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1、哈尔滨理工大学机械动力工程学院毕业设计（论文）开 题 报 告学生姓名：徐大程学号： 0801010429 专业：机械设计制造及其自动化班级：机械 08-4 指导教师：陈永秋2012 年 3 月 12 日课题题目及来源题目： 钢锭切割工作台 Pro/E三维结构设计及运动仿真；来源：一、课题研究的意义和国内外研究现状1. 课题研究的意义数控火焰切割机属于对金属结构件进行切割下料的气割设备。在机械、船舶、压力容器、冶金行业中，各种形状的厚钢板的切割下料工作量非常大。随着国民经济的发展，数控技术已应用于国民经济的各个部门，气割设备也不例外。目前，国内许多大型结构件企业为减轻工人的劳动强度，提高产品质量
2、和劳动效率，不惜耗巨资从国外购进数控切割设备。国内生产的该类设备一般每台也在三四十万元以上，这样的价位不适合中小金属结构件企业需要。因此，为适应国内机械制造行业中火焰切割工艺水平、提高产品质量的需求，面向中小批量生产，开发一种新型数控火焰切割机，有很大的市场潜力，必将取得明显的社会效益和经济效益。本次毕业设计是数控火焰深孔切割机，所要解决的问题是大厚钢板的切割问题，研究对象是用于黑色金属板材切割，切割厚度 3 毫米100毫米，切割轨迹为由直线圆弧组成的任何平面图形，并且该设备能够切割封闭孔形50mm(板材厚度 100mm时)，适合于单件小批生产的场合。在火焰切割过程中，其割口附近的温度早已超过
3、金属的弹性变形极限所需温度，从而导致钢板塑性变形，一直持续到其冷却到原始温度后会形成最终的变形，我们称其为切割热变形。18在切割中厚钢板的工作中，这种变形都要考虑，并且要采取措施减少热变形，但是这些措施都局限于切割的起火点是在钢板的边缘外或已切割零件的割缝中间，如上所述，此种情况下机用割据切割厚度已经可以达到1800mm，这些都是已经解决了的问题。如果从钢板内部切割封闭孔形时，却很难达到要求。现在从钢板内部切割封闭孔形的生产仅限于薄钢板，切割是可以直接利用燃烧火焰在欲起割处打孔，然后进行切割，即便如此，在打孔处仍然出现熔塌和粘渣现象当切割厚钢板时，直接利用火焰燃烧打孔较为困难，会出现以下两种情
4、况：一是在打孔过程中，因为过热或熔渣翻起损坏割嘴；二是由于钢板较厚，打孔过程需要较长时间才能完成，从而导致打孔处出现较大的熔塌现象，使工件产生过大缺陷而无法使用。现行的处理办法是：厚度较大的工件通常宜用机械钻孔。在这个解决办法中，机械钻孔和切割是两个分开的工作，而钢板比较笨重，在这个过程中需要经过两次放置，既耗费人力，工作效率也得不到显著的提高。本次设计的目的就是钢板一次性放置到工作台之后，机械打孔和气割连续完成，这个过程由人工操作，数控系统控制完成，可见，该设备在配备到工厂之后，钢板的切割，尤其是厚钢板的内部封闭形切割的工作效率将得到很大程度的提高，同时还能节省人力，减少下料板材的浪费2.国
5、内外研究现状1）国内钢锭切割技术研究现状及发展20 世纪 70 年代以来，氧气切割技术在我国得到了很大发展。从所能切割的金属范围来看，不但能切割一般碳素结构钢，用空气等离子装置及激光装置也能成功地切割高合金钢、不锈钢、铝、铜和铜合金、钛和钛合金等。在切割工艺方面，除进行一般的切断切割外，还创造了成叠切割、表面气刨、水下切割、特厚钢材切割和精密切割等新工艺，同时也能用来切割各种形式的焊缝坡口。在切割设备方面，为提高气割加工的精度和机械化、自动化程度，从而提高切割质量和板材利用率，先后创造了各种型式的切割设备，如：手提式切割机、轻便式半自动切割机、半自动多向切割机、型钢切割机、坐标式自动切割机、光
6、电跟踪自动切割机、多割炬门式切割机、数控火焰切割机及数控火焰等离子切割机。我国的切割机从通用的半自动气割机、仿形气割机到专用的型钢气割机、马鞍形气割机约20 多个种类 ,大、中、小企业都有配置，切割专业技术人员近几年在不断研究开发各种切割设备, 随着机械电子技术和电子计算机技术的进步, 将会有更多的自动化程度高的切割机相继出现并在生产上应用。2）国外钢锭切割技术研究现状及发展目前世界上最先进的切割技术是等离子电弧切割、燃料切割和激光切割，并且随着新技术的不断发展，切割设备的切割速度、操作的便利性和自动控制性能都在不断提高。二、课题研究的主要内容和方法及研究过程中的问题与解决办法1. 研究的主要
