大型坡口机夹紧装置设计设计

黑龙江科技学院毕业设计（论文）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 AbstractAt present, there isnt large shell-ring groove processing equipment in domestic and the traditional groove processing machine equipment has a lot of shortcoming, which includes low productivity, high cost, and inaccuracy so it doesnt meet the processing needs of the large shell-ring groove processing. Because there is the time and space of application range 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 period, and cant meet the needs of national defense, and cant 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-ring groove special equipment that has initiative intellectual property, high efficiency and economic practical for increasing the vitality, reliability and whole function of our countrys submarine.The design focus on clamp device, cross feed device, longitudinal lift device and cutting angle adjusting 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不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- II -目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 切割技术的现状、应用形式及技术经济性21.3 本文研究的主要内容41.3.1 设备注意事项41.3.2 工作内容5第2章 机床总体设计62.1 坡口加工工艺62.1.1 机械加工方法72.1.2 热切削方法72.2 机床总体设计的基本要求92.3 总体结构布局112.3.1 总体结构布局原则112.3.2 配置形式的选择112.3.3 方案选择122.4 机床工作原理13第3章 机床各个装置和机构的结构设计173.1 工件定位夹紧装置结构设计173.2 割炬横向进给装置结构设计173.3 割炬纵向升降装置结构设计193.4 液压动力系统结构设计213.5 回转支架和底座结构设计223.6 坡口割炬角度及靠背轮调整装置结构设计23第4章 机床夹紧装置的计算与分析244.1 定位夹紧装置杆类构件的受力计算与稳定性分析244.2 液压缸体压强274.3 中央立柱的强度分析284.4节筒加工误差分析294.5相关关键外购件的选取30结论31致谢32参考文献33附录34CATALOGAbstractIAbstractIIFirst chapter Introduction11.1 Project background11.2 Cutting technology present situation, application and technical economy21.3 The main contents of this paper41.3.1 Equipment characteristics41.3.2 Job content5 The second chapter Machine tool design62.1 Groove machining technology62.1.1 Mechanical processing