船舶建造工艺课件11-型钢成形加工

第三节船体型钢构件的成形加工•非平直船体构件在边缘加工后，应进行成形加工•目的是求得要求的空间形状,是展开的逆过程一、肋骨成形方法及其分类•船体形状主要是由肋骨线型决定•肋骨加工成形的质量直接影响到船体的建造质量肋骨成形加工的方法①手工热弯成形②中频加热肋骨弯曲淬火机热弯成形③型钢矫直机冷弯成形④三轮滚弯机滚弯成形⑤多模头一次成形数控肋骨拉弯机冷弯成形⑥三支点肋骨冷弯机冷弯成形⑦纯弯曲原理肋骨冷弯机冷弯成形肋骨成形方法的分类1.按加工时是否对型材预热分类•分为冷弯成形加工和热弯成形加工•冷弯成形是在常温下直接施加外力使型材产生塑性变形，将其弯成要求的形状，如方法③⑦•热弯成形是将型材加热到再结晶温度以上，使其塑性增加而易于变形，再施加外力将其弯成要求的形状，如方法①②2.按型材的进给方式分类•分为连续进给成形、逐段进给成形和一次成形等三种加工方法•连续进给加工方式(方法②、④)适合于加工圆形肋骨加工任意曲线形状时操作较复杂•一次成形加工(方法⑤)是指整根肋骨的形状一次加工成形三轮滚弯机滚弯肋骨示意图多模头数控拉弯机工作原理•应用拉弯原理设计的多模头数控肋骨拉弯机，能使肋骨一次加工成形•该机的各个模头用数控方法布置成所需的肋骨曲线形状•被加工型材的两端分别夹住，由拉伸机构施加拉力•拉力值略大于型材的屈服极限值•再操纵模头顶压型材进行拉弯加工多模头一次成形数控肋骨拉弯机多模头数控拉弯机的应用•由于型材两侧均有模头，可以加工S形肋骨•这种方法从自动化角度看比较简单•因为要适应船体肋骨的最大长度，所以设备庞大、投资多•不易预计型材弯曲时的回弹量，要准确地成形肋骨须经过反复修正逐段进给成形加工•逐段进给成形加工是国内最常见的加工方法(方法③、⑥、⑦)•特点是进给一段弯曲一段，一段型材弯曲成形后，再进给新的一段•这种加工方法的优点是设备简单，较易实现自动控制3.按型材的受力状态分类•可分为拉弯原理、集中力弯曲原理和纯弯曲原理三种类型•应用拉弯原理的肋骨冷弯机(方法⑤)比较少见•型材在弯曲过程中不出现压应力•产生皱折现象的可能性较小•对高腹板的船体型材进行拉弯加工时，容易使型材受到破坏集中力弯曲原理•用集中力弯曲原理加工型材是一种传统的方法(方法③、④、⑥)•目前多数肋骨冷弯机是应用这一原理制造的•集中力弯曲需要三个作用点，所以也称为三支点弯曲•型材在集中载荷Ｐ作用下产生剪切力N和弯距Ｍ左图为集中力弯曲的受力情况•右图为纯弯曲的受力情况纯弯曲原理•纯弯曲是指梁截面上仅有弯矩而没有剪力作用，梁处于平面弯曲状态•获得梁的纯弯曲的方法是使简支梁对称地承受两个相等的集中载荷•集中载荷间的l段梁处于纯弯曲状态•梁段内任一截面处弯矩：M=Pa；剪力：Q=0二、型钢构件冷弯成形1.三支点逐段进给式肋骨冷弯机•机床工作部分的示意图见右图•中间为固定夹头•两侧为活动夹头可夹持型材做进退和旋转三支点冷弯机工作过程•冷弯某一段型材时，可动夹头连同所夹持的型材进退和旋转•三个夹头对型材施加外力使其弯制成所需的形状•一段弯好后，再进给一段，逐段弯制出整根型材•弯曲时，夹头上的加紧装置将型材复板加紧，以防止型材在弯曲过程中产生翘曲和皱折三支点冷弯机的优缺点•这种肋骨冷弯机优点较多，使用较普遍•但也存在诸如被弯曲的肋骨上压痕大、加工效率不高等缺点•同时三支点冷弯成形中，集中力作用处的弯矩最大•容易形成塑性铰，产生局部变形2.