大型坡口机夹紧装置设计.docx
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大型坡口机夹紧装置设计
摘要
目前，国内尚无大型节筒坡口加工设备，传统的坡口加工机械设备存在生产效率低下、成本高、难以保证加工精度的缺点，不能满足超大型节筒坡口的加工需要。
由于大型节筒坡口加工设备的使用范围受到时间和空间上的限制，通用性差、利用率低、一次性投资成本高，若单纯走引进之路，则受政治、经济、技术等诸多因素限制，且势必延长产品的生产周期，不能满足国防建设之所需，产品的质量安全也无从保证。
因此，为了适应国防建设的发展和提高国防工业的水平，需要走自主创新的道路，研制一种具有自主知识产权、效率高、经济实用的大型节筒坡口加工专用设备，以提升我国潜艇的生命力、可靠性和整体性能。
本文重点对坡口加工机床的夹紧装置、径向进给、纵向升降和切割角度调整等重要部件的设计，根据设计和使用的要求，对夹紧装置的静态刚度和强度、节筒受力变形和其加工误差进行分析。
关键词：
坡口；等离子束；数控；机床
Abstract
Atpresent,thereisn’tlargeshell-ringgrooveprocessingequipmentindomesticandthetraditionalgrooveprocessingmachineequipmenthasalotofshortcoming,whichincludeslowproductivity,highcost,andinaccuracysoitdoesn’tmeettheprocessingneedsofthelargeshell-ringgrooveprocessing.Becausethereisthetimeandspaceofapplicationrangeoflargeshell-ringgrooveprocessingequipmentarelimitedandpooruniversality,poorefficiency,hightheonceonlyinvestmentcost.Ifweonlymakeintroduction,thereislotsoflimitedfactorssuchastheaspectsofpolitics,economicandtechnologyetc,whichwillleadtoextendproductionperiod,andcan’tmeettheneedsofnationaldefense,andcan’tguaranteethesafetyofproductionquality.Therefore,inordertoadapttothedevelopmentofnationalconstructionandincreasethelevelofnationaldefenseindustry,weshouldbeself-relianceandinnovation,anddeveloplargeshell-ringgroovespecialequipmentthathasinitiativeintellectualproperty,highefficiencyandeconomicpracticalforincreasingthevitality,reliabilityandwholefunctionofourcountry’ssubmarine.
Thedesignfocusonclampdevice,crossfeeddevice,longitudinalliftdeviceandcuttingangleadjustingdevice,basedontherequireofdesignanduse,aimedatstaticstiffnessandintensity,shellstresstransformsanditsprocessingerroranalysis.