method72.1.2 Thermal cutting method72.2 The basic requirements of the machine tool design92.3 Overall layout112.3.1 Overall layout principles112.3.2 Configuration option112.3.3 Scheme selection122.4 Machine working principle13 The third chapter Each device and machine tool structure173.1 orkpiece locating and clamping device structure design173.2 Torch transverse feeding device structure design173.3 Torch longitudinal lifting device structure design193.4 Hydraulic power system structure design213.5 Rotary bracket and the pedestal structure design223.6 Groove cutting angle and the backrest wheel adjusting device structure design23 The fourth chapter Calculation and analysis of machine tool clamping device244.1 Positioning and clamping device of bar components stress calculation and stability analysis244.2 Hydraulic cylinder pressure274.3 The central pillar of strength analysis284.4 Cylinder machining error analysis294.5 Related key parts selection30Conclusion31Thank32Reference33Appendix34千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行黑龙江科技学院毕业设计（论文）第1章 绪论千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- 1 -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500 m或在500 m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20200A，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0.65mm0.75mm，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2 4002 800 mm、节筒高度在6003 000 mm、加工坡口角度在2060壁厚60 mm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21。表21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320205050不锈钢33202050复合板320205050钛及钛合金332020铜及铜合金320205050注： 最佳；良好；可能。表21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8 mm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23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60 mm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3100 mm。