CG2150 仿型切割机的设计.docx
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CG2150仿型切割机的设计
毕业设计（论文）
（说明书）
题目：
CG2-150仿型切割机的设计
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年月日
摘 要
随着焊接技术的迅速发展，各种高效、节能、高能量密度焊接新方法的相继出现并在推广中应用，气焊方法的应用范围有减少之势。
但是在目前生产中某些金属材料或异种金属材料的焊接以及某些金属结构的焊接或焊补，还是可以或者是很需要采用气焊方法。
气焊是最早应用生产的焊接方法之一，其设备及工艺进年来虽无明显的重大发展，但对于氧-乙炔的应用，还是有新的开拓，其中气割就应用的很广泛。
为了进一步发展气割的应用所以我进行了CG2-150型仿形气割机的设计。
我针对样板进行了设计，提高成批量生产时生产效率。
该气割与手工气割相比，还有劳动强度低，气割质量好，成本低，等优点。
因此我认为机械气割正逐步代替手工气割。
所以本设计主要是提高气割生产效率，降低劳动成本。
关键词：
气焊，气割，效率高，能耗低
第1章CG2-150型仿型切割机
1.1切割机的概述
设计课程CG2-150型仿型切割机，如图1.1，是一种靠模生产的高效率半自动气割低碳合金钢板的机器，由于采用靠模仿型；可以很方便的切割出各种形状，适用于批量生产。
CG2-150型切割机的最显著的特点是每分钟能割完厚度为50-750mm的切割面，在相同工作量下与使用气割相比较，缩短工时近2倍，并且克服了以前用气割下后钢板，钢管时地切割面积不光滑，尺寸误差较大，而且有时因氧气回火出现伤人现象等弊端，给电气焊工带来了很大地方便。
1.2结构特点及简介
1．2．1调速系统采用了具有优越性能的集成电路控制器故具有下列一些特点：
a、能在规定的范围内均匀调整速度，而不会使电动机性能发生变化，速度控制也很稳定。
b、用较小的控制电压能直接控制电动机转速，其控制能损耗很小。
c、电气系统部分的温升对电动机影响很小，使其寿命长，且维修简易。
1．2．2割炬
当基臂沿样板移动，割炬可以正确地割出与样板相同的形状。
除上述一些特点外，尚有下列优点。
a、小巧，轻便、操作方便。
b、主轴固定在机座上，并作为主臂的支点，因没有平衡装置及磁铁导轮。
可使主在切割幅度的工作限度内任意移动而保持平衡状态。
c、传动部分采用滚动轴承，使机器运转平衡。
d、机座下部装有球形螺柱，可以固定，移动及控制平面度。
e、机器采用连锁装置，所以电动机的起动与切割氧的打开是同步的。
f、可以在垂直方向调节样板上的滑尺位置。
g、只要专用割圆附件，便可作450mm范围圆周长的切割工作。
1．2．3电动机与减速机构
该机器采用永磁的直流伺服电动机，有正反转开关作顺逆方向旋转，它直接与齿轮减速机构相连，以带动磁滚轮旋转。
减速机构系三级减速传动，速比为：
1/175。
磁滚轮为直径10毫米的永久磁铁。
压力开关是自动开闭系统中不可缺少的，当切割气流过时，电器陆续被接通，使主轴转动。
可逆转换开关是一个可变开关，所以必须在机器停止后才可换，如果突然改变方向，会损坏电机，影响电机使用寿命。
1.3外形结构及安装尺寸
图1-1切割机外型结构
1.4割枪结构及外形示意图
图1-2割锯结构
1.5电气线路图
图1-3电器线路图
1、本电路采用220V电源电压通过变压器得到电器所需工作电压110V机器的运转是由直流伺服电动机利用集成电路改变速度来获得，因此机器的驱动停止及倒转都用K2的开关来操作。
