大型坡口機夾緊裝置設計設計

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1、 黑龍江科技學院畢業(yè)設計（論文） 摘 要 目前，國內尚無大型節(jié)筒坡口加工設備，傳統的坡口加工機械設備存在生產效率低下、成本高、難以保證加工精度的缺點，不能滿足超大型節(jié)筒坡口的加工需要。由于大型節(jié)筒坡口加工設備的使用范圍受到時間和空間上的限制，通用性差、利用率低、一次性投資成本高，若單純走引進之路，則受政治、經濟、技術等諸多因素限制，且勢必延長產品的生產周期，不能滿足國防建設之所需，產品的質量安全也無從保證。因此，為了適應國防建設的發(fā)展和提高國防工業(yè)的水平，需要走自主創(chuàng)新的道路，研制一種具有自主知識產權、效率高、經濟實用的大型節(jié)筒坡口加工專用設備，以提升我國潛艇的生命力、可靠性和整體性

2、能。 本文重點對坡口加工機床的夾緊裝置、徑向進給、縱向升降和切割角度調整等重要部件的設計，根據設計和使用的要求，對夾緊裝置的靜態(tài)剛度和強度、節(jié)筒受力變形和其加工誤差進行分析。 關鍵詞：坡口；等離子束；數控；機床 Abstract At present, there isn’t large shell-ring groove processing e

3、quipment in domestic and the traditional groove processing machine equipment has a lot of shortcoming, which includes low productivity, high cost, and inaccuracy so it doesn’t meet the processing needs of the large shell-ring groove processing. Because there is the time and space of application rang

4、e of large shell-ring groove processing equipment are limited and poor universality, poor efficiency, high the once only investment cost. If we only make introduction, there is lots of limited factors such as the aspects of politics, economic and technology etc, which will lead to extend production

5、period, and can’t meet the needs of national defense, and can’t guarantee the safety of production quality. Therefore, in order to adapt to the development of national construction and increase the level of national defense industry, we should be self-reliance and innovation, and develop large shell

6、-ring groove special equipment that has initiative intellectual property, high efficiency and economic practical for increasing the vitality, reliability and whole function of our country’s submarine. The design focus on clamp device, cross feed device, longitudinal lift device and cutting angle ad

7、justing device, based on the require of design and use, aimed at static stiffness and intensity, shell stress transforms and its processing erroranalysis. Key words: groove; Plasma; numerical control; machinery 不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印 - II - 目 錄 摘 要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1 課題背景 1 1.2

8、 切割技術的現狀、應用形式及技術經濟性 2 1.3 本文研究的主要內容 4 1.3.1 設備注意事項 4 1.3.2 工作內容 5 第2章 機床總體設計 6 2.1 坡口加工工藝 6 2.1.1 機械加工方法 7 2.1.2 熱切削方法 7 2.2 機床總體設計的基本要求 9 2.3 總體結構布局 11 2.3.1 總體結構布局原則 11 2.3.2 配置形式的選擇 11 2.3.3 方案選擇 12 2.4 機床工作原理 13 第3章 機床各個裝置和機構的結構設計 17 3.1 工件定位夾緊裝置結構設計 17 3.2 割炬橫向進

9、給裝置結構設計 17 3.3 割炬縱向升降裝置結構設計 19 3.4 液壓動力系統結構設計 21 3.5 回轉支架和底座結構設計 22 3.6 坡口割炬角度及靠背輪調整裝置結構設計 23 第4章 機床夾緊裝置的計算與分析 24 4.1 定位夾緊裝置桿類構件的受力計算與穩(wěn)定性分析 24 4.2 液壓缸體壓強 27 4.3 中央立柱的強度分析 28 4.4節(jié)筒加工誤差分析 29 4.5相關關鍵外購件的選取 30 結論 31 致謝 32 參考文獻 33 附錄 34

10、 CATALOG Abstract I Abstract II First chapter Introduction 1 1.1 Project background 1 1.2 Cutting technology present situation, application and technical economy 2 1.3 The main contents of this paper 4 1.3.1 Equipment characteristics 4 1.3.2 Job content 5 The second chapter Mac

11、hine tool design 6 2.1 Groove machining technology 6 2.1.1 Mechanical processing method 7 2.1.2 Thermal cutting method 7 2.2 The basic requirements of the machine tool design 9 2.3 Overall layout 11 2.3.1 Overall layout principles 11 2.3.2 Configuration option 11 2.3.3 Scheme selecti

12、on 12 2.4 Machine working principle 13 The third chapter Each device and machine tool structure 17 3.1 orkpiece locating and clamping device structure design 17 3.2 Torch transverse feeding device structure design 17 3.3 Torch longitudinal lifting device structure design 19 3.4 Hydraulic

13、 power system structure design 21 3.5 Rotary bracket and the pedestal structure design 22 3.6 Groove cutting angle and the backrest wheel adjusting device structure design 23 The fourth chapter Calculation and analysis of machine tool clamping device 24 4.1 Positioning and clamping device of

14、bar components stress calculation and stability analysis 24 4.2 Hydraulic cylinder pressure 27 4.3 The central pillar of strength analysis 28 4.4 Cylinder machining error analysis 29 4.5 Related key parts selection 30 Conclusion 31 Thank 32 Reference 33 Appendix 34 千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會

15、被打印。在目錄上點右鍵“更新域”，然后“更新整個目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行 黑龍江科技學院畢業(yè)設計（論文） 第1章 緒論 千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。在目錄上點右鍵“更新域”，然后“更新整個目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行 - 1 - 1.1 課題背景 由于現代海域戰(zhàn)爭日益呈現多層次空間、大立體縱深的特點，所以研制潛艇是國防建設的需要，是提高國防工業(yè)快速反應能力的需要，其主要目的是保持威懾力量，應對隨時可能出現的地區(qū)熱點。反潛導彈、深水炸彈等精確制導武器的出現以及先進傳感系統的不斷更新發(fā)

