Главная
В табл. II.2 указаны деформации изделий из стали и алюминиевых сплавов, допускаемые стандартами. Кроме деформаций, указанных в табл. II.2, возможны также скручивание профилей относительно продольной оси (винт) и отклонения угла между полками (или полкой и стенкой) от прямого. Однако эти деформации встречаются крайне редко. Специального оборудования для устранения этих деформаций нет, и обычно профили со значительными деформациями указанного вида бракуются или используются на мелкие детали. Следует иметь в виду, что во время погрузки и разгрузки металл может получить дополнительные деформации.
Высокое качество деталей и конструкций в целом может быть достигнуто, если их изготовляют из листа и профилей, имеющих искривления не более 1—1,5 мм на 1 м. Так как фактические деформации металла часто превышают допускаемые правилами изготовления, на заводах металлических конструкций приходится часть металла править.
Правку металла производят рядом способов, в зависимости от характера сечения, его размеров, вида и марки металла. Наиболее широко применяют три следующих способа правки: правка изгибом в холодном (не нагретом) состоянии, растяжением (также в холодном состоянии) и путем нагрева отдельных участков металла пламенем газовых горелок. Правка изгибом имеет две разновидности: однократным и многократным изгибом.
Во избежание наклепа металла правку в холодном состоянии допускают, если начальные деформации крайних волокон металла не превышают 1 %. В табл. II.3 указаны максимальные начальные деформации металла, при которых возможна правка без нагрева.
При правке однократным изгибом (рис. II.1, а) обрабатываемую деталь укладывают на две опоры выпуклой стороной вверх и изгибают силой P в сторону, обратную имеющемуся искривлению.
Если деталь имеет на длине l кривизну со стрелкой fнач, то для ее выпрямления необходимо создать обратную пластическую (остаточную) кривизну со стрелкой fпл = fнач.
При разработке технологии правки однократным изгибом технологу известны: профиль изделия, его размеры, материал изделия и его характеристики, а также начальные деформации. В задачи технолога входят: определение изгибающего момента и силы P, необходимых для развития у выправленного изделия пластических деформаций, величины изгиба при правке и выбор станка (по габаритам рабочей части и мощности).
Процесс правки изгибом подчиняется законам упруго-пластического и пластического изгиба. При правке изделий из некоторых марок стали и алюминиевых сплавов учитывают способность этих металлов упрочняться при деформировании за пределом текучести.
При правке однократным изгибом обрабатываемая деталь находится в объемном напряженно-деформируемом состоянии. Однако, как показывают многочисленные исследования, влияние напряжений и деформаций, развивающихся в плоскости, перпендикулярной к плоскости изгиба, существенно сказываются на условиях изгиба лишь при отношении радиуса изгиба к высоте изгибаемого элемента, не превышающем 3—5.
Отношение радиуса изгиба к высоте изгибаемого элемента называют относительным радиусом изгиба.
Процесс правки однократным изгибом происходит при значительно, больших величинах относительного радиуса, а поэтому указанные напряжения и деформации в расчетах процесса правки не учитывают.
Под действием силы P в теле выправляемой детали (в плоскости изгиба) возникают три вида напряжений: нормальные, действующие вдоль волокон элемента; нормальные, действующие по направлению силы Р, и скалывающие. Последние два вида напряжений также оказывают малое влияние на усилия и деформации при правке. При выводе расчетных формул исходят из предположения, что сечения выправляемой детали остаются плоскими на всех стадиях изгиба.
Учитывая все сказанное выше, технологические расчеты по правке однократным изгибом ведут, принимая упрощенную схему напряженно-деформированного состояния металла — схему линейного изгиба. Физические свойства металла, связь напряжений и деформаций, модули упругости и упрочнения принимают по упрощенным диаграммам растяжения.
У сталей классов с С24 по С40 включительно обычно имеется площадка текучести значительной протяженности, а степень упрочнения за пределом текучести невелика. Упрощенная диаграмма растяжения для сталей этих классов приведена на рис. II.1, б.