2、压力开关的驱动操作压力开关是动力电源开关，当割炬上的阀拧开后便一直可以操作，这阀在结构上与切割氧相连，当切割打开时即自动接通电源便自动开始切割，切割完毕时，切割氧即停止喷射便自动关闭电源。
因而，只有当割炬工作时，才能运行操作。
3、切割速度的控制，切割速度取决于切割钢板的厚度与割嘴的号码可用磁轮试运行来证实其实际速度，频率愈高，则速度也就愈高。
第二章各部分的设计
本机器有转动系统，样板安装在型臂前端地模板架上，磁滚轮面靠平样板侧面，表面吸力大于16N，磁滚轮由直流伺服电机带动三级减速机构转动，三级减速由前级一对螺旋齿轮；中间一对平齿轮；后级一对蜗轮幅组成速度比为1/175，磁滚轮使用高级永磁合金直径为10mm，当磁滚轮沿样板周边移动；带动主壁下面地割炬，割炬正确地割出与样板相同形状地工件。
主轴固定在机座上，作为基壁地支点；设有平衡装置，与主壁上安装地磁滚轮，割炬保持平衡运动，底座下部装有蜗杆可以在垂直方向调节割炬地升降位置，型壁套装在联结管上端可以作360度地回转，360度范围内可作垂直升降和水平位置的调整。
表2-1气割的技术参数
名称
150型
150A型
气割钢板厚度范围
5-100mm
5-100mm
气割最大圆周直径
600mm
1800mm
气割最大正（长方形）
500*500mm,400*900mm,450-750mm
1270*1270mm
气割最大长度
1200mm
1750mm
气割速度
50-750mm/min
电动机
Z3-11型直流电动机，功率25W，电压110V，电流0.5A，
转速3000-4000转/min
输入电源
50HZ,220V
2.1机架的设计
外形尺寸与重量，如表2-2
表2-2外形尺寸与重量
型号
150型
150A型
机器外型尺寸
1190*335*800mm
1390*335*800mm
净重
43kg
52kg
机架时各种机械地基本部件，机器采用高强度的铝锭精密压铸制成，具有重量轻、强度高、耐腐蚀等特点，它主要起支承作用，机械的其他部件一般固定在机架上，有些部件是在机架的导轨面上运动。
机架起基准作用，以保证各部件间正确的相对位置，并且使整个机器组成一个整体。
在其他部件及工件本身的重量与工作过程中的载荷（包括各种冲击力）作用下，机架要有足够的强度，而且变形部超过允许值。
此外还应考虑机架的动刚度，阻尼，热变形性，尺寸稳定性，疲劳强度等。
对于移动式机器的机架则要求重量轻；对于在寒冷、酷热、潮湿等环境下工作的机架分别要求耐高温、耐低温、抗锈烛等性能。
机架在机器中的尺寸一般较大，它往往与机器的整体布局，机器的造型美观，操作方便，加工工艺性好。
（1）机架的几种分类
a、按机型求分，可分为：
卧式、立式。
b、卧式则分：
横梁式机架、平板式机架。
c、立式则分：
单立柱、双立柱、多立柱。
（2）按材料及制造方法分
a、金属机架、非金属机架。
b、金属机架分：
铸造机架、焊接机架、组合机架
c、非金属机架分：
花岗岩机架、混凝土机架、塑料机架。
本设备的机架属于金属机架中的铸造机架，它采用了高强度的铝锭合金精密压铸制成，重量轻，强度高。
选择单立柱机架是因为：
单立柱机架结构简单，操作零件所受弯矩大，受力不能太大，如图2-1：
1、主壁2、基壁3、立柱4、底座
图2-1机架的外型
2.2力的基本类型
机架上承受着多种多样的力和和力矩（弯矩及转矩），但大体上可以分为以下几种类型：
工艺力这是最重要、最基本的力，即机器在完成相应的主要工艺过程中所产生的力量，如各种切削机床中的切削力；各种扎制设备中的扎制力与扎制力矩，各种锻压设备中的锻压件塑性成型力等等。
