Гибка деталей

Корпуса современных кораблей включают большое количество гнутых листов и профильных деталей. Типовые формы деталей показаны на рис. 1. Количество гнутых листовых деталей составляет 10-16 %, профильных 4-6 % от их общего количества, а трудоемкость их гибки соответственно до 30 и 10 % от общей трудоемкости работ в КОЦ.

Гибка деталей

Рис. 1 Типичные формы изогнутых частей тела
а — лиственные;
б — профиль;
1 — цилиндрический;
2 — конический;
3 — угловой;
4 — коробчатый;
5 — сферический;
6 — парусообразный;
7 — зал;
8 — веерообразный;
9 — волнистый;
10 — комбинированный;
11, 12, 13 — переменная, постоянная и знакопеременная кривизна

Для изготовления гнутых деталей обычно применяют свободный изгиб, в основе которого лежит последовательное упругопластическое изгибание участков заготовки под действием внешних или внутренних сил. При этом форма получаемой детали не зависит от формы инструмента. Гибка может осуществляться в холодном состоянии, с общим подогревом всей заготовки и местным подогревом. В судостроении наиболее распространена холодная гибка.

Технология гибки отличается тем, что, несмотря на наличие на заводах достаточно мощного гибочного оборудования, работа по гибке связана с большим объемом ручного труда при установке листов в рабочей зоне оборудования и при контроле формы деталей. Они могут занимать до 85% времени.

При разработке процесса гибки возникает необходимость расчета требуемых усилий, величины упругой отдачи, максимально допустимых радиусов гибки и подбора подходящего оборудования.

Гибка деталей

Рис. 2 Форма на нагрузку и деформацию балки при изгибе

Для ориентировочной оценки изгибающих усилий в роликах и на прессах в качестве расчетной схемы принята схема балки толщиной s, свободно опертой на две опоры и нагруженной сосредоточенной силой Р (рис. 2, а). На балку действуют переменный изгибающий момент и поперечная сила, вызывающие нормальные и касательные напряжения. Однако при значительном расстоянии между опорами (Ɩ>5s), что справедливо при изгибе большинства деталей тела, касательными напряжениями можно пренебречь и рассматривать чисто изгибные условия.

Зависимость между σ и δ можно взять в соответствии с диаграммой напряжений, приведенной на рис. 3 по результатам испытания на растяжение.

Диаграмму можно представить в виде пунктирной линии с тремя участками:

  1. Эластичный;
  2. Маленький пластик;
  3. Значительные пластические деформации.

Первые два участка соответствуют линейному изгибу балки, последний — объемному деформированию. Наклоны прямых 2 и 3, определяемые тангенсами углов наклона φ1 и φ2, называются модулями упрочнения (P1 = tgφ1 и P2 = tgφ2), которые характеризуют интенсивность упрочнения материала при пластической деформации. Отношение K0 = P1/φt называется относительным модулем упрочнения. В соответствии с диаграммой деформирования (рис. 2, б) принимается закон распределения касательных напряжений по сечению балки (рис. 2, в), определяющий величину пластических деформаций.

Гибка деталей

Рис. 3 График истинных напряжений для углеродистой стали
— — настоящий;
— упрощенный

Выражая σ, относительное удлинение волокон, расположенных на расстоянии z от нейтрального слоя, через радиус изгиба балки R (δ = z/R), получаем:

σ=σT+P1δ=σT+P1Rz

Полагая, что нейтральный слой в процессе изгиба проходит через центр тяжести поперечного сечения балки переменной ширины, получаем уравнение для изгибающего момента для внутренних сил:

M=2∫0s/2σbyzdz=2σT∫0s/2byzdz+2P1R∫0s/2byz2dz=σTS+P1RI=σTW(SW+P12σTSR) (1)

Где:

  • S, W и I — моменты (статический, сопротивления и инерции) поперечного сечения рассматриваемой балки.