16、展，對潛艇的生命力構成了極大的威脅。與此同時，世界各國研制的潛艇也在向深、快、靜的方向發(fā)展，力圖通過占領海洋的“內層空間”，應對外界的潛在威脅。因而，潛深也就成為潛艇隱身性的一個重要指標。根據國外資料，大深度潛艇一般系指最大下潛深度超過500 m或在500 m附近的作戰(zhàn)潛艇。在這種深度下，潛艇不僅要承受巨大的海水壓力，還要克服前進過程中的阻力。因此，對于潛艇節(jié)筒的加工，采用傳統的設計思想和方法已不能適應大深度潛艇發(fā)展的需要。 潛艇是特殊的制造業(yè)，既不同于一般機械制造，也有別于水面艦艇的加工，其設計既要考慮潛艇平臺的性能，也要考慮潛艇作戰(zhàn)系統、防御能力和可用性等因素。因此，現代潛艇的設計已成為

17、一項綜合的系統工程，制造潛艇所選用的諸多裝置都有其獨特的要求和特點，這也是有別于其他制造業(yè)的重要特點：如肋骨的彎制和熱處理、高屈強比厚板材料的校平、殼板的彎制與校正、殼圈和肋骨的焊接坡口仿形加工、特殊曲面的開孔、上千噸大型立體分段合攏與對中等。因此，不但要有嚴謹的制作工藝，還需要先進的工藝設備。 潛艇的殼體是設計與加工是潛艇制造的重要組成部分，對于大潛深潛艇，為了滿足重量與排水量之比的設計指標，減少大厚度鋼板帶來的潛艇重量增加所產生的矛盾，勢必采用高屈強比材料制造大型薄壁節(jié)筒。將這些大型薄壁節(jié)筒，通過大合攏技術便構成潛艇的耐壓殼體。由于潛艇殼體尺寸龐大，在生產規(guī)模上屬于小批量生產，所以其加工

18、設備通用性較差。因此，在確保產品性能和質量的前提下，最大限度地縮短研制和生產周期，降低生產成本和提高經濟效益，潛艇除了要設計合理的結構外，高精度制造技術也是制造潛艇的重要支承。 考慮潛艇制造業(yè)的特點和大型薄壁節(jié)筒加工過程中的特殊性，為了滿足國防建設和促進國防工業(yè)的發(fā)展，亟需設計和制造一種精度高、成本低且便于坡口加工的數控專用設備。 1.2切割技術的現狀、應用形式及技術經濟性 近年來，國內外切割技術取得了突破性進展，從單一的氧乙炔火焰氣切割發(fā)展成為新型工業(yè)燃氣火焰切割、等離子弧切割、激光切割、水射流切割等多能源，多種工藝方法在內的現代化切割技術，與此同時又將現代化控制技術與切割技術相結合，

19、研究開發(fā)出新一代的全自動切割設備。 1.2.1 技術發(fā)展現狀 1.氧-乙炔/新型燃氣火焰切割 自1985年法國人LeChatelier發(fā)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-乙炔火焰切割作為最古老的熱切割技術至今仍是機械制造行業(yè)中的一種加工方法。由于乙炔生產的原料為電石，生產過程中會排出大量電石渣（1t電石生成3.3t電石渣）及HS、SO等有毒有害氣體，嚴重污染環(huán)境，在制取溶解乙炔氣時又消耗大量重要化工原料丙酮，增加了生產成本。因此，近20年來國內外有關研究機構及企業(yè)相繼投入大量資金，用于開發(fā)研究成本低、安全、低污染的新型燃氣。目前國內已經自

20、主開發(fā)和引進了多種新型工業(yè)燃氣代替乙炔用于工業(yè)火焰加工。手工割炬切割厚度可達到350mm，機用割炬切割厚度可達到1800mm。 2.等離子弧切割 等離子弧切割是上世紀80年代中期發(fā)展起來的一種加工方法，當時主要是為解決不銹鋼和有色金屬的切割，先后開發(fā)了氬、氫、氮、氧及壓縮空氣等多種氣體，一般等離子弧切割及水再壓縮等離子切割等多種工藝方法，以適應不同的需求。 普通等離子電源輸出電流為20~200A，切割厚度為30mm以下；精細等離子電源輸出電流最高可達100A，切割厚度為12mm以下，其中精細等離子割縫寬為0.65mm~0.75mm，與數控切割機配合可以達到0.2mm的切割精度；水再壓縮等

21、離子電源輸出電流可達1000A，切割厚度可達到130mm。 目前，等離子弧切割機的割炬正朝著割縫精度接近激光精度的方向發(fā)展；小功率切割電源向逆變方向發(fā)展，以提高電源效率及電弧的收縮性；大功率切割電源向閘管方向發(fā)展，并采用一定的補償措施以提高效率，從而提高切割速度，改善切割質量。近年來，隨著等離子弧技術的發(fā)展，切割20mm以下的碳鋼和低合金鋼，因其切割速度快，綜合效益好，在工程機械制造業(yè)的應用有增長趨勢。 3.激光切割 激光切割的工業(yè)應用始于上世紀70年代初期。由于其切割尺寸質量好、速度快、精度高、效率高等優(yōu)點，在多種行業(yè)得到廣泛應用。隨著激光器件功率等級、穩(wěn)定性及可靠性的提高和加

22、工技術的進步，其應用領域逐步擴大到各種金屬和非金屬板材的切割。據2002年的統計表明：在世界激光工業(yè)應用范圍內，激光切割所占的比例最大，約24%。 4.水射流切割 誰射流作為工業(yè)產品的精密加工手段，其特點是沒有或很少有熱量釋放，無熱變形，無氣體或蒸汽排出。該項切割技術的研究是從20世紀60年代開始的。國外經過20多年的研究和開發(fā)，制造出第一臺高壓水射流切割設備，使之能切割各種金屬和陶瓷等材料。我國于20世紀90年代開發(fā)研制出國產化的高壓加磨料型水射流切割設備用于生產。目前大部分水射流切割設備只要應用于非金屬板材的切割。 1.2.2 應用形式 無論哪種切割技術，均有不同的應用形式

23、，火焰、等離子、激光均有小型切割機械產品和數控坐標式切割機械產品。其中，火焰切割的小型切割機械最多，從通用的半自動氣割機、仿形氣割機、光電跟蹤氣割機到專用的型鋼氣割機、馬鞍形氣割機約20多種類型，價格適宜，大、中、小型企業(yè)均有條件配備，完全可以適合切割人員各種條件下切割生產。另外，還在小型切割機基礎上加以改進，以完成U、V、Y、K型坡口及球瓣坡口切割和相貫線切割等工藝要求。 坐標式數控切割機是我國切割行業(yè)發(fā)展最快的現代化切割設備之一，坐標式數控切割機以其良好的人機對話操作界面及強大的輔助支持功能，并配有自動編程、套料等軟件系統的支持，使數控切割機在生產中發(fā)揮了重要作用，并以成為我國生產制造企

