024/5/2040在一座門形支架設(shè)置一套或數(shù)套切割裝置的設(shè)備切割時，電動機驅(qū)動支架沿兩根固定導(dǎo)軌做直線運動運動速度等于切割裝置的切割速度切割裝置隨門式支架的運動切出一條或數(shù)條直線割縫切割裝置的間距可按被切割構(gòu)件的尺寸進行調(diào)整(3)

門式自動氣割機2024/5/2041應(yīng)用門式自動氣割機切割直邊構(gòu)件，加工精度高、切割速度快通常每套切割裝置裝有三個割嘴，可一次切割出各種焊接坡口將邊緣切割和坡口加工一次完成，取代刨邊機的全部工作內(nèi)容省去原來剪切和半自動氣割機中拼板構(gòu)件的二次加工縮短船體構(gòu)件的加工周期，節(jié)省工時門式自動氣割機作業(yè)2024/5/2042數(shù)控自動氣割機由數(shù)字控制裝置和氣割執(zhí)行裝置組成通常與計算機輔助建造系統(tǒng)配套使用切割前，需將被切割構(gòu)件的圖