船体构件的边缘加工.docx

武汉船舶职业技术学院 船体教研室
船体加工与装配 课程课堂教学设计 编写者：何志标
第 2 次课
授课时间
第 周 周 第 节
课时安排
2
授课题目（教学章、节或主题）
项目六　船体钢料加工
项目6-2 船体构件的边缘加工
教学目的
通过讲解、展示工厂实际生产的图片、讨论分析等手段，学习船体构件边缘加工的主要方法——机械剪切、气割法和物理切割法。
教学知识目标
教学能力目标（包括基本任务、项目、事件）
1、熟悉机械剪切和气割原理、设备、方法。
2、熟悉金属能进行气割的条件。
3、了解数控气割的优点。
4、了解几种高效能的物理切割方法。
5、熟悉用割炬组开坡口的方法。
1、能识别钢机械剪切的设备和使用方法。
2、熟悉手工气割、半自动气割和数控气割的操作方法。
3、能制定用割炬组开坡口的工艺方案。
教学过程设计
复习 5 分钟，授新课 70 分钟，提问 10 分钟，小结和布置作业 5分钟
讨论、思考题、作业
讨论思考题：
1、什么是构件边缘加工？构件边缘加工有哪些常用的工艺方法？
2、金属能进行气割的条件是什么?分析船用钢材的气割性能是否良好。
3、分析数控切割法和等离子切割法在构件加工过程中各自的优越性。
课外作业：习题集第2、3题
参考资料（含参考书、文献等）
《船体修造与工艺》 王鸿斌主编 人民交通出版社
授课类型（请打√）：理论课√ 练习课 讨论课 实验课 实训课 其他
教学方式（请打√）：讲授√ 讨论 指导 其他
教学资源（请打√）：多媒体√ 模型 实物 挂图 音像 其他
填表说明：1. 每项页面大小可自行添减；
2. 教学内容与讨论、思考题、作业部分可合二为一。
项目6-2 船体构件的边缘加工

边缘加工：边缘的切割和开焊接坡口。
边缘加工方法：
Ø 机械切割法：剪切，冲孔，刨边，铣边等。
Ø 化学切割法：气割。
Ø 物理切割法：等离子切割，激光切割。
一、 机械剪切
1、剪切原理
被切割金属受到剪刀给予的超过材料极限强度的机械剪切力的挤压而发生变形并断裂分离。
机械剪切的过程可分为三个连续发生的阶段：
①弹性变形阶段：材料受上、下剪刀作用力，发生弹性变形，应力没有超过屈服极限。
②塑性变形阶段：上、下剪刀继续作用，应力超过屈服极限并继续上升，直到相当于材料抗剪强度的最大值，塑性剪变形从剪刀的刃边开始，变形方向沿着滑移面发生。剪刀挤入被剪金属的深度随着材料性质的不同可达其厚度的20～50％。
③断裂阶段：随着塑性变形的增加，由于剪刃间有一定间隙使金属纤维弯曲拉伸，沿着滑移面的方向逐渐形成裂隙并迅速扩大，直到材料的一部分与另一部分完全脱离，材料即被剪断。

断口变形情况
2、常用的机械剪切加工机床
（1） 斜刃龙门剪床——剪切长直边构件的专用设备

① 工作部分如图所示：
γ＝2°～3°，α＝75°～80°， φ=1.5°～5°
S——刀口间隙
剪刀长度：1.5～8.3m
② 剪刀刀口间隙调整曲线

③ 剪切过程
剪床的下剪刀固定，离合器合上，上剪刀做一次下剪动作。完成一次剪切动作后上剪刀回到原来位置时，离合器自行脱开，工作部分停止运动。这样有充分时间进行下一次剪切的各项准备工作。同时，在上剪刀下剪以前，剪床的压紧装置将板料自动压紧，以免钢板产生移动或翻转。
④ 剪切板厚：最大可达20～50mm。
⑤ 优点：剪切长直线时，可获得比较高的精度；加工效率高；经济。
（2） 压力剪切机——常见的是剪切与冲孔两用的联合机床

① 作用：既可以剪切板材和型材，又可以进行冲孔。
② 剪切刀片有效工作长度：剪切刀片较短，一般在300-600mm范围内。
③ 刀片的有效工作长度一般是250-300mm。
④ 适用情况：适宜于剪切短直线，也可以剪切较长直线及曲度较小的外弯曲线，但剪切的质量不够理想。
⑤ 两种类型：根据剪刀装置的方向，压力剪分纵向和横向两种。横向式压力剪喉深一般为600—1000mm，板材剪切的宽度受到喉深的限制。而纵向式压力剪却无喉深的限制。
（3）圆盘剪切机
① 工作部分如图示：
剪刀由两个轴线平行或倾斜安装的锥形圆盘组成。
剪切时，上刀盘为主动盘，下刀盘为从动盘。

