автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.04, диссертация на тему:Разработка технологии холодной гибки деталей сферических конструкций методом последовательных локальных нажатий

На правах рукописи

/

ЛЕВШАКОВ Валерий Михайлович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ХОЛОДНОЙ ГИБКИ ДЕТАЛЕЙ СФЕРИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ МЕТОДОМ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ЛОКАЛЬНЫХ НАЖАТИЙ

Специальность 05.08.04 - «Технология судостроения, судоремонта и организация судостроительного производства»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2005

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Центральный научно-исследовательский институт технологии судостроения»

Научный руководитель - доктор технических наук,

старший научный сотрудник Горбач Владимир Дмитриевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

старший научный сотрудник Герасимов Николай Иванович

Ведущая организация ФГУП «Адмиралтейские верфи»

Защита состоится «15» апреля 2005 г. в 13_часов на заседании Диссертационного совета Д 223.009.04. при Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций по адресу: 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7,

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций

кандидат технических наук, доцент

Давыдов Валерий Григорьевич

СПГУВК

Автореферат разослан

2005 года

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 223.009. доктор технических наук, профессор

В.Л. Ерофеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКАРАБОТЫ

Актуальность работы

Современный этап развития судостроения характеризуется повышенным вниманием к ресурсосберегающим, надежным технологиям, к числу которых относится холодная гибка корпусных деталей сложной формы методом последовательных локальных нажатий (ПЛН).

В судостроении и смежных отраслях промышленности расширяется применение конструкций типа оболочек, сферических переборок, днищ и их элементов. Прочные конструкции проектируются из сталей и сплавов толщиной от 10 до 100 мм.

Ответственные конструкции подводных лодок (ПЛ), в первую очередь -прочные сферические переборки имеют габариты, как правило, превышающие возможности их изготовления целиком на существующем оборудовании. Размеры заказных листов недостаточны для изготовления сферических переборок, поэтому переборки разбиваются поясами и меридиональными сечениями на элементы — «лепестки» и «донышки».

В практике кораблестроения для формообразования заготовок ответственных сферических конструкций ранее широко применялась горячая штамповка, которая имеет существенные особенности. К ним, в первую очередь относятся: высокая трудоемкость, неблагоприятные условия труда и экологические проблемы; большие энергозатраты; значительный угар металла при нагревах (до 1,5-1,8%); большие производственные площади для фондоемкого нагревательного оборудования; необходимость дополнительных вспомогательных операций; невысокая точность деталей; потребность в финишной термической обработке для восстановления механических свойств металла. Увеличение габаритов, толщины и прочностных характеристик заготовок, повышение требований к качеству и эксплуатационной надежности конструкций, применяемых в кораблестроении, ставят новые задачи по изготовлению их элементов, требуют развития и изыскания новых методов технологического обеспечения процессов, прежде всего ПЛ.

Объект исследований - ответственные сферические конструкции из высокопрочных материалов, применяемые в кораблестроении, повышение технико-экономических показателей их производства за счет разработки и внедрения прогрессивной технологии холодной гибки деталей методом последовательных локальных нажатий.

Предмет исследований - разработка обоснованных методов проектирования технологии холодной гибки последовательными локальными нажатиями, обеспечивающих высокое качество и эксплуатационную надежность изделий.

Технологические процессы холодной гибки толстостенных сферических деталей, разработанные в ЦНИИТС взамен и в дополнение к горячей штамповке с участием автора, получили апробацию в частности на ФГУП «Адмиралтейские верфи» и ФГУП ПО «Севмаш» на последних строившихся заказах («Амур», «Лада», «Ясень», 06360, 4097).

Цель и задачи исследований

Цель исследований настоящей диссертационной работы - снижение трудоемкости, затрат энергоресурсов и улучшение условий труда при изготовлении деталей сферических конструкций, применяемых в кораблестроении, путем совершенствования технологии холодной гибки.

Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо решить следующие задачи:

1.Оценить технические возможности существующих процессов гибки заготовок деталей для крупногабаритных конструкций сферической формы и выбрать технологию для последующих исследований.

2.Исследовать напряженно-деформированное состояние пластин при холодной гибке пуансоном сферической формы с учетом действующих контактных напряжений и влияния параметров заготовки.

3.Исследовать фактические деформации, утонения и качество поверхности заготовок в результате гибки методом последовательных локальных нажатий.

4.Исследовать влияние холодной гибки заготовок деталей сферической формы из сталей категории прочности до 100 на механические и эксплуатационные свойства, в том числе на предельную пластичность, циклическую и длительную прочность, а также на стойкость к образованию трещин.

5.Разработать методы расчета основных параметров и граничных условий процесса холодной гибки методом последовательных локальных нажатий (ПЛН), требования к технологии гибки сферических деталей, прессовому оборудованию и оснастке.

Методы исследований

В диссертации в теоретических исследованиях использована теория упругости и пластичности. В решении контактных задач от воздействия универсальных сферических пуансонов применена теория функции комплексного переменного. Для установления эмпирических зависимостей и граничных условий технологических процессов проводились экспериментальные исследования с математическим планированием эксперимента на опытных и опытно-штатных конструкциях в производственных условиях судостроительных заводов. Исследование свойств высокопрочных сталей проводилось эксперимен-

тальным путем по общепринятым методикам. Для определения основных параметров и граничных условий процесса холодной гибки методом ПЛН, разработки требований к технологии и оборудованию использованы расчетно-аналитические методы исследований.

Научные результаты и их новизна

1.Получены зависимости, определяющие, с учетом контактных напряжений, объемное напряженно-деформированное состояние и силовые параметры локального деформирования элементов сферических оболочек, при этом установлено, что в зоне контакта пуансона с заготовкой распределение контактных напряжений существенно отличается от общепринятой закономерности Герца-Беляева.

2.Доказано существенное влияние масштабного фактора, прежде всего размеров заготовки, на величину параметров процесса (усилие, напряжения, деформации). Установлен геометрический коэффициент заготовок, учитывающий масштабный фактор, который прямо пропорционален размерам заготовки и обратно пропорционален диаметру лунки матрицы. Показано, что при гибке методом ПЛН крупных сферических заготовок усилие увеличивается до 2,5 раз по сравнению с заготовками, размер которых не выходит за пределы штампа.

3.Разработана и защищена патентом методика расчетного определения граничных значений деформаций для сферических деталей из высокопрочных сталей, при которых не требуется их термическая обработка, в зависимости от геометрических размеров и основных свойств материала заготовки с учетом параметров ее деформирования.

4.Установлено влияние процесса холодной гибки заготовок методом ПЛН на механические свойства сферических деталей из сталей КП до 100 и показано, что полученные граничные условия холодного деформирования обеспечивают эксплуатационную надежность изделий без проведения термической обработки.

Новизна научных результатов заключается в том, что они получены впервые и содержат закономерности деформирования заготовок из высокопрочных сталей при их гибке методом ПЛН.

Практическая ценность работы

1.Разработана методика расчета основных технологических параметров и граничных условий холодной гибки крупногабаритных сферических деталей толщиной от 10 до 100мм методом ПЛН. Выпущены типовые технологические

процессы (РД и НТД), апробированные в условиях судостроительного производства на заказах: «Лада», «Амур», 06360, 4097 и других.

2.По результатам выполненных исследований разработана и апробирована, на строящихся заказах, рабочая технология холодной гибки элементов сферических переборок, наиболее полно в производственных условиях ФГУП «Адмиралтейские верфи».

3.Установлена взаимосвязь между величиной максимальной радиальной деформации и утонением заготовки, что позволяет надежно контролировать процесс холодной гибки деталей в производственных условиях, с минимальным количеством замеров утонений по разработанной и апробированной методике.

4.Сформулированы технические требования к проектированию и созданию ресурсосберегающего гибочно-правильного оборудования типа МГПМ и АГПМ для деформирования ротационно-локальным методом (РЛД), являющимся развитием исследованного метода ПЛН.

5.Разработанная на основе результатов диссертационной работы технология холодной гибки сферических деталей, при внедрении в производство, позволила снизить трудоемкость, энергопотребление и цикл изготовления, улучшить условия труда, повысить точность формообразования деталей в 1,5-2,0 раза.

Апробация работы

Основные положения работы докладывались и обсуждались:

- на международных конференциях «Моринтех-2001», сентябрь 2001г., «Моринтех-2003, сентябрь 2003г., Санкт-Петербург;

- на межотраслевой научно-технической конференции «Военное корабле-строение-2002», 15-16 мая 2002г., Санкт-Петербург;

- на конференции по строительной механике корабля, посвященной памяти академика Ю.А. Шиманского 01-02 декабря 2003г., Санкт-Петербург;

- на научно-технической конференции «Роль и значение «Адмиралтейских верфей» в научно-техническом развитии российского и мирового судостроения» 9-10 сентября 2004г., Санкт-Петербург.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, получено 2 патента

РФ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 101 наименования. Общий объем работы составляет 136 страниц машинописного текста, содержит 21 таблицу и 43 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность и направленность работы, сформулированы цель и задачи исследования, кратко изложены полученные решения и отмечена степень их новизны.

