机械加工工艺优化

焊接工艺设计人员除了需要了解企业设备情况、生产情况、技能人才情况外，还必须了解与焊接相关的机械加工方法，冷作钣金工艺等内容，才能编制经济合理实用的备料工艺。

一、母材的准备

母材受外力、加热等因素的影响，表面会产生弯曲、扭曲、波浪等变形；另外，因存放不当或其他因素的影响，表面也会产生铁锈、氧化皮等。这些都将影响零件和产品的质量，所以必须对母材进行预处理及矫正。

1.母材的预处理

采用机械法或化学法对母材的表面进行清理的过程称为预处理。预处理的目的是把母材表面的泥沙、尘土、铁锈、油污、氧化皮等清理干净，为后续加工做准备。通常可以采用手工或风动钢丝刷或砂轮等方法清理母材表面，这是小型车间经常使用的方法。大量生产的企业，则采用机械装置或化学法进行预处理，这种方法清理后的耐蚀性寿命要长好几倍。所以母材预处理对提高产品质量，延长产品寿命，减少环境污染具有重要意义。为了防止零件在加工过程中再次被污染，一些预处理工艺还要在表面清理后进行喷涂保护底漆。

（1）机械除锈法

机械除锈法是指采用机械装置进行除锈处理，并以实现多级联合自动化流水生产。

1）喷砂法　目前广泛用于钢板、钢管、型钢及各种钢制件的预处理方法，不但能清除工件表面的铁锈、氧化皮等各种污物，而且能使钢材表面产生一层均匀的粗糙表面。

2）弹丸法　多用于零件或部件的整体除锈，效率不高。它是利用在导管中高速流动的压缩空气气流，使铁丸冲击金属表面的锈层，达到除锈的目的。

3）抛丸法　是利用专门的抛丸机将铁丸或其他磨料高速地抛射到钢材的表面上，以消除母材表面的氧化皮、铁锈和污垢。

钢材经喷砂或抛丸除锈后，随即进行防护处理，其步骤为:

①用经过净化的压缩空气将原材料表面吹净。

②涂刷防护底漆或侵入钝化处理槽中，做钝化处理，用10%磷酸锰铁水溶液处理10 min，或用2%亚硝酸溶液处理1 min。

③将涂刷防护底漆后的钢材送入烘干炉中，用70℃的热空气进行干燥处理。

（2）化学除锈法

化学除锈法是利用除锈液在室温条件下对钢材上的锈层和氧化皮产生溶解、渗透、剥离作用，使锈层和氧化皮很快溶解和脱落。这种方法效率高，质量均匀且稳定，但成本高，对环境造成一定的污染。

化学处理法一般分为酸洗法和碱洗法。酸洗法可除去金属表面的氧化皮、锈蚀物等污物；碱洗法主要用于去除金属表面的油污。此工艺过程，一般是将配制好的酸、碱溶液装入槽内，将工件放入浸泡一定时间，然后取出用水冲洗干净，以防止余酸的腐蚀。

2.母材的矫正

钢材在轧制、运输、装卸和堆放过程中，由于自重、支撑不当，或装卸条件不良及其他原因，可能会产生弯曲、扭曲、波浪及表面不平等变形。当这些变形超过一定程度时，会给尺寸的度量、划线、裁剪及其他加工带来困难，而且会影响到成形零件的尺寸和几何形状的精度，从而影响到装配、焊接和整个产品的质量。所以，划线、下料前应予以矫正。矫正的方法可分为冷矫和热矫两种，本设计采用冷矫，使用七辊式中厚板矫平机，原理图如图6-15所示。

图6－15　七辊矫平机矫正原理

二、母材加工工艺

1.切割

棒料、管材适应锯削加工，管材也适应车削加工，板材常用火焰切割、等离子切割、激光切割等工艺方法。

下面介绍等离子切割、激光切割工艺:

（1）等离子切割

1）等离子切割的原理

等离子切割是利用高温高速等离子弧，将切口金属及氧化物熔化，并将其吹走而完成切割过程。等离子切割属于熔化切割，利用高温等离子焰来熔化被切割工件，并借助焰流的机械冲击力把熔融金属强行排除而形成割缝。