Keywords:
groove;Plasma;numericalcontrol;machinery
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第1章绪论
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1.1课题背景
由于现代海域战争日益呈现多层次空间、大立体纵深的特点，所以研制潜艇是国防建设的需要，是提高国防工业快速反应能力的需要，其主要目的是保持威慑力量，应对随时可能出现的地区热点。
反潜导弹、深水炸弹等精确制导武器的出现以及先进传感系统的不断更新发展，对潜艇的生命力构成了极大的威胁。
与此同时，世界各国研制的潜艇也在向深、快、静的方向发展，力图通过占领海洋的“内层空间”，应对外界的潜在威胁。
因而，潜深也就成为潜艇隐身性的一个重要指标。
根据国外资料，大深度潜艇一般系指最大下潜深度超过500m或在500m附近的作战潜艇。
在这种深度下，潜艇不仅要承受巨大的海水压力，还要克服前进过程中的阻力。
因此，对于潜艇节筒的加工，采用传统的设计思想和方法已不能适应大深度潜艇发展的需要。
潜艇是特殊的制造业，既不同于一般机械制造，也有别于水面舰艇的加工，其设计既要考虑潜艇平台的性能，也要考虑潜艇作战系统、防御能力和可用性等因素。
因此，现代潜艇的设计已成为一项综合的系统工程，制造潜艇所选用的诸多装置都有其独特的要求和特点，这也是有别于其他制造业的重要特点：
如肋骨的弯制和热处理、高屈强比厚板材料的校平、壳板的弯制与校正、壳圈和肋骨的焊接坡口仿形加工、特殊曲面的开孔、上千吨大型立体分段合拢与对中等。
因此，不但要有严谨的制作工艺，还需要先进的工艺设备。
潜艇的壳体是设计与加工是潜艇制造的重要组成部分，对于大潜深潜艇，为了满足重量与排水量之比的设计指标，减少大厚度钢板带来的潜艇重量增加所产生的矛盾，势必采用高屈强比材料制造大型薄壁节筒。
将这些大型薄壁节筒，通过大合拢技术便构成潜艇的耐压壳体。
由于潜艇壳体尺寸庞大，在生产规模上属于小批量生产，所以其加工设备通用性较差。
因此，在确保产品性能和质量的前提下，最大限度地缩短研制和生产周期，降低生产成本和提高经济效益，潜艇除了要设计合理的结构外，高精度制造技术也是制造潜艇的重要支承。
考虑潜艇制造业的特点和大型薄壁节筒加工过程中的特殊性，为了满足国防建设和促进国防工业的发展，亟需设计和制造一种精度高、成本低且便于坡口加工的数控专用设备。
1.2切割技术的现状、应用形式及技术经济性
近年来，国内外切割技术取得了突破性进展，从单一的氧乙炔火焰气切割发展成为新型工业燃气火焰切割、等离子弧切割、激光切割、水射流切割等多能源，多种工艺方法在内的现代化切割技术，与此同时又将现代化控制技术与切割技术相结合，研究开发出新一代的全自动切割设备。
1.2.1技术发展现状
1.氧-乙炔/新型燃气火焰切割自1985年法国人LeChatelier发明氧-乙炔火焰，到1900年Fouch和Picart制造出第一把氧-乙炔切割炬，氧-乙炔火焰切割作为最古老的热切割技术至今仍是机械制造行业中的一种加工方法。
由于乙炔生产的原料为电石，生产过程中会排出大量电石渣（1t电石生成3.3t电石渣）及HS、SO等有毒有害气体，严重污染环境，在制取溶解乙炔气时又消耗大量重要化工原料丙酮，增加了生产成本。
因此，近20年来国内外有关研究机构及企业相继投入大量资金，用于开发研究成本低、安全、低污染的新型燃气。
目前国内已经自主开发和引进了多种新型工业燃气代替乙炔用于工业火焰加工。
