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 手工热热弯成形 中频频加热热肋骨弯曲淬火机热热弯成形 型钢矫钢矫 直机冷弯成形 三轮滚轮滚 弯机滚滚弯成形 多模头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，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检测 和控制成 形方法校对型材腹板边缘边缘 ，使之与要 求的曲线线一致 没有采用数控程序的冷弯机，常用的控 制成形的方法有 铁样铁样 (样样板)人工对样对样 、逆直线线法和仿 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 塑性弯曲假设设：材料的强化特性仅仅 与变变形程度有关(可使用曲线线 )忽略剪应应力(纯纯弯曲)，平断面假 设设成立 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为为三向纯纯塑性弯曲，应变应变 数值值大， 处处于曲线线的第三段 35r200为为线线性纯纯塑性弯曲，处处于 曲线线的第二段 r200为为弹弹塑性弯曲，由边缘层边缘层 的应变应变 从 弹弹性过过渡到塑性开始 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