24、業(yè)切割加工的首選。 1.2.3 技術經濟性比較 目前，熱切割在工程機械行業(yè)應用廣泛，而火焰、等離子、激光三種切割技術均屬于熱切割，其技術經濟性如下： 火焰切割變形大、切割速度較慢、切割前需要預熱，花費時間長，也采用多割炬同時切割，但易耗零件的使用壽命。等離子切割雖可切割一切已知金屬板材和許多非金屬材料，最高切割速度可達10m/min，是火焰切割的10倍，但其切口寬度較大，除薄板外，切割面易“塌邊”，對中厚度板能夠經濟地進行切割。激光切割機價格雖然昂貴，但對薄板及中厚度板可實現高速度、高精度切割，同時能夠實現無人化操作。 1.3 本文研究的主要內容 在切割技術形形色色的

25、今天，工程機械制造業(yè)的切割設備也將不在“一支獨秀”。近年來，已經形成小型切割設備與門架式數控切割設備兼?zhèn)?，火焰切割技術與等離子、激光切割技術兼容的格局。 1.3.1 設備注意事項 從重型廠的切割技術的應用情況可看出，工程機械在選用切割技術、切割設備時應注意以下幾個方面： 1.需明確加工對象。比如：切割材料、厚度、工件的工藝特殊性等，另外還需要了解公司對所選用設備的效率要求； 2.需了解國內外的切割技術發(fā)展情況、成熟程度，了解各種切割技術的優(yōu)缺點，分析綜合效益； 3.選定切割技術，提出特殊要求； 4.在先進切割技術推廣應用的同時應做到環(huán)保、安全、節(jié)能、節(jié)材等，加大相關新技術、

26、新工藝的推廣應用。 焊接接頭的坡口加工包括焊前成型加工及焊縫根部的碳弧氣刨清理焊根部等。對焊件的坡口進行邊緣加工，常采用氣焊、砂輪打磨以及刨削、銑削等機械加工方法?？衫酶淖兏钭淼膬A斜角度來氣割加工焊接坡口，一般多采用半自動化氣割機。坡口機械加工多采用刨邊機或銑邊機，能加工形狀復雜的坡口，以獲得較好的質量。圓形結構的端面加工在立式車床或臥式機床上進行。 對接頭雙面焊接時，為保證焊縫質量，特別是根部熔透，需對根部進行清理，以清除焊縫根部的夾雜，裂縫等缺陷。清理焊根可采用砂輪打磨的方法，但目前應用較多的是采用碳弧刨清理根部，特別是在返修有焊接缺陷的焊縫時采用碳弧氣刨容易發(fā)現焊根部各種細

27、小的缺陷。 1.3.2 工作內容 大型薄壁節(jié)筒端面坡口，由于材料硬度大、節(jié)筒尺寸大，導致加工定位和操作困難，不僅難于加工，而且節(jié)筒壁薄容易變形。針對這種情況，開發(fā)了一種面向大型節(jié)筒端面坡口加工的新型專用機床。該機床適用節(jié)筒直徑在2 400～2 800 mm、節(jié)筒高度在600～3 000 mm、加工坡口角度在20～60壁厚60 mm的薄壁節(jié)筒加工。該研究主要完成以下幾方面工作： 1.通過調研并查閱大量的研究資料，深入了解目前大型節(jié)筒坡口加工機床的現狀和發(fā)展趨勢，結合當前較為成熟的坡口加工機床和坡口加工方法，給出大型節(jié)筒坡口加工

28、機床的總體設計方案。 2.對大型節(jié)筒坡口加工機械系統各組成部分的機械結構進行設計，完成主要零部件的分析和選擇。重點對坡口加工機床的徑向進給、縱向提升和切割角度調整等重要部件進行設計。 3.根據設計和使用要求，采用有限元分析軟件對夾緊裝置的靜態(tài)剛度和強度、節(jié)筒受力變形及其加工誤差進行仿真和分析。 第2章 機床總體設計 2.1 坡口加工工藝 坡口加工方法有兩種方法，一種是切削、剪切、磨削等機械加工方法；另一種是氣割、等離子切割、碳弧氣刨等熱切割方法。常用材料最佳坡口加工方法的選擇見表2–1。 表2–1　坡口加工方法比較 材料 厚度/mm 氧氣切割 等離子切割 碳弧氣刨

29、 沖剪 切削 磨削 碳鋼 3～20 ○ □ □ ☆ ☆ ○ 20～50 ☆ □ ○ □ ○ □ ＞50 ○ — □ □ □ □ 不銹鋼 ＜3 — — — ☆ ☆ ○ 3～20 — □ □ □ ○ ○ 20～50 — □ □ □ □ □ 復合板 3～20 — — — ☆ ☆ ○ 20～50 □ — — □ ○ □ ＞50 ○ — — □ ○ □ 鈦及鈦合金 ＜3 — — — ☆ □ ☆ 3～20 — — — ○ ○ □ ＞20

30、— — — □ ○ □ 銅及銅合金 3～20 — — □ ☆ ☆ □ 20～50 — □ □ □ ○ □ ＞50 — — — □ — □ 注： ☆——最佳；○——良好；□——可能。 表2–1尚不能形象地、全面地反映現有坡口加工方法的適應性，因此，有必要對各種加工方法的特點加以詳細比較，以選擇適合于超大型節(jié)筒坡口加工的工藝方案。 2.1.1 機械加工方法 1．切削 用切削加工坡口的方法有刨、銑兩種，尺寸精度和坡口面的表面粗糙度都很高，沒有熱影響區(qū)。用切削加工坡口的缺點是：加工面與刃口的冷卻及潤滑都必須用潤滑油，坡口面的潤滑油如果清