对于同一台机器；由于完成的工艺不同，工艺力也相应的有所变化。
在同一道工序中，变形力随工作行程的增加而上升，且在锻件厚度越薄时；变形
力上升越快。
如图2-2所示：
X工作行程（mm）Y工艺力（N）
图2-2变形力
在许多机械中，工艺力随众多因素变化而变化。
因此，在一般机械中，机架的受力分析按额定负载（公称负载）来进行。
额定负载示该机械所允许的最大负荷。
超过此负荷，过负荷保险机构应起作用，以防事故发生。
还应注意，工艺力的作用位置或方式不同，机架的受力情况也会改变。
预紧力对于预紧力机架，一直处于预紧力作用下；因此在受力分析时，除了工作载荷外，还要考虑预紧力。
预紧力与工作载荷不是简单的叠加关系，即在工作载荷（轴向拉力）作用下，预紧力会响应减少。
辅助工艺力这是指在主要工艺完成过程中所需的主要辅助动作产生的力量。
重力指工件和机器部件的重量。
当与工艺力相比；所占比例很小时，往往可以忽略不计。
惯性力机械的运动部分加速或减速时，均会产生相应的惯性力，并作用于机架上。
冲击或振动干扰力外来的撞击，旋转部件的离心力，往复运动的惯性冲击，等都会产生干扰力。
图2-2不同变形力分析
2.3机架的材料及制造方法
机架的材料蜗选择碳素钢，以下就对钢材此材料进行分析尺寸系数是由于实际构件壁疲劳实验用的试件尺寸要大恩多，因而降低了疲劳极限；表面系数数时考虑表面加工质量对疲劳强度的影响；两者均可以在有关机械工程手册中查到，对于钢，β值可参考下表2-3：
表2-3β值
X压力Y钢材的稳定系数
1抛光2磨削3精车4粗车5轧制加工表面6淡水腐蚀表面7海水腐蚀表面
本设备的材料使用的时钢材，钢材的稳定系数为1.5-3.0之间。
所以我在确定机架最大高度时，必须要首先计算出稳定安全数：
查表得立柱稳定系数为η=7.87
立柱稳定安全系数公式η=P0/P>=η0（材料稳定系数）
所以：
η>=η0即7.87>=1.5-3.0
平台临界载荷P0=ηEl/L2=100kg
Fi=Pl3/3EL=42mm
Fd=（1+
）Fi=64mm式（2.1）
平台得最大高度hmax=Pl/W=fd/fi=800mm式（2.2）
2.4割炬
割炬部分由乙炔调节阀，预热氧调节阀，切割氧调节阀，压力开关，夹迟器，管子，火口螺母和割嘴组成。
当氧气和乙炔通过管子来到火口螺母而产生一定的压力当压力一定程度时可调节压力开关释放混合气体，点燃，产生气锋，切割钢板。
基壁、主壁的气割范围：
基壁的使用范围为：
400mm之内可实现360度旋转。
主壁的使用范围为：
300mm之内可以实现360度旋转。
割炬部分的运动：
（1）将220V的电压源插头插入电源插座。
（2）打开电源开关。
（3）本机可作逆向运动切换开关可以改变磁滚轮旋转方向，必须在电动机停止后进行。
（4）打开自动控制阀→打开乙炔阀1/3转→点燃→打开预热氧阀调整火焰，对钢板预热→打开切割氧阀→切割样板钢→根据需要调整速度。
2.5管道的设计
管子：
在液压气阀及润滑油系统的管道中常用的管子有钢管、铜管、胶管、尼龙管和塑料管等，由于本管子的设计不计压力和弯曲情况，按价格来选用铜管。
图2-4管子
1、胶管：
胶管的弯曲半径不宜过小，一般不应小于表2-4
表2-4胶管的内外径
胶管内径
4
6
8
10
13
19
22
胶管外径
13
15
17
19
23
29
32
最小弯曲半径
90
100
110
130
190
260
320
胶管与管接头的联结外应留有一段直的部分，比较长度不应小于管外径的两倍。
2、胶管的长度应考虑到胶管在通入气体后长度方向将发生收束变形，一般收束量为管长的3-4%。