Стали классов С45—С75, а также все алюминиевые сплавы упрочняются сразу за условным пределом текучести. Характерная диаграмма растяжения для этих металлов показана на рис. ИЛ, в.
Степень упрочнения металлов характеризуется модулем упрочнения E1, который является тангенсом угла наклона линии диаграммы на участке упрочнения к оси деформаций.
В зависимости от относительного радиуса изгиба, эпюры внутренних напряжений в сечениях выправляемого элемента для обоих групп металлов могут иметь три вида. Эти эпюры показаны на рис. II.1, б и в. Левые эпюры соответствуют упругому изгибу, когда краевые напряжения не превысили σт. Правая эпюра для пластичных сталей соответствует возникновению шарнира пластичности, т. е. во всех волокнах напряжение достигло σт.
Правая эпюра для упрочняющихся металлов показывает, что упрочнению подверглись все волокна сечения. Средние эпюры соответствуют такой степени изгиба, при которой пластические деформации или упрочнение распространяются только на части сечения. Эту стадию изгиба для обеих групп металлов называют упруго-пластическим изгибом.
Для пластичных (не упрочняющихся) металлов величины изгибающих моментов определяют по следующим формулам:
- при изгибе в упруго-пластической стадии
- при изгибе в пластической стадии
Для упрочняющихся металлов при изгибе в упругопластической стадии
- при упрочнении всех волокон изгибаемого сечения
где σт — предел текучести, кГ/см2;
E1 — модуль упрочнения, кГ/см2;
W — упругий момент сопротивления, см3;
Wa — момент сопротивления упругого ядра сечения, соответствующий эпюре напряжений, заштрихованной на рис. II.2, в, см3;
h — высота выправляемого элемента, см;
К1 — отношение пластического момента сопротивления к упругому;
Rн — радиус начального изгиба выправляемого элемента, увеличенный на 15—20%, м.
Модуль упрочнения Е1 для сталей классов С60 и С75 исследован еще недостаточно и его значения требуют уточнения. В настоящее время E1 можно принимать равным: для стали С60—100000 кГ/см2 и для стали С75 — 120000 кГ/см2. Для алюминиевых сплавов E1 равен примерно 35000 кГ/см2.
K1 зависит от формы сечения изгибаемого элемента. K1 равен: для прямоугольника 1,5, для двутавровой балки при изгибе в плоскости стенки 1,16, в плоскости полок 1,7, для швеллеров соответственно 1,18 и 2,2, для круга 1,7, для труб 1,28.
Для угловой стали сперва следует найти значение Wпл, а затем К1. Пластический момент сопротивления для равнобоких уголков при изгибе в плоскости одной из полок определяют по формуле
Для неравнобоких уголков: при изгибе в плоскости малой полки
а в плоскости большой полки
где а — ширина большей полки неравнобокого уголка, см;
b — ширина меньшей полки неравнобокого уголка и полки равнобокого уголка, см;
δ — толщина полки уголков, см.
Вывод формул для определения значения M для всех стадий изгиба пластических (неупрочняющихся) сталей общеизвестен.
Формулы для определения M при изгибе упрочняющихся материалов получены следующим образом. Эпюры деформаций и напряжений, вызванных изгибающим моментом М, при условии упрочнения всех волокон сечения имеют вид, показанный на рис. II.2, а.
Изгибающий момент M можно рассматривать как сумму двух изгибающих моментов, первый из которых Мпл вызывает в сечении напряжения, равные σт, по всей высоте сечения, а второй Mупр — напряжения, распределяющиеся по высоте сечения по треугольникам с максимальным значением в крайних волокнах, равным Δσ.
Из диаграммы напряжение — деформация (рис. II.2, б) следует, что с достаточной степенью точности, считая εТ малой величиной.
Удлинение крайнего волокна
и отсюда
Суммарный изгибающий момент
и окончательный
Второй член в скобках показывает степень влияния упрочнения металла на величину изгибающего момента. При определении точной величины M в данную формулу следует подставлять не радиус начального искривления, а полный радиус изгиба детали при правке, учитывая пружинение.