31、除不干凈，焊接時往往造成氣孔、裂紋、氫脆等缺陷。 2．剪切 剪切加工面根據加工時的應力狀態(tài)分為喇叭口、剪切面、斷裂面、飛邊四個部分。各部分對于板厚的關系一般是：上刃和下刃間隙大，喇叭口和飛邊相對較大，導致剪切面變小。因此，采用剪切加工的坡口面由于有喇叭口和飛邊部分，坡口面、鈍邊都不易整齊，一般經剪切后需進行切削加工。 3．磨削 磨削加工坡口，幾乎都是用手提砂輪機加工?，F有磨削工具小型輕便，使用方便，但工作效率低，不夠安全，且衛(wèi)生條件差。這種加工方法基本是憑借操作者的經驗和直覺，要保證坡口精度是困難的。但是，風動砂輪、電動砂輪總成本低，用途廣泛，對于厚度小于8 mm的部件，多采用磨削方法

32、加工坡口，該方法更適于現場修磨。使用該方法時，要注意選取適合的砂輪，特別是對于超低不銹鋼及有色金屬，砂輪的砂粒會污染工件，從而造成脆化。 2.1.2 熱切削方法 1．氧氣切割 該方法在熱切割坡口中最常采用。氧氣切割與機械加工切割相比，具有設備簡單、投資費用少、操作方便且靈活性好的一系列特點，對于各種含曲線形狀的零件和大厚工件，切割質量良好。因此，一直作為工業(yè)生產中切割碳鋼和低合金鋼的基本方法，而被普遍采用。氧氣切割時在正確掌握切割參數和操作技術的條件下，氣割坡口的質量良好，可直接用于裝配和焊接。 用于焊接的主要坡口形式有I、V、Y、X、U形等。對橫截面是直線形的I、V、Y、X形坡口

33、，可采用單割具或2～3把割具同時加工。對V形坡口可用3把割具一次加工成型，不僅可以限制多余的熱量輸入，而且能夠保持在板材寬度方向中心部切割。這樣，相對于切割方向左右對稱加熱，可保持部件的尺寸精度。但是，對于左右非對稱切割時，必須考慮由于彎曲和熱變形所造成的尺寸偏差允許值。 U形坡口用氣割工藝加工比機械加工方法效率高、周期短，且不需要投資高的機床設備。U形坡口（在板邊加工時實際是J形）的下部有圓弧段，氣割時鐵的氧化反應不能像一般氣割時那樣一直垂直向下，當達到一定程度后轉向側面方向。為此需采用多割具同時加工，一邊使工件沿板厚度方向形成溫度梯度，一邊通過調節(jié)切割氧壓力割出圓弧段?，F在國內已生產出配

34、有3割具的U形坡口半自動氣割機，可以切割60 mm以下鋼板的U形坡口。另外，U形坡口也可用普通割具與碳弧氣刨組合等方法加工。 由于切割面上產生的氣割凹痕多是造成未焊透和熔合不良的主要原因，所以在焊前必須對凹痕進行修補。對焊縫質量要求高的情況下，必須去除坡口面的氧化皮。 2．等離子切割 等離子加工又稱等離子弧加工，是利用電弧放電使氣體電離成過熱的等離子氣體流束，靠局部熔化及氣化來去除材料。 等離子弧不但具有溫度高、能量密度大的優(yōu)點，而且焰流可以控制。適當的調節(jié)功率大小、氣體類型、氣體流量、進給速度和火焰角度以及噴射距離等，便可利用一個電極加工不同的厚度和多種材料。 等離子加工已廣泛用于

35、切割。各種金屬材料，特別是不銹鋼、銅、鋁的成型切割，已獲得重要的工業(yè)應用。它可以快速而較整齊地切割軟鋼、合金鋼、鈦、鑄鐵、鎢、鉬等。切割不銹鋼、鋁及其合金的厚度一般為3～100 mm。等離子切割的速度是很高的，成型切割厚度為25 mm的鋁板時的切割速度為760 mm/min，而厚度為6.4 mm鋼板的切割速度為4 060 mm/min，采用水噴時可增加碳鋼的切割速度，對厚度為5 mm的鋼板，切割速度為6 100 mm/min。 切邊的斜度一般為2～7，當仔細控制工藝參數時，斜度可保持在1～2。對厚度小于25 mm的金屬，切縫寬度通常為2.5～5.0 mm；厚度達150 mm的金屬，切縫寬度為

36、1 020 mm。加工后的表面粗糙度Ra通常為1.6～3.2 μm，熱影響層分布的深度為1～5 mm，決定于工件的熱學性質、加工速度、切割深度以及所采用的加工參數。 3．碳弧氣刨 采用碳弧氣刨可加工坡口，但是刨削面精度不高，而且噪聲大，污染嚴重。碳弧氣刨另一個主要用途是去除有缺陷的焊縫，用于焊縫返修。 上述比較體現了各種加工方法的優(yōu)缺點，而且，在已有研究中，許多學者針對等離子切割的相關參數對切割坡口的影響均作了比較詳細的論述，文中不再贅述。 在綜合考慮成本、加工質量和加工效率的基礎上，該設計選取切割速度快、切縫窄、切口光潔、體積小、重量輕、高速節(jié)能的LGK系列空氣等離子切割機，既能夠保

37、證加工速度，又能夠達到加工表面粗糙度要求。 此外，根據內外割具角度調整裝置，即由刻盤角度調整機構調整等離子切割頭的傾斜角度，可以實現不同角度坡口的加工，適用于加工技術所要求的坡口角度切割范圍。 2.2 機床總體設計的基本要求 評價機床性能的優(yōu)劣，主要是根據技術經濟指標來判斷，需要若干科學、簡明、實用的評價指標，可歸納為如下幾個方面的基本要求。 1．工藝范圍 機床的工藝范圍包含機床可以完成的工序種類，加工零件的類型、材料和尺寸范圍，機床的生產率和加工零件的單件成本，毛坯的種類，適用的生產規(guī)模，加工精度和表面粗糙度等幾方面內容。一臺通用機床可以完成一定尺寸的各種工件的多種工序加工，以適