② 适用情况：
对于厚度较小，具有任意曲线边缘的船体构件，可用圆盘剪切机进行剪切。由于这种机床操作复杂，劳动强度大，所以在船体构件的边缘加工中应用较少，主要用于薄板和有色金属构件的曲线边缘切割。
二、 气割
气割：氧—乙炔气割 或 氧—丙烷气割
1、 气割的原理
气割示意图：

气割的实质：金属在氧气中燃烧。
气割的过程：预热→燃烧→去渣。
首先用调节好的预热火焰加热金属，使割缝起点的 温度逐步上升，直到达到被割材料的燃点；然后，放出高压的纯氧气流，使金属燃烧(即剧烈氧化)，并将燃烧生成的熔渣(金属氧化物)迅速吹掉。连续不断地进行上述过程，就能在被割金属上形成一条光洁的割缝从而将材料分离开来。
2、氧炔焰
中性焰：氧气和乙炔完全燃烧，适合作为预热火焰；
氧化焰：氧气燃烧不完全，燃烧温度低，对金属产生氧化作用。
碳化焰：乙炔燃烧不完全，燃烧弯度低，对金属产生渗碳作用。

3、金属能进行气割的条件
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，并且具有良好的流动性。
③金属在氧气中燃烧时应能放出较多的热量。
④金属的导热率不应过高。
⑤金属中不应含有使气割过程恶化的杂质。
4、提高气割速度的主要途径
提高切割速度是船厂气割技术发展的重要方向。
主要途径：
Ø 强化对切口处的预热；
Ø 提高切割氧气流的流速和动量；
Ø 提高并保持切口区内氧气的纯度。
这要求：一方面提高供氧的质量，一方面改进割嘴的结构。国内外都从这几方面出发，研制出一些新型割嘴，如扩散型割嘴和具有氧气屏的割嘴等。
5、船厂常用的气割设备
① 手工气割炬
割嘴的运动轨迹由操作者手工控制。事先应在钢板上经号料画出切割线迹，操作者控制割嘴沿切割线迹运动。切割精度主要取决于操作的平稳程度。
②半自动气割机

组成：切割部分(包括割嘴、气体管路及其调节装置等)、动力部分(行走电动机和减速装置等)、辅助设备(直线轨道和割圆圆规等) 。
切割能力：气割机由电动机驱动，沿直线轨道作匀速直线运动而实现构件直线边缘的切割。割嘴可以处于垂直位置，也可以倾斜一定的角度以便切割出V型或X型坡口。小车的行走速度就是切割速度，能进行无极调速，速度范围为50～50mm／min，切割钢板的厚度为5-60mm，切割圆弧的直径为200～2000mm。
优点：与自动气割机相比，它还具有设备简单、便于移动、容易操作、适应性强、投资少、易于扩大施工面等
③ 门式自动气割机
组成：在两根固定导轨上设置一座坚固的“门”形支架，在支架上装置一套或数套切割装置。
切割过程：
由电动机驱动门式支架以一定的速度沿导轨作直线运动(运动速度等于切割装置的切割速度)，切割装置随门式支架的运动而切出一条或数条精度很高的直线割缝。
切割能力：
一般，每套切割装置上都装有三个割嘴，除切割平直边缘外，尚可一次割出V型、X型、K型、Y型焊接坡口。
优点：
加工精度高、切割速度快；能将边缘切割和开坡口一次完成，以代替原来刨边机的全部工作内容，省去原来剪切和半自动气割中拼板构件的二次加工，缩短船体构件的加工周期，节省大量的劳动工时。
④ 光电跟踪自动气割机
组成：光电跟踪机构，气割执行机构。
工作过程：光电跟踪系统自动跟踪图纸上的线条；气割执行机构按照一定的比例同步地切割出底图(或仿形图)上所绘制的船体构件。
1：1光电跟踪气割机：其跟踪机构可直接跟踪构件底图上的线条，
光电跟线切割机：一种小型自动切割机，它能自动跟踪钢板上的线条进行缓曲线零件的切割。
⑤ 数控自动气割机
组成：
数字控制部分，气割执行部分。
工作原理：
把被切割构件的图形用图形处理语言编成构件程序，经过通用电子计算机进行处理、计算和对数控指令进行编码，得到数控切割程序(简单图形也可以手工编程序)，然后将其录入程序载体(纸带、磁盘等)，再输入到数字控制装置中，以控制气割执行机构进行切割。
切割能力：
Ø 执行部分的机架上安装有一套或数套切割装置。割炬在控制装置的控制下，除了能作平面移动外，还有自动升降和旋转等功能。
Ø 能切割不同厚度和任意形状的构件；
Ø 若切割装置为多割嘴割炬组，则可切割焊接坡口；
Ø 若配置有划线装置，则还能在钢板上划安装线、加工线和各种符号。
数控气割的优点：
Ø 根据CAM提供的资料直接进行切割，可实现放样、切割过程自动化；
Ø 切割精度高，其误差可控制在±0.5mm以下，使用磁盘能长期保存准确的数据；
Ø 切割效率较之光电跟踪气割机高15%以上；
Ø 可省去号料工序，不仅可以节省劳动力，改善劳动条件，还可消除各工序间的积累误差。
应当指出，数控气割机必须和计算机辅助建造系统配套使用，否则不能发挥其优越性。
三、高效能物理切割法
氧炔气割速度较低、切割范围狭窄，研究发展高效能物理切割法以提高切割速度、扩大切割范围。
1、等离子切割
①“等离子体”
处于完全电离状态的气体，不再由原子、分子构成，而是由带电的离子所组成，但其整体却保持着电中性。它具有较强的导电能力，能受电场和磁场的作用。
② 等离子切割原理
使用一定的装置，可获得流速300～1500m/s、温度15000～33000℃的高速高温等离子弧及其焰流，利用它可把割缝处的金属熔化和蒸发并吹离基体，随着割嘴的移动而形成割缝。
③ 等离子发生装置

