Предварительная обработка проката

Поступающий на судостроительные заводы прокат, как правило, имеет отклонения от плоскостности (листы) или прямолинейности (балки профиля), величины которых часто превышают допускаемые (до 3 мм/м и до 10 мм на всю длину проката). Отклонения обусловле­ны неравномерным обжатием листов при их горячей прокатке на ме­таллургических заводах и последующим неравномерным охлаждени­ем листов и профилей, деформированием в процессе перевозки и многочисленных грузовых операций.

Подобные отклонения ведут к погрешностям при изготовлении де­талей. Поэтому в КОЦ обработку проката начинают с предваритель­ной правки, которая заключается в создании в укороченных волокнах проката деформаций растяжения. Исходя из способа получения таких деформаций, существуют способы правки изгибом и растяжением.

Правку изгибом выполняют в основном на валковых листоправиль­ных машинах, основные элементы которых представлены на рис. 1. Лист за счет сил трения затягивается между двумя рядами валков правильной машины и многократно изгибается между ними, отчего укороченные волокна растягиваются.

Число проходов зависит от ис­ходного состояния и толщины проката, квалификации рабочего и не превышает пяти. Степень изгиба проката при правке определяется ве­личиной зазора между нижними и верхними рабочими валками, за­висящего от марки материала (его пластичности), толщины, соотно­шения длины и ширины листа, величины имеющейся местной погиби. Зазор устанавливают перемещением траверсы станка.

Передний направляющий валок обеспечивает ввод листа в вальцы, а задний — горизонтальность выходящего листа. Для правки листов толщиной свыше 6 мм обычно применяют 5 или 7 валковые машины, для листов меньшей толщины — 9-11-валковые. В отдельных случаях предварительную правку листов можно выполнять в листогибочных вальцах и на прессах.

Правку растяжением осуществляют на правильно-растяжных ма­шинах. Для материалов с отношением σ_в/σ_т>1, 2 она возможна без опасности разрушения металла. Прокат закрепляют по торцевым кром­кам в зажимных губках машины. Под действием гидравлического уси­лия они раздвигаются, растягивая прокат на 1-2% его длины и устра­няя неплоскостность или непрямолинейность практически за одно приложение нагрузки. Производительность по сравнению с правкой в валковых машинах воз­растает в 6-8 раз.

Основной недостаток способа — по­вреждение поверхности про­ката насечкой от зажимных губок, что требует отрезки поперечных полос проката длиной до 300 мм (глубина захвата) с каждого конца за­готовки.

Профильный прокат пра­вят на горизонтально-гибоч­ных прессах, а также на растяжных машинах, роликовых правильных машинах. Для профильного проката допускается местная волнистость до 2 мм/м, но не более 8 мм на всю длину.

Прокат, поступающий на судостроительный завод, покрыт слоем окалины и пятнами ржавчины, а также имеет загрязнения. Окалина образуется при горячей прокатке стали. Ржавчина — результат хране­ния металла на открытом воздухе. И окалина и ржавчина по химиче­ской природе являются окислом железа. Для дальнейшей обработки прокат необходимо очистить и покрыть антикоррозионным составом, защищающим металл от коррозии на весь межоперационный период. Основной способ очистки проката толщиной свыше 4 мм — механиче­ский. Для проката меньшей толщины применяют химическую очистку.

Механическую очистку дробеметным способом выполняют на по­точной линии, имеющей также позиции нанесения антикоррозионно­го покрытия и сушки окрашенной поверхности. Существуют линии, работающие при вертикальном и горизонтальном положении листа В процессе очистки. Схема линии приведена на рис. 2. Подачу прока­та на линию осуществляют поперечной транспортной системой 1, куда он укладывается перегружателями или кранами.

Далее по рольгангу 2 прокат поступает в камеру предварительной сушки 3, где его нагрева­ют газовыми горелками до 34-40°С. Жировые загрязнения при этом сгорают. Нагрев ослабляет связь окалины с основным металлом, так как они имеют разные коэффициенты линейного расширения. По про­межуточному рольгангу 4 прокат поступает в дробеметную камеру, где на поверхность листа из турбинок дробеметной камеры 5 со скоростью до 80 м/с выбрасывается чугунная или стальная дробь диаметром 0,5-2,5 мм.