В общем случае выражение можно представить в виде:

М = мВтσт

Где:

  • m — относительный изгибающий момент, из которого, используя выражение (1).

m=SW+P12σTSR=K1+K02r

Где:

  • К1 =S/W– коэффициент профиля, зависящий только от формы поперечного сечения (для прямоугольного сечения К1 = 1,5);
  • К0 — относительный модуль упрочнения (для стали 09Г2 и 10ХСНД К0=14).

Исходя из принятой расчетной схемы (рис. 2, а), усилие прижатия Р, необходимое для гибки пластин данной марки стали, можно определить, приняв изгибающий момент внешних сил равным моменту внутренних сил:

P=4WσTƖ=X1bs2ƖσT

Где:

  • X1 — коэффициент, учитывающий упрочнение материала и зависящий от радиуса изгиба r;
  • б — ширина листа.

При гибке листовых деталей на прессах возможны два случая:

  1. Длина пуансона больше длины заготовки;
  2. Длина пуансона меньше длины заготовки.

Во втором случае расчет сил следует вести по формуле:

P=bs2ƖσTX1(1+X2)

Где:

  • Х2 – коэффициент, учитывающий влияние свисающей части листа.

Кривизна балки Ɩ/r = MI/E примерно соответствует изменению изгибающего момента по длине балки. Его можно определить, взяв значения М по формуле (1) в зависимости от значения r.

Изгиб деталей сопровождается упругими деформациями, которые приводят к изменению формы заготовки после снятия нагрузки. Относительный радиус изгиба r после отскока увеличивается до r0. При линейном пластическом изгибе параметры пружинения можно определить приближенно по формуле:

r0=r1–2mrσT/E

Значение r0 должно соответствовать требуемому радиусу кривизны готовой детали. Для малоуглеродистой стали при r = 5-200 изменения r0 составляют 5,15-662.

Основным оборудованием для производства гнутых деталей являются листогибочные вальцы (гибочные валки) и гидравлические прессы.

В листогибочных валковых машинах гибка осуществляется под действием сосредоточенной нагрузки, которая передается на заготовку через верхний валок 1 или боковые валки 3, показанные на рис. 4, при его непрерывной прокатке между валками 1 и 2. Таким образом изгибаются детали цилиндрической и конической формы. Детали, имеющие двойную кривизну, но с небольшими мертвыми вытачками, можно изготавливать и на гибочных валках, используя специальные прокладки для перераспределения передаваемых усилий. Форма деталей контролируется с помощью шаблонов.

Гибка деталей

Рис. 4 Форма для гибки листа на листогибочных валках
а — открытый деревянный валок;
б — открытый четырехвальцовый;
в — закрытый

По количеству валков валки делятся на трех- и четырехвалковые, а в зависимости от конструкции — на открытые и закрытые. У машин открытого типа (рис. 4, а) верхний ролик вращается в двух концевых подшипниках, один из которых выполнен разборным. В таких валках можно гнуть замкнутые цилиндрические и конические детали. Снятие готовых деталей производится при разложенном верхнем роликовом подшипнике и поднятом ролике.

Одним из недостатков гибки в открытых валках является бочкообразная форма получаемых деталей из-за реактивного прогиба верхнего валка. В закрытых роликах, схема которых соответствует рис. 4, в, верхний валок 1 установлен на верхней подвижной траверсе 5. Нижний 2 и верхний рабочие вальцы имеют промежуточные опоры 4, препятствующие прогибу вальцов и обеспечивающие получение правильных цилиндрических поверхностей. Замкнутые ролики, показанные на рис. 5, имеет большую мощность, значительную длину рабочих валков и иногда используется даже для правки сварных панелей.

Гибка деталей

Рис. 5 закрытых гибочных валков

Одной из особенностей технологии гибки в валках является необходимость предварительной гибки кромок листов, так как при гибке листов (рис. 4, а, в) гибка по цилиндрической поверхности обеспечивается только в средней части от длины листа. Торцевые срезы листов остаются плоскими. Желаемая форма кромки может быть достигнута на прессах или в валках с помощью косынок, опорного листа. На машинах, работающих по схеме рис. 4б края загибаются движущимися роликами 3.