В главе 1 представлен обзор конструктивных решений прочных сферических конструкций, выполнен анализ состояния технологии и оборудования для изготовления элементов сферических оболочек. Показано, что наиболее распространенный метод горячей гибки-штамповки деталей из высокопрочных сталей обладает существенными недостатками по материалоемкости, энергозатратам и трудоемкости процесса. При этом наиболее перспективным является процесс холодной гибки методом последовательных локальных нажатий (ПЛН) с использованием быстроходных гидравлических прессов, оснащенных манипуляторами и универсальными штампами.

Выполненный анализ состояния вопроса позволил определить цель и задачи диссертационной работы, приведенные выше.

Глава 2 содержит результаты теоретических исследований напряженно -деформированного состояния при холодной гибке заготовок деталей сферической формы с учетом высокого уровня контактных давлений. При этом приняты допущения, апробированные в теории и технологии обработки металлов давлением: закон постоянства объема, гипотеза плоских сечений, малые изменения размеров плоских сечений, изотропность материала.

Данные допущения достаточно точно отражают процесс формообразования листовых деталей сферическим пуансоном. Для получения конечных результатов интегральных уравнений при анализе упругопластического изгиба применены методы теории функции комплексного переменного.

Область контакта пластины и вдавливаемой жесткой сферы (пуансона) имеет форму круга радиуса а (рис. 1).

При этом граничное условие для перемещений в области контакта принято в виде

где иг - нормальное перемещение по оси Z; Я - радиус сферы (пуансона);

5 - наибольшее перемещение (прогиб) в центре площадки контакта; г - текущий радиус по деформированной поверхности пластины. Для точек нагруженной области получим напряженное состояние (по главным осям напряжений) по взаимно перпендикулярным радиальным направлениям , а также по оси давления

где р0 - максимальное давление (контактное напряжение).

Рис. 1 - Общая схема вдавливания жесткой сферы (пуансона) в упругопластичную пластину: 1 - сферический пуансон; 2 - пластина; 3 - пятно контакта пуансона с пластиной

Установлены закономерности, характеризующие сложное напряженно-деформированное состояние в процессе холодной гибки из сталей нормальной и повышенной прочности при любой диаграмме их деформирования.

На рис. 2 представлено распределение контактных давлений, полученных методом конечных элементов (МКЭ), для сталей нормальной прочности ( о-г=250МПа) и сталей марки АБ2 ( бООМПа), из которого следует, что контактные напряжения при изгибе по сферической поверхности существенно отличаются от общепринятого распределения Герца-Беляева.

На рис. 3 приведено распределение радиальных остаточных напряжений по поверхности изгибаемой заготовки лепестка сферической переборки ПЛ IV поколения «Амур», определенных методом конечных элементов, в зависимости от величины нагрузки и пятна контакта.

12 3 4

Рис. 2 - Контактные давления при внедрении жесткого сферического

пуансона в упругопластичную пластину • - данные компьютерного моделирования с применением МКЭ и ПК

«ANSYS» при у »2,5 (сталь АБ2)

Рис.3 - Распределение остаточных напряжений а,"" и ав"" по поверхности пластины в зоне контакта заготовки с пуансоном О - данные компьютерного моделирования с применением МКЭ и

ПК «ANSYS» при у «2,5 (сталь АБ2)

При этом общий уровень остаточных напряжений не превышает уровень напряжений при гибке цилиндрических деталей, однако эпюры их существенно отличаются. На поверхности контакта возникают растягивающие окружные и сжимающие остаточные напряжения. В чисто упругом состоянии, наоборот, радиальные напряжения являются растягивающими. Однако, в любом случае, растягивающие остаточные напряжения на поверхности заготовки не превышают 0,5 ат.

Для анализа параметров холодной гибки сферических заготовок методом ПЛН в универсальных кольцевых матрицах, рассмотрены схемы деформирования равномерно нагруженной круглой пластины, а также пластины, размеры которой существенно превышают размеры штампа. Наиболее общий случай для практики гибки представлен на рис. 4.

Рис. 4 - Круглая пластина, защемленная по контуру и нагруженная равномерно распределенной нагрузкой по кругу радиуса Ь: 1 - сферический пуансон, 2 - пластина, 3 - матрица

При этом установлена возможность определения параметры упруго-пластического формообразования сферических заготовок в кольцевых матрицах:

-формообразование сферических заготовок в средней их части, когда площадь заготовки больше площади матрицы схематизируется изгибом пластины, заделанной по контуру и нагруженной равномерно распределенной нагрузкой по всей заготовке или на пятне контакта пуансона и заготовки;

-формообразование сферических заготовок, сопоставимых с размером матрицы, схематизируется изгибом свободно опертой пластины.

Выполнены оценка и сравнение максимальных прогибов и усилий гибки для круговой пластины со свисающей и без свисающей со штампа частью:

0< 21

02Ь

- отношение максимальных прогибов

где т = -. Отношение прогибов изменяется в пределах 2,54 < кш < 4,08, при

сосредоточенной нагрузке (6 = 0) отнош ер=й,е4д л я равномерно распределенной нагрузки по всей пластине

- отношение усилий гибки, при которых начинается пластическое те-

Отношение усилий изменяется в пределах от (при Ь = 1) - рис. 5.

Кр

к. . Чпа*^«

/

.р р

0.5

-А I

Рис. 5 - Распределение отношений максимальных прогибов и усилий ку и кр

Установлено, что в общем случае упругопластического изгиба заготовки со свисающей со штампа частью, то есть когда ее площадь больше площади матрицы, усилие гибки увеличивается более чем в 2,5 раза, в то время как при упругом изгибе увеличение усилий составляет 1,6 раза.

Доказано существенное влияние масштабного фактора, прежде всего размеров заготовки, на величину параметров процесса (усилие, напряжения, де-

формации), что потребовало проведения экспериментальных работ на реальных заготовках из высокопрочных сталей с замером усилий и деформаций.

В главе 3 представлены экспериментальные исследования и произведена оценка максимальных деформаций при холодной гибке опытно-штатных сферических деталей. В процессе гибки методом ПЛН осесимметричной заготовки сферического лепестка на выпуклой стороне металл подвергается наибольшей степени деформации. При этом в силу симметрии процесса, в принципе, радиальные и тангенциальные деформации равны, а осевая, или деформация по толщине, равна их сумме. Интенсивность итоговой степени деформации е, равна удвоенной осевой деформации

Показатель жесткости напряженного состояния в центре сферической лунки будет равен двум, так как Таким образом

Такой показатель свидетельствует о жесткой схеме напряженного состояния в очаге пластической деформации, при которой пластичность металла существенно падает.

Испытания до разрушения судостроительной стали, при различных схемах напряженного состояния, показали, как меняется интенсивность деформации до разрушения в зависимости от показателя /7 (табл. 1).

Таблица 1 - Влияние показателя жесткости на степень деформации до разрушения

Показатель жесткости схемы напряженного состояния, Степень деформации до разрушения, е,р

Простое линейное растяжение, 1,00

Изгиб широкой полосы без утонения 10«), 77 = 1,15 1,15

Выпучивание сферы, 0,52

Экспериментальные исследования должны установить предельную степень холодного формоизменения каждого материала, которая будет признана допустимой при гибке без последующей термической обработки. Формирование крупногабаритных сферических конструкций производилось из отдельных элементов заготовок, характерными конфигурациями которых являются круг и трапециевидные заготовки с различными соотношениями сторон близкие к квадрату или прямоугольнику). Эти размеры определяют геометри-

ческий коэффициент заготовки который, как показали выполнен-

ные исследования, влияет на максимальную величину радиальных деформаций при гибке методом ПЛН (</„ - диаметр "лунки" матрицы). Поэтому для проведенных исследований применялись заготовки -с различными коэффициентами К}. С целью сведения к минимуму объема опытных работ и получения результатов с достаточной точностью и в удобном для расчетов аналитическом виде применялся метод математического планирования эксперимента. Для заданных условий эксперимента основными переменными факторами, влияющими на величину максимальной радиальной деформации заготовки, являются: толщина заготовки - я, мм; радиус сферы заготовки - Я, мм; геометрический коэффициент заготовки - . Для определения радиальных деформаций на поверхности заготовок, вырезанных тепловой резкой, по осям симметрии наносились керны на расстоянии 100 мм с помощью специального приспособления. Расстояния между кернами до и после деформации замерялись штангенциркулем с острыми губками с точностью ± 0,1мм. Гибка заготовок осуществлялась в производственных условиях ФГУП «Адмиралтейские верфи» на прессе «Карбокс» последовательно на различные радиусы сферы. Размеры оснастки: диаметр "лунки" матрицы - 1000мм; радиус сферы "лунки" матрицы -1030мм; радиус сферы пуансона - 1000мм; диаметр пуансона - 800мм. Контроль радиусов сферы заготовок после гибки производился плоскими шаблонами, отклонения от которых не превышали 2-3 мм. Принятые при исследовании уровни факторов и их условные обозначения приведены в табл. 2.