Сбиваемые окалина, ржавчина и отработанная дробь попа­дают в сепаратор, где дробь отделяется и поступает для повторного ис­пользования, а частицы измельченных окалины и ржавчины отсасыва­ют воздухом и удаляют. По промежуточному рольгангу 6 прокат подается в окрасочную камеру 7 для нанесения антикоррозионного покрытия и далее в камеру сушки 8 и по выходному рольгангу 9 — в зону действия поперечной транспортной системы 10.

Поточные линии с горизонтальным расположением листа исполь­зуют и для обработки профильного проката (рис. 2, б). Скорость дви­жения проката на линиях 1-3 м/мин, а годовая производительность 200-300 тыс. пог. м. Для профильного проката, если объем перераба­тываемого металла велик, устанавливают отдельные линии.

Химическую очистку тонких (толщиной менее 4 мм) листов выпол­няют травлением в 15-20% растворе соляной или серной кислоты в те­чение 1-3 ч в зависимости от марки материала и состояния поверхно­сти проката. Окислы в кислоте растворяются и после травления смываются проточной холодной водой, поверхность листов нейтрали­зуют в 3-5% растворе кальцинированной соды в течение 3-5 мин и окончательно промывают водой.

На очищенные поверхности наносят фосфатирующий раствор, а после его сушки — раствор олифы в уайтспирите. Такое покрытие защищает металл на срок до 3 месяцев. По срав­нению с механической химическая очистка имеет тяжелые и опасные условия труда, трудности с утилизацией отходов, поэтому осуществ­ляется только при необходимости работы с большими объемами тон­колистового металла.

Предварительной обработке подвергают весь поступающий на за­вод прокат, после чего в зависимости от вида резки он направляется на разметку или на тепловую резку на машинах с ЧПУ, т. е. на основные операции обработки.

Разметка и маркирование деталей

При разметке на прокат наносят контуры деталей в натуральную ве­личину с учетом припусков на обработку, а также базовые и контрольные линии и линии притыкания смежных деталей. Одновременно детали маркируют. Разметку деталей выполняют в тех случаях, когда преду­сматривается механическая резка, тепловая ручная или резка перенос­ными машинами. Существует разметка ручная по эскизам и по шабло­нам, на машинах с ЧПУ. Сохранилась еще и фотопроекционная разметка.

По эскизам размечают простейшие листовые детали с прямолиней­ными кромками, без внутренних или кромочных вырезов. Все необхо­димые построения разметчик выполняет на листе. Прямые линии про­черчивают чертилкой по металлической линейке и отбивают для большей заметности намеленной ниткой. Размеры измеряют рулеткой не ниже второго класса точности. На металле разметку фиксируют кернением.

Разметка по шаблонам заключается в том, что разложенные на лис­те шаблоны деталей обводят чертилкой и затем линии кернят. Метод более точен и требует меньших затрат по сравнению с разметкой по эс­кизам, однако необходимо обеспечить изготовление и хранение шаб­лонов, поэтому его целесообразно применять при изготовлении боль­шого количества одинаковых деталей.

Детали из профильного проката размечают и маркируют по эскизам.

При изготовлении все детали корпуса маркируют, нанося основную, дополнительную и вспомогательную марки. Основная марка включает заводской номер строящегося заказа, марку стали, номер рабочего Чертежа секции и номер детали. Дополнительная марка содержит ори­ентирные надписи (нос, корма, верх, левый борт. ДП и т. п.), номера шпангоутов, указания по обработке кромок, величине припуска при гибке.

Вспомогательная марка состоит из общих указаний, например, «вырез вскрыть после сборки». Маркируют и так называемые деловые отходы — часть листа, не занятую деталями. Деловые отходы в даль­нейшем могут использоваться для изготовления деталей другого тех­нологического комплекта. Маркирование выполняют вручную спе­циальными маркерами.

Для автоматизации маркирования деталей в судостроении было разработано несколько машин с ЧПУ. Машины АМУ-62 и «Символ» наносили маркировку соответственно пневмокерном и пневмозубилом. Газолазерные машины наносят маркировку методом скрайбирования — образования на поверхности металла канавок за счет расплавления металла лучом лазера и последующего удаления расплава струей газа.

На многих предприятиях машины с ЧПУ для тепловой резки осна­щают специальными разметочно-маркировочными устройствами с ис­пользованием:

• Плазменного маркировщика, включающего источник тока и плазматрон для нанесения разметки и марки на металл расплавлением его на глубину 0,03-0,25 мм при ширине линии 0,5-1,0 мм, скорость мар­кирования до 7,5 м/мин;
• Специализированных горелок, которые позволяют наносить на лист линии толщиной 5-20 мкм и шириной 0,6-2,0 мм расплавленным в факеле горелки порошком цинка; расход порошка составляет около 0,05 г/м, скорость разметки 1 -6 м/мин.

