Патент на изобретение №2199407

(54) СПОСОБ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ГНУТЫХ ЛИСТОВЫХ ДЕТАЛЕЙ

(57) Реферат:

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к изготовлению элементов корпусов кораблей, судов и других конструкций сложной формы. Приложение обжимающих нагрузок осуществляют вдоль линий кривизны, линии одинакового усилия нажима идут вдоль длинной стороны листовой заготовки, гибку листовой заготовки нулевой гауссовой кривизны производят с постоянным усилием. При гибке листовой детали заданной двойной кривизны усилие изменяют пропорционально квадрату расстояния от длинной кромки листовой заготовки. Приложение обжимающей нагрузки осуществляют с постоянным усилием в пределах областей поверхности листовой детали, в каждой из которых максимальное приращение остаточной деформации утонения не превышает заданной величины. Нажатия производят с перекрытием следов от пуансона на поверхности заготовки на величину, равную 0,15 размера следа в заданном направлении, а при ротационно-локальном приложении нагрузки – с перекрытием дорожек, получаемых в результате пластического деформирования поверхности заготовки, на величину, равную 0,15 ширины дорожки. Повышается производительность и качество гнутых деталей за счет упорядочения траекторий приложения обжимающих нагрузок и их величин. 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к изготовлению элементов корпусов кораблей, судов и других конструкций сложной формы.

Известны и широко применяются способы формообразования гнутых листовых деталей в штампах на прессах и на ротационных машинах. Однако в последнее время все большее применение находит формообразование локально-последовательными и ротационно-локальными методами (ФГУП ЦНИИТС, Россия; фирма Niland, Голландия). По формообразованию методом локально-последовательных нажатий, заключающимся в точечных последовательных нажатиях по определенным переходам и в определенной последовательности до достижения заданной кривизны, известны аналоги – авторские свидетельства и патенты РФ: 1072951, опубл. в БИ 6 от 12.02.84, 1574316, опубл. в БИ 24 от 30.06.90, и 1616746, опубл. в БИ 48 от 30.12.90.

Для реализации способа формообразования методом ротационно-локального деформирования, заключающимся в квазинепрерывных перемещениях по поверхности заготовок вращающихся роликовых систем, в настоящее время создается новое поколение ресурсосберегающего многофункционального гибочно-правильного оборудования (Патенты РФ 2102170 в БИ 2 от 20.01.99 и 2129929 в Б.И. 13 от 10.05.99).

Общим недостатком применяемых способов формообразования является недостаточная регламентация траекторий приложения локальных деформирующих усилий.

Наиболее близким к заявленному является способ изготовления гнутых листовых деталей, принятый за прототип (Патент РФ 2019337, опубл. 15.09.94 в БИ 17) и заключающийся в формообразовании в штампе с применением прокладок, устанавливаемых по краям детали. Высоту прокладок принимают равной разности стрел прогиба фиксированной поверхности и заданной, форма прокладок, расположенных вдоль широтного направления заготовки, соответствует так называемым “индикатрисам Дюпена”, а их полуширина выбирается численно равной где R – радиус кривизны заданной поверхности. Пропорционально величине назначается и усилие гибки. Упругую разницу пружинения между фиксированной и заданной поверхностями устраняют посредством приложения калибрующего (обжимающего) усилия гибки, увеличивающегося пропорционально изменению прогиба.

Недостатком указанного способа является необходимость применения специальных для каждого типоразмера деталей подбора прокладок, а также необходимость в значительных усилиях гибки, что приводит к значительным массогабаритным показателям оборудования и повышенному энергопотреблению.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков за счет упорядочения траекторий приложения и снижение величин обжимающих усилий.

Указанный технический результат достигается за счет того, что формообразование осуществляют за один или несколько переходов по поверхности заготовки при локально-последовательном или ротационно-локальном приложении заданных обжимающих усилий, вызывающих допустимое остаточное утонение, и кроме того, в отличие от прототипа, указанные усилия прикладывают вдоль известных из дифференциальной геометрии, так называемых, линий кривизны поверхности детали заданной формы и изменяют усилия прямо пропорционально получаемому утонению, определяемому, например, из дифференциального уравнения, приведенного в формуле изобретения, при этом линии одинаковых усилий идут вдоль длинной стороны заготовки.