38、應不同工序的需要，所以加工的工藝范圍應該寬廣一些。而專用機床只能完成一種或幾種工件的特定工序，是為某一特定工藝要求服務。因此，合理地縮小機床工藝范圍以簡化機床結構、提高效率、保證質量、降低成本是設計該類機床的基本原則。 2．生產率和自動化程度 要提高機床的生產率，應縮短工作時間，其中包括切削加工時間、輔助時間以及準備與結束時間。為了縮短切削加工時間，可以采用先進刀具，提高切削速度、進給速度，加大切削深度等方法。另外，還需要注意縮短輔助時間。提高機床的自動化程度，可以減輕工人的勞動強度，更好地保證加工精度及穩(wěn)定性。 3．加工精度和表面粗糙度 影響機床加工精度的主要因素是機床的精度和靜剛度

39、。機床的精度包括幾何精度、傳動精度、運動精度和定位精度。為了保證機床的加工精度，要求機床要具有相當的剛度，此外，機床的熱變形也會影響加工精度。機床加工工件表面粗糙度與工件和刀具的材料、進給量、刀具幾何開關和切削時的振動有關。機床的動態(tài)精度是指機床在重力、夾緊力、切削力、各種激振力和溫升的作用下主要零部件的形位精度。 4．可靠性 機床的可靠性是指其在額定壽命內，在特定工作條件下，在規(guī)定時間內出現故障的幾率。這是一項重要的技術經濟指標。隨著自動化水平的不斷提高，需要許多機床、儀表、控制系統和輔助裝置協同工作。因此，納入自動線和局部自動化生產中的機床，對可靠性有更高的要求。 5．機床的效率和壽

40、命 機床的效率是指切削消耗的有效功率與電動機輸出功率之比，兩者的差值就是損失，主要是摩擦損失。而且，摩擦功轉化為熱量，將引起機床的熱變形，又對機床的運行帶來不良后果。機床的壽命是指機床保持其應具有的加工精度的時間。在壽命期內，正常工作條件下，機床不應喪失設計時所規(guī)定的精度性能。對于中、小型通用機床，其壽命為8 a左右；對于專用機床要求短些，它將隨著所加工產品的更新而廢棄；對于大型精密級、高精度級機床則要求更長的壽命。 6．“四化”程度 “四化”是指機床品種系列化、零部件通用化、零件標準化以及機床模塊化。系列化包括機床參數標準的判定、型譜的編制和產品的系列設計。零部件通用化是指不同型號的機

41、床采用相同的零部件。標準件是由國家或行業(yè)標準化的零件，零件標準化程度高，可以獲得明顯的經濟效益，使成本下降1/4～1/3?，F代機床模塊化設計是根據廣大用戶提出的功能要求，設計出一系列具有不同結構和用途，而功能相同并可互換的功能模塊和一些專用部件的設計法。通過模塊的不同組合即可組裝成滿足客戶要求的機床、專用機床、柔性加工單元等，這種設計方法可提高機床設計工作效率和適應性。 7．造型與色彩 機床造型是根據機床功能和特點，要簡潔明快，美觀大方，使用舒適方便。主要有曲線型、方型和梯型三種，目前趨向以方型和梯型相結合。機床色彩的設計應有利于產品功能的發(fā)揮，符合時代特點，滿足使用對象、環(huán)境的審美要求，

42、色彩設計應充分表達產品功能特征并與使用環(huán)境相協調。 2.3 總體結構布局 2.3.1 總體結構布局原則 機床的總體布局設計是指按工藝要求決定機床所需的運動，確定機床的組成部件，以及各個部件的相對運動和位置關系。同時也要確定操縱、控制機構在機床中的位置。通用機床的布局已形成傳統的型式，但是，隨著數控等新技術的應用，傳統的布局也在發(fā)生變化。專用機床的布局沒有固定的布局形式，靈活性大，必須根據被加工工件要求，進行工藝分析，在擬定總體方案中進行總體布局設計。合理的總體布局的基本要求是： （1）保證工藝方法所要求的節(jié)筒和割具的相對位置和相對運動。 （2）保證機床具有與所要求的

43、加工精度相適應的剛度和抗振性。 （3）使用方便，便于操作、調整、維修，便于輸送、裝卸工件。 （4）經濟效果好，節(jié)省材料，減少機床占地面積等。 2.3.2配置形式的選擇 1．臥式配置　大型節(jié)筒臥式配置方案常采用轉輪支承，壓輪壓緊的夾緊方式。該支承方式割具不動，由滾輪帶動節(jié)筒旋轉，從而實現筒件的坡口加工。該方案結構相對簡單，便于理解機構各部件的運行情況。但在實際應用中，機構整體運動時，需要有其他的附屬裝置，占地面積大，不便于配合其他機構的安裝和運行，導致加工效率低下，且不利于工件的吊裝和加工。由于被加工筒件尺寸龐大，采用該配置方式，節(jié)筒易發(fā)生變形，不利于保證多次抓取工件的定位誤差和加工精

44、度。臥式配置方案如圖2–1所示。 圖2–1　臥式加工方案 2．立式配置　立式配置時采用節(jié)筒內表面定位和夾緊，兩個旋轉的加工頭分別由節(jié)筒內、外表面定位，割具的進給和升降裝置隨回轉工作臺旋轉，旋轉一周完成一端平端面坡口的加工。立式加工方案如圖2–2所示。 圖2–2　立式加工機床結構 該方案由于其定位與夾緊裝置連為一體，一次裝夾即可完成一端內、外坡口的加工，避免了多次抓取造成的定位誤差。因此，圓筒多豎直放在機床上，重力方向豎直向下，工件受到的磨削扭力將會極大減小，有利于減小扭曲變形和外形誤差，因而加工精度容易保證。 2.3.3　方案選擇 臥式和立式配置方案的特點如表2–2所示。

45、 表2–2　臥式與立式配置的比較 項目 臥式配置 立式配置 評價 機床尺寸 3.2 m3.0 m3.5 m 3.6 m3.6 m3.7 m 臥式占用空間較小 吊裝方式 壓輪升起，圓筒避過壓輪裝置，徑向吊裝，安放在滾回轉輪上 拉桿降下，圓筒自上而下吊裝，安放在預先放置好的平臺上 立式對機床損害小，但所需徑向空間較大 裝夾方式 兩對滾輪轉輪支承，一對壓輪壓緊，須承受一定的翻倒力矩 中心支承固定，靠摩擦力和平臺的支承使圓筒夾緊 立式比較安全可靠 加工方式 割具不動，圓筒靠滾輪的轉動帶動，兩組滾輪保持較高的平行度 圓筒不動，割具固定在回轉臺上 立式比較容易實現