Возможно использование и электрокаплеструйного печатающего устройства. Под действием высокого давления из сопла устройства выбрасывается струя чернил, дробящаяся затем на капли, которые по­лучают электрический заряд определенной величины. Развертку на­носимого знака на поверхности металла выполняют по одной коорди­нате за счет отклонения заряженных капель электрическим нолем, а по другой – путем линейного перемещения печатающей головки.

В настоящее время высокоскоростные маркировочные устройства как на базе ударного метода, так и на базе лазерной и плазменной тех­нологии нашли применение на верфях, оснащенных соответствующим оборудованием.

Тепловая и механическая резка

Одной из основных операций при изготовлении деталей из листо­вого и профильного проката является резка. Возможные области при­менения различных способов резки представлены в табл. 1. Как сле­дует из табл. 1, в судостроении используется два вида резки – механическая и тепловая. И та и другая могут быть разделительной и поверхностной.

Таблица 1 Область применения способов резки

 
Разделительная резка преследует цель отделить детали друг от дру­га по линиям разметки на металле или в соответствии с программой резки, кодирующей карту раскроя, подготовленную плазом. В ряде случаев «программой» служит копир-чертеж, также выполненный плазом.

Поверхностную резку осуществляют:

• При разделке кромок под свар­ку у уже вырезанных деталей (снятие фаски);
• При утонении одной или нескольких кромок деталей большой толщины, чтобы выполнить качественную сварку со смежными деталями малой толщины (снятие ласки);
• В случае требования об обработке всех кромок деталей меха­ническим путем для обеспечения качества последующей сварки (так поступают, например, со всеми деталями подводных лодок).

Снятие фаски возможно совместить с разделительной резкой как единую операцию.

Снятие ласки и высококачественная обработка кромок выполняются в рамках технологического процесса изготовления детали как отдель­ные от разделительной резки операции.

В современном судостроении распространение получила тепловая рез­ка, поскольку для нее практически нет ограничений по толщине выреза­емых деталей. Она обеспечивает:

• Высокое качество поверхности реза;
• Не требует разметки контуров деталей (при вырезке на стационарных машинах с ЧПУ);
• Возможность одновременной вырезки нескольких дета­лей; высокий коэффициент использования оборудования.

Возможна ав­томатизация процесса и организация гибких автоматических линий. Кислородная и плазменная тепловая резка являются наиболее употреби­тельными. Принципы тепловой резки поясняет рис. 3.

Кислородная резка основана на сжигании (интенсивном окислении) металла в струе чистого кислорода (рис. 3, а). Металл предваритель­но подогревают до температуры его воспламенения. В качестве горю­чего газа используют ацетилен, обеспечивающий наивысшую темпера­туру пламени (до 3300 °С), а также природный газ, пропан-бутановую смесь и значительно реже пары керосина.

Скорость кислородной резки и качество кромок по линии реза су­щественно зависят от чистоты используемого кислорода. При резке на нижней кромке деталей может образовываться грат — частицы расплав­ленного окисла железа, которые после вырезки удаляют вручную метал­лическим скребком или ручной пневматической машинкой с вращаю­щимся наждачным кругом. Применение кислорода с чистотой 99,8% и выше обеспечивает безгратовую резку без снижения скорости резки.

Режимы кислородной резки определяют в зависимости от марки стали и толщины проката.

Кислородная резка возможна, если у разрезаемых металлов темпе­ратура воспламенения металла ниже температуры плавления, окислы металла жидкотекучи и температура их плавления ниже температуры плавления основного металла. Выделяемой при окислении металла теп­лоты достаточно для поддержания процесса горения.

Плазменная резка (рис. 5) осуществляется благодаря расплав­лению металла дуговым разрядом и удалению расплава из зоны реза под давлением струи плазмы (струи ионизированного газа, состояще­го из нейтральных атомов, молекул, ионов, электронов). Для резки при­меняют низкотемпературную плазму (10000—50 000 °С), которая об­разуется вследствие обжатия столба электрической дуги струей газа. Формирование плазменной струи происходит в специальном устрой­стве — плазматроне.

Основные преимущества плазменной резки по сравнению с кисло­родной состоят в увеличении скорости резки (особенно для малых и средних толщин) и уменьшении тепловых деформаций, а также в от­сутствии грата. К недостаткам процесса следует отнести усложнение условий труда в связи с неблагоприятным воздействием на организм человека выделяемых при резке веществ, ярким световым излучением, повышенным уровнем шума.