На гидравлических прессах на любой матрице гнутся детали любой формы. Процесс гибки заключается в последовательном деформировании отдельных участков листа по заданной схеме гибки под действием сосредоточенной нагрузки, передаваемой через пуансон. В КОТС используются гидравлические прессы, развивающие усилие 2000-8000 кН. По конструкции различают консольные, портальные и портальные консольные прессы.

Они имеют сварные рамы и комплект сменного оборудования, включающего пуансоны 1 и насадки 2, взаимодействие которых понятно из рис. 6, а.Для поддержания и перемещения заготовок в рабочей зоне пресса
краны, балочные краны, специальные тележки. Полученную форму контролируют в основном шаблонами, а при значительном прогибе и сложной форме изгиба — шпангоутами.

Гибка деталей

Рис. 6 Сгибание на прессах
а — лист с двойной кривизной;
б — сменное оборудование

Перспективной для использования в судостроении является система гибки с ЧПУ на базе портально-консольного пресса, упрощенная схема которой представлена ​​на рис. 6б. Прессы имеют траверсу 1, боковые стойки с большими вырезами 2, наличие которых позволяет быстро менять пуансоны и матрицы. Консольная часть 3 позволяет гнуть обечайки большого диаметра, крупногабаритный фасонный прокат. Тележки-манипуляторы 4 осуществляют подачу и обслуживание заготовок в процессе гибки.

Подгибочные прессы применяются для изготовления угловых и коробчатых деталей, гибки фланцев. Общая картина такого пресса показана на рис. 7, а, а форма для гибки и размещения гибочного оборудования — на рис. 7б. Оборудование включает в себя длинный ножевидный пуансон 1 и матрицу 2 с несколькими ручьями 3 разной формы.

Гибка деталей

Рис. 7 Гибка на листогибочном прессе
а — общий вид пресса;
б — сменное оборудование

На машинах типа ЛГС (рис. 8, а) гибку производят в процессе прокатки листа 2 между прижимными роликами 1 и ведущими роликами 3. Ведущий ролик имеет цилиндрическую часть и ручьи различной формы. Максимальное усилие, передаваемое прижимным роликом, составляет 150 кН, что позволяет гнуть листы толщиной до 12 мм. Станок также можно использовать для гибки профилей. Перспективным оборудованием для гибки листового металла следует считать прессы для местной вращательной гибки (рис. 8, г).

Гибка листа локальным нагревом основана на том, что окончательная форма деталей создается деформациями пластического сжатия, которые образуются в результате нагрева и последующего охлаждения заданных участков листа (рис. 8, б). Возникающие внутренние силы приводят к изгибу всей заготовки. Нагрев может осуществляться газовыми горелками, токами высокой частоты и лазерным лучом. Возможна и комбинированная гибка, когда заготовке придают цилиндрическую форму в валках или на прессах, а окончательную доводку ее до нужной формы осуществляют с помощью местного нагрева.

Гибка деталей

Рис. 8. Схема гибки листа на станках ЛГС (а);
Местное отопление (б);
На многопоршневых прессах (в);
На прессах с местным вращательным изгибом (г)

Современные прессы с ЧПУ обеспечивают автоматизированное перемещение профиля в рабочей зоне и контроль за получаемой формой, что позволяет отказаться от использования контрольных шаблонов.

Гибка деталей

Рис. 9 Гибка профиля
а — на горизонтальном гибочном прессе;
б — на кольцегибочном станке

Кольцегибочные станки (рис. 9, б) предназначены преимущественно для гибки деталей с постоянной кривизной. Гибку осуществляют прокаткой заготовки 3 между токопроводящим 2 и прижимным 1 валками. Для предотвращения потери устойчивости стенки профиля (при отношении высоты стенки к толщине более 7,5), а также для сохранения необходимой структуры металла применяют локальный нагрев заготовки индукторами ТВЧ 4 с последующим путем охлаждения водяным душем.

Рекомендуемое чтение:
Механизация и автоматизация производства корпусных деталей
Рулонная предварительная обработка

Dream-yachts
Добавить комментарий