46、 加工所須運動空間 6.5 m3.0 m5.0 m 3.6 m3.6 m6.5 m 臥式較小，但占用大量空間 專機裝卸難度 為保證滾輪的平行度，滑動輪平行移動需用導軌限制 專機直接安放在工作場地，不需固定 立式比較容易拆裝 從表2–2可以看出，臥式配置雖然尺寸和加工所需運動空間較小，但其對機床損害較大，所需裝夾空間也較大，同時，臥式加工布置還需要有其他的附屬裝置，占地面積大，結構較復雜，并不利于工件的吊裝和加工。從裝夾方式、加工方式和專機裝卸難度各方面來看，立式方案要優(yōu)于臥式方案。因此，根據節(jié)筒加工特點和技術要求，該設計采用立式內表面定心方式，將圓筒定位和夾緊裝置合為一體。

47、工件不動，割具放置在回轉臺上，回轉工作臺回轉進行工件加工，結構簡單緊湊，便于圓筒吊裝和加工。 2.4機床工作原理 按照實現功能的不同，大型節(jié)筒坡口數控等離子束加工機床可由工件定位夾緊裝置、回轉工作臺、底座、中央立柱、外割具角度調整裝置、內、外割具徑向進給裝置、內、外割具升降裝置、靠背輪機構、液壓動力系統、控制驅動裝置以及空氣等離子切割裝置等結構組成。各組成結構設計如下。 （1）工件定位夾緊裝置由上擺桿、下擺桿、下支臂和擺動臂組成8個平面連桿機構，機構上擺桿和下擺桿的一端與中央立柱鉸接，另一端和擺動臂鉸接；下支臂一端和擺動臂鉸接，另一端和液壓動力系統的拉桿鉸接；液壓動力系統通過下拉桿帶動下

48、支臂來驅動擺動臂工作，擺動臂中放置臂墊板，根據節(jié)筒的不同直徑，可以調整接觸狀態(tài)。這種夾緊裝置既便于節(jié)筒的夾緊定位，又能夠保證已成型的節(jié)筒在加工過程中不易在力的作用下變形，保證加工精度。 （2）回轉工作臺由回轉架和回轉支承構成?；剞D支承采用步進電機和行星擺線針輪減速器及二級減速的驅動方式。行星擺線針輪減速器置于回轉工作臺預留空間內，空間整體結構設計比較緊湊。 （3）底座由上下板和加強筋板焊接而成，既可減輕加工設備的質量，又能增加底座的剛度。底座下方底板設計有4個水平調節(jié)支座，端面加工時便于加工設備整機水平位置調平，保證端面加工水平度。 （4）中央立柱采用圓柱形、中空的結構方式，既能減輕加工

49、設備的質量，又便于液壓動力系統結構設計的實現；中央立柱上端采用懸臂結構，便于工件夾緊裝置上下擺桿桿長的設計。 （5）外割具角度調整裝置由靠背輪機構和脈沖驅動角度調整機構組成。加工已成形節(jié)筒時，引入靠背輪是為了保證加工后的端面坡口和已成形節(jié)筒原內外表面形狀一致，保證切割的節(jié)筒坡口等寬。脈沖驅動角度調整機構實現加工角度的精確調整。 （6）內、外割具采用徑向進給和縱向升降相結合的運動方式。內、外割具徑向進給裝置采用步進電機和絲杠徑向導向驅動結合方式。絲杠驅動部分均設計有水箱和防護罩，以防止等離子切割所產生的大量灰塵外濺和散發(fā)以及灰塵、金屬切削碎片和其他雜質落入回轉工作臺。徑向進給平臺上放置內、外

50、割具升降裝置，升降裝置采用步進電機和蝸輪蝸桿減速器及單級蝸桿減速的驅動方式；蝸輪蝸桿減速器采用蝸桿側置式，便于水平旋轉機構的傳動。 （7）液壓動力系統的進出油管、驅動回轉工作臺回轉步進電機以及加工機床裝置所需的電源插板、導線均布置在回轉工作臺和底座預留的空間內，使加工機床整體結構緊湊，便于操作。 （8）電機驅動裝置均采用轉角定位精度無累積誤差、分辨率小、精度高、低頻無振蕩、高頻力矩大的混合式BYG系列步進電機；控制徑向進給的步進電機置于相應的徑向溜板上，控制縱向升降的步進電機置于相應的升降臺上，便于實際操作控制。 綜合上述設計思想，大型節(jié)筒坡口數控等離子束加工專機總體結構如圖2–3所示。

51、 1．節(jié)筒；2．下拉桿機構；3．外割具角度調整裝置；4．外割具靠背輪裝置；5．外割具等離子切割裝置；6．外割具升降裝置；7．外割具防護罩；8．外割具徑向進給裝置；9．外割具步進電機；10．回轉工作臺；11．底座支承調節(jié)座；12．工件定位夾緊裝置；13．內割具靠背輪裝置；14．內割具角度調整裝置；15．內割具等離子切割裝置；16．內割具升降裝置；17．內割具徑向進給裝置；18．內割具防護罩；19．內割具步進電機；20．液壓動力系統；21．中央立柱；22．回轉支承；23．底座 圖2–3　機床總體結構 大型坡口等離子數控加工機床加工坡口時的工作過程可描述如下： （1） 預先根據節(jié)筒的直徑

52、和坡口尺寸，調整機床內、外割具升降裝置的升降量、割具角度，使其滿足加工要求，并分別調整內、外割具的靠背輪與節(jié)筒內、外表面的距離，保證等離子切割頭與被加工坡口間的距離。 （2） 吊裝所要加工的節(jié)筒，通過底座調整機構，即底座下方的4個水平調節(jié)支座，調整機床底座支承件的水平度，使其達到加工的技術要求，保證端面加工水平度。機床工件定位夾緊裝置通過液壓動力系統，驅動由上擺桿、下擺桿、下支臂和擺動臂組成的8個平面連桿機構，對工件定位和夾緊。 （3） 內、外割具徑向進給，使靠背輪裝置靠緊節(jié)筒。然后，進給驅動裝置（步進電機）驅動回轉工作臺（內、外割具）進行回轉的同時，固定于回轉工作臺上的內、外割具同時進行