纯弯曲原理肋骨冷弯机•图示为国内研制的50吨纯弯曲原理肋骨冷弯机的主要工作部分纯弯曲冷弯机的结构•采用四支点弯曲方式•机械部分组成水平弯曲机构垂向弯曲机构进料机构正位机构压印机构纯弯曲冷弯机的夹紧形式•中夹头设有两个顶弯柱•侧夹头体各有一个顶弯柱•四个顶弯柱使型材在腹板平面内(机床水平平面)内按纯弯曲原理进行弯曲纯弯曲冷弯机的工作方式•弯曲机构采用液压传动•首先使三个垂直安置的夹紧油缸驱动三个夹头夹紧型材的腹板•然后由两个水平安置的弯曲油缸分别驱动两个侧夹头体做水平方向的前后运动•逐段进给逐段弯曲成形纯弯曲冷弯机的优点(1)•加工质量好型材上载荷作用处压痕显著减小加工时是用不同曲率的圆弧拟合肋骨曲线，光顺性较好三支点弯曲时，载荷作用处的局部变形最大，肋骨的光顺性相对较差纯弯曲冷弯机的优点(2)•加工效率高用纯弯曲原理加工肋骨，型材塑性变形区大可增加每次进给的长度，从而提高加工速度较三支点肋骨冷弯机可提高工效一倍以上纯弯曲冷弯机的优点(3)•机床的性能比较完善肋骨可成对加工也可单根加工设置旁弯(垂向弯曲)校正机构——被加工的型材多为非对称剖面，在弯曲过程中会产生旁弯变形型材进给操作灵活可作为型材矫直机使用3.肋骨冷弯成形的若干问题(1)检测和控制成形的方法•肋骨冷弯机需要一定的检测和控制成形方法校对型材腹板边缘，使之与要求的曲线一致•没有采用数控程序的冷弯机，常用的控制成形的方法有•铁样(样板)人工对样、逆直线法和仿形控制法①铁样(样板)人工对样•需要依据放样提供的结构型线制作铁样或样板、费工费料•在型材加工过程中用它反复检查(校对)所弯曲型材腹板边缘•操作繁复，对工人技术水平要求较高②逆直线法•逆直线在弯曲前的平直型材上是一根曲线•型材弯曲到腹板边缘与结构型线吻合时，曲线变为一根直线逆直线法加工•准确地求取逆直线的形状是逆直线加工的关键•在型材弯制过程中，可以通过检测逆直线是否变直来控制构件的成形•逆直线方法主要适用于腹板较高、曲度较小的肋骨•省去制作样板的材料和工时•但需要求作逆直曲线，而且在加工时的检测也较繁复③仿形控制法•针对数控肋骨冷弯机尚未普及，解决肋骨冷弯人工对样的困难而研究的一种成形控制方法•所谓仿形控制，就是在肋骨冷弯机上安装一套仿形装置•弯制肋骨时，使铁样与肋骨同步进给，肋骨逐段弯曲仿形装置示意图仿形控制法工作原理•保证每段肋骨和铁样在y方向上的距离为一定值y0•肋骨即可弯制成与铁样相同的形状•坐标系中任一曲线f(x)上各点沿y方向做距离为y0的平移，所得各点构成的新曲线F(x)•F(x)与原曲线f(x)的形状完全相同仿形装置的构成•主要由平移机构和检测机构组成•平移机构使滑块在小车上沿y方向滑动，小车在轨道上横向(x方向)平移仿形装置的平移滑块•滑块夹臂分别夹住型材和铁样•型材和铁样的端点在y方向上始终相距y0•型材进料和弯曲时带动滑块平移•检测机构上有两个仿形触杆仿形装置的检测机构•触杆1始终保证铁样与肋骨的距离为y0•两个触杆间为正在加工的肋骨段•加工肋骨段与对应的铁样型线之间的偏差可在触杆2上反映出来检测偏差P0=y0-y•判断加工偏差的大小和方向•操纵弯曲机构对肋骨进行弯曲•弯曲回弹后，若偏差消失(或小于允许误差)，表明肋骨弯曲成形合格(2)型材冷弯时的附加变形以及消除措施•角钢和球扁钢为不对称型材，塑性弯曲时会产生旁弯、倒边、扭曲和皱折等严重影响加工质量的变形•旁弯变形在不对称型材成形加工时很容易形成•产生的原因如图示旁弯变形的产生•开口薄壁构件剖面形心和扭心不重合•型钢在XOY平面(腹板平面)内弯曲•受弯矩MZ作用，腹板边缘的应力在横剖面的合力对Y轴的力矩不平衡•在XOZ平面产生另一弯矩MY，使型钢腹板厚度方向弯曲变形即旁弯变形旁弯变形的预防与消除•主要采用预置反变形量和设置垂向弯曲系统反变形等两种措施•倒边是型材成形过程中产生的面板与腹板之间夹角减小的剖面畸变•这种现象可以用最小阻力定律解释•弯曲时距离中性轴愈远的材料，变形阻力愈大•为减小变形阻力，材料有向中性轴靠近的趋势，于是造成剖面畸变倒边、扭曲、皱折与预防•倒边和旁弯变形在长度方向上的积累，就形成了肋骨长度方向上的扭曲现象•预防倒边大都用加垫硬面板的方法•皱折变形是型材在反弯加工时，型线边缘一侧受压应力作用因失稳而产生的多余变形•消除皱折常用上下平面加力夹持腹板塑性变形区和加密压点等办法拉压塑性变形•型钢在弯曲过程中产生的塑性变形区受拉受压两个部分•腹板厚度较小