Кроме того, указанный технический результат в частных случаях предлагаемого решения достигается за счет того, что:
– формообразование деталей нулевой гауссовой кривизны (с цилиндрической или конической поверхностью) осуществляют с постоянным обжимающим усилием и в направлении, по которому кривизна поверхности листовой детали принимает максимальное значение;
– формообразование деталей заданной парусовидной формы осуществляют с увеличением усилия от минимума на кромке длинной стороны заготовки до максимума в точке наибольшего прогиба;
– формообразование деталей заданной седлообразной формы осуществляют с уменьшением усилия от максимума на кромке длинной стороны заготовки до минимума в средней ее части;
– формообразование деталей осуществляют последовательными перекрывающимися участками от одного края заготовки к другому, в каждом из которых максимальное приращение остаточной деформации утонения не превышает заданной величины;
– формообразование осуществляют последовательными не перекрывающимися участками ступенчато, с постоянным усилием на каждой ступени, обеспечивающим необходимое утонение, не превышающее максимально допускаемой величины;
– при локально-последовательном приложении усилий каждый след, начиная со второго, от пуансона на поверхности заготовки перекрывает предыдущий след на величину, равную 0,15 его размера, а при ротационно-локальном приложении усилий каждая дорожка, начиная со второй, получаемая в результате пластического деформирования поверхности заготовки, перекрывает предыдущую на величину, равную 0,15 ее ширины.

Обжимающее усилие в предлагаемом способе пропорционально получаемому утонению, а не прогибу, как в прототипе. Осуществление формообразования по криволинейным траекториям известно из уровня техники, однако траектории по прототипу соответствуют “индикатрисам Дюпена”, которые характеризуют линию, полученную, если от некоторой точки поверхности отложить по касательной к каждому нормальному сечению отрезок, равный корню квадратному из радиуса кривизны этого сечения. В предлагаемом способе линии приложения изгибающих усилий (линии гиба) совпадают с направлением главных осей в каждой точке гнутой листовой детали, по направлению которых кривизна является наибольшей (1/R_min) или наименьшей (1/R_max). Эти линии гиба в дифференциальной геометрии носят название “линии кривизны” (см. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. М., Физматгиз, 1959, с. 262), и они характеризуются так называемой “гауссовой” кривизной, равной произведению т. е. они отличны от “индикатрис Дюпена”, пропорциональных корням квадратным из кривизны
Для простейших форм поверхностей гнутых листовых деталей (цилиндрической и конической) “линии кривизны” совпадают по форме с “индикатрисами Дюпена” и представляют собой прямые линии – образующие указанных выше поверхностей. Однако для листовых деталей сложной формы они различаются. Например, для листовой детали парусовидной формы линии гиба, соответствующие “индикатрисам Дюпена”, соответствуют эллипсам, тогда как соответствующие “линиям кривизны” – прямым или слабо искривленным линиям. Кроме того, параметры этих траекторий различны по отношению к радиусам кривизны детали. Величина деформирующего усилия прямо пропорциональна утонению , тогда как в прототипе усилие гибки пропорционально корню квадратному из максимального радиуса кривизны а это существенно различные величины.

Приложение обжимающих усилий вдоль линии кривизны, т.е. линии, касательная к которой в каждой ее точке совпадает с направлением, по которому кривизна поверхности детали имеет экстремальное значение, позволяет избежать побочных деформаций и, следовательно, повысить качество и производительность процессов гибки, а расположение линий одинакового усилия нажима вдоль длинной стороны листовой заготовки позволяет значительно снизить остаточное утонение листовой заготовки и тем самым уменьшить усилие нажима и обеспечить сохранность свойств деформируемого металла. Те же задачи преследуют и остальные из предложенных решений.

Сущность изобретения поясняется схемами, на которых показано применение предлагаемого способа, где изображены:
– фиг.1 – ротационно-локальное приложение обжимающих усилий;
– фиг.2 – листовая заготовка с линиями гиба;
– фиг.3 – листовая деталь одинарной кривизны;
– фиг.4 – листовая деталь парусовидной формы;
– фиг.5 – листовая деталь седлообразной формы;
– фиг.6 – области с одинаковым усилием прокатки;
– фиг.7 – перекрытие отпечатков на поверхности листовой заготовки.

Заготовка 1 (фиг.1) листовой детали толщиной s подвергается формообразованию ротационно-локальным деформированием с усилием Р между двумя вращающимися роликами, верхним 2 и нижним 3, перемещаемым по линиям гиба 2 (фиг. 2), которые соответствуют линиям экстремальной кривизны. Касательная к этим линиям в каждой их точке совпадает с направлениями, по которым кривизна поверхности листовой детали экстремальна (1 на фиг.2). Заготовка в результате деформирования получает утонение t=s, где – остаточная деформация утонения, и заданную кривизну в продольном (по оси Y) k_y=1/R_y и поперечном (по оси X) k_x=1/R_x направлениях.

Утонение заготовки может быть замерено после опытного формообразования толщиномером, например ультразвуковым. По полученным замерам утонений при изгибе второй подобной заготовки усилие Р изменяют пропорционально полученному утонению.