Таблица 2 - Переменные факторы и их условные обозначения

Наименование фактора Обозначение фактора Величина фактора Условное обозначение

Толщина заготовки s , мм 95 + 1

40 -1

Радиус сферы Я, мм хг 3000 + 1

2000 -1

Геометрический коэффи-

циент заготовки, х> 2,89 + 1

1,70 -1

Геометрический коэффициент заготовки определяет квадратную

заготовку 1700x1700 мм, а К, = 1,70 - прямоугольную заготовку 1000x1700 мм.

В результате получено следующее уравнение для определения максимальной радиальной деформации

£ =15 = 15-^-

(9)

Для проверки полученного уравнения регрессии были выполнены дополнительные, опытные работы на материале толщиной 50, 63 и 70мм. Размеры заготовок в плане составляли 1700х1700мм, 1500х2500мм, 0950 мм и 01300 мм. Гибку осуществляли на той же оснастке.

Возможность формоизменения на одном комплекте пуансон - матрица заготовок толщиной 40 - 95мм с габаритами 1000x1700 - 1500x2500 мм на радиусы сферы 1200-3000мм подтверждает высокую универсальность метода ПЛН. Сравнение расчетных и опытных данных максимальная погрешность показано в табл.3.

Таблица 3 - Сравнение расчетных и опытных данных

Я, ММ тах е,, % Ае,

1500x1700мм 1400х2500мм 0 950мм 0 1300мм %

к,- = 2,89 к,- = 3,75 = 0,90 К,- = 1,69

опыт расчет опыт расчет опыт расчет опыт расчет

3000 2,4 2,5 2,8 3,0 - - - - + 7

2500 3,2 3,2 4,2 3,8 - - - - + 10

2000 4,6 4,4 5,6 5,3 - - - - -6

1500 - - - - - - 5,0 4,5 -10

1200 - - - - 4,3 3,9 5,7 6,2 + 9

Из табл. 4 видно, что полученное уравнение регрессии обладает достаточной точностью для определения максимальной радиальной деформации как

внутри исследованного диапазона изменения факторов (э= 63 мм; -^з = 1,69 и

2,89; Я = 2000-3000мм), так и вне его (круглая форма заготовки, -^з = 0,90 и 3,75; Я = 1200 и 1500мм).

Для практического применения полученных результатов исследования построены графики изменения максимальных радиальных деформаций для заготовок различных размеров толщин и радиусов сфер (рис. 6 и 7) с указанием экспериментальных данных.

Указанные графики позволяют по допустимой величине с, определить предельные размеры заготовки определенной толщины при формообразовании методом ПЛН на заданный радиус сферы и тем самым - оптимальный раскрой крупногабаритной сферической конструкции на штампуемые элементы, обеспечивая минимальный объем сборки, подгоночных работ и точность. Можно также решить и обратную задачу - по заданному раскрою сферической конструкции на элементы {К,) определить величину максимальной радиальной деформации и убедиться в возможности их формообразования.

Рис. 6 - Изменение величины максимальной радиальной деформации: ег - радиальная деформация, % К 3 - геометрический коэффициент заготовки Радиус сферы заготовки, мм: а - 3500; б - 3000

Толщина заготовки, мм: 1 - 30; 2 - 50; 3 - 70; 4 - 90; 5 - НО

О - опытные данные для заготовки толщиной 63мм. £

г о

/ г

4 1

1

а б

Рис. 7 - Изменение величины максимальной радиальной деформации:

- радиальная деформация, %

- геометрический коэффициент заготовки Радиус сферы заготовки, мм: а - 2500; б - 2000 Толщина заготовки, мм: 1 - 30; 2 - 50; 3 - 70; 4 - 90; 5 — 110 + - опытные данные для заготовки толщиной 63-70мм.

Максимальное отклонение сферической поверхности от шаблона может быть получено в пределах ± (2-3) мм, что в 5-10 раз (10-20мм) точнее, чем при горячей штамповке сфер.

Выведенное уравнение регрессии достаточно точно (±10 %) определяет величину максимальной радиальной деформации на лицевой поверхности заготовок в зависимости от их геометрических размеров, толщины и радиуса сферы. В качестве предельно допустимой величины радиальной деформации по результатам опытных работ можно принять для стали марок АБ с = 4% без термообработки.

В практике производства граничные условия можно определить по относительному утонению деталей Д*, которое равно алгебраической сумме деформаций в широтном и меридиональном направлениях Методика, при которой обеспечивается минимизированный уровень деформаций, защищена в патенте России.

Выполнен и включен в нормативно-технологическую документацию типовой расчет ожидаемых радиальных деформаций и утонений на основе обобщения результатов замера деформаций и утонений на опытно - штатных конструкциях ряда заказов.

Указанная методика определения граничных условий широко апробирована при изготовлении сферических и торосферических конструкций современных заказов: «Лада», «Амур» и 4097.

Глава 4 содержит описание и результаты комплекса исследований и испытаний механических свойств материала заготовок после холодной гибки. Обобщение полученных результатов при гибке опытно-штатных лепестков представлено на рис. 8. В диссертации приведены также результаты экспериментальных исследований влияния технологического процесса холодной гибки листов корпусных сталей КП100 на их прочностные характеристики при статических мало- и многоцикловых, других испытаниях образцов.

Из листов прямоугольной формы толщиной 48 мм были получены гнутые сферические заготовки: радиусом R = 1600мм из стали КП80 и радиусом R = 2200мм из стали КП100. Для определения деформации материала на поверхности заготовок в исходном состоянии была нанесена разметка. Потом по результатам замеров расстояния между метками до и после гибки была определена картина распределения деформации на выпуклой поверхности заготовок. Для определения влияния холодной гибки листов на изменение механических свойств сталей КП80 и КП100 были проведены испытания на разрыв круглых образцов диаметром d = 10мм и длиной рабочей части 110мм.

Рис. 8 - Изменение механических свойств стали типа АБ при гибке методом последовательных локальных нажатий: ^ - тор (заказ 4097,4 образца); ■ - тор (заказ 01580,5 образцов); х- сфера (заказ 01580,5 образцов);

сфера (опыт, сталь типа АБ, 12 образцов); •- гибовые пробы (сталь типа АБ, 22 образца).

В рамках выполненной работы исследовалось также влияние холодной гибки заготовок деталей сферической формы на следующие характеристики сталей марок КП80 и КП100:

1) Предельную пластичность;

2) Циклическую прочность;

3) Длительную прочность;

4) Стойкость к образованию трещин.

При изучении механических свойств сталей КП60, КП80 и КП100 выявлено, что место вырезки образцов (у растянутой или сжатой поверхности) практически не влияет на характеристики прочности и пластичности, но на растянутой поверхности усиливается анизотропия прочностных свойств.

В целом показано, что при установленных предельно-допустимых режимах формообразования сферических элементов конструкций происходит допустимое в судостроении (не более 10% от исходного состояния) увеличение прочностных и снижение пластических характеристик металла, при сохранении показателей его работоспособности.

Глава 5 содержит основные положения технологии холодной гибки крупногабаритных сферических заготовок и результаты их практической реализации.

Технология распространяется на конструкции ПЛ, а также корпуса кораблей и плавсредств различных типов и определяет условия локального деформирования в холодном состоянии крупногабаритных сферических деталей толщиной от 10 до 100 мм. Технология разработана на базе выпущенных при участии автора типовых технологических процессов: РД5.95078; НТД.Т.038; НТД.Т.043 и др., апробированных в условиях судостроительного производства, в частности на ФГУП «Адмиралтейские верфи», и может быть использована для гибки сферических листовых деталей в других отраслях промышленности. Толщина заготовки для гибки должна назначаться проектантом конструкций в зависимости от минимально допустимой толщины детали, указанной в чертеже, с учетом:

а) минусового отклонения на толщину листа по техническим условиям на поставку;

б) максимального утонения стенки гнутых сферических заготовок, значение которого определяют по формуле

Значение максимально возможной радиальной деформации сферических заготовок рассчитывают по формуле (9).

