Гибка деталей

В состав корпусов современных судов входит большое количество гнутых листовых и профильных деталей. Типовые формы деталей при­ведены на рис. 1. Количество гнутых листовых деталей составляет 10-16%, профильных 4-6% их общего количества, а трудоемкость их гибки соответственно до 30 и 10% общей трудоемкости работ в КОЦ.

Для изготовления гнутых деталей обычно применяют свободную гибку, которая основана па последовательном упругопластическом изгибе участков заготовок под действием внешних или внутренних усилий. При этом форма получаемой детали не зависит от формы инстру­мента. Гибку можно выполнять в холодном состоянии, с общим нагре­вом всей заготовки и местными нагревами. В судостроении наибольшее распространение имеет холодная гибка.

Технология гибки отличается тем, что, несмотря на имеющееся на за­водах достаточно мощное гибочное оборудование, гибочные работы связаны с большим объемом ручного труда при установке листов в ра­бочей зоне оборудования и при контроле формы деталей. Они могут занимать до 85% всего времени.

При разработке технологического процесса гибки возникает необ­ходимость в расчете требуемых усилий, величины упругого пружинения, предельно допустимых радиусов гибки, подборе соответствующе­го оборудования.

Для приближенной оценки усилий гибки в вальцах и на прессах в ка­честве расчетной схемы принимают схему балки толщиной s, свободно опертой на двух опорах и загруженной сосредоточенной силой Р (рис. 2, а). На балку действуют переменный изгибающий момент и перерезывающая сила, вызывающие нормальные и касательные напряжения. Однако при значительном расстоянии между опорами (Ɩ>5s), что справедливо при гибке большинства деталей корпуса, касательными напряжениями можно пренебречь и рассматривать условия чистого изгиба.

Зависимость между σ и δ может быть принята в соответствии с ди­аграммой напряжений, построенной рис. 3 по результатам растяже­ния образцов.

Диаграмму можно представить в виде ломаной линии, имеющей три участка:

1. Упругих;
2. Небольших пластических;
3. Значительных пластических деформаций.

Первые два участка соответствуют линейному изгибу балки, последний — объемному де­формированию. Наклоны прямых 2 и 3, определяемые тангенсами углов наклона φ₁ и φ₂, называют модулями упрочнения (П₁ = tgφ₁ и П₂ = tgφ₂), которые характери­зуют интенсивность упрочнения материала при пластическом деформировании. Отношение К₀ = П₁/φ_т называют относительным модулем упрочнения. В соответствии с диаграммой деформиро­вания (рис. 2, б) принимают закон распределения но поперечному сечению балки тангенциальных напряжений (рис. 2, в), которые определяют величину пластических деформаций.

Выразив σ — относительное удлинение волокон, находящихся на рас­стоянии z от нейтрального слоя, через радиус R изгиба балки (δ = z/R), получим:

$\sigma ={\sigma }_T+{П}_1\delta ={\sigma }_T+\frac{{П}_1}{R}z$

Приняв допущение о том, что нейтральный слой в процессе гибки проходит через центр тяжести поперечного сечения балки с перемен­ной шириной b_y, получим уравнение изгибающего момента внутрен­них сил:

$M=2{\int }_0^{s/2}\sigma b_{y}zdz=2{\sigma }_T{\int }_0^{s/2}{b}_{y}zdz+2\frac{{П}_1}{R}{\int }_0^{s/2}{b}_y{z}^{2}dz={\sigma }_{T}S+\frac{{П}_1}{R}I={\sigma }_{T}W(\frac{S}{W}+\frac{{П}_1}{2{\sigma }_T}\frac{S}{R}) \left(1\right)$

Где:

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

В общем виде выражение представим, как:

М = mWσ_т

Где:

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

$m=\frac{S}{W}+\frac{{П}_1}{2{\sigma }_T}\frac{S}{R}=K_1+\frac{K_0}{2r}$

Где:

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

Исходя из принятой расчетной схемы (рис. 2, а), усилие пресса Р, необходимое для гибки листов заданной марки стали, можно опреде­лить, приняв равенство изгибающего момента внешних сил моменту внутренних усилий:

$P=\frac{4W{\sigma }_T}{Ɩ}=X_1\frac{b{s}^2}{Ɩ}{\sigma }_T$

Где:

• X₁ – коэффициент, учитывающий упрочнение материала и завися­щий от радиуса изгиба r;
• b – 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 усилий сле­дует выполнять по формуле:

$P=\frac{b{s}^2}{Ɩ}{\sigma }_T{X}_1(1+X_2)$

Где:

• X₂ – коэффициент, учитывающий влияние свисающей части листа.

Кривизна балки Ɩ/r = MI/Е приближенно соответствует изменению изгибающего момента по длине балки. Ее можно определить, прини­мая значения М по формуле (1) в зависимости от значения r.

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

$r_0=\frac{r}{1–2mr{\sigma }_T/E}$

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

Основным оборудованием для изготовления гнутых деталей явля­ются листогибочные валковые машины (гибочные вальцы) и гидрав­лические прессы.