手工割炬切割厚度可达到350mm，机用割炬切割厚度可达到1800mm。
2.等离子弧切割等离子弧切割是上世纪80年代中期发展起来的一种加工方法，当时主要是为解决不锈钢和有色金属的切割，先后开发了氩、氢、氮、氧及压缩空气等多种气体，一般等离子弧切割及水再压缩等离子切割等多种工艺方法，以适应不同的需求。
普通等离子电源输出电流为20~200A，切割厚度为30mm以下；精细等离子电源输出电流最高可达100A，切割厚度为12mm以下，其中精细等离子割缝宽为0.65mm~0.75mm，与数控切割机配合可以达到±0.2mm的切割精度；水再压缩等离子电源输出电流可达1000A，切割厚度可达到130mm。
目前，等离子弧切割机的割炬正朝着割缝精度接近激光精度的方向发展；小功率切割电源向逆变方向发展，以提高电源效率及电弧的收缩性；大功率切割电源向闸管方向发展，并采用一定的补偿措施以提高效率，从而提高切割速度，改善切割质量。
近年来，随着等离子弧技术的发展，切割20mm以下的碳钢和低合金钢，因其切割速度快，综合效益好，在工程机械制造业的应用有增长趋势。
3.激光切割激光切割的工业应用始于上世纪70年代初期。
由于其切割尺寸质量好、速度快、精度高、效率高等优点，在多种行业得到广泛应用。
随着激光器件功率等级、稳定性及可靠性的提高和加工技术的进步，其应用领域逐步扩大到各种金属和非金属板材的切割。
据2002年的统计表明：
在世界激光工业应用范围内，激光切割所占的比例最大，约24%。
4.水射流切割谁射流作为工业产品的精密加工手段，其特点是没有或很少有热量释放，无热变形，无气体或蒸汽排出。
该项切割技术的研究是从20世纪60年代开始的。
国外经过20多年的研究和开发，制造出第一台高压水射流切割设备，使之能切割各种金属和陶瓷等材料。
我国于20世纪90年代开发研制出国产化的高压加磨料型水射流切割设备用于生产。
目前大部分水射流切割设备只要应用于非金属板材的切割。
1.2.2应用形式
无论哪种切割技术，均有不同的应用形式，火焰、等离子、激光均有小型切割机械产品和数控坐标式切割机械产品。
其中，火焰切割的小型切割机械最多，从通用的半自动气割机、仿形气割机、光电跟踪气割机到专用的型钢气割机、马鞍形气割机约20多种类型，价格适宜，大、中、小型企业均有条件配备，完全可以适合切割人员各种条件下切割生产。
另外，还在小型切割机基础上加以改进，以完成U、V、Y、K型坡口及球瓣坡口切割和相贯线切割等工艺要求。
坐标式数控切割机是我国切割行业发展最快的现代化切割设备之一，坐标式数控切割机以其良好的人机对话操作界面及强大的辅助支持功能，并配有自动编程、套料等软件系统的支持，使数控切割机在生产中发挥了重要作用，并以成为我国生产制造企业切割加工的首选。
1.2.3技术经济性比较
目前，热切割在工程机械行业应用广泛，而火焰、等离子、激光三种切割技术均属于热切割，其技术经济性如下：
火焰切割变形大、切割速度较慢、切割前需要预热，花费时间长，也采用多割炬同时切割，但易耗零件的使用寿命。
等离子切割虽可切割一切已知金属板材和许多非金属材料，最高切割速度可达10m/min，是火焰切割的10倍，但其切口宽度较大，除薄板外，切割面易“塌边”，对中厚度板能够经济地进行切割。
激光切割机价格虽然昂贵，但对薄板及中厚度板可实现高速度、高精度切割，同时能够实现无人化操作。
1.3本文研究的主要内容
在切割技术形形色色的今天，工程机械制造业的切割设备也将不在“一支独秀”。
近年来，已经形成小型切割设备与门架式数控切割设备兼备，火焰切割技术与等离子、激光切割技术兼容的格局。
1.3.1设备注意事项
从重型厂的切割技术的应用情况可看出，工程机械在选用切割技术、切割设备时应注意以下几个方面：
1.需明确加工对象。
比如：
