CN104174943B - 一种海洋工程自升式装置的桩腿齿条切割方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋工程自升式装置的桩腿齿条的切割方法，所述方法包括：提供工件承重工作台；设置沿着Y轴方向延伸的两个平行的轨道；在所述两个轨道上可移动地设置至少四个线切割机；通过控制系统对所述对至少4个线切割机进行联动控制，使得所述线切割机分段切割所述桩腿齿条工件。根据本发明的切割方法使得切割后的桩腿齿条既能够满足齿条加工的精度和表面粗糙度的要求和避免后续繁琐的打磨修补加工、热加工的变形等，又能够保证高的加工效率。

Description

一种海洋工程自升式装置的桩腿齿条切割方法

技术领域

本发明涉及一种海洋工程自升式装置的桩腿齿条切割方法。

背景技术

现有技术中海洋工程自升式装置桩腿的齿条长度在7500mm-9000mm之间。传统的海洋工程自升式装置桩腿的齿条切割采用的是火焰切割，火焰切割效率高，但是会存在表面粗糙度达不到要求而引发的一些后续工序，并且在精度控制方面也需要格外用心，火焰切割还能导致加工工件的热变形、毛刺、工件不平整等现象。

现有的电火花线切割设备利用移动的金属丝作为工具电极，并在金属丝和工件间通以脉冲电流，利用脉冲放电的腐蚀作用对工件进行切割加工。电火花线切割设备最小能切到0.05mm的左右的窄缝，极大提高了材料的利用率，切割过程属于局部受热，不容易使加工工件发生变形，另外线切割能够保证工件加工的表面粗糙度以及尺寸精度，因而电火花线切割得以在模具生产过程中得以广泛应用。但是，现有的电火花线切割设备都是固定的电火花线切割机床，由于传统的线切割机床的行程限制和其加工效率较低，无法满足加工例如长度达到9000mm的海洋工程自升式装置桩腿的齿条的大尺寸和大厚度的工件的要求。海洋工程自升式装置桩腿齿条的原材料重量非常大，常规的线切割机床也无法承受此重量。因此现有技术中的电火花线切割机床没有办法应用到海洋工程自升式装置的桩腿齿条切割中。

发明内容

本发明是鉴于现有技术中存在的上述缺陷做出的，本发明的目的是提供一种用于切割海洋工程自升式装置的桩腿齿条的大型工件的线切割方法，使得切割后的桩腿齿条既能够满足齿条加工的精度和表面粗糙度的要求和避免后续繁琐的打磨修补加工、热加工的变形等工序，又能够保证高的加工效率。

为了实现发明的上述目的，提出了一种海洋工程自升式装置的桩腿齿条切割方法，所述方法包括：提供工件承重工作台，将待切割的桩腿齿条工件放置在所述工件承重工作台的顶部；在所述工件承重工作台的两侧设置沿着Y轴方向延伸的两个轨道，所述两个轨道彼此平行，每个所述轨道的长度大于所述桩腿齿条工件的长度；在所述两个轨道上可移动地设置至少四个线切割机，每个轨道上的线切割机数量相等，所述线切割机包括沿着Y轴方向在轨道上移动的拖板，相对于拖板沿垂直于Y轴方向的X轴方向运动的滚丝桶和线架，和缠绕在线架和滚丝桶上的电极丝；通过控制系统对所述至少4个线切割机进行联动控制，使得所述线切割机分段切割所述桩腿齿条工件，其中通过所述控制系统的第一控制单元控制线切割机的拖板沿着轨道移动进给和通过所述控制系统的第二控制单元控制线切割机的滚丝桶和线架相对于拖板沿X轴方向移动进给。