2）等离子切割的特点

①适用范围广。能量集中，温度高，可切割任何高熔点的金属和非金属材料。

②切割质量高。由于等离子弧柱较细，冲刷力大，所以它切口窄小，边缘平滑整齐。

③切后变形小。因切口窄小，产生的热影响区很小，所以不会产生气割时出现的边缘淬裂、淬硬或变形较大等现象。

3）等离子切割机的组成

常用等离子切割机主要有以下几部分组成。

①割电源

通常采用陡降外特性的直流电源。有专用切割电源和普通直流弧焊机串联使用作为切割电源。与等离子弧焊接不同的是切割电源具有较高的空载电压（150～400 V），而焊接电源空载电压约为65～120 V。

②控制箱

主要有:程序控制器、高频振荡器、电磁气阀及各种控制元件。

其作用是:完成引弧提前送气，滞后停气，通水及切断电源等动作。在切割过程中，实现规范参数的调节。

③气路系统

主要作用:防止钨极氧化，压缩电弧和保护喷嘴不烧损；供气系统的好坏直接影响着切割质量的高低，所以要求供气系统:气路畅通，压力要适中（2.5～3.5 kgf/cm2）。

④水路系统

切割时，割炬处在10 000℃以上的高温下工作，为保证喷嘴不被烧坏和切割的正常进行，就须通以循环水。为了及时稳定的供水，要求水压在（1.5～2 kgf/cm2），并在水路上安装水压开关，以控制电路的工作。

⑤割炬

主要由:上、下枪体和喷嘴三部分组成。在这三部分中，喷嘴是割炬的核心部分，也是产生等离子弧的关键零件。它的结构形式是否合理，几何尺寸是否正确，直接影响着电弧压缩程度的大小和能否稳定燃烧；直接关系到切割能力、质量和喷嘴的使用寿命。

（1）激光切割

1）激光切割原理

激光切割是采用激光束照射到工件表面时释放的能量来使工件熔化并蒸发而实现切割。激光切割时，由于激光束聚焦成很小的光斑，使焦点处的功率密度很高，此时激光束输入的热量远远超过被材料反射、传导或扩散的部分，材料很快被加热至熔化、蒸发形成孔洞；随着光束与材料相对线性移动，使孔洞连续形成宽度很窄的切缝。

激光切割特别适合于难以用机械方法切割的材料，比如极硬和脆性材料。

2）激光切割的主要特点

①激光切割的切缝窄，工件变形小，切口精度高。

②光切割是一种高能量密度、可控性好的无接触加工。

③激光切割具有广泛的适应性和灵活性。

3）激光切割的主要工艺

①汽化切割

在高功率密度激光束的加热下，材料表面温度升至沸点温度的速度是如此之快，足以避免热传导造成的熔化，于是部分材料汽化成蒸汽消失，部分材料作为喷出物从切缝底部被辅助气体流吹走。一些不能熔化的材料，如木材、碳素材料和某些塑料就是通过这种汽化切割方法切割成形的。

②熔化切割

当入射的激光束功率密度超过某一值后，光束照射点处材料内部开始蒸发，形成孔洞。一旦这种小孔形成，它将作为黑体吸收所有的入射光束能量。小孔被熔化金属壁所包围，然后，与光束同轴的辅助气流把孔洞周围的熔融材料带走。随着工件移动，小孔按切割方向同步横移形成一条切缝。激光束继续沿着这条缝的前沿照射，熔化材料持续或脉动地从缝内被吹走。

③氧化熔化切割

熔化切割一般使用惰性气体，如果代之以氧气或其它活性气体，材料在激光束的照射下被点燃，与氧气发生激烈的化学反应而产生另一热源，称为氧化熔化切割。

④控制断裂切割

对于容易受热破坏的脆性材料，通过激光束加热进行高速、可控的切断，称为控制断裂切割。这种切割过程主要是:激光束加热脆性材料小块区域，引起该区域大的热梯度和严重的机械变形，导致材料形成裂缝。只要保持均衡的加热梯度，激光束可引导裂缝在任何需要的方向产生。

2.车削

管材的切断、加工坡口常用车削。

3.铣削

大批加工板材的坡口适合铣削加工工艺方法。

在机械切削加工中，应用最为广泛的是在刨边机上进行的钢板的边缘加工和开坡口。

三、焊接母材的放样与划线

1.复检

（1）钢材复检:钢板复检:包括化学成分、各种力学性能、表面缺陷及外形尺寸（主要是厚度）的检验，采用抽检的方法，抽检率为20%。

钢管复检:内容包括钢管材质，圆度及型号，材料应具有质保书，标记齐全。

①按批号复检化学成分。②同一种规格的原材料，抽样进行晶间腐蚀倾向性试验。③凡具有特殊复检项目要求的还应按要求进行检验。

（2）焊接材料的复检:对焊丝，焊剂等焊接材料的熔敷材料的化学成分，腐蚀，金相进行检查。经检查和复检合格后，焊接材料应放在符合管理要求的焊接库，并由保管人员在明显的位置作出材料标记。