切割材料、厚度、工件的工艺特殊性等，另外还需要了解公司对所选用设备的效率要求；
2.需了解国内外的切割技术发展情况、成熟程度，了解各种切割技术的优缺点，分析综合效益；
3.选定切割技术，提出特殊要求；
4.在先进切割技术推广应用的同时应做到环保、安全、节能、节材等，加大相关新技术、新工艺的推广应用。
焊接接头的坡口加工包括焊前成型加工及焊缝根部的碳弧气刨清理焊根部等。
对焊件的坡口进行边缘加工，常采用气焊、砂轮打磨以及刨削、铣削等机械加工方法。
可利用改变割醉的倾斜角度来气割加工焊接坡口，一般多采用半自动化气割机。
坡口机械加工多采用刨边机或铣边机，能加工形状复杂的坡口，以获得较好的质量。
圆形结构的端面加工在立式车床或卧式机床上进行。
对接头双面焊接时，为保证焊缝质量，特别是根部熔透，需对根部进行清理，以清除焊缝根部的夹杂，裂缝等缺陷。
清理焊根可采用砂轮打磨的方法，但目前应用较多的是采用碳弧刨清理根部，特别是在返修有焊接缺陷的焊缝时采用碳弧气刨容易发现焊根部各种细小的缺陷。
1.3.2工作内容
大型薄壁节筒端面坡口，由于材料硬度大、节筒尺寸大，导致加工定位和操作困难，不仅难于加工，而且节筒壁薄容易变形。
针对这种情况，开发了一种面向大型节筒端面坡口加工的新型专用机床。
该机床适用节筒直径在2400～2800mm、节筒高度在600～3000mm、加工坡口角度在20°～60°壁厚60mm的薄壁节筒加工。
该研究主要完成以下几方面工作：
1.通过调研并查阅大量的研究资料，深入了解目前大型节筒坡口加工机床的现状和发展趋势，结合当前较为成熟的坡口加工机床和坡口加工方法，给出大型节筒坡口加工机床的总体设计方案。
2.对大型节筒坡口加工机械系统各组成部分的机械结构进行设计，完成主要零部件的分析和选择。
重点对坡口加工机床的径向进给、纵向提升和切割角度调整等重要部件进行设计。
3.根据设计和使用要求，采用有限元分析软件对夹紧装置的静态刚度和强度、节筒受力变形及其加工误差进行仿真和分析。
第2章机床总体设计
2.1坡口加工工艺
坡口加工方法有两种方法，一种是切削、剪切、磨削等机械加工方法；另一种是气割、等离子切割、碳弧气刨等热切割方法。
常用材料最佳坡口加工方法的选择见表2–1。
表2–1 坡口加工方法比较
材料
厚度/mm
氧气切割
等离子切割
碳弧气刨
冲剪
切削
磨削
碳钢
3～20
○
□
□
☆
☆
○
20～50
☆
□
○
□
○
□
＞50
○
—
□
□
□
□
不锈钢
＜3
—
—
—
☆
☆
○
3～20
—
□
□
□
○
○
20～50
—
□
□
□
□
□
复合板
3～20
—
—
—
☆
☆
○
20～50
□
—
—
□
○
□
＞50
○
—
—
□
○
□
钛及钛合金
＜3
—
—
—
☆
□
☆
3～20
—
—
—
○
○
□
＞20
—
—
—
□
○
□
铜及铜合金
3～20
—
—
□
☆
☆
□
20～50
—
□
□
□
○
□
＞50
—
—
—
□
—
□
注：
☆——最佳；○——良好；□——可能。
表2–1尚不能形象地、全面地反映现有坡口加工方法的适应性，因此，有必要对各种加工方法的特点加以详细比较，以选择适合于超大型节筒坡口加工的工艺方案。
2.1.1机械加工方法
1．切削用切削加工坡口的方法有刨、铣两种，尺寸精度和坡口面的表面粗糙度都很高，没有热影响区。
用切削加工坡口的缺点是：
加工面与刃口的冷却及润滑都必须用润滑油，坡口面的润滑油如果清除不干净，焊接时往往造成气孔、裂纹、氢脆等缺陷。
2．剪切剪切加工面根据加工时的应力状态分为喇叭口、剪切面、断裂面、飞边四个部分。
各部分对于板厚的关系一般是：
上刃和下刃间隙大，喇叭口和飞边相对较大，导致剪切面变小。
因此，采用剪切加工的坡口面由于有喇叭口和飞边部分，坡口面、钝边都不易整齐，一般经剪切后需进行切削加工。