53、坡口的等離子切割工作，工作臺回轉一周完成被加工節(jié)筒一端內、外坡口的切割加工。 （4） 完成節(jié)筒一端坡口的加工后，內、外割具徑向進給裝置和升降裝置離開節(jié)筒，退回到初始位置，液壓動力裝置卸荷，松開工件。 （5） 將節(jié)筒翻轉，重復步驟（1）～（4），完成節(jié)筒另一端的坡口加工。 第3章 機床各個裝置和機構的結構設計 3.1 工件定位夾緊裝置結構設計 工件定位夾緊裝置是由包括上擺桿、下擺桿、下支臂和擺動臂等組成的8個異形平面連桿機構構成，其功能是通過液壓動力裝置驅動8個異形平面連桿機構對被加工節(jié)筒進行定位夾緊，機構上下擺桿的一端和中央立柱鉸接，另一端和擺動臂鉸接，下支臂一端和擺動臂鉸接，另一

54、端與下拉桿鉸接，液壓動力系統通過下拉桿帶動下支臂來驅動擺動臂工作，擺動臂中放置臂墊板，根據加工節(jié)筒的直徑的不同，可以調整接觸狀態(tài)。這種夾緊裝置既便于節(jié)筒的夾緊定位，又能夠保證已成型的節(jié)筒在加工過程中不易在力的作用下變形，保證加工精度。 工件定位夾緊裝置的結構示意如圖3-1所示。 1.上擺桿 2.下擺桿 3.擺動臂 4.下支臂 5.節(jié)筒 6.下拉桿 7.中央立柱 8.液壓系統 圖3-1 工件定位夾緊裝置的結構示意圖 3.2 割炬橫向進給裝置結構設計 割炬橫向進給裝置固定在回轉支架上，包括外割炬橫向進給裝置結構和內割炬橫向進給結構兩個部分，兩部分裝置結構設計的原理是一致的，只是

55、具體的設計參數不一樣，這里給出外割炬橫向進給裝置結構設計原理。 外割炬橫向進給裝置包括滑動臺、防護罩、導向機構、支撐座、傳動機構、聯軸器、軸承端蓋、軸套、絲杠與絲母、專用彈簧和步進電機等組成部分。 外割炬橫向進給裝置的結構示意如圖3-2所示。 1.步進電機 2.聯軸器 3.絲杠 4.滑動臺 5.專用彈簧 6.絲母 7.防護罩 8.支承座 圖3-2外割炬橫向進給裝置結構示意圖 工作特性: 1.導向機構:采用雙桿（光桿）導向方式，光桿材料采用45Cr，且對稱分布于絲杠兩面。 2.傳動方式：采用絲杠傳遞力和位移的方式；橫向受力小，傳遞性能好。 3.滑動臺：用于放置外割炬縱

56、向升降裝置，材料采用16Mn；絲母在絲杠的驅動下，通過專用彈簧與焊接在滑動臺上支板作用，實現滑動臺的橫向移動；支板有加強筋，不易變形。 4.軸承：絲杠一端固定采用成對雙聯角接觸球軸承（面對面方式）。 5.支撐座：材料采用16Mn，放置步進電機和橫向移動裝置。 6.驅動:步進電機通過聯軸器直接驅動絲杠，可以實現無級調速。 對于加工筒徑范圍為2400mm~2800mm的筒體來說，割炬的橫向位移量較大，易產生橫向跨度變形，影響加工質量問題?；诖?，在外割炬橫向進給裝置的結構設計中引入雙桿導向機構和直線軸承（見圖2-3），導向桿對稱分布于絲杠的兩側，每個導向桿中間由兩個直線軸承支撐，且兩端還有

57、支撐點，這樣就確保在絲杠驅動和傳動的過程中，導向桿和絲杠均不會產生跨度變形，保證了加工質量。專用彈簧的設計是為了保證絲杠和絲母接觸的緊密性，有利于絲杠傳遞的穩(wěn)定性和減少徑向加工誤差。 1. 絲杠 2. 直線軸承 3. 滑動臺支板 4. 加強筋 5. 光杠 6. 滑動臺 7. 絲母 8. 專用彈簧 圖3-3雙桿導向機構和直線軸承示意圖 3.3 割炬縱向升降裝置結構設計 割炬縱向升降裝置的結構設計包括外割炬縱向升降裝置結構設計和內割炬縱向裝置結構設計兩部分。兩部分裝置結構設計的原理是一致的，只是具體的設計參數不一樣，這里給出外割炬縱向升降裝置結構設計原理。 外割炬縱向升降裝置坐

58、于橫向滑動臺上，包括升降臺、導向機構、底板、傳動機構、聯軸器、L型板和步進電機等部分。 1.升降臺 2.導向桿 3.緊定螺釘 4.絲杠 5.絲母 6.圓頭普通平鍵 7.渦輪蝸桿減速器 8.六角頭螺栓 9.底板 10.導向套 11.六角螺母 12.法蘭盤 13.普通螺栓 14.聯軸器 15.L型板 16.步進電機 圖3-4 割炬縱向升降裝置結構示意圖 結構特點: 1. 導向機構：由導向桿、導向套和六角螺母構成，采用基于絲杠中心線斜對稱方式布置，便于導向功能的實現；導向桿設計成軸端突臺和中間螺紋形式，升降臺上升時通過軸端突臺的作用使得導向桿沿著導向套上升，升降臺

59、下降時通過六角螺母的作用使得導向桿沿著導向套下降，導向功能好。 2. 傳動機構：采用渦輪蝸桿減速器和絲杠驅動升降臺升降相結合的傳動方式；絲杠通過升降臺內的絲母對升降臺產生作用，絲母和升降臺的內孔緊配合并由緊定螺釘緊固；縱向裝置總體質量輕，傳動機構傳動性能好。 3. 驅動：渦輪蝸桿減速器采用步進電機通過聯軸器直接驅動，可以實現無級變速。 4. 法蘭盤：材料采用16Mn；法蘭盤通過六角頭螺栓的作用，使得渦輪蝸桿減速器緊固在升降臺的底板上，保證傳動的穩(wěn)定性。 5. L型板：材料采用16Mn；用于放置步進電機，達到結構緊湊的目的。 3.4 液壓動力系統結構設計 由于大型節(jié)筒端面坡口加工機床