2.放样、划线与号料

（1）放样

所谓的放样是指根据构件的图样，按1∶1的比例或一定比例在放样台（或平台）上画出其所需要图形的过程。对于不同行业，如机械、船舶、车辆、化工、冶金、飞机制造等，其放样工艺各具特色，但就其基本程序而言，却大致相同。

1）放样工具

①放样平台　面积一般较大，以适应较大的产品或几种产品同时进行放样的需要。有钢质和木质两种，但普遍使用的是钢质，一般是由厚度12 mm以上的低碳钢板拼成。木质的一般使用70～100 mm厚的优质木材制成。放样平台应设在室内，光线要充足，便于看图和划线。

②量具　主要有钢卷尺、钢盘尺、钢直尺、90°角尺、平尺等。

③其他工具　在钢板上进行放样划线时，常用的工具还有划针、圆规、地规、粉线等。

2）放样方法

放样方法是指将零件的形状最终划到平面钢板上的方法，主要有实尺放样、展开放样和光学放样等。

①实尺放样　根据图样的形状和尺寸，用基本的作图方法，以产品的实际尺寸划到放样台上的工作。

放样前，应看清图样，分析结构设计是否合理，工艺上是否便于加工，并确定哪些线段可按已知尺寸直接划出，哪些需要连接条件才能划出。这些都应先确定放样基准，再确定放样程序。

②展开放样　把各种立体的零件表面摊平的几何作图过程。

构件的表面能全部平整地摊平在一个平面上，而不发生撕裂或皱折，这样的表面称为可展表面。属于这类表面的有平面立体、柱面和锥面等。可展表面的展开放样方法有平行线展开法、放射线展开法和三角形展开法。

有些构件表面不能自然展开摊在一个平面上，不可展表面有球面、正圆柱螺旋面等。这类表面通常采用计算方法，放样展开为近似平面。

③光学放样　光学放样是一种新工艺，方法是将构件图样按1∶5或1∶10的比例画在平台上，然后缩小5～10倍进行摄影。使用时，通过光学系统将底片放大10～100倍在钢板上划线。这种方法的优点是:减轻劳动强度、提高生产效率、图样易于保存等。但缺点是:要求作图精度高，放样工作者必须具备熟练的画图能力。

3）放样程序

一般包括:结构处理、划基本线型和展开三个部分。

①结构处理，也称结构放样，是根据图样进行工艺处理的过程，一般包括确定各连接部位的接头形式、图样计算或量取坯料实际尺寸、制作样板与样杆以及一些部件设计所需的胎具和胎架。(www.xing528.com)

②划基本线型是在结构处理的基础上，确定放样基准和划出工件的结构轮廓。

③展开是在划基本线型的基础上，对工件上不能反映实形的立体部分，运用展开的基本方法将构件的表面摊开在平面上，从而求出实形的过程。

（2）划线

所谓的划线是根据设计图样上的图形和尺寸，按1∶1的比例在待下料的钢材表面上划出加工界线的过程。是在结构制造中较为细致的工作，要求所划的零件尺寸和形状正确，并合理地使用钢材。所以划线前要看图样，明确零件的尺寸、形状和技术要求等。

1）基本规则

①垂线须用作图法。

②使用划针或石笔划线时，应紧抵直尺或样板的边沿。

③使用圆规在钢板上划圆、圆弧或分量尺时，应先打上样冲眼，以防圆规尖滑动。

④平面划线要先划基准线，后按由外到内，从上到下，从左到右的顺序划线的原则。

2）所用工具和方法

常用的工具有划线平台、划针、划规、角尺、样冲、曲尺、石笔及粉线等。

划线可分为平面划线和立体划线两种。平面划线与几何作图很相似，在工件的一个平面上划出图样的形状和尺寸，有时也可以采用样板一次划成。立体划线是在工件的几个表面上划线，即在长、宽、高三个方向上划线。