С целью уменьшения утонений формообразование стальных заготовок, приводящее к образованию максимального значения радиальной деформации не более 2 %, производят последовательно на промежуточные радиусы, чтобы на каждом переходе приращение максимальной радиальной деформации не превышало При значении максимальной радиальной деформации

менее 2% формообразование производится за два перехода. На первом переходе выполняют гибку на удвоенный радиус сферы, на втором - на заданный радиус. Промежуточные радиусы следует получать регулированием хода пуансона без применения прокладок.

При достижении максимально возможной радиальной деформации 5,0% при толщине свыше 36 мм и 6,0% при толщине до 36 мм сферической детали производится высокий отпуск заготовки.

Формирование заготовок в холодном состоянии с образованием величины максимальной радиальной деформации более 10,0% не допускается, т.е. должно соблюдаться условие Л77Н5 К,

Взаимосвязь радиальных деформаций при гибке устанав-

ливается исходя из общепринятой гипотезы плоских сечений, для сферических деталей

5 Д$

(П)

В формуле (11) первое слагаемое обуславливает деформацию, зависящую от толщины и радиуса гибки. Эти деформации характерны для гибки цилиндрических деталей, которые, как правило, при радиусах изгиба более 5 толщин не получают утонения. Второе слагаемое зависит от утонения, неизбежного при гибке деталей двоякой кривизны, масштабного фактора и при меняемых методов гибки.

Рабочие размеры оснастки выбирают исходя из следующих соотношений, базирующихся на теоретических исследованиях и проведенных опытных работах:

где - максимальный радиус сферы пуансона для данной кониче-

ской матрицы, м;

Д...

- максимальный радиус сферы детали, который можно получить на данной оснастке;

- минимальный радиус сферы пуансона для данной конической

матрицы, м;

- угол конусности матрицы, находится в пределах , выбира-

ется с учетом получения оптимального диаметра матрицы Дрм =800 - 1500мм;

Параметры матриц и пуансонов включены в руководящую документацию ЦНИИТС по обработке корпусных деталей.

Максимальное значение усилия пресса, необходимое для гибки, можно определить по формуле

Граничные значения утонения при достижении которого необхо-

дима термообработка в виде высокого отпуска для снятия недопустимого наклепа металла, определяются при условии, что интенсивность деформации, связанная с утонением, в 1,73 раза больше чем при гибке без утонения, при этом для сферических деталей значение R принимается исходя из радиуса пуансона с учетом пружинения

Граничные значения максимальной радиальной деформации при которой требуется термическая обработка в виде высокого отпуска для снятия недопустимого наклепа металла при гибке деталей без утонения, составляет для стали марок АБ: 4,8 % - при толщине листа от 37 до 100мм; 5,3 % - при толщине листа от 21 до Збмм; 5,9 % - при толщине листа от 10 до 21мм.

На основании выполненных в период разработки НТД, расчетов технико-экономических показателей получены сравнительные зависимости для различных методов изготовления сферических переборок (рис.9).

Проведенные за последние 10 лет в ФГУП «ЦНИИТС» исследования, с участием и под руководством автора по Федеральным целевым программам, позволили создать как основы технологии процессов гибки методами последовательного локального давления (ПЛД), так и развивающих их процессов ми-нисилового ротационно-локального деформирования (РЛД).

Благодаря высокому уровню сжимающих контактных напряжений происходит смещение нейтрального слоя деформации и, следовательно, вытяжка заготовки, что является необходимым условием при формообразовании деталей двоякой кривизны. Поэтому усилия локального деформирования в 10-20 раз меньше, чем при обычном поперечном изгибе.

Средние затраты, тыс. руб.

Количество деталей,

Рис. 9 - Затраты на формообразование одной детали типа «лепесток»

Это позволяет облегчить конструкцию гибочного оборудования, снизить установленную мощность, при сохранении производительности процесса гибки. Существенно до двух порядков снижается металлоемкость гибочной оснастки.

В середине 90-х годов в ФГУП "ЦНИИТС" созданы и внедрены на судостроительных предприятиях опытные образцы многофункциональных гибоч-но-правильных станков (МГПС) усилием 50 и 250 кН. Опыт их эксплуатации подтверждает технико-экономическую эффективность выбранных решений. В 2000г. в ФГУП "ЦНИИТС" изготовлен опытный образец автоматизированной гибочно-правильной машины АГПМ-15 с ЧПУ.

Заключение. Основные научные и практические результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1.Получены зависимости, определяющие, с учетом контактных напряжений, объемное напряженно-деформированное состояние и силовые параметры локального деформирования элементов сферических оболочек, при этом установлено, что в зоне контакта пуансона с заготовкой распределение контактных напряжений существенно отличается от общепринятой закономерности Герца-Беляева.

2.Показано распределение отношений максимальных прогибов и усилий холодной гибки для заготовок со свисающей и без свисающей со штампа ча-

стью в зависимости от пятна контакта пуансона с деталью. Установлено, что в общем случае упругопластического изгиба заготовки со свисающей со штампа частью, то есть когда ее площадь больше площади матрицы, усилие гибки увеличивается более чем в 2,5 раза, в то время как при упругом изгибе увеличение усилий составляет 1,6 раза.

3.Разработанная методика расчетного определения остаточных деформаций и утонения металла заготовки обеспечивает минимальный объем термической обработки сферических деталей после их холодного формообразования. Установлена зависимость радиальных деформаций и утонений от масштабного фактора процесса, который прямо пропорционален размерам заготовки и обратно пропорционален диаметру лунки матрицы.

4.Разработанные режимы и параметры холодного формообразования элементов сферических конструкций методом последовательных локальных нажатий обеспечивают стабильное сохранение механических и эксплуатационных свойств высокопрочных сталей и сплавов в составе прочных корпусных конструкций при минимальном объеме универсальной штамповой оснастки.

5.Установленная взаимосвязь между величиной максимальной радиальной деформации и утонением позволяет контролировать практическое выполнение процесса формообразования сферических элементов с минимальным количеством замеров утонений заготовки на производстве по разработанной и апробированной методике.

6. Определены граничные значения максимальной радиальной деформации при холодной гибке сферических деталей, при которых требуется термическая обработка в виде высокого отпуска для снятия недопустимого наклепа металла при гибке деталей без утонения. Для стали марки АБ они составляют:

- 4,8 % - при толщине листа от 37 до 100 мм;

- 5,3 % - при толщине листа от 21 до 36 мм;

- 5,9 % - при толщине листа от 10 до 21 мм.

На способ определения граничных условий формообразования листовых деталей получен патентРФ от20.03.2003г. №2200639.

7.0боснован и защищен патентом РФ способ холодного формообразования торосферических лепестков в три этапа с минимальной металлоемкостью оснастки:

- формирование заданной сферы по всей поверхности лепестка;

- формирование заданного радиуса тора по кромке заготовки в широтном направлении;

- завершение формирования тора по меридиональному направлению.

8.При внедрении разработок достигнуто снижение фондо, материалоемкости и трудоемкости процессов более чем в 3-3,5 раза и в 2-3 раза повышена точность изготовления элементов сферических конструкций по сравнению с горячей штамповкой при минимальном уровне термической обработки деталей.

9.При разработке технологий изготовления корпусных конструкций заказов «Лада», «Амур» и др. благодаря методам последовательного локального деформирования сокращен объем горячей гибки-штамповки, при этом после горячей штамповки торовых конструкций (переходов) заказа «Ясень» за счет доводки деталей методом ПЛН отклонения от заданной формы уменьшены в 23 раза.

10.Разработанные основные решения, подходы и методики использованы в ФГУП «ЦНИИТС» при создании научных основ технологий и оборудования для формообразования элементов оболочек сложной конфигурации методом минисилового ротационно-локального деформирования. При этом достигается значительное, иногда на порядок, по сравнению с традиционной технологией, улучшение технико-экономических показателей процесса.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Куклин О.С., Левшаков В.М. Формообразование элементов торосфери-ческих конструкций // Материалы 4-ой международной конференции по морским интеллектуальным технологиям. Сборник докладов "Моринтех-2001". СПб.: НИЦ «МОРИНТЕХ», 2001, с.81-83.

2. Куклин О.С., Левшаков В.М. Изготовление листовых деталей сложной формы методами последовательного локального деформирования // Материалы 5-ой международной конференции по морским интеллектуальным технологиям. Сборник докладов "Моринтех-2003". СПб.: НИЦ «МОРИНТЕХ», 2003, с.101-102.