7、内容为适应国内机械制造行业中火焰切割工艺水平、提高产品质量的需求，面向中小批量生产，开发一种新型钢锭切割工作台，有很大的市场潜力，必将取得明显的社会效益和经济效益。本次毕业设计是钢锭切割工作台，所要解决的问题是大厚钢板切割问题.通过调整工作台的倾斜角度使重型钢锭可以得到精准的切割，减少误差，得到最优结果2. 研究内容的方法综合运用所学专业基础知识和先进的机电一体化专业技术，设计钢锭切割机。该题目是实际应用题目，通过毕业设计过程使学生得到较全面的基本工程训练。a) 了解当前钢锭切割技术的应用情况及其发展方向；b) 综合运用所学专业基础知识和先进的机电一体化专业技术，完成钢锭切割机的部分设计；c)
8、 通过设计提高工程能力， 为适应社会对设计人才的需求打下良好基础。3. 研究的主要问题及解决办法在用数控火焰切割钢板零件时，影响切割精度的关键因素是热膨胀和切割路径的选择。那么如何保证火焰切割的精度，在切割过程中我们会遇到哪方面的问题？1. 数控火焰切割中出现的问题分析从理论上讲，一个零件的切割程序编好了，并且确定了割缝补偿k 后，那么设备切割时的运行轨迹就是一定的，切割出的零件尺寸就不会有变化。然而在实际切割过程中，我们发现切割出的零件还是存在一定的偏差，特别是一些直接切割后不再进行加工的工件。如果解决不好尺寸偏差问题，对产品的质量就会产生较大的影响。（1）热膨胀量的影响在实际切割过程中，整
9、张钢板上切割零件有先有后。刚切割时钢板的温度接近室温，但零件切割的速度很快，尤其当零件不是很大时，一个零件切割完成时整块钢板还未来得及升温、热膨胀；或者虽然有局部的升温，但热膨胀受到周围室温状态钢板的约束，此时切割的零件尺寸比较精确。随着切割零件的增多，热量的不断输入，钢板温度不断升高，热膨胀量也不断增大。如果不给割缝补偿k 加上一个单侧热膨胀补偿量t ，那么再切割的零件冷却至室温测得的尺寸与第一个切割零件测得的尺寸就会有偏差，且偏差会随着钢板热膨胀量的增大而增大，直至趋于平衡（即切割的热输入与钢板的散热达到一个基本平衡） 。这是由于钢板在不同温度下产生的热膨胀量不同，导致了钢板的体积变化，
10、而对割缝补偿 k 不加以修正（增加热膨胀补偿量 t ）则切割轨迹就不会变化，那么切割的零件冷却后体积就会缩小，尺寸当然就变小了。（2）切割路径选择的影响保证零件切割尺寸的另一个关键就是切割路径的选择。如果切割路径选择不好，就不可能切割出高精度的零件。例如，要在一张较大钢板上切割R200mm 的圆法兰。方案一选择的切割路径为切割引入线ABCDA（如图 1 所示） ， 方案二选择的切割路径为切割引入线BADCB （如图 2 所示） 。 这两种方案在切割过程中R200mm 的圆法兰与整张钢板的连接刚度随切割点的前进都在降低，但方案一中的连接刚度在切割点到达D 点时已降至很低，从而无法保证DA 段切割
11、的刚度，故零件尺寸无法保证。方案二切割过程中的连接刚度在BADC 段都比较高， 只有在接近 B 点时连接刚度才迅速降低，但到达B 点时零件的切割也随之完成，故零件尺寸能够得到保证。2. 解决措施（1）对于长短径比相差不大的零件， 其各个方向的热膨胀量基本一致，故只需给割缝补偿k 加上一个单侧热膨胀补偿量t 即可 （具体数据可视零件大小、钢板厚度等，通过计算、试验或凭操作经验来确定）。（2）对于长短径比相差较大的零件，其各个方向的膨胀量也就相差很大，故不能仅给割缝补偿k 加一个单侧热膨胀补偿量t 就可以保证切割零件的尺寸。而应给割缝补偿 k 加一个短径方向的单侧热膨胀补偿量t1，同时长径方向的热
12、膨胀补偿量与短径方向的热膨胀补偿量的总差值即2（t2t1） 应直接在切割程序上进行增加，这样才能保证切割零件的尺寸精度。（3）如果操作工对钢板热膨胀量的控制不熟悉或没有足够的经验，也可以采用物理降温的办法（如循环冷却水、冷却液等）对切割工件进行跟踪冷却和降温，使切割钢板尽量处于接近室温的状态，使钢板的热膨胀量得到控制，从而使切割零件的尺寸得以保证。但只有当钢板的淬硬倾向不大，或微量淬硬对产品质量是允许的情况下才能采用这种方法。（4）在切割过程中，无论选择何种切割路径，在零件切割接近完成点以前都必须使零件与钢板之间具有足够的连接刚度，才能保证零件的切割尺寸和精度。因此，无论采用哪种切割方法和措施
13、，都要结合自身的实际情况综合考虑和分析，才能切割出精度高的零件。三、参考文献：陈国华 .机械机构与应用 .北京.机械工业出版社， 2008 林清安 .Pro/Engineer零件设计 .北京.清华大学出版社， 2002 林清安 .Pro/Engineer装配设计 .北京.清华大学出版社， 2002 程大先等 .机械设计手册 .北京.化学工业出版社， 2008 龙震工作室 .Pro/Mechanism Wildfire 3.0/4.0机构/ 运动分析 . 北京. 电子工业出版社， 2008 于惠力向敬忠 张春宜 机械设计科学出版社 2006指导教师审查意见：指导教师签字：2011 年月日指导委员会意见审核意见：组长签字：2011 年月日