划线的准确度，取决于作图方法的正确性、工具质量、工作条件、作图技巧、经验、视觉的敏锐度等因素。

3）注意事项

①熟悉结构图样和工艺，根据图样检验样板、样杆、核对钢号、规格是不是符合要求。

②检查钢板表面是不是存在麻点、裂纹、夹层及厚度不均匀等缺陷。

③划线前应将材料垫平、放稳，划线时要尽可能使线条细且清晰，针尖与样板边缘间不要内倾或外倾。

④划线时要标注各道工序用线，并加以适当标记，以免混淆。

⑤弯曲零件应考虑材料轧制纤维方向。

⑥钢板两边不垂直一定要去边；对于尺寸较大的矩形，一定要检查对角线。

⑦划线的毛坯，要注明产品图号、件号和钢号，以免混淆。

⑧合理安排用料，提高材料利用率。

4）直线的划法

①直线长度小于1 m时可用直尺划线。划针尖或石笔尖紧抵钢直尺，向钢直尺的外侧倾斜15°～20°划线，同时向划线方向倾斜。

②直线长度小于5 m时用弹粉线法划线。划线时把线两端对准所划直线两端点，拉紧使粉线处于平直状态，然后垂直拿起粉线，再轻放。若线较长，应弹两次，以两线重合为准；或是在粉线中间位置垂直按下，左右弹两次。

③直线超过5 m的用拉钢丝的方法划线，钢丝取Φ0.5～Φ1.5 mm。操作时，两端拉紧并用两垫块垫托，高度尽可能低，然后用90°角尺紧靠钢丝的一侧，在90°下端定出数点，再用粉线以三点弹成直线。

5）大圆弧的划法

放样或装配有时会碰上划一段直径为十几米甚至几十米的大圆弧，所以，用一般的地柜和盘尺已难以完成，只能采用近似几何作图或计算法作图。计算法比作图法准确，一般采用计算法求出准确尺寸后再划大圆弧。

（3）号料

成批生产和重复次数较多时，为提高生产率、节约原材料，常做成样板，用样板进行划线，即号料。

1）号料方法

常用的方法有样板号料和草图号料。图形比较复杂、曲线较多时，常用样板号料从而提高质量和效率。形状比较规则的矩形板、肋板等，则按草图号料或按号料卡片直接在钢板上号料。也可用样板号料和草图号料结合的方法。修理金属结构产品零件或零件的局部时，也可以采用实物号料。

还有一些自动号料方法，例如利用照相原理将感光材料涂刷或喷洒在钢板上，经曝光、显影、定影后，使线条部分的感光材料固着在钢板上以代替手工划线。另外还可利用电子计算机技术将图形通过数学表达式输入数控自动绘图机绘出图形等。

2）样板的制作

展开图完成后，就可以为下料制作样板，下料样板又称号料样板。焊接产品批量大，每一个零件都去作图展开，效率会太低，而利用样板不仅可以提高效率，还可避免每次作图的误差，提高划线精度。实际生产中，样板一般用于板构件、样杆多用于型钢构件上。

样板按用途可分为划线样板和检测样板两类。划线样板按用途分为展开样板、划孔样板和切口样板等。

零件数量多且精度要求较高时，可选用0.5～2 mm的薄钢板制作。下料数量少、精度要求不高时，可用硬纸板、油毡纸等制作。

制作样板还要考虑工艺余量和放样误差，不同的划线和下料方法其工艺余量是不同的。

3）材料的充分合理利用

为了表示材料的利用程度，将零件的总面积与板料总面积之比称为材料的利用率。采用不同的排料方法会有不同的利用率。提高利用率的方法有集中号料法、长短搭配法、零料拼整法、排样套料法等。

集中号料法就是把不同尺寸的零件集中在一起，用小件填充大件的间隙，提高利用率。

长短搭配法适用于型钢号料。由于零件长短不一，而原材料又有一定的规格，号料时先将较长的料排出来，然后计算出余料长度，根据余料长度再排短料，从而使余料量最小。

零料拼整法是在工艺许可的条件下有意以小拼整。多用于尺寸较大的环形钢板件。

排料套料法，是利用零件的形状特点设法把它们穿插在一起，或者在大件的里边划小件，或者改变排料方案等方法使材料利用率提高。

为了节约用料，应事先选择合适的钢板规格。特别是制作大型圆筒容器，应在确定最佳方案后再选择钢板的规格。

四、钣金件制作工艺

钣金件制作工艺主要包含弯曲、放边、收边、拔缘、拱曲、卷边、咬缝、制筋等工艺。下面介绍与焊接母材成型工艺。

1.卷制：

采用对称式三辊卷板机来卷制钢板。

（1）预弯　采用对称式三辊卷板机弯卷钢板时，钢板两端各有一平直段无法弯卷。为使钢板都能弯曲成同一曲率，在卷板前要先将其两端弯曲成所需要的曲率，称为预弯。本次设计利用压力机预弯。