因此胶管安装时应避免处于拉紧状态。
3、胶管在安装时应保证不发生扭转变形，为方便安装可沿官长涂以色纹，以便检查。
4、胶管的管接头轴线，应尽量放置在运动的平面内，避免两端互相运动时胶管受扭。
5、胶管应避免与机械上夹角部分相接触和摩擦，以免管子损坏。
管子内径的计算：
管子的内径D，按流速选取。
d>=1130
mm式（2.3）
式中：
Q-气体流量m3/s式（2.4）
V-流速m/s荐用流速，一般选取V=2-3m/s
d>=1130
>=30mm式（2.5）
金属管子壁厚δ>=pd/2[δ]mm
式中——工作压力MPa
D——管子的内径mm[δ]——许用压力MPa，对于钢管[δ]=δb/s（δ0——抗拉强度MPa，S——安全系数，当P<7MPa时，S=8，当P<=17.5MPa时，S=6，当P>17.5MPa时，S=4。
）
对于铜管[δ]<=25MPa。
由于零件是铜管，所以[δ]选择25MPa。
δ>=Pd/2[δ]mm>=px30/（2x25）>=1.5（P根据压力来选择）式（2.6）
接头螺母的选择
割嘴号
切割氧孔径mm
切割厚度mm
切割速度mm/min
气体压力
氧气
Mpa
乙炔
气体消耗量（参考）
氧气m/h
乙炔l/h
0
0.8
10～20
450～380
0.2～0.3
≧0.3
1.3～1.8
340
1
1
20～30
400～320
0.25～0.35
≧0.3
2.5～3
470
2
1.2
30～50
350～280
0.25～0.35
3～4
470
3
1.4
50～70
300～240
0.3～0.4
4.5～6
650
4
1.6
70～90
260～200
0.3～0.4
≧0.04
5.5～7
650
5
1.8
90～120
210～170
0.4～0.5
8.5～10.5
650
由于接头螺母是表准件；根据螺纹直径d=11.5mm螺母M16*-6HGB3763.83
2.6割嘴的选择
表2-5切割厚度切割速度
表中数据切割条件
1、切割钢材含碳量≤0.45
2、割方式为垂直切割
3、氧气压力是指割炬前的切割氧压力
2.7阀门的选用
阀门是管道系统的重要组成部件，用于启闭，节流和保证设备安全运行。
由于阀门式标准件，只要选用参考机械零件手册选用。
2．7．1阀门的类型
1、闸阀：
闸阀的关闭件主要式闸板；有楔形和平行两种。
2、止阀：
主要作用调节性比较好，流体以阀座下面向上流动，所以安装时应顺介质流阀，不能装反。
3、止向阀：
此阀又称单向阀，主要有旋启式与升降式两种。
4、旋塞阀：
其关闭件为圆锥体塞子，绕阀件中心、旋转来执行开关的任务。
5、球阀：
其关闭件为球体。
6、蝶阀：
碟阀的阀座做在阀体上，圆盘状阀瓣固定在阀杆上，将其旋转90度，即可执行开启关闭的作用。
根据设备的情况，所以选择旋塞阀。
第三章操作方法
机器的效率与经济价值决定于使用过程中对机器的保养，运用与操作等情况，要使机器延长寿命，必须很好地注意机器的保养，也能提高机器的效率，下面详述了操作方法及操作原理，也能是延长机器寿命的唯一方法。
3.1机器组装
（1）将平衡锤的两个平衡棒插入变速箱下部的孔内用螺丝固定住。
（2）在电器箱侧面接上AC220电源。
（3）分别将气体分配器用φ8mm橡胶管接上氧乙炔气体。
（4）把割嘴装到割炬上去时，需根据被切割板的厚度来选用割嘴，需注意要缓慢地拧紧螺帽，使接触部分能很好地贴合。
3.2机座使用方法
为使机器能平衡地固定在切割材料上，在机座的四个角上装有自由活动螺柱，还可利用它使机器在切割板上移动及调整切割位置，这些除了能调节及移动机器外、还可通过调节螺钉使机器得到稳定及保持水平位置。