60、有較多且復雜的傳動系統，且空間結構比較緊湊，采用一般的液壓系統將會使大型節(jié)筒端面坡口加工機床的設計變得復雜，且難于實現，因為液壓系統不僅要實現工件夾緊裝置的夾緊功能，而且回轉支撐回轉對筒體加工時，液壓系統的進出油管將限制回轉支撐的回轉。針對這種難題，我們根據機床的結構特點設計出新的液壓裝置，使中央立柱置于液壓缸內缸體內，進出油管均從回轉支撐和底座預留的空間通過，并設計出下拉桿來傳遞動力驅動夾緊裝置工作。這種液壓系統的布置不僅解決了工件夾緊裝置的夾緊功能實現，且液壓系統的進出油管對回轉支撐的回轉不會有任何影響，另外與液壓缸活塞連接的下拉桿的應用極大地降低了加工機床的整體高度，使得整機穩(wěn)定性得到極

61、大地提高。 液壓缸結構和液壓系統分別如圖3-5和圖3-6所示。 1.下缸蓋 2.支撐筒 3.外缸體 4.活塞 5.內缸體 6.上缸蓋 7.半環(huán) 圖3-5 液壓缸結構示意圖 、 圖3-6 液壓系統圖 3.5 回轉支架和底座結構設計 回轉支架和底座支承件是機床的基礎件，其作用是支承機床零部件，并保持支承零部件間的相互位置關系和相互運動精度以及承受各種力和力矩，并保持機床有足夠的剛度、穩(wěn)定性以及耐用性等。本文進行回轉支架和底座支承件結構設計時，首先考慮到面向大型節(jié)筒端面坡口加工機床所屬的機床類型、布局，選定回轉支架與底座支承件的形狀。由于回轉支架與底座支承件主要承受正應力的作

62、用，需要較大的抗彎剛度，所以選用矩形面的筋板結構；其次，根據機床受力特點以及排屑、吊運、安裝等要求，確定結構件結構形式與尺寸參數；根據機床設計支承件尺寸設計準則，對于大型機床支承件筋板為15~20mm，支承壁厚為30~40mm，選用底座上下板厚為30mm，加強筋板厚20mm。由于底座承載較大，采用雙層壁結構形式，以提高機床剛度。回轉支架和底座均是采用上下底板和加強筋板焊接的構成方式，回轉支架和底座各含有24塊加強筋板并且均勻分布在上下底板之間。 回轉支架和底座的結構示意圖如圖3-7所示。 圖3-7 回轉支架和底座剖視圖 3.6 坡口割炬角度及靠背輪調整裝置結構設計 割具角度調整裝

63、置用來調整割具的工作角度，關鍵要解決兩方面內容。一是角度調整機構的設計；二是控制系統的實現。筆者設計的角度調整機構是一個平面四連桿機構，機構連桿驅動滑塊在角度調整支承架上0～60弧形槽中滑動，滑塊上固定著割具，滑塊沿弧形槽滑動使得割具的角度得到調整，控制系統通過程序的設置與控制脈沖激發(fā)驅動平面四連桿的運動，實現割具工作角度的精確調整。 引入靠背輪裝置是為了保證節(jié)筒加工時，靠背輪始終和節(jié)筒內（或外）表面相接觸，實現割具相對節(jié)筒的加工定位，保證切割的節(jié)筒坡口等寬，達到加工形狀的精確控制?？勘齿喲b置采用步進電機驅動、絲杠螺母相結合的傳遞方式。加工過程中，靠背輪緊貼著內（或）外節(jié)筒表面，當遇到節(jié)筒壁

64、形狀有變化時，會有力作用在靠背輪上，靠背輪通過銷軸把力傳遞給靠背輪支架，然后通過螺母、絲杠傳給軸承、端蓋，端蓋把力傳給座套，座套和底板連為一體?？勘齿喲b置的底板與縱向升降裝置的上底板連接，使割具做出相應的位移變化，達到加工形狀的精確控制的目的。 第4章 機床夾緊裝置的計算與分析 4.1 定位夾緊裝置桿類構件的受力計算與穩(wěn)定性分析 加工不同規(guī)格的節(jié)筒時，工件定位夾緊裝置的擺動臂與節(jié)筒內表面的接觸狀態(tài)是不同的，使得工件定位夾緊裝置的各個桿類構件的受力不同，從而對節(jié)筒的受力變形有所影響。加工直徑較小、高度較小的節(jié)筒時，擺動臂與節(jié)筒是部分接觸；加工直徑較大、高度較大的節(jié)筒時，擺動臂與節(jié)筒是全接

65、觸。為此加工大節(jié)筒即擺動臂與節(jié)筒全接觸時，把擺動臂與節(jié)筒間的接觸應力的分布簡化為近三角形線性分布，記為接觸狀態(tài)一；加工小節(jié)筒即擺動臂與節(jié)筒部分接觸時，把擺動臂與節(jié)筒間的接觸應力的分布簡化為近平行四變形線性分布，記為接觸狀態(tài)二。建立兩種接觸狀態(tài)下的力學模型如圖4-1所示。 圖4-1狀態(tài)一構件力學模型和狀態(tài)二構件力學模型 其中：F1表示下支臂對擺動臂的支持力，F2表示下擺桿對擺動臂的壓力，F3表示上擺桿對擺動臂的壓力，Ff表示節(jié)筒與擺動臂之間的摩擦力，G0表示擺動臂自重，N1表示節(jié)筒對擺動臂的等效壓力，L1、L2、L3分別表示力 N1、Ff、F3對o點的轉動力臂。 根據上述力學模型，建立

66、求解方程為 （4－1） 即存在方程組 （4－2） 由力學模型圖，可以看出加工不同的節(jié)筒，各個桿件擺動的角度不同，受力也隨之改變，由此可以寫出力F1 、F2和F3關于角度、、的矩陣方程式為 （4－3） 式中是角度矩陣，F是未知力矩陣，M為常量矩陣。 根據已知條件補充方程 （4－4） 式中，i=1、2、3，G1表示1/8節(jié)筒的重量。 由此可以得到表明力與角度關系的矩陣方程式 （4－5） 求解得到 （4－6） （4－7） （4－8） 根據已知的結構參數，得到