3. Левшаков В.М. Исследование и определение параметров формообразования толстолистовых сферических конструкций методом последовательного локального деформирования // "Парус" ДР-3881 от 03.03.2003. Реферат опубликован в Сборнике рефератов ДР. М.: ВИМИ, вып.1, 2003, с.68. '

4. Левшаков В.М. Разработка методик определения параметров и граничных условий холодной гибки-штамповки сферических и торосферических деталей // "Парус" ДР-3881 от 03.03.2003. Реферат опубликован в Сборнике рефератов ДР. М.: ВИМИ, вып.1, 2003, с.68.

5. Левшаков В.М., Куклин О.С. Развитие технологии холодного формообразования элементов торосферических конструкций // Подводное корабле-

ОШ- 05.08

строение в России: состояние, проблемы, перспективы (Материалы межотраслевой научно-технической конференции "Военное кораблестроение-2002"). СПб.: 1 ЦНИИ МО, 2002, с.124-126.

6. Левшаков В.М., Куклин О.С. Исследование напряженно-деформированного состояния при формообразовании сферотороидальных элементов корпусных конструкций // Конференция по строительной механике корабля, посвященная памяти акад. Ю.А. Шиманского 01-02.12.2003. СПб.: ФГУП ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, 2003, с.99-100.

7. Куклин О.С, Левшаков В.М., Попов В.И. Освоение передовых технологий формообразования элементов корпусных конструкций // Судостроение, 2004, № 5, с.97-99.

8. Куклин О.С, Левшаков В.М., Попов В.И. Передовые технологии формообразования элементов корпусных конструкций // Труды НТО судостроителей им. акад. А.Н. Крылова. Морской вестник. СПб.: Мор Вест, 2004, выпуск №1 (2), с.124-126.

9. Горбач В .Д., Куклин О.С, Левшаков В.М, Попов В.И., Соколов О.Г. Способ формообразования деталей двоякой кривизны. Патент РФ от.20.12.2002г. №2194587.

10. Горбач В.Д., Куклин О.С, Левшаков В.М, Попов В.И., Способ определения граничных условий формообразования гнутых металлических деталей. Патент РФ от 20.03.2003г. №2200639.

Подписано в печать 25.02.2005 г. Формат 60x84 1/16 Печать плоская. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 260105

Отпечатано в ФГУП "ЦНИИТС" 198095, Санкт-Петербург, ул. Промышленная, 7

1,

Введение.

1 Анализ конструктивных особенностей и технологии изготовления элементов сферических конструкций, применяемых в кораблестроении.

1.1 Анализ конструктивных особенностей сферических оболочек и технологии их изготовления.

1.2 Оценка применяемых технологий и оборудования для изготовления крупногабаритных конструкций сферической формы.

1.3 Характеристика и оценка технических возможностей применения горячей гибки заготовок сферической формы.

1.4 Характеристика и оценка технических возможностей применения холодной гибки заготовок сферической формы.

Выводы и постановка задач исследований.

2 Исследование напряженно-деформированного состояния при холодной гибке заготовок деталей сферической формы.

2.1 Деформация пластины при вдавливании жесткой сферы.

2.2 Деформация пластины при вдавливании жесткой сферы в кольцевую матрицу.

2.3 Деформация пластины, нагруженной на внутреннем контуре равномерно распределенной нагрузкой.

2.4 Анализ нагрузок и деформаций при деформировании пластины жестким сферическим штампом.

Выводы.

3 Экспериментальные исследования остаточных деформаций опытно-штатных заготовок деталей при их холодной гибке.

3.1 Влияние размеров заготовок деталей на их остаточные деформации после холодной гибки.

3.2 Исследование деформаций толстостенных заготовок деталей сферической формы при холодной гибке.

3.3 Разработка методики определения параметров холодной гибки заготовок деталей сферической формы.

Выводы.

4 Влияние холодной гибки заготовок деталей сферической формы из высокопрочных сталей на их механические свойства.

4.1 Влияние холодной гибки заготовок деталей сферической формы на механические свойства высокопрочных сталей.

4.2 Исследование предельной пластичности сталей марок КП и КП100 после холодной гибки заготовок деталей сферической формы.

4.3 Влияние холодной гибки заготовок деталей сферической формы на циклическую прочность сталей марок КП80 и КП100.

4.4 Влияние холодной гибки заготовок деталей сферической формы на длительную прочность сталей марок КП80 и КП100.

4.5 Влияние холодной гибки заготовок деталей сферической — формы из сталей марок КП80 и КП100 на стойкость их к образованию трещин.

Выводы.

5 Разработка технологии холодной гибки деталей сферических конструкций корпуса методами локального давления.

5.1 Разработка технических требований к технологии, оборудованию и оснастке для холодной гибки заготовок деталей сферической формы.

5.2 Разработка нормативно-технологической документации и оценка результатов внедрения разработанных методик и типовых технологических процессов.

5.3 Разработка и внедрение ресурсосберегающих технологий гибки и оборудования на принципах локального давления.

5.4 Методика определения основных параметров ротационнолокального деформирования заготовок корпусных деталей.

Выводы.

Современный этап развития судостроения характеризуется повышенным вниманием к ресурсосберегающим, надежным технологиям, к числу которых относится холодная гибка корпусных деталей сложной формы методом последовательных локальных нажатий (ГТЛН).

В судостроении и смежных отраслях промышленности расширяется применение конструкций типа оболочек, сферических переборок, днищ и их элементов. Прочные конструкции проектируются из сталей и сплавов толщиной от 10 до 100 мм. Увеличение габаритов, толщины и прочностных характеристик заготовок, повышение требований к качеству и эксплуатационной надежности ответственных конструкций морской техники, прежде всего подводных лодок (ГШ), ставят новые задачи по изготовлению их элементов, требуют развития и изыскания новых методов технологического обеспечения процессов.

Ответственные конструкции ГШ, в первую очередь - прочные сферические переборки имеют габариты, как правило, превышающие возможности их изготовления целиком на существующем оборудовании. Размеры заказных листов недостаточны для изготовления сферических переборок, поэтому переборки разбиваются поясами и меридиональными сечениями на элементы - «лепестки» и «крышки».

В практике строительства ГШ для получения деталей заданной пространственной формы (формообразования заготовок) ответственных сферических конструкций ранее широко применялась горячая штамповка, которая имеет ряд существенных недостатков. К ним, в первую очередь относятся: высокая трудоемкость, неблагоприятные условия труда и экологические проблемы; большие энергозатраты; значительный угар металла при нагревах (до 1,5-1,8%); большие производственные площади для фондоемкого нагревательного оборудования; необходимость дополнительных вспомогательных операций; невысокая точность деталей; потребность в финишной термической обработке для восстановления механических свойств металла.

Технологический процесс формообразования изделий в холодном состоянии значительно эффективнее и не имеет указанных недостатков, при этом обеспечивается точность деталей на 40-60% выше по сравнению с горячей штамповкой. Кроме того, на ряде предприятий созданы комплексы для гибки крупногабаритных толстолистовых заготовок на базе мощных и быстроходных гидравлических прессов, оснащенных манипуляторами. Однако разработанные ранее научные основы горячей и холодной штамповки и выведенные зависимости, в основном для низкопрочных сталей, не могли бьпъ'йс-пользованы без дополнительных исследований для новых материалов и конструкций. Из-за сложности исследуемых процессов и их аналитического представления делается ряд допущений, применимость которых в каждом конкретном случае требует обоснования и экспериментальных подтверждений.

Указанные обстоятельства вызвали необходимость разработки научных основ и обоснованных инженерных методов решения технологических задач применительно к формообразованию лепестков сферических конструкций:

- расчет размеров заготовки для сокращения припусков и объема пригоночных работ на сборке;

- расчет пружинения для учета в процессе холодной гибки, при выборе размеров и формы рабочей поверхностей штампов;

- определение предельно-допустимых параметров процесса формообразования и размеров оснастки, обеспечивающих стабильность свойств обрабатываемого материала;

- расчет изгибающих моментов и усилий, оценка технологических возможностей оборудования для проектирования рационального процесса, а также определение потребности в новом оборудовании;

- определение параметров ресурсосберегающих технологий гибки и рациональной формы технологической оснастки для обеспечения изготовления деталей с заданным качеством и при наименьших затратах.

Полученные результаты при решении указанных задач применительно к прочным корпусным конструкциям приведены в данной работе. Проведенные исследования и производственный опыт показали, что формообразование сферических деталей в холодном состоянии возможно методом последовательных локальных нажатий (ПЛН) в универсальных штампах. Изготовление таких деталей за один ход пресса потребовало бы больших усилий прессов и последующего значительного объема доводочных работ в тех же универсальных штампах при дополнительных затратах на изготовление крупногабаритной и металлоемкой специальной штамповой оснастки на каждую конфигурацию детали.