3.3样板固定方法
方法一：
先在样板中心钻φ10.5mm的孔（适合φ300mm以内工件）后按照下列程序装上样板。
（1）将固定样板用螺钉由样板孔下面插入。
（2）在样板上面放一双垫圈。
（3）把六角螺栓从下部装入带孔的螺柱内。
（4）在六角螺栓上放另一双垫圈，然后再拧紧螺帽。
方法二：
在样板中钻φ31mm的孔（适合φ600mm以内的工作）然后按照下列程序上样板。
（1）将固定样板用螺钉从样板孔下面插入。
（2）将装好样板穿过连接器拧紧螺帽。
3.4型臂的操作方法
型臂的垂直调节手轮是用来调节其上下移动与磁铁滚轮的位置，型臂先后移动手轮，可以使样板在滑尺的刻线范围内（120mm）任意调节，也可作为开始切割时操作用。
调节上下位置时，应先松开型臂上的翼型螺栓，便可调节到要求的位置。
3.5在切割过程中机身上下运动的调节
（1）将机身直接放在切割钢板上进行切割。
（2）切割不同高度材料时与切割小的材料一样，在这种情况下，机身的上下调节可旋转主轴的升降螺母，调节时，把圆棒插入升降螺母外圆的小孔螺母，小量的高度只需调节割炬的齿轮，（调节范围约100毫米）。
因主轮本身能转动，也使机身一起转动，因此可以改变切割位置。
3.6运动部分的操作
（1）机器的运转是由直流伺服电动机利用集成电路改变速度来获得，因此机器的驱动停止及倒转都用控制机板的开关来操作，速度控制箱上的刻度板可以控制机器的速成度。
（2）压力开关的驱动操作压力开关是动力电源开关，当割炬上的阀拧开后便一直可以操作，这阀在结构上与切割氧相连，当切割打开时即自动接通电源便自动开始切割，切割完毕时，切割氧即停止喷射便自动关闭电源。
因而，只有当割炬工作时，才能运行操作。
（3）切割速度的控制，切割速度取决于切割钢板的厚度与割嘴的号码可用磁轮试运行来证实其实际速度，频率愈高，则速度也就愈高。
3.7割炬与割嘴先要掌握割炬阀门的操作法
共同四种阀；乙炔阀、预热用氧气阀、切割用氧气阀及自动控制阀，乙炔与预热阀是用来控制混合气体的预热火焰，预热后，切割氧便喷出运行切割，在切割开始的同时打开自动控制阀，机器开动，磁轮沿着样板运动进行切割、切割完毕关闭切割氧气阀，自动控制阀也自动地停止工作。
此时需注意：
若自动控制阀比切割氧气阀关闭的早，则机器运转仍不会停止工作，因在自动控制阀的橡皮管内有剩余氧气。
在割炬上清理割嘴，用这种切割机的割嘴位置较低，所以清除工作比较困难，但可以在清理时，先松开割炬夹持器上的手柄，使割炬旋转90度，则工作就方便了。
金属样板制造方法割炬的移动与磁铁滚轮的运行是一致的，在制造样板时需注意滚轮的半径，按理割嘴中心线应与滚轮中心线在同一垂直线上，样板的尺寸不等于所要切割工件的尺寸，其关系式如下：
R（滚轮半径）-r（割缝宽度1/2）=二者间误差。
式（3.1）
第四章样板的设计
使用摇臂式仿形气割机切割零件时，必须事先根据被割零件的形状设计样板。
样板可用2～5mm的低碳钢板制成，其形状和被割零件相同，但尺寸不能完全一样，必须根据割件的形状和尺寸进行计算设计。
由于磁头可以沿样板的外轮廓和内轮廓分别切割零件的外形或内形，所以一共有四种切割情况。
根据四种切割情况，可以设计出四种不同的样板。
沿样板的外轮廓切割零件的外形，见图4-4由图可知：
A=B-（d-b）式（4.1）
图4-4沿样板的外轮廓切割零件的外形
-----为样板外轮廓线—为零件外轮廓线
A-样板尺寸B-零件尺寸r-样板圆弧半径R-零件圆弧半径d-磁头直径
1-磁头2-样板3-割嘴4-割件
r=R-（d-b）/2式（4.2）