等离子切割的速度是很高的，成型切割厚度为25 mm的铝板时的切割速度为760 mm/min，而厚度为6.4 mm钢板的切割速度为4 060 mm/min，采用水喷时可增加碳钢的切割速度，对厚度为5 mm的钢板，切割速度为6 100 mm/min。切边的斜度一般为27，当仔细控制工艺参数时，斜度可保持在12。对厚度小于25 mm的金属，切缝宽度通常为2.55.0 mm；厚度达150 mm的金属，切缝宽度为1 020 mm。加工后的表面粗糙度Ra通常为1.63.2 m，热影响层分布的深度为15 mm，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8 a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1/41/3。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 总体结构布局 2.3.1 总体结构布局原则 机床的总体布局设计是指按工艺要求决定机床所需的运动，确定机床的组成部件，以及各个部件的相对运动和位置关系。同时也要确定操纵、控制机构在机床中的位置。通用机床的布局已形成传统的型式，但是，随着数控等新技术的应用，传统的布局也在发生变化。专用机床的布局没有固定的布局形式，灵活性大，必须根据被加工工件要求，进行工艺分析，在拟定总体方案中进行总体布局设计。合理的总体布局的基本要求是：（1）保证工艺方法所要求的节筒和割具的相对位置和相对运动。（2）保证机床具有与所要求的加工精度相适应的刚度和抗振性。（3）使用方便，便于操作、调整、维修，便于输送、装卸工件。（4）经济效果好，节省材料，减少机床占地面积等。2.3.2配置形式的选择 1卧式配置大型节筒卧式配置方案常采用转轮支承，压轮压紧的夹紧方式。该支承方式割具不动，由滚轮带动节筒旋转，从而实现筒件的坡口加工。该方案结构相对简单，便于理解机构各部件的运行情况。但在实际应用中，机构整体运动时，需要有其他的附属装置，占地面积大，不便于配合其他机构的安装和运行，导致加工效率低下，且不利于工件的吊装和加工。由于被加工筒件尺寸庞大，采用该配置方式，节筒易发生变形，不利于保证多次抓取工件的定位误差和加工精度。卧式配置方案如图21所示。图21卧式加工方案2立式配置立式配置时采用节筒内表面定位和夹紧，两个旋转的加工头分别由节筒内、外表面定位，割具的进给和升降装置随回转工作台旋转，旋转一周完成一端平端面坡口的加工。立式加工方案如图22所示。图22立式加工机床结构该方案由于其定位与夹紧装置连为一体，一次装夹即可完成一端内、外坡口的加工，避免了多次抓取造成的定位误差。因此，圆筒多竖直放在机床上，重力方向竖直向下，工件受到的磨削扭力将会极大减小，有利于减小扭曲变形和外形误差，因而加工精度容易保证。2.3.3方案选择卧式和立式配置方案的特点如表22所示。表22卧式与立式配置的比较项目卧式配置立式配置评价机床尺寸3.2 m3.0 m3.5 m3.6 m3.6 m3.7 m卧式占用空间较小吊装方式压轮升起，圆筒避过压轮装置，径向吊装，安放在滚回转轮上拉杆降下，圆筒自上而下吊装，安放在预先放置好的平台上立式对机床损害小，但所需径向空间较大装夹方式两对滚轮转轮支承，一对压轮压紧，须承受一定的翻倒力矩中心支承固定，靠摩擦力和平台的支承使圆筒夹紧立式比较安全可靠加工方式割具不动，圆筒靠滚轮的转动带动，两组滚轮保持较高的平行度圆筒不动，割具固定在回转台上立式比较容易实现加工所须运动空间6.5 m3.0 m5.0 m3.6 m3.6 m6.5 m卧式较小，但占用大量空间专机装卸难度为保证滚轮的平行度，滑动轮平行移动需用导轨限制专机直接安放在工作场地，不需固定立式比较容易拆装从表22可以看出，卧式配置虽然尺寸和加工所需运动空间较小，但其对机床损害较大，所需装夹空间也较大，同时，卧式加工布置还需要有其他的附属装置，占地面积大，结构较复杂，并不利于工件的吊装和加工。从装夹方式、加工方式和专机装卸难度各方面来看，立式方案要优于卧式方案。因此，根据节筒加工特点和技术要求，该设计采用立式内表面定心方式，将圆筒定位和夹紧装置合为一体。工件不动，割具放置在回转台上，回转工作台回转进行工件加工，结构简单紧凑，便于圆筒吊装和加工。