Изгибающий момент в упруго-пластической стадии меньше изгибающего момента в стадии упрочнения по всей высоте сечения при заданном радиусе изгиба детали на величину Wаσт.
Момент сопротивления Wa (см. рис. II.2, в) для всех выправляемых профилей можно найти по формуле Wa=b1a2/12 см3, где b1 — ширина упругого ядра, a — высота упругого ядра.
Это равенство верно для прямоугольного сечения и для любого профиля, когда упругое ядро размещается в пределах стенки. Для круга ширины ядра b1 с достаточной точностью равна диаметру круга, а для трубы — двойной толщине стенки.
В практике степень кривизны деталей, как было указано выше, оценивают величиной стрелки искривления при хорде, равной 1 м. В расчетах деформаций при изгибе удобнее иметь дело с радиусами кривизны. При правке в упруго-пластической стадии каждому значению изгибающего момента M соответствует определенная кривизна элемента и, следовательно, радиус кривизны R по нейтральной оси.
Связь между M и R можно установить следующим образом. Для пластического материала в упруго-пластической стадии изгиба, как показано выше, М = σтК1W - σтWа кГ*см.
По этим же формулам определяется R и для упрочняющегося металла, но Wa следует определять, используя формулу II.3.
При правке в пластической стадии связь между M и R нарушается из-за возникновения шарнира пластичности. В этой стадии деформации элемента являются функцией перемещения силы P, т. е. перемещения ползуна правильной машины.
Найденный радиус изгиба R имеется, строго говоря, только в сечении, в котором приложена сила Р.
Экспериментальные исследования, проведенные в ЦНИИТмаше, показали, однако, что при практических соотношениях расстояния между опорами к высоте выправляемого элемента и практической кривизне элементов, имеющих место при правке однократным изгибом, можно считать радиус кривизны постоянным на всем протяжении между опорами.
Отсюда легко установить, что связь между R по нейтральной оси и стрелой прогиба f по крайнему внутреннему волокну при хорде, равной 1 м, определяется уравнением
При выводе этой формулы принято, что высота выправляемого элемента h бесконечно мала по сравнению с радиусом R.
При расчете деформаций элемента в ходе правки однократным изгибом следует учитывать явление пружинения, т. е. способность материала частично восстанавливать свою первоначальную форму после снятия нагрузки.
На рис. 11.2, г сплошной линией показан брус, получивший в результате приложения изгибающего момента M кривизну с радиусом Rг. Центральный угол изогнутого бруса обозначен через αг. После снятия нагрузки угол αг уменьшится на величину Δα и станет равным α0; при этом концевые сечения рассматриваемой части бруса повернутся на угол Δα:2.
При пружинении наружное волокно укоротится на величину
Длина наружного волокна до пружинения будет равна:
Для практических целей можно считать, что h:2 является величиной второго порядка малости по сравнению с Rг.
Отсюда относительная деформация наружного волокна
Пружинение происходит по закону упругой работы материала.
Условное напряжение сжатия в волокне
Значение угла пружинения Δα находят из равенства моментов внешних и внутренних сил при пружинении:
Условный момент пружинения Mпруж равен изгибающему моменту, который вызвал начальный изгиб бруса с радиусом Rг. Несмотря на равенство моментов, действующих во взаимно обратных направлениях, брус остается искривленным. Это объясняется тем, что при изгибе деформации развивались по законам упруго-пластического или пластического изгиба, а при пружинении — по закону упругого изгиба.
Радиус кривизны внутренней поверхности выправляемого бруса после пружинения Rов можно определить, составив уравнение деформации крайних внутренних волокон, имеющих радиус кривизны до пружинения Rb:
Ho так как α = α0+Δα, то уравнение принимает вид Δα(Rг — Rв) = α0Rов — (α0+Δα)Rв.
После преобразования получим:
Сложная зависимость между M и формой выправляемого (изгибаемого) элемента допускает точное решение задач правки однократным изгибом только путем постепенного приближения.