优选的是，所述方法还包括通过直线电机传动机构驱动所述拖板在轨道上移动，所述直线电机传动机构设置在每个所述轨道的两个平行的导轨之间。

优选的是，所述方法还包括通过齿轮齿条的传动机构驱动所述拖板在轨道上移动，所述齿轮齿条的传动机构设置在每个所述轨道的两个平行的导轨之间。

优选的是，在所述两个轨道上可移动地分别设置至少四个线切割机的步骤包括设置六个线切割机，每个轨道上设置三个线切割机。

优选的是，在所述两个轨道上可移动地分别设置至少四个线切割机的步骤包括设置八个线切割机，每个轨道上设置四个线切割机。

优选的是，还包括以下步骤：

a.将所述线切割机分别以工作台的工作台面上的原点作为零点，进行零点复位，然后回归到各自将要工作的初始位置；

b.确定放置好的待切割的齿条工件的中心原点，并确定工作台面的原点与工件的中心原点的偏移量，确定好偏移量后，依次对六台线切割机作相应的偏移量补偿；

c.确定每个线切割机相对于齿条工件的待切割两个外部齿条和中间内部齿条的开始切割位置；

d.确定每台线切割机的沿着X和Y轴方向的加工路径，根据前期切割实验的电极丝损耗状态，在切割程序中设定换丝孔的位置；

e.由线切割完换丝孔的切割；

f.调整每个线切割机的线架的位置，确定每个线切割机的切割点，开始齿条工件的待切割的两个外部齿条的切割，其中当线切割机运转到达换丝孔的位置，完成穿丝孔的切割后，进行换丝，如出现断丝情况，使线切割机回归初始位置，更换电极丝后再按照预定程序继续切割；

优选的是，在步骤c中还包括：确定用于待切割的中间内部齿条的开始切割的穿丝孔的位置，其中每个轨道上的处于开始切割位置的线切割机之间的距离基本上相等；以及在步骤e中还包括通过线切割本身切割形成所述穿丝孔。

优选的是，所述换丝孔或者穿丝孔的位置被设定在齿条轮廓线的齿根位置上。

优选的是，还包括对切割后的齿条进行表面中频淬火处理的热处理的步骤。

优选的是，所述桩腿齿条工件的长度在7500mm-9000mm之间。

根据本发明的海洋工程自升式装置的桩腿齿条切割方法采用大行程的、多机联动的线切割进行齿条加工，避免了传统机床行程限制不能加工大尺寸工件的弊端，可以满足表面光洁度的要求，避免后续繁琐的打磨修补工作、热加工的变形等后续工作，同时也可以保证齿条加工的精度。而多机联动的加工方式，也提高了加工效率，弥补了线切割效率低的缺陷。

附图说明

图1是显示依照本发明的海洋工程自升式装置的桩腿齿条切割设备的俯视示意图；

图2是显示沿着图1中的Y轴方向观察的切割设备的示意图；

图3是图2中的工件承重工作台结构的示意图；

图4是显示依照本发明的海洋工程自升式装置的桩腿齿条切割设备的Y轴直线电机传动机构的示意图；

图5示意性地显示出设置在加工工件上的更换电极丝的工艺孔；

图6显示了对依照本发明的海洋工程自升式装置的桩腿齿条切割设备在进行第二操作加工过程中确定线切割机的初始加工位置的示意图；

图7是显示依照本发明的海洋工程自升式装置的桩腿齿条切割设备的穿孔机对工件进行穿丝孔加工的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图描述本发明的实施例。在下面的说明中相同或相应的结构元件由相同的参考数字表示并且其重复说明将省略。

图1依照本发明的海洋工程自升式装置的桩腿齿条切割设备的示意图。图2进一步显示沿着图1中的Y轴方向观察的海洋工程自升式装置的桩腿齿条切割设备的具体结构示意图。该切割设备包括对海洋工程自升式装置的桩腿齿条工件40进行支撑的工件承重工作台30，设置在工作台30两侧的机床Y轴左侧轨道10和机床Y轴右侧轨道20，以及可沿Y轴移动地设置在轨道10和轨道20上的6台线切割机60。

在机床Y轴左侧轨道10和机床Y轴右侧轨道20的两侧分别设置有用于支撑线切割机60的突出的导轨22。线切割机60包括可沿着Y轴方向在轨道10或者20上移动的拖板5，相对于拖板5可沿X轴方向运动的滚丝桶6和线架7，所述线架7上设置有冷却液喷嘴19，以及缠绕在线架7和滚丝桶6上的电极丝18。线切割机60还包括设置在轨道10和20内的直线电机传动机构15，直线电机传动机构15驱动拖板5沿着Y轴方向在轨道10或者20上移动。

根据本发明的切割设备还包括控制系统12，所述控制系统12还包括用于控制线切割机60的拖板5沿着轨道10或20移动的第一控制单元和用于控制线切割机60的滚丝桶6和线架7相对于拖板5可沿X轴方向运动的第二控制单元。根据本发明的切割设备还包括冷却系统11，所述冷却系统循环地将冷却液供给到冷却液喷嘴19。

图3示出了图2中的工件承重工作台30的构造示意图。由于海洋工程自升式装置的桩腿齿条工件的原材料重达20-30吨，根本无法依靠机床的工作台30来支撑，为了解决此问题，本发明设计了一个专门的台面去支撑齿条工件。该工作台30主要构造为钢结构，包括工作台面31、线架穿丝部分32和底部设置在地面34内的钢筋混泥土地桩33，钢筋混泥土地桩33能够防止工作台30沉降，保证切割精度。