3．磨削磨削加工坡口，几乎都是用手提砂轮机加工。
现有磨削工具小型轻便，使用方便，但工作效率低，不够安全，且卫生条件差。
这种加工方法基本是凭借操作者的经验和直觉，要保证坡口精度是困难的。
但是，风动砂轮、电动砂轮总成本低，用途广泛，对于厚度小于8mm的部件，多采用磨削方法加工坡口，该方法更适于现场修磨。
使用该方法时，要注意选取适合的砂轮，特别是对于超低不锈钢及有色金属，砂轮的砂粒会污染工件，从而造成脆化。
2.1.2热切削方法
1．氧气切割该方法在热切割坡口中最常采用。
氧气切割与机械加工切割相比，具有设备简单、投资费用少、操作方便且灵活性好的一系列特点，对于各种含曲线形状的零件和大厚工件，切割质量良好。
因此，一直作为工业生产中切割碳钢和低合金钢的基本方法，而被普遍采用。
氧气切割时在正确掌握切割参数和操作技术的条件下，气割坡口的质量良好，可直接用于装配和焊接。
用于焊接的主要坡口形式有I、V、Y、X、U形等。
对横截面是直线形的I、V、Y、X形坡口，可采用单割具或2～3把割具同时加工。
对V形坡口可用3把割具一次加工成型，不仅可以限制多余的热量输入，而且能够保持在板材宽度方向中心部切割。
这样，相对于切割方向左右对称加热，可保持部件的尺寸精度。
但是，对于左右非对称切割时，必须考虑由于弯曲和热变形所造成的尺寸偏差允许值。
U形坡口用气割工艺加工比机械加工方法效率高、周期短，且不需要投资高的机床设备。
U形坡口（在板边加工时实际是J形）的下部有圆弧段，气割时铁的氧化反应不能像一般气割时那样一直垂直向下，当达到一定程度后转向侧面方向。
为此需采用多割具同时加工，一边使工件沿板厚度方向形成温度梯度，一边通过调节切割氧压力割出圆弧段。
现在国内已生产出配有3割具的U形坡口半自动气割机，可以切割60mm以下钢板的U形坡口。
另外，U形坡口也可用普通割具与碳弧气刨组合等方法加工。
由于切割面上产生的气割凹痕多是造成未焊透和熔合不良的主要原因，所以在焊前必须对凹痕进行修补。
对焊缝质量要求高的情况下，必须去除坡口面的氧化皮。
2．等离子切割等离子加工又称等离子弧加工，是利用电弧放电使气体电离成过热的等离子气体流束，靠局部熔化及气化来去除材料。
等离子弧不但具有温度高、能量密度大的优点，而且焰流可以控制。
适当的调节功率大小、气体类型、气体流量、进给速度和火焰角度以及喷射距离等，便可利用一个电极加工不同的厚度和多种材料。
等离子加工已广泛用于切割。
各种金属材料，特别是不锈钢、铜、铝的成型切割，已获得重要的工业应用。
它可以快速而较整齐地切割软钢、合金钢、钛、铸铁、钨、钼等。
切割不锈钢、铝及其合金的厚度一般为3～100mm。
等离子切割的速度是很高的，成型切割厚度为25mm的铝板时的切割速度为760mm/min，而厚度为6.4mm钢板的切割速度为4060mm/min，采用水喷时可增加碳钢的切割速度，对厚度为5mm的钢板，切割速度为6100mm/min。
切边的斜度一般为2°～7°，当仔细控制工艺参数时，斜度可保持在1°～2°。
对厚度小于25mm的金属，切缝宽度通常为2.5～5.0mm；厚度达150mm的金属，切缝宽度为1020mm。
加工后的表面粗糙度Ra通常为1.6～3.2μm，热影响层分布的深度为1～5mm，决定于工件的热学性质、加工速度、切割深度以及所采用的加工参数。
3．碳弧气刨采用碳弧气刨可加工坡口，但是刨削面精度不高，而且噪声大，污染严重。
碳弧气刨另一个主要用途是去除有缺陷的焊缝，用于焊缝返修。
上述比较体现了各种加工方法的优缺点，而且，在已有研究中，许多学者针对等离子切割的相关参数对切割坡口的影响均作了比较详细的论述，文中不再赘述。
在综合考虑成本、加工质量和加工效率的基础上，该设计选取切割速度快、切缝窄、切口光洁、体积小、重量轻、高速节能的LGK系列空气等离子切割机，既能够保证加工速度，又能够达到加工表面粗糙度要求。