Газонасыщение кромок деталей при вы­резке, особенно азотом воздуха, может привести к образованию пор, трещин при последующей сварке. Воздействие названных недостатков удается уменьшить, применяя в качестве плазмообразующих сред смесь воды с воздухом или кислородом, а также выполняя плазменную резку на воде или под водой.

Перспективным способом тепловой резки, особенно для тонколис­тового проката, считается лазерная резка, которая происходит за счет расплавления металла сфокусированным лазерным лучом и удаления его из зоны реза под давлением газовой струи (рис. 3, в). Толщина разрезаемого металла и скорость резки зависят от мощности лазера и качества фокусировки излучения.

Распространение при лазерной резке получили электроразрядные газовые (СО₂) лазеры непрерывного действия и установки на базе твер­дотельных лазеров, которые по сравнению с газовыми более компакт­ны и обладают большей мощностью.

Лазеры используют и для выполнения других технологических опе­раций, например:

• Маркирования;
• Контроля формы;
• Термического уп­рочнения;
• Гибки местными нагревами;
• Сварки.

Тепловую резку выполняют на стационарных или на переносных машинах и вручную. В зависимости от конструктивного исполнения стационарные машины могут быть портальными, консольными, пор­тально-консольными и шарнирными. По количеству одновременно обрабатываемых листов различают одно-, двух- и многоместные машины.

На рис. 4 показана стационарная машинадля тепловой резки. В кон­струкцию машины входит портал 1, перемещающийся по направляющим рельсам. Вдоль портала движется поперечная каретка (или несколько кареток) с резаком 2. На портале размещена также система управления Машиной 3. Для обеспечения газовой резки установлены системы пода­чи газов, воды, электропитания, а для машин плазменной резки — источники питания, плазматроны, устройства подготовки газов.

Машины для тепловой резки имеют системы ЧПУ (управление про­цессом задают в численной форме) или фотоэлектронные системы управления (работающие по копир-чертежам). Исходными данными для разработки управляющих программ являются карты раскроя, оп­ределяющие положение вырезаемых деталей на листе металла. В каче­стве программоносителей для машин с ЧПУ используют перфоленты. Магнитные диски. Возможна организация управления машиной и непосредственно от ЭВМ.

Стационарные машины для тепловой резки могут работать автоном­но или в составе поточных линий. В последнем случае позиции резки оборудуют рольгангами, устройствами подъема раскроечных рам, на которые листовой прокат укладывают и подают вместе с ними в рабочую зону машины (под резак). На входе и выходе линий устанавливают пе­регружатели для подачи листов и снятия вырезанных деталей.

В судостроении используют и специализированные машины для рез­ки полос, вырезки круглых фланцев. Разделку кромок деталей под свар­ку и снятие ласок можно выполнять на специализированной портальной машине «Ладога» с копировальной системой управления. Траек­торию движения резака задает механический туи, который перемеща­ется по кромке шаблона.

Для резки профильного проката применяют унивесальные промыш­ленные роботы, оснащенные резаком, обеспечивающие высокую точность и производительность резки (рис. 3.6).

Для вырезки деталей, разделки кромок и снятия ласок используют и переносные машины. Они представляют собой тележки с привода­ми. На тележке крепят один или два резака. Перемещение тележек осу­ществляют по направляющим. В ограниченном объеме в КОД приме­няют и ручную резку — для вырезки деталей из профиля, разрезки перемычек между вырезанными на стационарной машине деталями и отходов после резки.

При тепловой резке в судостроении не всегда обеспечивается точность вырезаемых деталей, исключающая пригонку деталей при последующей сборке. Погрешности вырезаемых деталей определяются оборудовани­ем — конструктивным исполнением, регулировкой машин и систем уп­равления, технологией резки (режимами, маршрутами вырезки), квали­фикацией рабочих, деталью – материалом и состоянием его поставки, формой и размерами детали. Чтобы исключить влияние названных источников неточностей, назначают припуски на размеры деталей.

Механическую разделительную резку в судостроении выполняют на специализированном станочном оборудовании, действующем по прин­ципу скалывания. Применяют в основном ножницы гильотинного типа (упрощенно их называют гильотина­ми), а также прессножницы, диско­вые ножницы и вибрационные нож­ницы. Дисковые ножницы, пожалуй, единственные из всего семейства на­званных станков рекомендуют для выполнения криволинейных резов по тонкому (до 5-6 мм) металлу. Виброножницы из-за их чрезмерной шумности при работе применяют крайне редко.

