СУДОСТРОЕНИЕ 4'2002
ТЕХНОЛОГИЯ И РЕЖИМЫ РОТАЦИОННО-ЛОКАЛЬНОЙ ГИБКИ ЛИСТОВЫХ ЗАГОТОВОК
В. Ю. Шуньгин, канд. техн. наук (ФГУП ЦНИИТС) удк 681.513.6:621.791.75
Ротационно-локальная гибка осуществляется путем прокатки листа между нижней гибочной оснасткой в виде роликов, матриц, балок и верхней оснасткой в виде ролика при заданном прогибе листа или усилии гибки. Ее применение позволяет существенно снизить требования к массогабаритным показателям гибочного оборудования и оснастки, уменьшить установленную мощность и энергопотребление по сравнению с традиционно применяемыми процессами — штамповкой на прессах или гибкой-прокаткой в вальцах [1—3]. Цель применения рассматриваемой схемы деформирования — создание в листовой заготовке пластических деформаций изгиба. Результатом технологической операции является листовая деталь заданной формы, представляющая собой часть обшивки корпуса судна.
Для осуществления гибки необходимо решить ряд вопросов, относящихся к технологии выполнения работ, в том числе выбрать гибочную оснастку, определить область, степень и последовательность деформирования. Благодаря исследованиям и разработкам отечественных и зарубежных специалистов эти вопросы уже решены, но только для случая ротационно-локальной гибки листовых деталей простой формы (цилиндрические, конические). Выбор технологии и режимов гибки деталей сложной формы практически полностью был возложен на гибщика. Поэтому для освоения «искусства» гибки требовалось не менее 3—5 лет, а высокой квалификации гибщик достигал только через 10—20 лет. Результатом такого подхода является низкая производительность, высокая трудоемкость гибки, а также необходимость в уменьшении габаритных размеров гнутых листов только по причине сложности их гибки.
Традиционно в качестве рабочей документации гибщик получает альбом рабочих эскизов, содержащий чертеж развертки листа с необходимыми размерами, указаниями типа «корма», «нос», «низ», «верх», номер чертежа, номер и количество деталей (иногда указывается радиус погиба и угол закручивания детали). Однако перечисленная информация не является технологической, поэтому определение режимов гибки — практически важная задача для повышения эффективности применения процессов ротацион-но-локального деформирования гибки и облегчения труда гибщиков.
Точное определение режимов гибки путем численного моделирования процесса упругопластического деформирования представляет собой весьма сложную задачу ввиду наличия физической нелинейности, трудно учитываемых переходных процессов и влияния промежуточной формы листа на результаты деформирования; по объективным причинам достичь большой точности при расчетах не удается; значительные погрешности в результаты расчетов могут вносить наличие начального внутреннего напряженно-деформированного состояния, отклонения механических характеристик металла, а также геометрических характеристик листов от указанных в технических условиях на поставку, неточности, связанные с отклонениями формы и размеров рабочего инструмента, позиционированием гибочной оснастки относительно листовой заготовки и т. д. Поэтому процесс гибки всегда носит итерационный характер: по результатам контроля формы согнутой детали определяются режимы ее догибки для достижения требуемой точности [4]. В этих условиях большое значение имеют приближенные методы расчетов режимов гибки.
Необходимо отметить, что кинетика ро-тационно-локального упругопластического
а) у
б)
1 1 ^и-"" Г 1
—►
Рис. 1. Разметка листовой заготовки для выполнения ротационно-локального формообразования: а — листовая заготовка в плане; б — сечение листовой детали (I, II);
1 — изопараметрические линии прокатки с одинаковым прогибом; 2 — линии гиба OS, OV — главные оси, проходящие через точку О поверхности листовой детали; OX/ OY — базовые оси, проходящие через точку О; ф — угол поворота главных осей относительно базовых; W — стрелка прогиба листовой детали
ТЕХНОЛОГИЯ СУДОСТРОЕНИЯ И МАШИНОСТРОЕНИЯ судостроение 4 2002
Рис. 2. Модуль кабины машиниста локомотива нового образца
Рис. 4. Формообразованная листовая деталь
изгиба аналогична кинетике процессов холодной гибки листовых деталей в штампах последовательными местными нажатиями или гибки-прокатки в вальцах. По этой причине приведенные ниже технологические рекомендации и методы расчетов режимов гибки могут быть использованы и для других процессов гибки, в том числе даже для гибки местными нагревами [5, 6].
Как известно, существуют два главных радиуса кривизны, которые соответствуют экстремальным значениям кривизны в нормальных сечениях поверхности [7]. Сечения, в которых определяются главные радиусы кривизны, называются главными нормальными сечениями; в этих сечениях происходит изгиб, а составляющая кручения отсутствует. Касательные к поверхности в рассматриваемой точке, лежащие в плоскости главного нормального сечения, будем называть главными осями (рис. 1).
Тангенс угла поворота ф главных осей относительно базовых определяется из соотношения
^2ф = -
где w — функция прогибов срединной поверхности листовой детали; х, у — координаты точки поверхности листовой детали в системе координат ОХУ.