2.4机床工作原理按照实现功能的不同，大型节筒坡口数控等离子束加工机床可由工件定位夹紧装置、回转工作台、底座、中央立柱、外割具角度调整装置、内、外割具径向进给装置、内、外割具升降装置、靠背轮机构、液压动力系统、控制驱动装置以及空气等离子切割装置等结构组成。各组成结构设计如下。（1）工件定位夹紧装置由上摆杆、下摆杆、下支臂和摆动臂组成8个平面连杆机构，机构上摆杆和下摆杆的一端与中央立柱铰接，另一端和摆动臂铰接；下支臂一端和摆动臂铰接，另一端和液压动力系统的拉杆铰接；液压动力系统通过下拉杆带动下支臂来驱动摆动臂工作，摆动臂中放置臂垫板，根据节筒的不同直径，可以调整接触状态。这种夹紧装置既便于节筒的夹紧定位，又能够保证已成型的节筒在加工过程中不易在力的作用下变形，保证加工精度。（2）回转工作台由回转架和回转支承构成。回转支承采用步进电机和行星摆线针轮减速器及二级减速的驱动方式。行星摆线针轮减速器置于回转工作台预留空间内，空间整体结构设计比较紧凑。（3）底座由上下板和加强筋板焊接而成，既可减轻加工设备的质量，又能增加底座的刚度。底座下方底板设计有4个水平调节支座，端面加工时便于加工设备整机水平位置调平，保证端面加工水平度。（4）中央立柱采用圆柱形、中空的结构方式，既能减轻加工设备的质量，又便于液压动力系统结构设计的实现；中央立柱上端采用悬臂结构，便于工件夹紧装置上下摆杆杆长的设计。（5）外割具角度调整装置由靠背轮机构和脉冲驱动角度调整机构组成。加工已成形节筒时，引入靠背轮是为了保证加工后的端面坡口和已成形节筒原内外表面形状一致，保证切割的节筒坡口等宽。脉冲驱动角度调整机构实现加工角度的精确调整。（6）内、外割具采用径向进给和纵向升降相结合的运动方式。内、外割具径向进给装置采用步进电机和丝杠径向导向驱动结合方式。丝杠驱动部分均设计有水箱和防护罩，以防止等离子切割所产生的大量灰尘外溅和散发以及灰尘、金属切削碎片和其他杂质落入回转工作台。径向进给平台上放置内、外割具升降装置，升降装置采用步进电机和蜗轮蜗杆减速器及单级蜗杆减速的驱动方式；蜗轮蜗杆减速器采用蜗杆侧置式，便于水平旋转机构的传动。（7）液压动力系统的进出油管、驱动回转工作台回转步进电机以及加工机床装置所需的电源插板、导线均布置在回转工作台和底座预留的空间内，使加工机床整体结构紧凑，便于操作。（8）电机驱动装置均采用转角定位精度无累积误差、分辨率小、精度高、低频无振荡、高频力矩大的混合式BYG系列步进电机；控制径向进给的步进电机置于相应的径向溜板上，控制纵向升降的步进电机置于相应的升降台上，便于实际操作控制。综合上述设计思想，大型节筒坡口数控等离子束加工专机总体结构如图23所示。1节筒；2下拉杆机构；3外割具角度调整装置；4外割具靠背轮装置；5外割具等离子切割装置；6外割具升降装置；7外割具防护罩；8外割具径向进给装置；9外割具步进电机；10回转工作台；11底座支承调节座；12工件定位夹紧装置；13内割具靠背轮装置；14内割具角度调整装置；15内割具等离子切割装置；16内割具升降装置；17内割具径向进给装置；18内割具防护罩；19内割具步进电机；20液压动力系统；21中央立柱；22回转支承；23底座图23机床总体结构大型坡口等离子数控加工机床加工坡口时的工作过程可描述如下：（1） 预先根据节筒的直径和坡口尺寸，调整机床内、外割具升降装置的升降量、割具角度，使其满足加工要求，并分别调整内、外割具的靠背轮与节筒内、外表面的距离，保证等离子切割头与被加工坡口间的距离。（2） 吊装所要加工的节筒，通过底座调整机构，即底座下方的4个水平调节支座，调整机床底座支承件的水平度，使其达到加工的技术要求，保证端面加工水平度。机床工件定位夹紧装置通过液压动力系统，驱动由上摆杆、下摆杆、下支臂和摆动臂组成的8个平面连杆机构，对工件定位和夹紧。（3） 内、外割具径向进给，使靠背轮装置靠紧节筒。然后，进给驱动装置（步进电机）驱动回转工作台（内、外割具）进行回转的同时，固定于回转工作台上的内、外割具同时进行坡口的等离子切割工作，工作台回转一周完成被加工节筒一端内、外坡口的切割加工。（4） 完成节筒一端坡口的加工后，内、外割具径向进给装置和升降装置离开节筒，退回到初始位置，液压动力装置卸荷，松开工件。（5） 将节筒翻转，重复步骤（1）（4），完成节筒另一端的坡口加工。