Соответственно целью диссертации явилось снижение трудоемкости, затрат энергоресурсов и улучшение условий труда при изготовлении деталей сферических конструкций корпусов морской техники из высокопрочных сталей за счет совершенствования технологии холодной гибки.

В результате выполненных исследований получены следующие новые научные положения:

- показано, что пластическое течение в зоне контакта сферического пуансона с листовой заготовкой при холодной гибке деталей приводит к увеличению площадки распределения контактных напряжений, закономерность которого отличается от общепринятой параболоидной закономерности Герца-Беляева и изменяется в зависимости от формы контактирующих поверхностей и категории прочности материала заготовки;

- доказано существенное влияние масштабного фактора, прежде всего размеров заготовки, на величину параметров процесса (усилие, напряжения, деформации). Установлен геометрический коэффициент заготовок, учитывающий масштабный фактор, который прямо пропорционален размерам заготовки и обратно пропорционален диаметру лунки матрицы. Показано, что при гибке методом ПЛН крупных сферических заготовок усилие увеличивается до 2,5 раз по сравнению с заготовками, размер которых не выходит за пределы штампа;

- разработана и защищена патентом методика расчетного определения граничных значений деформаций для сферических деталей из высокопрочных сталей, при которых не требуется их термическая обработка, в зависимости от геометрических размеров и основных свойств материала заготовки с учетом параметров ее деформирования;

- установлено влияние процесса холодной гибки заготовок методом ПЛН на механические свойства сферических деталей из сталей КП до 1000 и показано, что полученные граничные условия холодного деформирования обеспечивают эксплуатационную надежность изделий без проведения термической обработки.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- разработана методика расчета основных технологических параметров и граничных условий холодной гибки крупногабаритных сферических деталей толщиной от 10 до 100мм методом ПЛН. Выпущены типовые технологические процессы (РД и НТД), апробированные на производстве;

- разработана и внедрена, на строящихся заказах, рабочая технология холодной гибки элементов сферических переборок, наиболее полно в производственных условиях ФГУП «Адмиралтейские верфи»;

- установлена взаимосвязь между величиной максимальной радиальной деформации и утонением заготовки, что позволяет надежно контролировать процесс холодной гибки деталей в производственных условиях, с минимальным количеством замеров утонений по разработанной и апробированной методике;

- сформулированы технические требования к проектированию и созданию ресурсосберегающего гибочно-правильного оборудования типа МГПМ и АГПМ для деформирования ротационно-локальным методом (РЛД), являющимся развитием исследованного метода ПЛН;

- технология холодной гибки сферических деталей, при внедрении в производство, позволила снизить трудоемкость, энергопотребление и цикл изготовления, улучшить условия труда, повысить точность формообразования деталей в 1,5-2,0 раза.

Наиболее полно научные и практические результаты работы реализованы в строительстве заказов: «Лада», «Амур», 06360, 4097 и других.

Выводы

1. Разработана и апробирована в производстве судокорпусных деталей методика расчета основных параметров процесса холодной гибки сферических деталей методами ПЛН, которая позволяет определять следующее: максимальное утонение заготовки в зависимости от получаемой деформации и геометрических размеров заготовки и детали. последовательность формообразования деталей с минимальным уровнем получаемых деформаций и утонений, при требуемых допусках на форму. Деформирование выполняется от узкого края заготовки («лепестка») с перекрытием нажимов не менее половины диаметра пуансона и последующим смещением к центральным зонам заготовки, при этом на каждом переходе приращение расчетной максимальной деформации, как правило, не превышает 2±0,5 %.

- предельные условия формообразования заготовок сферических деталей в холодном состоянии, которые ограничиваются образованием максимальной радиальной деформацией 10%, при соблюдении установленной последовательности деформирования, указанной выше.

2. Установлена взаимосвязь между величиной максимальной радиальной деформации и утонением заготовки, что позволяет надежно контролировать практическое выполнение процесса с минимальным количеством замеров утонения по разработанной и апробированной методике.

3. Определены граничные значения максимальной радиальной деформации при холодной гибке сферических деталей, при которых требуется термическая обработка в виде высокого отпуска для снятия недопустимого наклепа металла при гибке деталей без утонения. Для стали марки АБ они составляют:

- 4,8 % - при толщине листа от 37 до 100 мм;

- 5,3 % - при толщине листа от 21 до 36 мм;

- 5,9 % - при толщине листа от 10 до 21 мм.

На способ определения граничных условий формообразования листовых деталей получен патент РФ от 20.03.2003г. №2200639.

4. Установлены параметры универсальной штамповой оснастки, что позволяют выполнять формообразование сферических деталей в широком диапазоне типоразмеров.

5. Доказано, что фондо, материале и энергоемкость, а также трудоемкость разработанных процессов гибки листовых деталей методами ПЛН, по сравнению с горячей штамповкой, снижаются в 3-3,5 раза.

6. Показано, что при гибке заготовок корпусных деталей локальным давлением продолжительность подготовки производства определяется временем расчета параметров и режимов деформирования, тогда как продолжительность изготовления и доводки крупногабаритной штамповой оснастки может составлять до полугода и более, поэтому для условий мелкосерийного производства конструкций ПЛ продолжительность гибки методом ПЛН оказывается в несколько раз меньше, чем при гибке штампом. То же относится к трудоемкости работ.

7. Установлено в процессе промышленного внедрения, что технологии локального деформирования перспективны для использования в автоматизированных производствах по следующим причинам: возможность создания оборудования с ЧПУ, обеспечивающего автоматизацию процессов гибки, контроля, поддержания и подачи листовых заготовок; более высокая культура производства; возможность увеличения габаритных размеров листовых заготовок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1.Получены зависимости, определяющие, с учетом контактных напряжений, объемное напряженно-деформированное состояние и силовые параметры локального деформирования элементов сферических оболочек, при этом установлено, что в зоне контакта пуансона с заготовкой распределение контактных напряжений существенно отличается от общепринятой закономерности Герца-Беляева.

2.Показано распределение отношений максимальных прогибов и усилий холодной гибки для заготовок со свисающей и без свисающей со штампа частью в зависимости от пятна контакта пуансона с деталью. Установлено, что в общем случае упругопластического изгиба заготовки со свисающей со штампа частью, то есть когда ее площадь больше площади матрицы, усилие гибки увеличивается более чем в 2,5 раза, в то время как при упругом изгибе увеличение усилий составляет 1,6 раза.

3.Разработанная методика расчетного определения остаточных деформаций и утонения металла заготовки обеспечивает минимальный объем термической обработки сферических деталей после их холодного формообразования. Установлена зависимость радиальных деформаций и утонений от масштабного фактора процесса, который прямо пропорционален размерам заготовки и обратно пропорционален диаметру лунки матрицы.

4.Разработанные режимы и параметры холодного формообразования элементов сферических конструкций методом последовательных локальных нажатий обеспечивают стабильное сохранение механических и эксплуатационных свойств высокопрочных сталей и сплавов в составе прочных корпусных конструкций при минимальном объеме универсальной штамповой оснастки.

5.Установленная взаимосвязь между величиной максимальной радиальной деформации и утонением позволяет контролировать практическое выполнение процесса формообразования сферических элементов с минимальным количеством замеров утонений заготовки на производстве по разработанной и апробированной методике.

6. Определены граничные значения максимальной радиальной деформации при холодной гибке сферических деталей, при которых требуется термическая обработка в виде высокого отпуска для снятия недопустимого наклепа металла при гибке деталей без утонения. Для стали марки АБ они составляют:

- 4,8 % - при толщине листа от 37 до 100 мм;

- 5,3 % - при толщине листа от 21 до 36 мм;

- 5,9 % - при толщине листа от 10 до 21 мм.

На способ определения граничных условий формообразования листовых деталей получен патент РФ от 20.03.2003г. №2200639.

7.0боснован и защищен патентом РФ способ холодного формообразования торосферических лепестков в три этапа с минимальной металлоемкостью оснастки:

- формирование заданной сферы по всей поверхности лепестка;

- формирование заданного радиуса тора по кромке заготовки в широтном направлении;

- завершение формирования тора по меридиональному направлению.

8.При внедрении разработок достигнуто снижение фондо, материалоемкости и трудоемкости процессов более чем в 3-3,5 раза и в 2-3 раза повышена точность изготовления элементов сферических конструкций по сравнению с горячей штамповкой при минимальном уровне термической обработки деталей.

9.При разработке технологий изготовления корпусных конструкций заказов «Лада», «Амур», 06360 и др. благодаря методам последовательного локального деформирования сокращен объем горячей гибки-штамповки, при этом после горячей штамповки торовых конструкций (переходов) заказа «Ясень» за счет доводки деталей методом ПЛН отклонения от заданной формы уменьшены в 2-3 раза.