Учитывая это, а также вариантность фактических свойств металлов, в практике величину изгибающих моментов определяют по формулам II.2 и II.4, принимая значение σт по графику на рис. I.4, а затем и силу P по формуле
При определении необходимой величины Rг, обеспечивающей выправление элемента, теоретические расчеты заменяют пробной правкой.
Правку изделий однократным изгибом производят на горизонтальных правйльно-гибочных прессах (рис. II.3).
На этих станках плоскость изгиба совпадает с горизонтальной плоскостью. Выправляемый элемент 1 прижимается к опорам 2, а необходимое давление для изгиба создается ползуном 3.
Расстояние между опорами пресса l можно менять, что позволяет регулировать зависимость между M и Р. При настройке станка для правки можно увеличивать или уменьшать расстояние b между плоскостью упоров и ползуном в соответствии с размерами выправляемого изделия.
В момент правки ползун совершает поступательновозвратное движение. Ход ползуна С для каждого типа станка имеет постоянную величину. Размеры сечений выправляемых элементов ограничиваются максимальными размерами рабочей части пресса — b и h. Для удобства подачи выправляемых элементов к прессу последние оборудуют механизированными столами 4,
Технические характеристики некоторых горизонтальных правильно-гибочных прессов приведены в табл. II.4.
На прессах выправляют кривизну балок, швеллеров, уголков, круга и квадрата, серповидность полосы и универсальной стали. Возможно также править и трубы, но в этом случае опоры и ползун пресса должны охватывать трубу примерно на половину диаметра, в противном случае стенки трубы теряют устойчивость. Общую кривизну у длинных элементов обычно устраняют за счет их перегибов в нескольких местах по длине.
При правке изделий из алюминиевых сплавов на опоры и ползун пресса необходимо надевать чехлы из алюминиевого сплава.
При правке многократным изгибом выправляемое изделие пропускают между двумя горизонтально расположенными рядами валков или роликов. Валки (или ролики) одного ряда расположены в шахматном порядке относительно валков (или роликов) другого ряда (рис. II.4, а). Верхние валки оказывают давление на выправляемое изделие. Нижние валки присоединены через редуктор к электродвигателю и при вращении перемещают выправляемую деталь между рядами валков.
При правке каждое поперечное сечение изделия подвергается многократному знакопеременному изгибу. Изгибающие моменты вызывают упруго-пластические или пластические деформации металла, в зависимости от степени изгиба детали валками правильного станка, за счет которых начальные напряжения, являющиеся, причиной искривления, снимаются и изделие выправляется.
Степень снятия начальных напряжений, а следовательно и качество правки, повышается с увеличением количества изгибов. Правильный станок с большим количеством валков лучше выправляет металл.
Многократный изгиб имеет теоретическую основу, аналогичную однократному изгибу. Экспериментальные исследования рассматриваемого способа правки показали, что изгибающие моменты, возникающие в сечениях изделия, равны изгибающим моментам однократного изгиба на тот же радиус кривизны.
Многократным изгибом выправляют листовую сталь — на листоправильных вальцах и угловую сталь — на углоправильных вальцах. Листоправильные вальцы (рис. II.5) состоят из следующих основных частей: станин 1, верхних валков 2, механизма подъема и опускания верхних валков 3, указателя перемещения верхних валков 4, .нижних валков 5, редуктора 6 и электродвигателя 7, вращающего нижние валки. Листоправильные вальцы оборудуют передним 8 и задним 9 столами. Число валков у листоправильных вальцов обычно бывает от 7 до 11.
Процесс правки листовой стали состоит в следующем. Лист укладывают краном на ролики переднего стола. В зависимости от толщины листа правщик по указателю перемещения верхних валков устанавливает их положение относительно нижних валков. Затем включают механизм вращения нижних валков станка и механизм вращения роликов переднего стола. Ролики стола подают лист в станок, и далее он перемещается в станке за счет вращения нижних валков. Лист проходит через валки и выходит на задний стол. Правщик выключает станок и проверяет степень выправления листа.
