第3讲-第3章零件的加工工艺①钢材准备

第3章零件的加工工艺本章以压力容器类焊接结构零件的加工制作为主线，按照其加工工序的先后，详细介绍其加工工艺内容、加工设备和注意事项；在讲授过程中，辅以其他类型焊接结构零件的制作工艺和要求。3.1钢材准备－①3.1.1钢材加工概述3.1.2钢材的表面预处理3.1.3钢材的矫正3.1钢材准备－①本讲内容提要：1.零件加工的目的、要求、特征、类型和方法；2.冷、热加工的优缺点，加工硬化的概念及预防和消除加工硬化的措施；3.常用金属材料热加工温度范围；4.钢材矫正的概念、原理、方法与设备；5.钢材的表面预处理一节安排自学。3.1.1钢材加工概述㈠钢材的复检焊接结构使用的金属材料主要是板材和型材。为了确保构件质量应有质保书，对于重要结构在使用前应对每一批钢材进行必要的化学成分和力学性能复检，还应检验金属材料的表面和内部质量（如夹层、砂眼等）。部分构件的金属材料还要进行金相组织的复检，以保证其牌号所规定的、质保书上所保证的要求。3.1.1钢材加工概述㈡零件加工的目的、要求及特征零件加工是对各种轧制钢材进行的一系列加工。⑴零件加工的目的（作用）①零件的加工，可检查图纸设计、结构形式和尺寸的正确性与合理性；②按图样技术条件和工艺规程要求加工零件，为后期装配—焊接提供方便。3.1.1钢材加工概述⑵零件加工应满足的要求①要保证零件加工尺寸、形状的准确性和相应的加工精度；必须符合技术条件上的公差要求，并不产生产品质量要求中所不允许的各种缺陷。②加工过程中，要注意保持材料的原有性能(力学性能、焊接性、使用性能、...)。3.1.1钢材加工概述⑶零件加工的特征（零件加工工艺特点）根据加工目的和要求及钢材自身的特点和结构特点，焊接结构的零件加工具有一些不同于机械加工及其它产品零件加工的特征，主要有以下几点：①钢材的加工都属只改变工件尺寸和形状而不改变其基本性质的物理加工；因而简化了加工内容、缩小了加工范围，为焊接结构生产提供了有利条件。②钢材的加工是以现成截面的型材为坯料，并且是在不改变截面特征情况下的加工；3.1.1钢材加工概述③需用大功率、大规格的通用或专用加工设备和起重运输设备；④此种加工属多种工艺内容、多种加工方法、多工种的综合性加工。3.1.1钢材加工概述㈢零件加工基本类型根据钢材加工对工件所产生的作用和加工的结果的不同，可将钢材的加工划分为两种类型：⑴变形加工⑵分离加工⑴变形加工无论通过何种方式，使作用在工件单位面积上的外力超过材料的屈服强度，而又不破坏材料的连续性，使之产生永久变形(即塑性变形)的加工方法。如：钢材加工中的矫形、弯曲、卷圆、压制成形等。3.1.1钢材加工概述⑵分离加工作用在工件单位面积上的外力超过了材料的抗拉强度，使之发生断裂而造成材料的一部分与另一部分分离的加工。如剪切、冲孔、边缘加工、钻孔等属此类加工。当σ＞σb时(外力使材料达到极限应变εmax)，材料产生断裂称之为分离加工。3.1.1钢材加工概述焊接结构制造过程中，金属材料应具备：较高的伸长率和韧性，较低的屈强比和时效敏感性。一般说来：低碳钢：伸长率δ≥16％，屈强比σs/σb≤70％；低合金钢：伸长率δ≥14％，屈强比σs/σb≤80％。否则，材料的加工性能较差，不易保证加工质量，需要采取相应的工艺措施，以提高加工性能。3.1.1钢材加工概述㈣零件的加工方法⑴冷加工──在常温下进行的各种加工。⑵热加工──将工件加热在高温状态下的各种加工，多用于变形加工的构件。⑶温加工──介于冷、热加工之间的一种工艺方法。3.1.1钢材加工概述⑴冷加工──在常温下进行的各种加工。冷加工的优点：①不加热，无氧化皮产生，金属无烧损，节省能源，费用低；②工艺过程简单，操作方便，生产条件好；③工件成形准确，加工质量好，不易造成压伤和划伤缺陷。3.1.1钢材加工概述冷加工的缺点：①材料变形抗力大,需要较大功率的加工设备来完成;②加工硬化现象严重。