10.Разработанные основные решения, подходы и методики использованы в ФГУП «ЦНИИТС» при создании научных основ технологий и оборудования для формообразования элементов оболочек сложной конфигурации методом минисилового ротационно-локального деформирования. При этом достигается значительное, иногда на порядок, по сравнению с традиционной технологией, улучшение технико-экономических показателей процесса.

1. Александров В.Л., Горбач В.Д., Куклин О.С., Шабаршин В.П. Высокие технологии гибки и правки // Вестник технологии судостроения, 1998, № 4, с.32.

2. Безухов Н. И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести // М.: Высшая школа, 1968, 512 с.

3. Белянин П.Н. Производство широкофюзеляжных самолетов // М.: Машиностроение, 1979, 256 с.

4. Берлинер Ю.И., Балашов Ю.А. Технология химического и нефтяного машиностроения // М.: Машиностроение, 1976, 316 с.

5. Брук М.Б. Определение основных технологических параметров процессов штамповки элементов днищ методом последовательных нажатий // Вопросы судостроения, 1976, вып.8, с. 49.

6. Бидерман В. Л. Механика тонкостенных конструкций. Статика // М.: Машиностроение, 1977, 488 с.

7. Быков В.А. Пластичность, прочность и разрушение металлических судостроительных материалов // Л.: Судостроение, 1974, 216 с.

8. Быков В.А., Карчан В.Г., Куклин О.С., Ширшов И.Г. Анализ устойчивости пластической деформации при формообразовании корпусных деталей гибкой и обтяжкой // Вопросы судостроения. Серия "Судоверфь.", 1988, вып. 5, с. 3.

9. Вороненок Е.Я., Палий О.М., Спиро В.Е., Чувиковский B.C. Влияние некоторых параметров диаграмм деформирования на работоспособность корпусных материалов // Судостроение, 1968, №2, с.14.

10. Годфри Д. Е. Р. Теория упругости и пластичности // Киев: Будивель-ник, 1969, 312 с.

11. Горбач В.Д. Развитие верфей и судостроительных технологий // Судостроение, 1996, №10, с.68.

12. Горбач В.Д. Технологический центр отечественного судостроения // Вестник технологии судостроения, 1999, №5, с.З.

13. Горбач В.Д. Основные направления совершенствования российской технологии строительства судов на пороге XXI века // Материалы конференции. Сборник докладов «Моринтех-99». СПб.: НИЦ «МОРИНТЕХ», 1999, с. 1820.

14. Горбач В.Д., Соколов О.Г., Левшаков В.М., Васильев A.A. Автоматизированные и роботизированные обрабатывающие центры верфей XXI века // Судостроение, 2001, №5, с.40-45.

15. Денисов P.O. Применение математической статистики в технологии судового корпусостроения // Л.: Судостроение, 1975, 98с.

16. Дьяков A.M. Определение рационального профиля давильного инструмента при свободной гибке // Судостроение, 1961, №10, с.47.

17. Ершов В.И. Положение нейтральной поверхности при изгибе с радиальным сжатием // Известия ВУЗов "Машиностроение", 1976, №12, с.112.

18. Журавлев Д.А., Захаров В.А. Изготовление деталей двойной кривизны поэлементной гибкой формовкой // Кузнечно-штамповочное производство, 1981, №3, с.20.

19. Ильюшин A.A. Пластичность // М.: Издательство АН СССР, 1963,271с.

20. Карзов Г.П. и др. Сварные сосуды высокого давления // Л.: Машиностроение, 1982, 287с.

21. Коган Я.А. Технологические расчеты в котлостроении // М.: Издательство МЭИ, 1960, 112с.

22. Канторович Б.М., Попов В.Д. О реализации анизотропии проката // Судостроение, 1980, №1, с.7.

23. Катков В.Ф., Шумакова JI.C. Определение минимального радиуса изгиба по результатам испытаний на одноосное растяжение // Кузнечно-штамповочное производство, 1967, №6, с.ЗО.

24. Кузмак Е.М. Основы технологии аппаратостроения // М.: Недра, 1967,468с.

25. Кузьминов С.А. Сварочные деформации судовых корпусных конструкций // JL: Судостроение, 1974, с.296.

26. Кроха В.А. Упрочнение металлов при холодной пластической деформации // М.: Машиностроение, 1980, 360с.

27. Куклин О.С., Ширшов И.Г., Стогов И.Н. Влияние точности изготовления деталей на пригоночные работы при сборке корпусных конструкций // JL: Издательство ЦНИИ "Румб", 1979,112с.

28. Куклин О.С. Сравнительный анализ механизированных способов гибки листов // В кн.: Материалы по обмену опытом. — Центральное правление НТО Судпрома им. акад. А.Н. Крылова. JL: Судостроение, 1979, вып.304, с.28.

29. Куклин О.С., Шабаршин В.П. Совершенствование процессов изготовления гнутых деталей судового корпуса // Судостроение, 1980, №1, с.41.

30. Куклин О.С., Первов В.А. Оценка корпуса по форме поверхности // Технология судостроения, 1984, №2, с.28.

31. Куклин О.С. Теория и расчет процессов холодной гибки высокопрочных сталей и легких сплавов // Л.: Судостроение, 1982,152с.

32. Куклин О.С., Брук М.Б. Технология и оборудование для формообразования толстостенных оболочек и их элементов // Л.: Судостроение, 1986, 119с.

33. Куклин О.С., Михайлов B.C., Ширшов И.Г. Проблемы повышения качества изготовления корпусных конструкций // Л.: Судостроение, 1988, 177с.

34. Куклин О.С., Левшаков В.М. Формообразование элементов торосфе-рических конструкций // Материалы конференции. Сборник докладов "Морин-тех-2001". СПб.: НИЦ «МОРИНТЕХ», 2001, с.81-83.

35. Куклин О.С., Левшаков В.М., Прокофьев И.В. Изготовление листовых деталей сложной формы методами последовательного локального деформирования // Материалы конференции. Сборник докладов "Моринтех-2003". СПб.: НИЦ «МОРИНТЕХ», 2003, с.101-102.

36. Куклин О.С., Левшаков В.М., Попов В.И. Освоение передовых технологий формообразования элементов корпусных конструкций // Судостроение. 2004. № 5, с.97.

37. Куклин О.С., Левшаков В.М., Попов В.И. Передовые технологии формообразования элементов корпусных конструкций // Труды НТО судостроителей им. акад. А.Н. Крылова. Морской вестник. СПб.: Мор Вест, 2004, выпуск №1 (2), с. 124.

38. Левшаков В.М. Разработка методик определения параметров и граничных условий холодной гибки-штамповки сферических и торосферическихдеталей // "Парус" ДР-3881 от 03.03.2003. Реферат опубликован в Сборнике рефератов ДР, ВИМИ, вып.1. 2003, с.68.

39. Левшаков В.М. Выбор технологичных конструкций и рациональной принципиальной технологии в процессе проектирования корпуса судна // Сборник ЛОП ВНТО им. академика А.Н. Крылова, Л.: Судостроение, 1989, выпуск 20, с.28-42.

40. Левшаков В.М. Методика экономической оценки технологии постройки корпуса судна // Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение технического уровня судостроительного производства в XI1 пятилетке", Л.: Судостроение, 1990, с.47.

41. Лысов М.И. Теория и расчет процессов изготовления деталей методами гибки // М.: Машиностроение, 1966, 216с.

42. Малинин H.H. Прикладная теория пластичности и ползучести // М.: Машиностроение, 1975, 400с.

43. Мельников Э.Л. Холодная штамповка днищ // М.: Машиностроение, 1986, 192с.

44. Михайлов B.C., Сипилин П.М., Кузьминов С.А., Куклин О.С. Повышение точности изготовления сварных судовых конструкций // В кн.: Тезисы докладов симпозиума НТО им. акад. А.Н. Крылова, секция сварки // Л.: Судостроение, 1973, вып. 7, с.26.

45. Мошнин Е.Н. Гибка, обтяжка и правка на прессах // М.: Машгиз, 1959,360с.

46. Мошнин Н.Е. Технология штамповки крупногабаритных деталей // М.: Машиностроение, 1973, 240с.

47. Новожилов В.В. Теория упругости // JL: Судпромгиз, 1958, 370с.

48. Палий О.М., Спиро В.Е. Анизотропные оболочки в судостроении // JL: Судостроение, 1977, 356с.

49. Попов Е.А. Основы теории листовой штамповки // М.: Машиностроение, 1977, 278с.