此外，根据内外割具角度调整装置，即由刻盘角度调整机构调整等离子切割头的倾斜角度，可以实现不同角度坡口的加工，适用于加工技术所要求的坡口角度切割范围。
2.2机床总体设计的基本要求
评价机床性能的优劣，主要是根据技术经济指标来判断，需要若干科学、简明、实用的评价指标，可归纳为如下几个方面的基本要求。
1．工艺范围机床的工艺范围包含机床可以完成的工序种类，加工零件的类型、材料和尺寸范围，机床的生产率和加工零件的单件成本，毛坯的种类，适用的生产规模，加工精度和表面粗糙度等几方面内容。
一台通用机床可以完成一定尺寸的各种工件的多种工序加工，以适应不同工序的需要，所以加工的工艺范围应该宽广一些。
而专用机床只能完成一种或几种工件的特定工序，是为某一特定工艺要求服务。
因此，合理地缩小机床工艺范围以简化机床结构、提高效率、保证质量、降低成本是设计该类机床的基本原则。
2．生产率和自动化程度要提高机床的生产率，应缩短工作时间，其中包括切削加工时间、辅助时间以及准备与结束时间。
为了缩短切削加工时间，可以采用先进刀具，提高切削速度、进给速度，加大切削深度等方法。
另外，还需要注意缩短辅助时间。
提高机床的自动化程度，可以减轻工人的劳动强度，更好地保证加工精度及稳定性。
3．加工精度和表面粗糙度影响机床加工精度的主要因素是机床的精度和静刚度。
机床的精度包括几何精度、传动精度、运动精度和定位精度。
为了保证机床的加工精度，要求机床要具有相当的刚度，此外，机床的热变形也会影响加工精度。
机床加工工件表面粗糙度与工件和刀具的材料、进给量、刀具几何开关和切削时的振动有关。
机床的动态精度是指机床在重力、夹紧力、切削力、各种激振力和温升的作用下主要零部件的形位精度。
4．可靠性机床的可靠性是指其在额定寿命内，在特定工作条件下，在规定时间内出现故障的几率。
这是一项重要的技术经济指标。
随着自动化水平的不断提高，需要许多机床、仪表、控制系统和辅助装置协同工作。
因此，纳入自动线和局部自动化生产中的机床，对可靠性有更高的要求。
5．机床的效率和寿命机床的效率是指切削消耗的有效功率与电动机输出功率之比，两者的差值就是损失，主要是摩擦损失。
而且，摩擦功转化为热量，将引起机床的热变形，又对机床的运行带来不良后果。
机床的寿命是指机床保持其应具有的加工精度的时间。
在寿命期内，正常工作条件下，机床不应丧失设计时所规定的精度性能。
对于中、小型通用机床，其寿命为8a左右；对于专用机床要求短些，它将随着所加工产品的更新而废弃；对于大型精密级、高精度级机床则要求更长的寿命。
6．“四化”程度“四化”是指机床品种系列化、零部件通用化、零件标准化以及机床模块化。
系列化包括机床参数标准的判定、型谱的编制和产品的系列设计。
零部件通用化是指不同型号的机床采用相同的零部件。
标准件是由国家或行业标准化的零件，零件标准化程度高，可以获得明显的经济效益，使成本下降1/4～1/3。
现代机床模块化设计是根据广大用户提出的功能要求，设计出一系列具有不同结构和用途，而功能相同并可互换的功能模块和一些专用部件的设计法。
通过模块的不同组合即可组装成满足客户要求的机床、专用机床、柔性加工单元等，这种设计方法可提高机床设计工作效率和适应性。
7．造型与色彩机床造型是根据机床功能和特点，要简洁明快，美观大方，使用舒适方便。
主要有曲线型、方型和梯型三种，目前趋向以方型和梯型相结合。
机床色彩的设计应有利于产品功能的发挥，符合时代特点，满足使用对象、环境的审美要求，色彩设计应充分表达产品功能特征并与使用环境相协调。
2.3总体
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