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1、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,手工热弯成形中频加热肋骨弯曲淬火机热弯成形型钢矫直机冷弯成形三轮滚弯机滚弯成形多模头一次成形数控肋骨拉弯机冷弯成形三支点肋骨冷弯机冷弯成形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，如方法热弯成形是将型材加热到再结晶温度以上，使其塑
2、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,2.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、)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)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
3、，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、)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)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
4、传统的方法(方法、)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作用下产生剪切力N和弯距,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
5、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
6、,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
7、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, 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 逆
8、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,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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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(可使用曲线)忽略剪应力(纯弯曲)，平断面假设成立根据相对弯曲半径(r=/h, 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,r35为三向纯塑性弯曲，应变数值大，处于曲线的第三段35r200
14、为线性纯塑性弯曲，处于曲线的第二段r200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)s-屈服极限(Pa),-材料的强化系数(Pa),1-形状系数，仅与剖面形状有关,0-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),-中性层移动距离,-卸载后半径,-回弹前中性层至断面形心距离,-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
15、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(23mm/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900o950o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,