Двигатель станка реверсивный, он может вращать нижние валки в любую сторону. Если лист при одном проходе через станок выправился недостаточно, то его можно пропустить через валки обратным ходом еще раз.
При правке сильно деформированных листов, особенно из сталей высоких классов, приходится лист пропускать через станок 3—4 раза. После окончания правки лист подают на один из столов и снимают со стола краном для укладки в штабель.
В паспорте каждых листоправильных вальцов указаны максимальные размеры сечения выправляемого изделия при определенном пределе текучести металла.
Величину изгибающего момента, который могут вызвать вальцы, можно подсчитать в зависимости от физических свойств металла по формулам II.2 или II.4.
При определении момента по формуле II.4 радиус изгиба R следует принимать таким, при котором в крайних волокнах возникают относительные деформации, равные 0,01 (1%), так как при меньших радиусах изгиба правка в холодном состоянии не разрешается. В то же время R не может быть меньше радиуса валка.
На вальцах можно править лист любого сечения из любого металла, если момент, необходимый для пластического изгиба этого листа, не превышает момента, который могут вызвать вальцы.
Технические характеристики некоторых листоправильных вальцов приведены в табл. II.5.
При правке листов из алюминиевых сплавов выправляемый лист закладывают между двумя тонкими (2— 4 мм) листами из любого алюминиевого сплава. Это предохраняет поверхность основного листа от различных повреждений.
Кроме описанной правки листов на листоправильных вальцах устраняют серповидность (искривления в плоскости листа) универсальной листовой стали, производят правку тонких листов пакетом (т. е. по нескольку листов одновременно) и раскручивание и правку листовой рулонной стали.
При правке серповидности универсальной стали на ее вогнутую зону укладывают стальные прокладки толщиной 2—4 мм (рис. II.4, б). Валки сжимают лист в месте прокладок до пластической деформации. Сжимаемая зона удлиняется, и лист выправляется.
Правку листов пакетом целесообразно вести в целях экономии времени. Однако теория правки пакетом еще не разработана. В настоящее время считают, что сумма толщин листов в пакете не должна превышать максимальной толщины одного листа, который можно выправить на данных вальцах.
Для раскручивания листовой рулонной стали рулон укладывают на два ролика, устанавливаемых на стол вальцов, упирают в третий ролик, прикрепленный к станинам, а конец листа заводят между валками (рис. II.4,в). Валки тянут и одновременно правят лист. На втором листе вальцов лист режут кислородной резкой на необходимую длину.
Углоправильные пальцы (рис. II.6) состоят из станин 1, верхних роликов 2, механизма для ручного или механизированного подъема и опускания верхних роликов 3, нижних роликов 4, редуктора 5 и электродвигателя 6. Углоправильные вальцы оборудуют передним 7 и задним 8 столами. Число роликов у углоправильных вальцов семь или девять. Форма роликов соответствует сечению угловой стали. Процесс правки угловой стали аналогичен правке листовой стали.
В паспорте углоправильных вальцов указывают максимальный размер угловой стали и предел текучести ее материала, которую можно править на данных вальцах. Имея эти данные, можно подсчитать возможности вальцов при правке уголков из стали других классов.
Технические характеристики некоторых углоправильных вальцов приведены в табл. II.6.
На рис. II.7, а изображен график для листоправильных вальцов, показывающий зависимость размеров сечений выправляемых листов в зависимости от класса сталей, из которых они прокатаны, а на рис. II.7, б приведена аналогичная зависимость для углоправильных вальцов.
На правильных станках (правильно-гибочных прессах, листо- и углоправильных вальцах) работает бригада правильщиков в составе правилыцика-бригадира 4-го разряда и подручного 3-гo разряда. Правильщик управляет станком и проверяет качество правки, а подручный выполняет все транспортные работы в пределах рабочего места бригады. На ряде заводов на станках работает по одному правильщику. Это целесообразно при механизированных столах у станков. В табл. II.7 указана примерная сменная производительность бригад правильщиков.