图4示出了图1和图2中的直线电机传动机构15的示意图。常规的机床线架是固定的，工件行程受机床规格限制，工件由机床拖板带动沿着X、Y轴运动。而海洋工程自升式装置的齿条工件的长度达要八米之多，现有机床依靠机床本身的行程是根本无法满足要求。传统的旋转电机和滚珠丝杠结合的工作台面，虽然理论上可以满足大行程的要求，但是在旋转电机和滚珠丝杠的传动以及定位过程中，滚珠丝杠是一种细而长的非刚性传动元件，扭转刚度低，并且滚珠丝杠越长，挠度越大，随着使用时间的增长，滚珠丝杠会出现磨损，导致加工精度降低。如果采用滚珠丝杠做本设计的传动元件，所加工齿条的尺寸决定了该滚珠丝杠的成本会非常高昂。为了解决行程问题，本发明设置了轨道10和20和可沿着轨道在Y轴方向运动的拖板5，于是线切割机60能够在轨道10或20上面运行，线切割机60由直线电机传动机构15致动，直线电机运行平稳性好，运行范围不受限制，这样就可以解决传统的滚珠丝杠传动的行程限制，精度方面因为直线电机传动机构使得高的定位精度更容易实现，因而将直线电机应用于海洋工程自升式装置的齿条切割的大行程组合线切割更容易满足生产要求。

由于本发明受针对的海洋工程自升式装置的齿条工件的规格所限，每台线切割机60所负责加工的区域较大，不能依靠加一次电极丝就完成全部切割任务，如果等到一个电极丝磨损到自然断裂，出现中间断丝的情况，那么更换电极丝的时候会非常麻烦，降低工作效率。因此，根据本发明的线切割设备，需要在工件的切割路径上预先设置作为工艺孔的换丝孔41，如图5所示。当线切割机60的电极丝18切割运行到换丝孔41中，更换已经磨损的电极丝，避免在切割过程中出现断丝的情况，以避免切割效率的较低。在设计工件中的换丝孔的位置时，需要考虑电极丝的使用寿命和切割的效率以及更换电极丝时间。更换电极丝的换丝孔41不宜过大，半径应为所采用诸如钼丝的电极丝的直径，这样可以不用考虑取芯、开穿丝孔等问题，同时也可以避免开孔过大影响工件的尺寸误差。

根据本发明的一个实施例的线切割设备包括6台线切割机60联动的加工方式，如图1所示，在齿条工件40的两边各布置三台线切割机60，如果只是简单将六台线切割机进行排列，将会遇到线切割机的工作台干涉、无法整体控制、切割结合点存在误差等弊端，为了避免以上问题的发生，需要将六台线切割机进行联动控制，使六台线切割机60分别布置在两个平行于Y轴的轨道上，同方向分段切割加工齿条工件40。

根据本发明的海洋工程自升式装置的桩腿齿条切割设备能够具有两种不同的操作加工过程。以下分别进行描述。

根据本发明的海洋工程自升式装置的桩腿齿条切割设备的第一操作加工过程，包括下列步骤：

步骤1，将每一轨道10和20上面的三台线切割机60沿轨道调整到一侧，所有的线切割机的线架7调整到位，调整到位原则：不影响齿条工件40的放置。

步骤2，确定工作台30的工作台面31上的定位原点，定位，并做好不易消失的标志。

步骤3，将六台线切割机器分别以工作台面31上的原点作为零点，进行零点复位，然后回归到各自将要工作的位置。

步骤4，将放置好的齿条工件40进行找正，划线，确定中心原点，并确定工作台面的原点与工件零点的偏移量，确定好偏移量后，依次对六台机床作相应的偏移量补偿。

步骤5，按照加工图纸进行画线，对每个线切割机60，确定齿条工件40的待切割齿条1、2和3的开始切割位置，每个轨道上的相邻线切割机的开始切割位置之间的距离大体上等于齿条工件40的长度的三分之一，位于齿条工件40的内部的待切割的齿条2的开始切割位置被设定为在待切割的齿条2两边的穿丝孔的位置。

步骤6，按照齿条工件40的长度以及每台线切割机60所负责切割的区域的形状进行设计每台线切割机60的沿着X和Y轴方向的加工路径，以及设计齿条工件40的换丝孔41的位置。