沿样板的外轮廓切割零件的内形，见图4-5由图可知：
图4-5沿样板的外轮廓切割零件的内形
-----为样板外轮廓线—为零件外轮廓线
A-样板尺寸B-零件尺寸r-样板圆弧半径R-零件圆弧半径d-磁头直径
1-磁头2-样板3-割嘴4-割件
A=B-（d+b）式（4.3）
r=R-（d+b）/2式（4.4）
沿样板的内轮廓切割零件的外形，见图4-6有图可知：
图4-6沿样板的外轮廓切割零件的内形
-----为样板外轮廓线—为零件外轮廓线
A-样板尺寸B-零件尺寸r-样板圆弧半径R-零件圆弧半径d-磁头直径
1-磁头2-样板3-割嘴4-割件
A=B-（d+b）式（4.5）
r=R+（d+b）/2式（4.6）
沿样板的内轮廓切割零件的内形,见图4-7有图可知：
图4-6沿样板的内轮廓切割零件的内形
-----为样板外轮廓线—为零件外轮廓线
A-样板尺寸B-零件尺寸r-样板圆弧半径R-零件圆弧半径d-磁头直径
1-磁头2-样板3-割嘴4-割件
A=B+（d-b）式（4.5）
r=R+（d-b）/2式（4.6）
从上述四种切割情况可以看出，只有沿样板的内轮廓切割零件的外形时，才能切成直角。
由于此时样板圆弧半径r由式（4.6）计算。
当割件要切成直角时，即零件圆弧半径等于零，故式（4.6）则简化为式（4.9）。
而其余情况均不能切成直角，其切割零件的最小圆弧半径也应为二分之一切口宽度。
同样样板内轮廓切割零件直角外形是的示意图见图4.8。
.
图4-8切割零件直角外形
r=（d+b）/2式（4.9）
样板设计计算中的切口宽度值见表4.5。
表4.5机械切割的切口宽度（mm）
钢板厚度
5～25
25～50
50～100
100～200
200～300
切口厚度
2.5～3
3～4
4～5
5～6.5
6.5～8
为了使样板能装于型板架上，在样板上还没有安装孔，其孔的直径大小可根据各种气割机样板固定螺栓直径大小来确定。
致 谢
在校期间，开设有《机械制图》、《机械设计》、《机械制造》等课程，这些课程对我们搞好这次毕业设计有很大的帮助，综合运用好这些课程，加之我们平时的知识积累，老师的极大的帮助和指导及其系领导的支持，为这次课程设计提供了非常有利的保障。
感谢郭老师，他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他不厌其烦的为我们的电子稿一改再改使我深深感受到了郭老师对我们的爱戴。
他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。
感谢同学们对我的支持，从遥远的家来到这个陌生的城市里，是你们和我共同维系着彼此之间兄弟姐妹般的感情，维系着寝室那份家的融洽，是他们给我了信心和力量！
从接受课题到完成课题设计，得到了老师精心的指导和热情的帮助，尤其在课题设计的前期准备和课题过程中，老师提出了许多的宝贵设计意见。
在老师不辞辛苦的帮助下才使得我们的毕业设计能够顺利的完成，在最后的论证修改中老师在百忙之中抽出时间为我们提供必要的帮助，使的我们能顺利的完成这次的设计任务。
通过这次设计使我受益终身，在此老师表示忠心的感谢和崇高的敬意。
这次的毕业设计是大学3年中的最后一个环节，是对3年的学习生活中所学的知识一个汇总和概括，使我们每个人都能了解自己学道了什么，理解多少，会运用多少，还有多少知识不了解，需要进一步了解，加深理解。
更让我体会到老师们的温暖。
在此特地感谢经心培育我们的老师及其领导！
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