★加工硬化的概念金属经塑性变形后，其强度指标增加，而塑性指标降低，变形抗力增加的现象称之为加工硬化。3.1.1钢材加工概述★避免和消除加工硬化的方法①合理选择加工工艺(预防措施)使被加工件受力均匀,变形一致,控制变形速度，避免在塑性变形低的温度区间加工，防止脆断。一般在脆性转变温度以上进行。碳素钢在20℃以上，冬季应预热到60～150℃。3.1.1钢材加工概述②对产生加工硬化的构件和材料，应用热处理的办法来消除，以恢复和改善钢材的力学性能。③局部边缘加工硬化可采用再加工的办法加以消除。如剪切产生的加工硬化可用刨、铣等方法消除；冲孔产生的加工硬化可用扩孔的方法消除。应注意下料时应留取相应的加工余量。3.1.1钢材加工概述④适当控制钢材的变形程度变形程度越大，加工硬化越明显。对平板来说，同样直径，厚度大者；同样厚度，直径小者则制成圆筒的变形程度越大。变形程度一般用变形率来表示。通常按受拉部分最外层纤维的伸长率ε来计算，如：圆柱体：)%1(500RRR3.1.1钢材加工概述球形、碟形表面：式中δ──钢板厚度(mm);R──截面重心层弯曲后曲率半径(mm);R。──截面重心层原始曲率半径(mm)。)%1(650RRR3.1.1钢材加工概述不同材料加工时允许的变形率不同。锅炉和压力容器的受压壳体符合下列情况可以进行冷加工:碳素钢：δ≤20mm,或δ＞20mm,而ε≤5%；合金钢：ε≤3％。但为了安全起见，ε一般多控制在2.5%～3%范围内。3.1.1钢材加工概述⑵热加工──将工件加热在高温状态下的各种加工，多用于变形加工的构件。★热加工的优点①高温下强度降低，塑性增大，变形抗力减小，设备动力和人力消耗降低；②使冷态下不可能加工或难以加工的构件变得可能或容易加工,且不易断裂;③热加工可以通过再结晶消除内应力,避免产生加工硬化。3.1.1钢材加工概述★热加工的缺点①钢材或工件的加热需增添设备，会大量消耗人力、物力和财力；②工艺过程复杂，要求较高的操作技术，生产周期延长；③产生大量氧化皮，易造成表面的压痕或烧损，影响表面光洁度；④高温作业生产条件差，劳动强度高。基于上述四条缺点，一般情况下，只对冷加工条件不足或不允许冷加工的工件进行热加工。3.1.1钢材加工概述★热加工方法①局部加热法──时间短，节省能源，不需大型加热设备。多用于管件型钢件弯曲时的局部加热。Ａ.气体火焰加热：设备简单，加热面积小；不均匀，温度难以控制。Ｂ.开式炉加热：加热质量好，温度便于控制。3.1.1钢材加工概述②整体加热法──将整个工件放在炉中加热，热量均匀，温度控制准确；但设备较大、时间很长。多用于封头曲面厚板的压制。在热加工时要注意防止产生“热脆”和“过热”现象。常用材料的热加工温度范围见表3-2。3.1.1钢材加工概述★热脆──当加热温度接近金属熔点时，由于晶界被氧化，晶粒间的结合力被削弱，使材料塑性降低或完全丧失，在外力作用下，很容易产生破裂的现象。★过热──因加热温度过高或高温停留时间过长致使材料晶粒长大引起机械性能下降的现象。3.1.1钢材加工概述⑶温加工──介于冷、热加工之间的一种工艺方法。低碳钢一般在500～600℃之间。温加工适用于冷加工困难而又不宜采用热加工的材料。由于温加工只解决了冷、热加工的部分困难，并不能解决加工中出现的主要难题，仍需一些补充措施来解决，所以温加工在生产中应用并不广泛。3.1.2钢材的表面预处理因学时所限，本小节内容安排自学。P41-43钢材的表面预处理---表面除锈机械除锈法—喷丸化学除锈法—酸洗3.1.3钢材的矫正㈠矫正的概念矫正又称为矫形，就是使钢板或工件在外力的作用下产生与原来变形相反的塑性变形，以消除弯曲、扭曲、皱折、表面不平等变形，从而获得正确形状的过程。对钢材进行的矫平或矫直统称为矫正。对每一个工件或产品来说，是否需要进行矫形，是一次矫形还是多次矫形，将依钢材及工件的变形情况和工艺要求而定。