（2）对中　板料预弯后，放入卷板机上下辊之间进行辊卷前必须使板料的母材与辊的轴线平行，使板料的纵向中心线与辊的轴线保持相互垂直，即对中，其目的是防止钢板在滚卷过程中产生扭斜变形。

（3）卷圆　钢板对中后，即可用上辊压住板料并使之产生一定弯曲，开动机床进行滚卷。每滚卷一次行程，便适当下调上辊一次，这样经过多次滚卷就可将板料弯曲成所要求的曲率。在滚卷过程中要注意:随时用卡样板测量，看是否达到曲率要求，不可过卷量太多，因为过卷要比曲率不足难以修正，且易使金属性能变坏。在冷卷时要考虑到回弹的影响，必须施加一定的过卷量。当卷制达到曲率要求时，还应在此曲率下多卷几次，以使其变形均匀和释放内应力，减少回弹。卷板机辊子的位置关系如图6-16所示。

图6－16　卷板机工作原理图

2.弯曲成形

板材的弯曲一般是在压力机或卷板机上进行的，统称为压弯和卷弯。

（1）板材弯曲工艺

1）最小相对弯曲半径R min

又称最小弯曲系数，是衡量弯曲件变形程度的主要标志。是弯曲件的内角半径r与板料厚度δ的比值，即R min＝r／δ。R min值越小则变形程度越大，工件就越容易在外层开裂。

最小相对弯曲半径R min与材料的力学性能和热处理状态等有关，而且板材的平面方向性、侧面和表面质量也都有重要影响。

2）冷压弯时的回弹

在实际生产中，回弹是影响弯曲件质量的主要因素，应采取增加工件刚性、提高材料塑性、修正模具、加压矫正法、缩小模具间隙、拉弯法等相应的技术措施加以预防。

（2）管材弯曲

1）管子的冷弯方式　分为手动弯管和机动弯管两种。其冷弯方式有:挤弯、弯管机弯管、滚弯和压弯。

2）冷弯的条件

①薄壁管:壁厚与管子中径之比＜0.06时；

②管子弯曲半径:一般不小于管子外径的三倍；

③管径＜φ108 mm时，多采用冷弯。

3）管子的热弯　热弯时的温度:碳钢、低合金钢:800℃～1 000℃；不锈钢:1 000℃～1 150℃。

（3）型钢的弯曲

型材包括:角钢、槽钢、工字钢、T型钢、圆钢和扁钢等。

①型材弯曲时的变形

除圆钢和扁钢外，其他型材在弯曲时，由于重心线与力的作用线不在同一平面上，型材除受弯曲力矩外，还受到扭曲的作用。因此，型材的断面会发生畸变。型材弯曲时，中性层以外的材料由于受拉而产生翘曲变形；中性层以内的材料由于受压而产生折皱变形。

②最小弯曲半径R min

最小弯曲半径就是使型材最外侧材料在拉力作用下，临近发生撕裂时的弯曲半径。它与材料的性能、热处理状态及表面状态等因素有关。

③型材的弯曲方法

型钢的冷弯多数为机动弯曲。

3.开坡口

（1）工艺方法

①坡口精度是影响焊接质量的重要原因，调节好等离子切割机切割头的角度，找同等厚度的废板试加工，检查是否满足要求，然后再进行正式板材坡口加工。

②管材坡口加工　利用车床进行坡口加工。

（2）切割步骤

①启动空气压缩机，打开出气阀，启动切割机电源，把检气开关打到“检气”位置，当空气从割炬喷嘴喷出时，调整好切割压力，再把“检气”开关打到“切割”位置。

②调整好切割电流。

③准备切割钢板，垫平，并预留一定间隙（视切割机要求而定）。

④调整好割炬角度，从钢板边缘开始，打开开关，开始切割，等形成切口后，割炬向前移动，直至切割完毕，关闭开关，将割炬离开钢板。

（3）切割后清理

坡口不规则也是熔深不足和焊缝不整齐的原因，坡口加工完成后进行清渣，对坡口周围20 mm范围内进行清理，露出金属色泽。操作结束后必须整理工具、设备，关闭电源，清理打扫场地，做到安全文明生产。