第3章 机床各个装置和机构的结构设计3.1 工件定位夹紧装置结构设计工件定位夹紧装置是由包括上摆杆、下摆杆、下支臂和摆动臂等组成的8个异形平面连杆机构构成，其功能是通过液压动力装置驱动8个异形平面连杆机构对被加工节筒进行定位夹紧，机构上下摆杆的一端和中央立柱铰接，另一端和摆动臂铰接，下支臂一端和摆动臂铰接，另一端与下拉杆铰接，液压动力系统通过下拉杆带动下支臂来驱动摆动臂工作，摆动臂中放置臂垫板，根据加工节筒的直径的不同，可以调整接触状态。这种夹紧装置既便于节筒的夹紧定位，又能够保证已成型的节筒在加工过程中不易在力的作用下变形，保证加工精度。工件定位夹紧装置的结构示意如图3-1所示。1.上摆杆 2.下摆杆 3.摆动臂 4.下支臂 5.节筒 6.下拉杆 7.中央立柱 8.液压系统图3-1 工件定位夹紧装置的结构示意图3.2 割炬横向进给装置结构设计割炬横向进给装置固定在回转支架上，包括外割炬横向进给装置结构和内割炬横向进给结构两个部分，两部分装置结构设计的原理是一致的，只是具体的设计参数不一样，这里给出外割炬横向进给装置结构设计原理。外割炬横向进给装置包括滑动台、防护罩、导向机构、支撑座、传动机构、联轴器、轴承端盖、轴套、丝杠与丝母、专用弹簧和步进电机等组成部分。外割炬横向进给装置的结构示意如图3-2所示。1.步进电机 2.联轴器 3.丝杠 4.滑动台 5.专用弹簧 6.丝母 7.防护罩 8.支承座图3-2外割炬横向进给装置结构示意图工作特性:1.导向机构:采用双杆（光杆）导向方式，光杆材料采用45Cr，且对称分布于丝杠两面。2.传动方式：采用丝杠传递力和位移的方式；横向受力小，传递性能好。3.滑动台：用于放置外割炬纵向升降装置，材料采用16Mn；丝母在丝杠的驱动下，通过专用弹簧与焊接在滑动台上支板作用，实现滑动台的横向移动；支板有加强筋，不易变形。4.轴承：丝杠一端固定采用成对双联角接触球轴承（面对面方式）。5.支撑座：材料采用16Mn，放置步进电机和横向移动装置。6.驱动:步进电机通过联轴器直接驱动丝杠，可以实现无级调速。对于加工筒径范围为2400mm2800mm的筒体来说，割炬的横向位移量较大，易产生横向跨度变形，影响加工质量问题。基于此，在外割炬横向进给装置的结构设计中引入双杆导向机构和直线轴承（见图2-3），导向杆对称分布于丝杠的两侧，每个导向杆中间由两个直线轴承支撑，且两端还有支撑点，这样就确保在丝杠驱动和传动的过程中，导向杆和丝杠均不会产生跨度变形，保证了加工质量。专用弹簧的设计是为了保证丝杠和丝母接触的紧密性，有利于丝杠传递的稳定性和减少径向加工误差。1. 丝杠 2. 直线轴承 3. 滑动台支板 4. 加强筋 5. 光杠 6. 滑动台 7. 丝母 8. 专用弹簧图3-3双杆导向机构和直线轴承示意图3.3 割炬纵向升降装置结构设计割炬纵向升降装置的结构设计包括外割炬纵向升降装置结构设计和内割炬纵向装置结构设计两部分。两部分装置结构设计的原理是一致的，只是具体的设计参数不一样，这里给出外割炬纵向升降装置结构设计原理。外割炬纵向升降装置坐于横向滑动台上，包括升降台、导向机构、底板、传动机构、联轴器、L型板和步进电机等部分。1.升降台 2.导向杆 3.紧定螺钉 4.丝杠 5.丝母 6.圆头普通平键 7.涡轮蜗杆减速器 8.六角头螺栓9.底板 10.导向套 11.六角螺母 12.法兰盘 13.普通螺栓 14.联轴器 15.L型板 16.步进电机图3-4 割炬纵向升降装置结构示意图结构特点:1. 导向机构：由导向杆、导向套和六角螺母构成，采用基于丝杠中心线斜对称方式布置，便于导向功能的实现；导向杆设计成轴端突台和中间螺纹形式，升降台上升时通过轴端突台的作用使得导向杆沿着导向套上升，升降台下降时通过六角螺母的作用使得导向杆沿着导向套下降，导向功能好。2. 传动机构：采用涡轮蜗杆减速器和丝杠驱动升降台升降相结合的传动方式；丝杠通过升降台内的丝母对升降台产生作用，丝母和升降台的内孔紧配合并由紧定螺钉紧固；纵向装置总体质量轻，传动机构传动性能好。3. 驱动：涡轮蜗杆减速器采用步进电机通过联轴器直接驱动，可以实现无级变速。4. 法兰盘：材料采用16Mn；法兰盘通过六角头螺栓的作用，使得涡轮蜗杆减速器紧固在升降台的底板上，保证传动的稳定性。5. L型板：材料采用16Mn；用于放置步进电机，达到结构紧凑的目的。3.4 液压动力系统结构设计由于大型节筒端面坡口加工机床有较多且复杂的传动系统，且空间结构比较紧凑，采用一般的液压系统将会使大型节筒端面坡口加工机床的设计变得复杂，且难于实现，因为液压系统不仅要实现工件夹紧装置的夹紧功能，而且回转支撑回转对筒体加工时，液压系统的进出油管将限制回转支撑的回转。