В листогибочных валковых машинах гибку выполняют под действи­ем сосредоточенной нагрузки, которую передают на заготовку через верхний валок 1 или боковые валки 3, показанные на рис. 4, в про­цессе ее непрерывной прокатки между валками 1 и 2. Таким образом гнут детали цилиндрической и конической формы. Детали, имеющие двоякую кривизну, но с небольшими стрелками погиби также можно изготавливать на гибочных вальцах, применяя специальные проклад­ки для перераспределения передаваемых усилий. Форму деталей кон­тролируют с помощью плазовых шаблонов.

По количеству валков вальцы разделяют на трех и четырехвалко­вые, а в зависимости от конструктивного исполнения — на открытые и закрытые. У машин открытого типа (рис. 4, а) верхний валок вра­щается в двух концевых подшипниках, один из которых делают откид­ным. В таких вальцах возможно гнуть замкнутые цилиндрические и конические детали. Съем готовых деталей осуществляют при откинутом подшипнике верхнего валка и поднятом валке.

Одним из недостат­ков гибки в открытых вальцах является бочкообразная форма получа­емых деталей вследствие реактивного прогиба верхнего валка. В за­крытых вальцах, схема которых соответствует рис. 4, в, верхний валок 1 крепится на верхней подвижной траверсе 5. Нижний 2 и верхний рабочие валки имеют промежуточные опоры 4, что предотвращает прогиб валков и обеспечивает получение правильных цилиндрических поверхностей. Закрытые вальцы, показанные на рис. 5, имеют боль­шую мощность, значительную длину рабочих валков и иногда исполь­зуются даже для правки сварных полотнищ.

Одной из особенностей технологии гибки в вальцах является необ­ходимость предварительной подгибки кромок листов, поскольку при гибке листов (рис. 4, а, в) изгиб по цилиндрической поверхности обеспечивается лишь в средней части длины листа. Концевые участки листов остаются плоскими. Придания нужной формы кромке можно достичь на прессах или в вальцах с использованием клиновых прокла­док, подкладного листа. На станках, действующих по схеме рис. 4, б, подгибка кромок осуществляется перемещением валков 3.

На гидравлических прессах гнут детали любой формы при любой стрелке погиби. Процесс гибки заключается в последовательном дефор­мировании отдельных участков листа по заранее составленной схеме гибки под действием сосредоточенной нагрузки, передаваемой через пуансон. В КОЦ используют гидравлические прессы, развивающие усилия 2000-8000 кН. По конструктивному исполнению выделяют консольные, портальные и портально-консольные прессы.

Они имеют сварные станины и набор сменной оснастки, включающий пуансоны 1 и матрицы 2, взаимодействие которых ясно из рис. 6, а. Для поддер­жания и перемещения заготовок в рабочей зоне прессов применяют
краны, кран-балки, специальные тележки. Получаемую форму кон­тролируют в основном по шаблонам, а при значительной стрелке погиби и сложной форме изгиба — по каркасам.

Перспективна для применения в судостроении гибочная система с ЧПУ на базе портально-консольного пресса, упрощенная схема кото­рого показана на рис. 6, б. Прессы имеют траверсу 1, боковые стой­ки с крупными вырезами 2, наличие которых позволяет быстро менять пуансоны и матрицы. Консольная часть 3 дает возможность гнуть обе­чайки большого диаметра, крупный профильный прокат. Тележки-ма­нипуляторы 4 осуществляют подачу и поддержание заготовок в про­цессе гибки.

Кромкогибочные прессы используют для изготовления деталей уг­ловой и коробчатой формы, отгибки фланцев. Общий вид такого пресса представлен на рис. 7, а, а схема гибки и размещения гибочной оснаст­ки – на рис. 7, б. Оснастка включает длинный ножевидный пуансон 1 и матрицу 2 с несколькими ручьями 3 различной формы.

На станках типа ЛГС (рис. 8, а) гибку выполняют в процессе про­катки листов 2 между нажимным 1 и ведущим роликами 3. Ведущий ролик имеет цилиндрическую часть и ручьи различной формы. Мак­симальное усилие, передаваемое нажимным роликом, составляет 150 кН, что позволяет гнуть листы толщиной до 12 мм. Станок можно использовать и для гибки профильного проката. Перспективным обо­рудованием для гибки листового проката следует считать прессы для локально-ротационной гибки (рис. 8, г).

Гибка листов местными нагревами основана на том, что конечную форму деталей создают пластические деформации сжатия, которые образуются в результате нагрева и последующего охлаждения задан­ных участков листа (рис. 8, б). Возникающие внутренние усилия при­водят к изгибу всей заготовки. Нагрев можно выполнять газовыми го­релками, токами высокой частоты, лазерным лучом. Возможна и комбинированная гибка, когда заготовка получает цилиндрическую форму в вальцах или на прессах, а ее окончательную доводку до требу­емой формы выполняют с помощью местных нагревов.

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

Кольцегибочные станки (рис. 9, б) предназначены в первую оче­редь для гибки деталей с постоянной кривизной. Гибку осуществля­ют прокаткой заготовки 3 между ведущими 2 и нажимным 1 ролика­ми. Для предупреждения потери устойчивости стенки профиля (если отношение высоты стенки к ее толщине более 7,5), а также для со­хранения требуемой структуры металла применяют локальный на­грев заготовки индукторами ТВЧ 4 с последующим охлаждением во­дяным душем.

Рекомендуем к прочтению:
Механизация и автоматизация изготовления деталей корпуса
Предварительная обработка проката