3.1.3钢材的矫正㈡矫正原理钢材的任何变形都是由于钢材在外力的作用下其局部发生塑性变形使某一部分纤维被拉长，而另一部分纤维被压缩而造成的。因此，矫正的实质就是将被拉长的纤维缩短或将缩短的纤维拉长，以恢复原状，或是使其它部分的纤维也拉长或缩短，产生与局部纤维相同的变形，从而达到矫正的目的。3.1.3钢材的矫正凡是变形超过技术要求的钢材，在划线、号料以前必须进行矫正。一般钢材下料前的允许偏差值见表3-4。3.1.3钢材的矫正㈢矫正方法与设备⑴矫正方法分类★按工件加工过程分①钢板的矫正──划线下料加工之前对钢板进行的矫平工序；②半成品矫正──钢材加工过程中，因受力不均匀或其它原因造成工件变形，为不影响工件的进一步加工所进行的工序间的矫正；③成品的矫正──在装配焊接之后，对装焊过程中产生的各种变形进行的矫正，如吊车梁的焊后矫形。3.1.3钢材的矫正★按矫正时温度的不同分①冷矫正──是应用最广泛的一种矫正方式;②热矫正──当材料塑性较差或变形较严重或因采取冷矫设备能力不足时使用。★按操作方法的不同分①手工矫正；②机械矫正；③火焰矫正。3.1.3钢材的矫正⑵各种矫正方法及设备①手工矫正手工矫正是一种原始的较笨重的矫形方法。一般多用在厚度小(3mm以下)、数量少的小块板材矫正。3.1.3钢材的矫正手工矫正原理：如图3-3和图3-4所示。图3－3钢材突起部位矫正顺序示意图3.1.3钢材的矫正图3－4手工矫正马刀形变形3.1.3钢材的矫正手工矫正的特点：A.操作灵活，适应性较强；B.生产效率低，矫平质量差(工件表面易留下锤痕,被锤击处力学性能发生变化);C.劳动强度大，噪音大，不安全。3.1.3钢材的矫正②机械矫正按加力方式和对工件的作用，机械矫正分为：Ⅰ张力矫正法(在拉伸机上进行);Ⅱ弯曲矫正法(在压力机上进行);Ⅲ辊轧矫正法(在多辊矫平机上进行)。应用最普遍的是辊轧式矫正法。3.1.3钢材的矫正★辊矫原理多辊式矫平机主要用于矫平钢板。矫平时，钢板在矫平机上下辊压力的作用下，经多次反复弯曲，使钢板得到均匀的拉伸，多种原始曲率逐渐趋向单一，并不断减小，最终得以矫平。3.1.3钢材的矫正★影响矫平效果的主要因素a．矫平机辊间距t:t↑，所需矫平力f↓，但矫平效果较差；t↓，f↑，矫平效果↑，辊子磨损↑。b.矫平机辊直径D:D＝(0.9～0.95)t,并按被矫板的强度、最大厚度和宽度进行校核。c.辊数n:n↑,矫平精度↑,但矫平机结构越复杂。3.1.3钢材的矫正d.矫平次数N:矫平次数的多少取决于被矫材料的应力度系数。式中E──材料的弹性模量;δ──材料厚度;σs──材料的屈服极限;γ──矫正曲率半径。a↑,越容易矫平。一般当a＝1时,无法矫平;a＝3～6时,三次才能矫平；a＞6时,一次即可矫平。对于高强钢a≥10为好。sEa2＝3.1.3钢材的矫正★板材矫平机图3-5多辊矫平机3.1.3钢材的矫正③火焰矫形★火焰矫正机理金属大多具有热胀冷缩的特性。因此，在对钢板翘曲部位进行局部加热时，就会产生膨胀，当金属被加热处受到来自四周的压缩力超过受热金属的屈服极限时，变形部位就会受到挤压；同时，加热部位在冷却时会产生巨大的收缩力，使钢板在热应力作用下恢复原来形状。3.1.3钢材的矫正★火焰矫形方法一般多使用气焊或气割的大号焊炬或割炬或特制火焰矫形枪；采用中性氧－乙炔焰或其他气体火焰作为加热源。加热温度的高低取决于工件厚度、材质、结构形式和变形量的大小。一般为600～900℃，即使钢板达到红热状态。加热区的大小和数量依完全得到矫正为据。如图3－9所示。3.1.3钢材的矫正图3－9火焰矫正3.1钢材准备－①小结：应掌握内容：1.零件加工的基本类型；2.钢材加工硬化的概念及避免和消除加工硬化的措施；3.钢材、半成品矫正的原理、方法和设备；了解：1.钢材检验的目的、内容和方法；2.钢材表面处理的目的和方法。