步骤7，通过穿孔机形成齿条工件40的穿丝孔和换丝孔。

步骤8，调整每一台线切割机的线架7的位置，确定每一台线切割机的切割点，开始齿条工件40的待切割的齿条1和3的每一面的切割。

步骤9，随时观察每一台机床运转状况，到达换丝孔的位置，进行换丝，如出现断丝情况，使机床回归初始位置，更换电极丝后再按照预定程序继续切割。

步骤10，待切割的齿条1和3的每一个单面切割完毕，进行清理，消除多余废料，去除工件表面的碎屑。

步骤11，调整各线切割机的线架7的位置到待切割齿条2的两边合适的位置，依照之前打好的穿丝孔，穿丝并开始待切割齿条2的两面的齿形切割。

步骤12，随时观察每一台机床运转状况，到达换丝孔的位置，进行换丝，如出现断丝情况，使机床回原位，更换电极丝后再按照预定程序继续切割。

步骤15，待切割齿条2的每一个单面切割完毕，进行清理，消除多余废料，去除工件表面的铁屑。

步骤16，将线架7调整到合适位置，清理工件表面残留铁屑。

步骤17，将加工好的齿条1、2和3吊装到存储位置。

步骤18，重复以上操作工作。

根据本发明的海洋工程自升式装置的桩腿齿条切割设备的第二操作加工过程，包括下列步骤：

首先，重复第一操作加工过程的步骤1、2、3和4。

在步骤5中，按照加工图纸进行画线，对每个线切割机60，确定齿条工件40的待切割齿条1、2和3的开始切割位置。与第一操作加工过程的步骤不同的是，如图6所示，六台线切割机60的切割起始位置分别为位置A、B、C、D、E和F，其中位置A和D位于齿条工件的一端，而位置C和F位于齿条工件的另一端，这样开始切割位置B和C之间的距离和开始切割位置E和F之间的距离基本上等于齿条工件40的长度的三分之二。另外，在第二操作加工过程的步骤5中取消了在第一操作加工过程的步骤5中设定待切割的齿条2的开始切割位置的两边内部的穿丝孔的设计。

随后，重复第一操作加工过程的步骤6、7、8和9。

步骤10，在待切割的齿条1和3切割中，当开始切割位置为位置B、C和位置E、F的线切割机60接近重合而发生干涉时，开始位置为位置C、F的两台线切割机退至初始切割位置，切割中间的待切割齿条2。齿条1和3的两边剩余部分由开始切割位置为A、B、D、E位置的线切割机切割完成。

步骤11，当齿条1和3的两边的齿条切割完毕，开始切割位置为位置A、D的线切割机退出到原始位置，由开始切割位置为位置B和E的线切割机与开始切割位置为位置C和F线切割机对切中间位置的待切割齿条2。当上述4台线切割机运行到接近重合干涉的时候，两台退出，有剩余两台完成剩余切割工作。

最后，重复第一操作加工过程的步骤12到步骤18。

第二操作加工过程的好处是不用在齿条工件的内部形成作为开始切割位置的穿丝孔，但是存在操作过程中一些线切割机处于待工状态，效率较第一操作加工过程会低一些。

图7示出了根据本发明的一个实施例的形成穿丝孔或者换丝孔的打孔装置的示意图，根据本发明的一个实施例，使用便携穿孔机50进行打孔，考虑到便携打孔机的精度误差低，需要对其进行改进，通过连接装置52加大与齿条工件40的接触面积，并通过垂直校正装置51进行垂直度的校正，保证穿孔机50所打的孔的直线度与垂直度，还要保证所加工的孔42尽可能的小。

为了提高切割完毕后的齿条表面硬度，将加工完毕的齿条放进井式中频淬火炉，对齿条进行表面中频淬火处理。根据实际的硬度需要，将齿条加热到400℃-1000℃，然后进行喷雾冷却。而淬火硬度层的厚度，也可以根据实际的需要，去调整中频淬火炉的相关参数使淬火硬度层的厚度在5mm-12mm之间可以调整。

本发明的上述实施例的说明能够使本领域技术人员制造和使用本发明。此外，对这些实施例的各种改动对于本领域的技术人员是很显而易见的，并且在此界定的通用原理和特定实例可以应用于其它实施例。例如在其他实施例中，桩腿齿条切割设备可以包括4台、8台或更多台线切割机。另外优选将换丝孔或者穿丝孔的位置设定在加工齿条轮廓线的齿根位置上，这样即使在间断的线切割过程之间的交界部分出现不平滑的情况，也能够避免影响齿条的接合表面的表面加工质量。

根据本发明的另外的实施例，加工方法还包括通过齿轮齿条的传动机构驱动所述拖板在轨道上移动，所述齿轮齿条的传动机构设置在每个所述轨道的两个平行的导轨之间。

因此，本发明并非用来限于在此所述的实施例，而是应该被给予由权利要求和等效物界定的限制的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种海洋工程自升式装置的桩腿齿条切割方法，所述方法包括：