50. Постнов В.А. Численные методы расчета судовых конструкций // JL: Судостроение, 1977, 356с.

51. Раскин J1.C. Технологические параметры штамповки листовых асси-метричных деталей // "Технология судостроения", 1966, №8, с.45.

52. Раскин JI.C. Анализ аппроксимирующих зависимостей интенсивности напряжений от степени деформации в упругой и пластической зонах // Труды института. Л.: ЦНИИТС, 1970, вып.98, с.З.

53. Рыбин Ю.И., Тынтарев A.M., Чашников Д.И. Методика определения коэффициента запаса при обработке металлов давлением // Вопросы судостроения, серия "Металлургия", 1976, вып.21, с.74.

54. Саверин М.М. Контактная прочность материала в условиях одновременного действия нормальной и касательной нагрузок // М. Л.: Машгиз, 1946, 147с.

55. Сипилин П.М., Зефиров И.В. Обработка корпусной стали // Л.: Судостроение, 1972, 256с.

56. Ситников А.Н., Куклин О.С. Перспективы развития технологий формообразования при изготовлении деталей корпусов судов и кораблей // Тезисы докладов на III международной конференции "Моринтех 99" // СПб, 1999, с.158-162.

57. Справочник по специальным работам. Изготовление стальных конструкций под редакцией Беляева Б.И., М.: Госстройиздат, 1963, 412с.

58. Справочник по строительной механике корабля. Том 1 Общие понятия. Стержневые системы и перекрытия // под редакцией Палия О.М. // JL: Судостроение, 1982, 627с.

59. Справочник по строительной механике корабля. Том 2. Пластины. Теория упругости, пластичности, ползучести // под редакцией Палия О.М. // Л.: Судостроение, 1982, 527с.

60. Степанов В.В., Брук М.Б., Панкратов В.П., Клестов М.И. Штамповка элементов корпусных конструкций // Л.: Судостроение, 1972,186с.

61. Теория пластических деформаций металлов // Под редакцией Унксова Е.П., Овчинникова А.Г. // М.: Машиностроение, 1983, 599с.

62. Тимошенко С.П., Гудьер К. Теория упругости // М.: Наука, 1979, 560с.

63. Третьяков А.В. и др. Механические свойства сталей и сплавов при пластическом деформировании. Справочник // М.: Машиностроение, 1971, 64с.

64. Чашников Д.И. Деформируемость судостроительных сталей при обработке давлением // Л.: Судостроение, 1974, 136с.

65. Чувиковский B.C., Палий О.М., Спиро В.Е. Оболочки судовых конструкций//Л.: Судостроение, 1966, 184с.

66. Шабаршин В.П. Определение напряжений, деформаций и усилий при изготовлении деталей обшивки судов методами обтяжки // Вопросы судостроения, сер. "Судоверфь.", вып.2, с.39.

67. Шавров И.А. Специальные методы штамповки. Обзорно-аналитическая информация //Л.: Издательство ЦНИИ "Румб", 1981, 87с.

68. Заготовки гнутые из сталей марок АК и АК-Ш. Технические условия ТУ 5.961 -11230-83.

69. Технология изготовления стальных деталей корпусов судов и других металлических сварных конструкций. РД5.95079-91 // Л.: ЦНИИТС, 1991,256с.

70. Контроль гнутых и штампованных заготовок. Методика 74-0101-3579 // Л.: ЦНИИТС, 1979, 68с.

71. Корпуса стальных судов. Основные положения по технологии изготовления. ОСТ5.9092-91 //Л.: ЦНИИТС, 1991, 80с.

72. Корпуса металлических судов. Конструкции листовые. Гибка сферических деталей методом локального деформирования с использованием универсальной штамповой оснастки и серийного прессового оборудования. РД5.95078-91 //Л.: ЦНИИТС, 1991, 32с.

73. Проведение исследований и испытаний для отработки технологического процесса холодного формообразования сферических деталей. Технический отчет. ГКЛИ-0101 -194-91 // Л.: ЦНИИТС, 1991, 140с.

74. Штампы для гибки металлических крупногабаритных деталей на гидравлических прессах. Типы, основные размеры и правила проектирования. РД5Р.9881-93 //Л.,ЦНИИТС, 1993, 53с.

75. Штамповка толстолистовая из высокопрочных сталей. Типовой технологический процесс. ОСТ5.9681-77 // Л., ЦНИИТС, 1977, 33с.

76. Детали сферические и торосферические. Методические указания по технологии горячей штамповки, термообработке и контролю деталей двоякой кривизны. НТД.Т.-038-2000, СПб, ЦКБ МТ «Рубин», 2000, 44с.

77. Толстолистовые штампованные заготовки из сталей марок АБ. Типовые технологические процессы, технические требования и методы испытаний. НТД.Т.-040-2000, СПб, ЦКБ МТ «Рубин», 2000, 31с.

78. Детали сферические и торосферические. Типовые технологические процессы гибки методом локального деформирования в холодном состоянии. НТД.Т -043-2000, СПб, ЦКБ МТ «Рубин», 2000, 24с.

79. Becker H., Kubert H. Umformen dicker Bleche // Werkstatt und Betrieb, 1979, 112, №10, s.709-720.

80. Carbox ship plate forming press // Machine and Engineering, 1975, 126, №3245, p.l 50/

81. Cupka V., Mijamoto H., Nakagowa Т., Migoshi Т., Suzuki K. Analysis of counter pressure bending by FEM // Int. Conf. Prod. Eng., Tokyo, 1974, p.l, Tokyo, 1975, p.257.

82. Dadras P., Majleski S.A., Plastic bending of work hardening materials // ASME, 1982, 104, №3, p.l 18

83. Dickason A. A consideration on the neutral line in sheet metal forming // Sheet Metal Industries, 1964, 41, №441, p.53.

84. Ohler G. Formanderungen in der Blechbearbeitung // Fertigungstechnik und Betrieb, 1961, ll,№l,s.ll.

85. Pishek H. Werkstuck — und Werkzeughandhabung bei hydraulischen Pressen // Werkstatt und Betrieb, 1978, 111, №5, s.28.

86. Pomey K. Le formage toles // Revue de metallurgie, 1972, 69, №4, s.251.

87. Röhl K. Berechnung der Temperaturverteilung beim Kaltstauchen von Metallen // Industrie-Anzeiger, 1972, 94, №20, s.399.

88. Shama M.A. Mumerical Control of Control of Plate Porming and Associated Probleme // Shipbuilding & Shipping Record, 1970, 111, №3, p.21.

89. Stelson K.A., Gossard D.G. Andaptive pressbrake coatrol using an elastic-plastic material model // Trans. ASME, Journal Eng. Ind., 1982,104, №4, p. 389-393.

90. Горбач В.Д., Куклин О.С., Левшаков В.М. и др. Способ формообразования деталей двоякой кривизны // Патент РФ от 20.12.2002. №2194587.

91. Горбач В.Д., Куклин О.С., Левшаков В.М. и др. Способ определения граничных условий формообразования гнутых металлических деталей // Патент РФ от 20.03.2003. №2200639.

92. ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ1. АДМИРАЛТЕЙСКИЕ ВЕРФИ»1. АКТо результатах внедрения

93. За счет сокращения до минимума объема термообработки снижены трудоемкость и цикл изготовления деталей, обеспечена более высокая точность формообразования по сравнению с горячей штамповкой в 1,5-2,0раза.

94. Заместитель начальника инженерного центра, канд. техн. наук1. В.Е. Уткин1. АКТо результатах внедрения

95. При этом исключено изготовление дорогостоящих комплектов штампов, уменьшена трудоемкость, сокращены сроки подготовки производства и получен экономический эффект не менее 500 тыс. руб. на один заказ.1. Главный технолог1. О.Г. Максименко

96. Начальник отдела промышленных технологий корпусного производства1. УТВЕРЖДАЮинженер ОАО" СФ АЛМАЗ" В.Г.Демченко2003 г.1. АКТо результатах внедрения

97. При этом исключено изготовление дорогостоящих комплектов штампов и получен экономический эффект не менее 250 тыс.руб. на один заказ.

98. Начальник технического управления1. УТВЕРЖДАЮ

99. Зам. генерального директора1. КМ "ПРОМЕТЕЙ1. А.Малышевскийо%п 2003 г.1. АКТо результатах внедрения

100. При этом сокращен объем термообработки, снижены трудоемкость и цикл изготовления деталей ориентировочно на 25%, обеспечена требуемая точность указанных конструкций.

101. Начальник отдела канд. техн. наук1. Н.Ф. Владимиров1. УТВЕРЖДАЮ1. Генеральный директор

102. АОЗТ «Научное и технологическоеоборудование», к.ф.м//1. АКТ