，受压区失稳皱褶，受拉伸易翘曲•腹板愈高，两种变形愈厉害•预防办法，增大压紧面积其它方法•预防和消除旁弯、倒边、扭曲和皱折现象的手段失效或效果不佳，则只能采用水火矫正或机械压平手段来进行矫正•这样会使余下的加工变得十分困难•关键是任何矫正措施都有可能使已经成形的肋骨线型走样，需再次修正甚至多次修正，耗工费力(3)型钢冷弯的回弹及其处理•冷弯过程中，型材在外力作用下产生塑性变形，并伴随有弹性变形•外力卸除后弹性变形的恢复即为回弹，这是弹性材料的固有特性•回弹的客观存在，给肋骨的冷弯工艺及准确成形带来不利影响•正确处理好回弹因素，对提高肋骨冷弯的效率和质量十分重要处理回弹的两种方法•理论计算方法力学方法预先计算可能的回弹量将它叠加到弯曲量上使型材过量弯曲，待回弹后即能准确成形•逐步逼近弯曲法每次弯曲后测出实际回弹量，再按实测回弹量对型材做过量弯曲如此反复，使肋骨逼近成形型线力学方法计算回弹量•计算结果与实际情况有一定出入•原因较多：轧制时的残余应力分布不知材质的不均→弹性模量E不是常数几何尺寸的非一致→剖面惯性矩I的准确性问题力学计算模型的近似简化问题•近似计算可以给出一个定量的范围塑性弯曲•塑性弯曲假设：材料的强化特性仅与变形程度有关(可使用б―ε曲线)忽略剪应力τ(纯弯曲)，平断面假设成立•根据相对弯曲半径(r=ρ/h,ρ为曲率半径，h为腹板高度)的数值，塑性弯曲分为三种情况：•三向纯塑性弯曲、线性纯塑性弯曲和弹塑性弯曲塑性弯曲的三种情况•r＜3~5为三向纯塑性弯曲，应变数值大，处于σ―ε曲线的第三段•3~5≤r≤200为线性纯塑性弯曲，处于σ―ε曲线的第二段•r＞200为弹塑性弯曲，由边缘层的应变从弹性过渡到塑性开始•船体肋骨梁：r在8-200之间，可以认为是处于线性纯塑性弯曲阶段，因此可以得到梁弯曲时的弯距塑性弯曲的计算公式(1)•W-剖面模数(mm3),S-剖面静距(mm3)•σs-屈服极限(Pa)011sssESM()W()W2rW2r•-材料的强化系数(Pa)s1B2.1E•Ψ1-形状系数，仅与剖面形状有关•Ψ0-相对强化系数，仅与材料机械性能有关塑性弯曲的计算公式(1)1111EIM()EI(rr)h11EI(1)EI(rr)h•Δ-中性层移动距离•-卸载后半径•φ-回弹前中性层至断面形心距离r•-中性层的相对曲率半径三、型钢构件的热弯成形•冷弯工艺以前，多数大曲率型材采用大火热弯法弯制•这种工艺燃料耗费多，劳动强度高，被冷加工所取代•部分小型船厂仍在采用•热轧状态的低合金钢型材弯曲成形后，须经过调质处理(淬火和回火)才能达到船体构件的性能要求中频感应加热弯曲淬火工艺•中频感应加热弯曲淬火工艺彻底改革了旧的弯曲、淬火工艺•肋骨弯曲成形和淬火的质量好，生产效率高，使劳动强度大为减轻•该工艺针对热轧低合金钢须经调质处理的要求，在一台中频加热弯曲淬火机床上完成肋骨的弯曲和淬火•便于组成弯曲—淬火—回火的生产流水线中频加热•利用2500Hz的电流通过感应器4产生一个交变磁场•型材7在主动轮3和压紧轮2的共同作用下以一定的速度(2~3mm/s)从感应器中穿过中频加热弯曲淬火工艺设备•钢材在交变磁场作用下产生大量的热量，把肋骨局部加热到淬火温度•同时，钢材的塑性加大，在下压滚轮6的顶弯和滚轮1的支承作用下，在型材上被加热的狭窄带内发生弯曲中频加热淬火•肋骨通过感应器后的10s左右时间内，温度达到900o~950o•然后被位于感应器后的喷水圈5喷出的水冷却(淬火)中频加热弯曲淬火工艺特点•从感应器到喷水圈这一狭窄范围内的肋骨处于高温状态，而其两侧则处于冷态•弯曲在这一加热窄带中进行，有效的避免肋骨的起拱和皱折•机床本身不需要很大的弯曲功率和刚度•采用压力喷水冷却，能使肋骨达到完全淬火目的，故而淬火质量比水槽中淬火质量好•可以通过调节肋骨进给速度或中频电源的功率来调节淬火的温度•肋骨经弯曲淬火后，还应置入电炉中进行回火•最后在液压机上矫形