提供工件承重工作台，将待切割的桩腿齿条工件放置在所述工件承重工作台的顶部；

在所述工件承重工作台的两侧设置沿着Y轴方向延伸的两个轨道，所述两个轨道彼此平行，每个所述轨道的长度等于或者大于所述桩腿齿条工件的长度；

在所述两个轨道上可移动地设置至少四个线切割机，每个轨道上的线切割机数量相等，所述线切割机包括沿着Y轴方向在轨道上移动的拖板，相对于拖板沿垂直于Y轴方向的X轴方向运动的滚丝桶和线架，和缠绕在线架和滚丝桶上的电极丝；

通过控制系统对所述至少4个线切割机进行联动控制，使得所述线切割机分段切割所述桩腿齿条工件，其中通过所述控制系统的第一控制单元控制线切割机的拖板沿着轨道移动进给和通过所述控制系统的第二控制单元控制线切割机的滚丝桶和线架相对于拖板沿X轴方向移动进给。

2.如权利要求1所述的桩腿齿条切割方法，其特征在于，所述方法还包括通过直线电机传动机构驱动所述拖板在轨道上移动，所述直线电机传动机构设置在每个所述轨道的两个平行的导轨之间。

3.如权利要求1所述的桩腿齿条切割方法，其特征在于，所述方法还包括通过冷却系统循环地将冷却液供给到设置在所述线架上的冷却液喷嘴。

4.如权利要求1所述的桩腿齿条切割方法，其特征在于，在所述两个轨道上可移动地设置至少四个线切割机的步骤包括设置六个线切割机，每个轨道上设置三个线切割机。

5.如权利要求1所述的桩腿齿条切割方法，其特征在于，在所述两个轨道上可移动地分别设置至少四个线切割机的步骤包括设置八个线切割机，每个轨道上设置四个线切割机。

6.如权利要求1所述的桩腿齿条切割方法，其特征在于，还包括以下步骤：

a.将所述线切割机分别以工作台的工作台面上的原点作为零点，进行零点复位，然后回归到各自将要工作的初始位置；

b.确定放置好的待切割的齿条工件的中心原点，并确定工作台面的原点与工件的中心原点的偏移量，确定好偏移量后，依次对至少四个线切割机作相应的偏移量补偿；

c.确定每个线切割机相对于齿条工件的待切割两个外部齿条和中间内部齿条的开始切割位置；

d.确定每台线切割机的沿着X和Y轴方向的加工路径，以及根据前期切割实验的电极丝损耗状态，确定齿条工件的换丝孔的位置；

e.通过线切割本身切割形成齿条工件的换丝孔；

f.调整每个线切割机的线架的位置，确定每个线切割机的切割点，开始齿条工件的待切割的两个外部齿条的切割，其中当线切割机运转到达换丝孔的位置，进行换丝，当出现断丝情况，使线切割机回归初始位置，更换电极丝后再按照预定程序继续切割；

g.对待切割的中间内部齿条的两面的齿形切割，其中当线切割机运转到达换丝孔的位置，进行换丝，当出现断丝情况，使线切割机回归初始位置，更换电极丝后再按照预定程序继续切割。

7.如权利要求6所述的桩腿齿条切割方法，其特征在于，在步骤c中还包括：确定用于待切割的中间内部齿条的开始切割的穿丝孔的位置，其中每个轨道上的处于开始切割位置的线切割机之间的距离基本上相等；以及包括通过线切割本身切割形成所述穿丝孔；以及在步骤g中还包括调整各线切割机的线架的位置到待切割的中间内部齿条的两边的穿丝孔位置，穿丝并开始待切割中间内部齿条的两面的齿形切割。

8.如权利要求6或7所述的桩腿齿条切割方法，其特征在于，所述换丝孔或者穿丝孔的位置被设定在齿条轮廓线的齿根位置上。

9.如权利要求6所述的桩腿齿条切割方法，其特征在于，还包括对切割后的齿条进行表面中频淬火处理的热处理的步骤。

10.如权利要求1所述的桩腿齿条切割方法，其特征在于，所述桩腿齿条工件的长度在7500mm-9000mm之间。

11.如权利要求1所述的桩腿齿条切割方法，其特征在于，所述方法还包括通过齿轮齿条的传动机构驱动所述拖板在轨道上移动，所述齿轮齿条的传动机构设置在每个所述轨道的两个平行的导轨之间。