Кроме того, утонение может быть также определено аналитическим путем из решения полученного дифференциального уравнения, приведенного ниже в настоящей заявке.

Как показали исследования, проведенные авторами по программе Миннауки (тема “Гибка”), обжимающее усилие гибки в области рабочих параметров должно изменяться практически пропорционально утонению. Изменение усилия ведется в соответствии с полученными изопараметрическими линиями, то есть линиями с одинаковым утонением (3 на фиг.2).

Листовая деталь одинарной кривизны, то есть поверхность которой имеет нулевую гауссову кривизну (фиг.3), подвергается формообразованию по линиям гиба 1, при этом эпюра усилий 2 постоянна для всех линий гиба.

Листовая деталь парусовидной формы подвергается формообразованию по линиям гиба 1 (фиг. 4) роликовым устройством (фиг.1) или локально-последовательными нажатиями, при этом обжимающее усилие Р вдоль длинной кромки согласно приведенной эпюры 2 постоянно, а вдоль короткой кромки изменение усилия Р производят с увеличением от длинной кромки листовой заготовки согласно эпюры 2 до точки наибольшего прогиба f_max прямо пропорционально текущей стрелке прогиба f.

Для детали седлообразной формы (фиг.5, обозначения как на фиг.4) наоборот, изменение усилия Р производят с уменьшением от максимума на длинной кромке заготовки до нуля в средней ее части (эпюра 2) прямо пропорционально разнице между максимальной f_max и текущей f стрелкой прогиба в точке нажима.

Кроме того, как установлено указанными проведенными опытными работами, получение утонения с точностью, превышающей величину _min = 0,002, невозможно, поэтому целесообразно выбирать минимальные размеры участков заготовки с одинаковым утонением (усилием деформирования) такими, чтобы изменение остаточного утонения в этом участке не превосходило указанной величины. Кроме того, те же исследования показали, что оптимальная величина изменения деформации утонения равна _opt = (0,01-0,02), а максимально допустимое из условия сохранности свойств деформируемого металла изменение остаточной деформации утонения равно _max = 0,05. Максимальные размеры области с одинаковым остаточным утонением или максимальное его приращение должны выбираться с учетом этих рекомендаций.

При формообразовании деталей, утонение которых должно изменяться в широком диапазоне, приложение деформирующей нагрузки осуществляют с постоянным усилием Р в пределах области с максимальным утонением (фиг.6) на длине L₁, изменение утонения в которой не превышает заданной допустимой величины, затем приложение обжимающей нагрузки осуществляют также с одинаковым усилием в пределах области, большей площади по размеру L₂ вдоль оси X, включающей первую по размеру L₁ с тем же изменением остаточной деформации утонения, и так далее до достижения требуемого утонения всех областей листовой заготовки до наибольшего размера L.

Последовательное перекрытие следов от пуансона или ролика шириной b (фиг.7), полученных на поверхности листовой заготовки при ее деформировании, производят на величину, равную v=0,15b, где b – размер отпечатка в заданном направлении при локально-последовательном приложении усилий или ширина дорожки при ротационно-локальном приложении усилий. Указанное условие позволяет осуществлять равномерное деформирование листовой заготовки, исключая пики остаточных напряжений и деформаций.

Пример определения остаточной деформации утонения (к п.1 формулы изобретения).

Остаточное утонение определяется из дифференциального уравнения
²_ε = 2K,
где
– оператор Лапласа;
– остаточная деформация утонения;
К – гауссова кривизна поверхности гнутой детали;
х, у – координаты рассматриваемой точки на поверхности листовой заготовки.

Необходимое утонение определяется для формообразования листовых деталей с поверхностями постоянной кривизны (продольная и поперечная кривизна во всех точках поверхности имеют одинаковое значение).

Расчет осуществляется следующим образом.

1. Листовая деталь типовой парусовидной формы
Продольная K₁ и поперечная кривизна К₂ имеют одинаковый знак, следовательно их произведение всегда больше нуля, тогда приведенное выше дифференциальное уравнение преобразуется к виду:

Примем следующие два соотношения:


где
0K₃2|K|.
После интегрирования выражение для деформации утонения примет вид:

С учетом того, что воздействию обжимающих усилий должна подвергнуться вся листовая заготовка, значение коэффициента С выбираем из условия =0 при х= а/2, у= в/2. Тогда выражение для определения деформации утонения примет вид:

Полученное выражение при произвольно выбранном коэффициенте К₃ (из заданного выше диапазона изменения) в общем случае соответствует схеме растяжения с эллиптическими изопараметрическими линиями.