Экстремальные значения кривизны определим по формуле
Э^ 1
(-) тах(тт)= -
Эз2 2
Ну+~2
1 э2*
± 2 Т^У2
-)2 +4 (-)2
Эу2 дхду
Э2* "
2 / -
_ ЭхЭу _ _Эу2
где б — координата точки поверхности листовой детали в системе координат ОБУ, повернутой относительно системы координат ОХУ на угол ф.
В общем случае в листовой детали после гибки присутствуют внутренние напряжения, вызывающие взаимоуравновешенные внутренние нагрузки. При этом возможно целое семейство такого рода напряженных состояний, которые соответствуют разным полям пластических деформаций, созданных в листовой детали при упругопластическом деформировании. Поскольку наличие значительных остаточных внутренних напряжений нежелательно, то технологический процесс должен быть выбран таким образом, чтобы минимизировать остаточные напряжения. Тривиальным решением является создание в листовой заготовке пластических деформаций, равных общим деформациям, возникающим в листовой заготовке при изгибе. Однако такое равенство не всегда возможно. Напри-
Рис. 3. Линии прокатки роликом по заготовке
мер, в результате свободного изгиба пластические деформации возникают только вблизи поверхностей листовой заготовки. Поэтому следует ограничиться стремлением к уменьшению только внутренних усилий (изгибающих и крутящих моментов, перерезывающих, продольных и сдвигающих сил). Выражения для изгибающих и крутящего моментов, действующих в двух ортогональных площадках, имеют вид [8]
М5 = 0,5(Му + Мх) - 0,5(Му - Мх)соб2ф + НхуБ1п2ф; Му = 0,5(Му + Мх) + 0,5(Му - Мх)соз2ф - Нхуз1п2ф; Н5у = 0,5(Му- М>2ф + НхусоБ2ф,
где М5, Му — изгибающие моменты в системе координат ОБУ; И$у — крутящий момент в системе координат ОБУ; Мх, Му — изгибающие моменты в системе координат ОХУ; Нху — крутящий момент в системе координат ОХУ.
Анализ последних соотношений позволяет сделать вывод: в площадках, параллельных плоскостям главных нормальных сечений поверхности, изгибающие моменты принимают экстремальные значения, а крутящий момент равен нулю.
Теоретических анализ процессов деформирования с учетом полученных выражений позволяет сделать следующие выводы: ни одна из схем ротационно-локального деформирования не обеспечивает прямого воздействия на значение остаточных крутящих моментов; уменьшение остаточных изгибающих моментов в главных осях приводит к уменьшению перерезывающих сил и крутящих моментов в любых осях.
На основании сделанных ранее выводов можно утверждать, что
СУДОСТРОЕНИЕ 4'2002
ТЕХНОЛОГИЯ СУДОСТРОЕНИЯ И МАШИНОСТРОЕНИИ
Рис. 5. Гибка на станке МГПС-25 листовых деталей для обшивки диффузора
изгиб следует осуществлять в направлениях, совпадающих с направлениями главных осей на поверхности листовой заготовки. В процессе ротационно-локального деформирования пластические деформации изгиба в листовой заготовке возникают главным образом перпендикулярно направлению прокатки, а деформации кручения в направлении прокатки и перпендикулярно ему отсутствуют. Следовательно, прокатка роликом должна выполняться по линиям на поверхности листовой заготовки, направление касательной к которым в каждой их точке совпадает с направлением одной из главных осей (линии кривизны), при этом прокатку необходимо выполнять прежде всего по той линии, в направлении которой кривизна имеет наименьшее значение.
В общем случае линии гиба не являются прямолинейными. Однако при формообразовании большинства листовых деталей обшивки корпуса, криволинейные линии гиба целиком могут быть аппроксимированы прямыми или ломаными линиями, состоящими из прямых отрезков — хорд кривых линий гиба. Указанное обстоятельство позволяет осуществлять прокатку роликом по прямым линиям, что упрощает конструкцию оборудования для ротационно-ло-кальной гибки [9, 10]. Приближенное определение положений линий гиба на практике может выполняться в следующем порядке:
после определения типа листовой детали и границ искривленного участка рассчитываются значения
кривизны изгиба и кручения относительно какой-либо базовой линии, заданной чертежом; рассчитывается угол поворота главных осей относительно выбранной базовой линии и экстремальные значения кривизны; определяется положение на листовой заготовке линии, по которой кривизна поверхности принимает минимальное значение (первая линия гиба). Затем на кромках листовой заготовки в пределах искривленного участка отмечаются точки пересечения кромки листовой заготовки и других линий гиба с требуемым шагом прокатки.
Как показали проведенные теоретические и экспериментальные исследования, между остаточной кривизной поверхности листовой заготовки и прогибом заготовки под роликом, в отличие от усилия деформирования, имеется однозначная зависимость, поэтому при применении ротационно-локальной гибки целесообразно в качестве управляемого технологического па-
раметра выбрать прогиб листовой заготовки под роликом. Однако, если кривизна поверхности незначительна, то прогиб может оказатьс
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.