Механическая резка может также осуществляться путем снятия струж­ки. Главным образом так работают кромкострогательные станки разного типа и размеров, широко используе­мые в КОЦ для обработки кромок деталей после тепловой вырезки. На таких станках возможно также  снятие фаски и даже ласки. Достига­ют этого наклоном режущего инструмента на нужный угол, а для мелких (до 1 м длиной) деталей наклоном самой детали.

Главное преимущество механической резки по сравнению с тепловой заключается в ее высокой производительности и высоком качестве по­верхности реза. Однако необходима предварительная разметка дета­лей, которую выполняют вручную. Значительных физических усилий требует и ориентация (установка) листов относительно ножей станка.

Механическая резка основана на сложном деформировании мате­риала в зоне реза, включая изгиб (отгиб) кромки заготовки под дей­ствием сил, приложенных к кромкам разрезаемых деталей, и смятие металла вследствие внедрения в него режущих кромок ножей.

Как уже отмечено, в КОЦ основным оборудованием для механи­ческой резки являются гильотинные ножницы, имеющие наклонный нож длиной 2-5 м. Усилия, необходимые для резки проката на гильо­тинах. как следует из рис. 6, а, определяют из условия обеспечения на поверхности среза F напряжений, равных сопротивлению среза τ_ср для данного материала:

$P=K{F_{\tau }}_{cp}=\frac{K{Ɩ}_{s{\tau }_{cp}}}{2}\approx \frac{s^2{\sigma }_{В}}{2tg\lambda }$

Где:

• σ_в – предел прочности материала;
• К = 1,0-1,3 — коэффициент, учи­тывающий неравномерность толщины материала, затупление режущих кромок ножей, наличие сложного напряженного состояния в ходе резки.

Для конструкционных сталей принимают τ_ср = (0,8 -0,86)σ_в. Угол λ изменяется в пределах от 0,5 до 6°. Максимальные значения угла уста­навливают при резке материала большей толщины.

Для поддержания листов в процессе резки перед ножницами разме­щают стойки с опорными роликами. На гильотинах можно вырезать де­тали толщиной до 40 мм. Однако в судостроении механическая резка проката толщиной свыше 12 мм не рекомендуется, поскольку связана с большими физическими нагрузками при ручном перемещении тяжелых листов, а в цехах существуют развитые участки тепловой резки.

Резку сортового (полоса, круг, квадрат) и фасонного проката (углового, швел­лера) можно выполнять с помощью прессножниц, имеющих комплект специальных сменных ножей, вос­производящих форму профиля.

Механическую разделку кромок мелких деталей в КОЦ выполняют на станках типа СКС-25, схема дей­ствия которого показана на рис. 6, б. Деталь 1 перемещается по опорным роликам 3 и прижимается в ходе рез­ки дисковой фрезой 2 к упорам 4. Детали на станок подаются вручную, а при резке движутся за счет захвата фрезой и ее вращения.

В отдельных случаях для удаления газонасыщенного или наклепан­ного слоя металла и достижения требуемой точности кромки деталей обрабатывают на кромкострогательных или фрезерных станках. Для обеспечения прямолинейности кромок листов (что важно при последу­ющей их сварке на поточных линиях) и различной формы разделки кро­мок под сварку в судостроении получают применение специализирован­ные фрезерные или шлифовальные станки. Схема последнего приведена на рис. 7.

Сверление и зенкование отверстий в КОЦ выполняют на радиаль­но-сверлильных станках.

Для вырезки деталей можно использовать и гидрорезание, основан­ное на разрушении материала в зоне реза под ударным воздействием тонкой струи воды сверхвысокого давления. Добавление к воде поли­меров, абразивов оказывает большое влияние на режущие свойства струи и позволяет увеличить толщину разрезаемого материала.

Основ­ные параметры гидрорезания: давление струи 150-2000 МПа, скорость струи 540-1400 м/с, мощность установки 5-8 кВт, расход воды 0,5-25 л/мин, диаметр сопла 0,05-0,5 мм, ширина реза 0,1-0,8 мм. К преимуществам гидрорезания следует отнести высокую точность рез­ки, отсутствие тепловых деформаций и светового излучения, возмож­ность резки различных материалов. Однако скорость резки по сравне­нию с тепловой пока невелика и высока энергоемкость способа.

Рекомендуем к прочтению:
Плазовые работы
Графические методы плазовых работ