Способом растяжения правят главным образом различные фасонные изделия из алюминиевых сплавов. Форма их сечений весьма разнообразна, и для правки на вальцах требуются фасонные ролики. Такие ролики стоят дорого, а частая смена их занимает много времени. При правке растяжением напряжения в выправляемом изделии доводят до предела текучести или несколько выше, но одновременно следят за тем, чтобы относительное удлинение не превысило 1%.
При растяжении незначительные остаточные напряжения, вызывавшие искривление элемента, складываются с напряжениями, равными пределу текучести и равномерно распределенными по сечению элемента. За счет этого степень неравномерности напряжений в сечении снижается или исчезает совсем и элемент выправляется.
Правку растяжением производят на растяжных правильных машинах, имеющих гидравлический привод. Усилия растяжения машин достигают 14 000 Т.
На правку изделий из стали местным нагревом пламенем газовых горелок требуются большие затраты времени, чем на правку в холодном состоянии на правильных машинах, и поэтому ее применяют только в тех случаях, когда нельзя применить правку на машинах из-за их недостаточной мощности или малых размеров рабочей части.
Правка местным нагревом основана на следующем принципе (рис. II.8). Выправляемое изделие нагревают с выпуклой стороны от крайних волокон до нейтральной оси. Площадь нагрева 2 имеет форму треугольника (рис. 11.8, а).
Нагрев изделий ведут примерно до 600°. В начальной стадии правки нагреваемая зона расширяется, за счет чего начальная кривизна элемента увеличивается. В это время в ненагреваемой части сечения возникают реактивные напряжения (рис. II.8, б).
При температуре 600° металл в нагретой зоне становится пластичным, значения σв и σт падают почти до нуля, и в этот момент реактивные напряжения холодной части сечения начинают изгибать элемент в обратную сторону, вызывая при этом пластическую осадку (укорочение) нагретых волокон.
При остывании нагретой части ее волокна укорачиваются и выгибают элемент в ту же сторону, что и реактивные напряжения. После полного остывания длина волокон нагреваемого участка становится менее своей начальной длины и элемент выправляется (рис. II.8, б).
При правке нагревом следует иметь в виду, что свойства металла в зоне нагрева могут несколько меняться. Степень влияния нагрева увеличивается с увеличением количества нагревов.
На рис. II.8, г показана зависимость значений σв, σт и δ стали 10ХСНД толщиной 25 мм от количества ее нагревов при правке. Из этого рисунка следует, что с увеличением количества нагревов значения σв и σт снижаются.
Эти исследования дают основание рекомендовать при правке нагревать одну зону не более одного раза. При необходимости продолжения правки следует нагревать соседние участки. Практически общую кривизну изделий выправляют путем ее перегибов нагревом в нескольких местах по длине.
При правке термически упрочненных сталей температура нагрева стали не должна превышать во избежание разупрочнения стали температуру высокого отпуска.
Теоретические основы правки изделий местным нагревом пламенем газовой горелки начали разрабатывать лишь в последние годы.
Станки для правки в цехе подготовки металла обычно устанавливают под подкрановыми балками, в зоне, не обслуживаемой кранами и, следовательно, всегда свободной. Столы правильных станков выходят в разные пролеты цеха. Выправленный металл может быть подан самим станком в любой пролет в зависимости от размещения штабелей для хранения металла.
На рис. II.9 показан примерный план цеха подготовки металла. Железнодорожные пути обозначены цифрой 1, площадка для сортировки металла 2, ворота для въезда автомашин 3, углоправильные вальцы 4, вагонеточные пути 5, листоправильные вальцы 6, площадка для хранения деловых отходов 7, горизонтальный правильно-гибочный пресс 8.
Некоторые заводы из своих отходов изготовляют мелкие детали для других предприятий. Часто это оказывается весьма целесообразным с экономической точки зрения. В этом случае в цехе подготовки металла устанавливают нож 9 для резки отходов и организуют около него площадку 10 для разделки кислородной резкой, сортировки и хранения отходов и готовых деталей.