图a）是一种典型的等离子切割装置。
电弧通过喷嘴孔道在钨极和被切金属之间燃烧；
冷却气体使弧柱产生热收缩效应；
弧柱电流的固有磁场产生磁收缩效应；
两种收缩效应与等离子体内部的热扩散作用达到平衡时，离子体以相当高的流速和温度从喷嘴孔中喷出；
高温高速的离子喷射到被切构件上，遇冷便立即复合成原子或分子，并放出能量，使割缝处的温度迅速升高而熔化，同时，将被溶化的金属冲走。
图b)水射流等离子切割装置
在割嘴上的弧柱出口处增加了一圈水射流孔，水射流从四周冷却电弧，弧柱被进一步收缩，电弧的能量密度更集中，从而进一步提高切割速度。
④ 等离子切割的优点
Ø 热变形较小；
Ø 切割速度快(是氧乙炔切割的3～6倍)；
Ø 切割质量好；
Ø 能切割的材料多（铜、铝、不锈钢和各种高温难熔金属）；
Ø 切割成本低。
将等离子切割设备装到普通数控切割机上能提高数控切割效率。

2、激光切割

① 原理
Ø 激光器发出水平激光束经过45°全反射以及聚焦形成极小的光斑；
Ø 被切割材料受激光光斑的照射产生局部高温(高达10000℃以上)使材料瞬时熔化或气化；
Ø 一定压力的辅助气体将割缝处的熔渣吹除；
Ø 随着割嘴的移动，在材料上形成割缝，从而使材料被切开。
② 优点
Ø 速度快，割缝窄(约0.2～0.3mm)，热影响区小(宽度约0.1mm)；
Ø 割缝边缘垂直度好、光洁度高。
Ø 应用范围很广（可切割各种高熔点材料、耐热合金等特种金属材料，硅、锗等半导体材料和塑料、橡胶、石英、陶瓷、玻璃等非金属材料）。
Ø 尤其适合薄板的切割。
数控激光切割机以其高效率、高质量、高精度的特点，逐渐被国内厂家所认识。但由于其一次性投资太高，尚阻碍着国内船厂应用激光切割工艺的进程。
四、气割法加工各种焊接坡口
利用割炬组可以在构件边缘切割的同时加工所要求的焊接坡口。

1、开V型坡口（用二个割炬）

方案Ⅰ：所开坡口在板材的正面
Ø 割炬1：在前，垂直，进行直角切断；
Ø 割炬2：在后，与加工表面成一倾斜角，割出所需坡口；
Ø 间距a：依板厚不同而变，不使熔渣粘着板边的反面。
Ø 间距b：取决于板的厚度、坡口角度和钝边的大小。
方案Ⅱ：所开坡口在板材的反面
Ø 割炬布置与方案I基本相同；
Ø b值比方案I小得多。
方案Ⅱ和方案I比较
Ø 切除金属的体积相同，
Ø 方案Ⅱ的切割速度稍高(因为间距b减小了，倾斜割炬的预热比方案I好)，熔渣相应地减少，而且容易从板边清除。
Ø 方案Ⅱ的缺点是切割的板厚大于40mm时，其精度下降。割炬2倾斜度稍有误差即会导致背面坡口角产生较大的误差。
2、开X型和K型坡口（用三个割炬）

用三个割炬切割双面焊接坡口

割炬2在切割过程中倾斜图解
3、气割法加工焊接坡口的优点
切割和开坡口一次完成，既简化了船体构件的加工过程，又提高了工效。
这种割炬组可直接安装在半自动气割机、高精度门式切割机、光电跟踪气割机和数控气割机等自动、半自动气割设备上。