Поскольку при гибке на станках типа МГПС прокатка роликом осуществляется по прямой линии, то такая форма изопараметрических линий приводит к необходимости изменения усилия гибки в процессе прокатки. В этом случае ручное управление процессом гибки является достаточно сложным и требует определенных навыков. Поэтому целесообразно полученное решение разделить на два решения, каждое из которых зависит только от одной координаты. Суммарная деформация утонения в этом случае равна: = ₁+₂.
Указанные два слагаемых могут быть получены за два перехода в двух взаимно перпендикулярных направлениях и равны:


Каждое из слагаемых ₁ и ₂ соответствует схеме растяжения с прямыми изопараметрическими линиями, поэтому в процессе прокатки усилие деформирования изменяться не должно, что может быть легко реализовано при гибке на станках типа МГПС с ручным управлением.

Наибольшее утонение соответствует точке с координатами х=0, у=0:

Анализ полученного соотношения показывает, что если размеры листовой заготовки в плане примерно равны, то значение К₃ практически не влияет на величину максимального утонения, однако если а>>в, то производная положительна и с увеличением К₃ необходимое максимальное утонение возрастает, поэтому значение К₃ целесообразно принять равным нулю.

Таким образом, если соотношение длин сторон листовой заготовки велико, то для уменьшения необходимого утонения изопараметрические линии должны идти вдоль длинной стороны листовой заготовки.

2). Листовая деталь типовой седлообразной формы
В этом случае произведение K₁K₂ всегда отрицательно. Примем, что К=-K₁K₂.

Принимая, что =0 в точке х=0, у=0, получим С=0, при этом выражение для определения необходимого утонения примет вид:

Полученное решение также может быть разделено на две составляющие. Максимума (по модулю) деформация утонения достигает в точке х=а/2, у=в/2:

Деформация утонения принимает минимальное значение при тех же условиях, что и в случае растяжения листовой детали типовой парусовидной формы.

3. Листовая деталь сферической формы
При расчете необходимого утонения листовую деталь сферической формы можно рассматривать как вырожденный случай листовой детали парусовидной формы при К₁= К₂. В частном случае, при aв, рационально выполнение гибки раскаткой по схеме растяжения с эллиптическими изопараметрическими линиями, которые принимают форму окружности. Этот случай характерен для формообразования сферических донышек и других листовых деталей, имеющих форму тел вращения. Необходимая деформация утонения в этом случае равна:

где r – расстояние от выбранной точки в средней части листовой заготовки до рассматриваемой точки;
r_o – расстояние от выбранной точки в средней части листовой заготовки до самой крайней точки листовой заготовки.

Формула изобретения

1. Способ формообразования гнутых листовых деталей за один или несколько переходов по поверхности заготовки, заключающийся в приложении заданных обжимающих усилий, вызывающих допустимое остаточное утонение, отличающийся тем, что усилия прикладывают локально-последовательно или ротационно-локально вдоль линии кривизны и изменяют пропорционально утонению, при этом линии одинаковых усилий идут вдоль длинной стороны заготовки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что прикладываемые усилия изменяют пропорционально утонению, определяемому из дифференциального уравнения
²_ε = 2K,
где ² = ²/x+²/y – оператор Лапласа;
– остаточная деформация утонения;
К – гауссова кривизна;
х, у – координаты рассматриваемой точки на поверхности листовой заготовки.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при формообразовании деталей нулевой гауссовой кривизны обжимающее усилие выдерживают постоянным и осуществляют в направлении, по которому кривизна поверхности листовой детали принимает максимальное значение.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при формообразовании деталей заданной парусовидной формы обжимающее усилие увеличивают от минимума на кромке длинной стороны заготовки до максимума в точке наибольшего прогиба.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при формообразовании деталей заданной седлообразной формы обжимающее усилие уменьшают от максимума на кромке длинной стороны заготовки до нуля в средней ее части.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что формообразование деталей осуществляют последовательными перекрывающимися участками от одного края заготовки к другому, в каждом из которых максимальное приращение остаточной деформации утонения не превышает заданного значения.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что формообразование деталей осуществляют последовательными не перекрывающимися участками ступенчато, с постоянным усилием на каждой ступени, обеспечивающим необходимое утонение, не превышающее максимально допустимого значения.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что при локально-последовательном приложении усилий в заданном направлении каждый след на поверхности заготовки от пуансона, начиная со второго, перекрывает предыдущий след на 0,15 его размера, а при ротационно-локальном приложении нагрузок – каждая дорожка, начиная со второй, получаемая в результате пластического деформирования поверхности заготовки, перекрывает предыдущую на 0,15 ее ширины.

РИСУНКИ