针对这种难题，我们根据机床的结构特点设计出新的液压装置，使中央立柱置于液压缸内缸体内，进出油管均从回转支撑和底座预留的空间通过，并设计出下拉杆来传递动力驱动夹紧装置工作。这种液压系统的布置不仅解决了工件夹紧装置的夹紧功能实现，且液压系统的进出油管对回转支撑的回转不会有任何影响，另外与液压缸活塞连接的下拉杆的应用极大地降低了加工机床的整体高度，使得整机稳定性得到极大地提高。液压缸结构和液压系统分别如图3-5和图3-6所示。1.下缸盖 2.支撑筒 3.外缸体 4.活塞 5.内缸体 6.上缸盖 7.半环图3-5 液压缸结构示意图、图3-6 液压系统图3.5 回转支架和底座结构设计回转支架和底座支承件是机床的基础件，其作用是支承机床零部件，并保持支承零部件间的相互位置关系和相互运动精度以及承受各种力和力矩，并保持机床有足够的刚度、稳定性以及耐用性等。本文进行回转支架和底座支承件结构设计时，首先考虑到面向大型节筒端面坡口加工机床所属的机床类型、布局，选定回转支架与底座支承件的形状。由于回转支架与底座支承件主要承受正应力的作用，需要较大的抗弯刚度，所以选用矩形面的筋板结构；其次，根据机床受力特点以及排屑、吊运、安装等要求，确定结构件结构形式与尺寸参数；根据机床设计支承件尺寸设计准则，对于大型机床支承件筋板为1520mm，支承壁厚为3040mm，选用底座上下板厚为30mm，加强筋板厚20mm。由于底座承载较大，采用双层壁结构形式，以提高机床刚度。回转支架和底座均是采用上下底板和加强筋板焊接的构成方式，回转支架和底座各含有24块加强筋板并且均匀分布在上下底板之间。回转支架和底座的结构示意图如图3-7所示。图3-7 回转支架和底座剖视图3.6 坡口割炬角度及靠背轮调整装置结构设计割具角度调整装置用来调整割具的工作角度，关键要解决两方面内容。一是角度调整机构的设计；二是控制系统的实现。笔者设计的角度调整机构是一个平面四连杆机构，机构连杆驱动滑块在角度调整支承架上060弧形槽中滑动，滑块上固定着割具，滑块沿弧形槽滑动使得割具的角度得到调整，控制系统通过程序的设置与控制脉冲激发驱动平面四连杆的运动，实现割具工作角度的精确调整。引入靠背轮装置是为了保证节筒加工时，靠背轮始终和节筒内（或外）表面相接触，实现割具相对节筒的加工定位，保证切割的节筒坡口等宽，达到加工形状的精确控制。靠背轮装置采用步进电机驱动、丝杠螺母相结合的传递方式。加工过程中，靠背轮紧贴着内（或）外节筒表面，当遇到节筒壁形状有变化时，会有力作用在靠背轮上，靠背轮通过销轴把力传递给靠背轮支架，然后通过螺母、丝杠传给轴承、端盖，端盖把力传给座套，座套和底板连为一体。靠背轮装置的底板与纵向升降装置的上底板连接，使割具做出相应的位移变化，达到加工形状的精确控制的目的。第4章 机床夹紧装置的计算与分析4.1 定位夹紧装置杆类构件的受力计算与稳定性分析加工不同规格的节筒时，工件定位夹紧装置的摆动臂与节筒内表面的接触状态是不同的，使得工件定位夹紧装置的各个杆类构件的受力不同，从而对节筒的受力变形有所影响。加工直径较小、高度较小的节筒时，摆动臂与节筒是部分接触；加工直径较大、高度较大的节筒时，摆动臂与节筒是全接触。为此加工大节筒即摆动臂与节筒全接触时，把摆动臂与节筒间的接触应力的分布简化为近三角形线性分布，记为接触状态一；加工小节筒即摆动臂与节筒部分接触时，把摆动臂与节筒间的接触应力的分布简化为近平行四变形线性分布，记为接触状态二。建立两种接触状态下的力学模型如图4-1所示。图4-1状态一构件力学模型和状态二构件力学模型其中：F1表示下支臂对摆动臂的支持力，F2表示下摆杆对摆动臂的压力，F3表示上摆杆对摆动臂的压力，Ff表示节筒与摆动臂之间的摩擦力，G0表示摆动臂自重，N1表示节筒对摆动臂的等效压力，L1、L2、L3分别表示力 N1、Ff、F3对o点的转动力臂。根据上述力学模型，建立求解方程为 （41）即存在方程组 （42）由力学模型图，可以看出加工不同的节筒，各个杆件摆动的角度不同，受力也随之改变，由此可以写出力F1 、F2和F3关于角度、的矩阵方程式为 （43）式中是角度矩阵，F是未知力矩阵，M为常量矩阵。根据已知条件补充方程 （44）式中，i=1、2、3，G1表示1/8节筒的重量。由此可以得到表明力与角度关系的矩阵方程式 （45）求解得到 （46） （47） （48）根据已知的结构参数，得到