冷彎成型工藝理論基礎(chǔ).ppt

冷彎型鋼成型原理 1 冷彎成型過程2 冷彎成型時金屬塑性變形條件3 彎曲處的應(yīng)力與應(yīng)變4 彎曲角的彈性回復(fù)及成型尺寸5 冷彎成型的力能參數(shù)計算6 冷彎成形主要工藝參數(shù) 主講人 冷彎型鋼按斷面形狀分為 GB T6723 開口斷面型鋼 這種斷面型鋼是最簡單的 易于制造 如角鋼 槽鋼及一般窗框鋼等 閉口斷面型鋼亦稱空心型鋼 如矩形管 閉口方管等 冷彎型鋼按斷面形狀分為 GB T6723 閉口斷面型鋼 冷彎型鋼產(chǎn)品 彎曲方法 根據(jù)所使用的工具和設(shè)備的不同 彎曲方法可分為在壓力機上利用模具進行的壓彎以及在專用彎曲設(shè)備上進行的折彎 拉彎 滾彎 輥壓彎曲成形機上彎曲 彎管機上彎曲等 冷彎型鋼的輥壓彎曲成型成型工藝 輥壓法冷彎成型 是用一組輥壓機將帶材逐漸壓彎成所需的斷面型材 圖顯示的是 由四個機架組成輥壓機組 第一機架完成帶材的平整和送進工作 第二到第四機架各承擔一定的壓彎成型任務(wù) 使帶材通過后被壓成角型材 1 冷彎成型過程 伸長量在輥壓成型過程中這個伸長量不應(yīng)超過該種材料的彈性極限延伸量 避免邊緣的塑性拉伸 圖3 2成型時邊緣的伸長 工藝設(shè)計準則 在輥式冷彎成型過程中 更為重要的是帶材邊緣在折彎時的伸長量 a b0 b i a b L l L 1 冷彎成型過程 圖為角型材成型時的邊緣伸長 圖中表示第i道機架與第i 1道機架間成形過程 在此過程中 角度變化量為 i 兩機架間成型過渡區(qū)長度為L 帶材邊緣在水平面上投影長度為ab 在垂直面上投影長度為a b 這兩個投影都是曲線形 為了計算上方便 可以把它們都看成是直線 1 冷彎成型過程 于是 邊緣的延伸量為 要使邊緣不產(chǎn)生塑性拉伸 必須保持 l小于材料的彈性極限延伸率 t 即 1 冷彎成型過程 現(xiàn)以普通低碳鋼為例 取其彈性極限 t 235MPa 輥彎成型時 確定成型過渡區(qū)長度 相鄰機架間角度變化量和帶材寬度之間的關(guān)系 E 205800 1 冷彎成型過程 現(xiàn)以普通低碳鋼為例 取其彈性極限 t 235MPa 則其彈性極限延伸率為 則 1 冷彎成型過程 圖機架間變形過程分析 用彈復(fù)區(qū)的長度L0和成型過渡區(qū)長度L來限定兩道成型輥的間距 有利于避免邊緣的塑性拉伸 1 冷彎成型過程 彎曲半徑輥彎成型過程中 還有一個重要條件 即最小彎曲半徑的選擇必須合理 圖示成型處的彎曲半徑為R 帶材厚度為S 圖上的影線部分代表變形沿厚度的分布狀態(tài) 可知 各層纖維沿縱向的變形量與其距中性層的距離成正比 與彎曲半徑成反比 最外層纖維變形 的計算公式 1 冷彎成型過程 彎曲半徑冷彎成型時的彎曲變形要受材料極限變形率的限制 否則 彎曲處將出現(xiàn)裂紋和折斷 設(shè)材料的極限應(yīng)變?yōu)?b 根據(jù)前式可求出最小彎曲半徑Rmin為 從材料手冊上可查到的極限延伸率用 s表示 則上式可改寫為 1 冷彎成型過程 彎曲半徑對于普通低碳鋼 板料厚度為S 極限延伸率 s 25 確定其最小彎曲半徑 若以延展性最好的鋼材為例 其 35 則最小彎曲半徑Rmin為0 93S 在以形狀要求為主 彎曲處允許表面粗糙甚至允許有微裂紋的條件下 可以取Rmin為0 5S 1 冷彎成型過程 彎曲角在彎曲半徑相同的條件下 銳角彎曲比鈍角彎曲的破裂可能性要大 有些型材不僅要求有銳角彎曲 而且要求有小的彎曲半徑 此時可以采取的措施是將彎曲角分成幾步來壓成 1 冷彎成型過程 分步壓彎 分段彎曲第一次壓彎 1角 外層纖維o1b1被拉伸向其弦線方向靠近 中性層ob也相應(yīng)內(nèi)移 減薄量為a1a1 第二次壓彎 2角 如果 1 2 則兩者的拉伸與減薄大致相等 當一次壓彎成型時 凹輥對工件兩側(cè)壓力所產(chǎn)生的拉力及應(yīng)變集中 b1點附近 現(xiàn)象將顯著增大 外層纖維o1c1將有較大拉伸 它向弦線靠近的距離 即減薄量b1b1 將明顯大于a1a1 其中性層內(nèi)移量bb 也要相應(yīng)大aa 圖兩段壓彎成型 1 冷彎成型過程 分步壓彎 分次彎曲第一次所用的凸輥圓角半徑R1較大 工件的彎曲處不受減薄和裂紋的威脅 第二次所用的圓角半徑雖小 但它與已經(jīng)彎曲的工件的接觸面積將明顯大于R2與平面的接觸面積 因此 兩次壓彎將比一次壓彎的應(yīng)變集中程度小 厚度減薄量也小 圖3 7兩次壓彎成型 1 冷彎成型過程 軋制板帶材的纖維方向當彎曲應(yīng)力方向與纖維方向垂直時 容易產(chǎn)生裂紋 而實際生產(chǎn)中恰恰冷彎用帶材的軋制方向都與其彎曲應(yīng)力方向垂直 故要求其彎曲圓角半徑不得過小 退火處理經(jīng)過退火處理的帶材 其屈服平臺得到延長 其纖維方向性作用得以消除 故其彎曲半徑可明顯減小 表面質(zhì)量粗糙表面易于產(chǎn)生裂紋 故圓角半徑很小的冷彎型鋼要求帶材表面具有較高的光滑程度 1 冷彎成型過程 輥彎成型時 帶材沿縱向前進過程中 完成橫向局部塑性彎曲變形 形成各種異型斷面 在此過程中不產(chǎn)生縱向塑性伸縮 可見 這種變形屬于二維變形 即平面變形 圖3 9塑性變形平面 2 冷彎成型時金屬塑性變形條件 現(xiàn)在把變形平面取為x y坐標面 所有的金屬彎曲流動皆在x y平面內(nèi)進行 與Z軸無關(guān) 即在Z向的線應(yīng)變增量及角應(yīng)變增量都為零 故 圖3 9塑性變形平面 2 冷彎成型時金屬塑性變形條件 塑性變形時 金屬具有不可壓縮性 故其各向應(yīng)變增量的總和為零 即 由于Z軸應(yīng)變?yōu)榱?故Z向的偏量應(yīng)力Sz為零 于是 式中 p 靜水壓應(yīng)力 2 冷彎成型時金屬塑性變形條件 如果引用主應(yīng)力來表示 可寫出 根據(jù)米塞斯 Mises 屈服條件 此式為平面變形條件下的米塞斯屈服條件表達式 將代入得 或 2 冷彎成型時金屬塑性變形條件 在彎曲圓角處取一微單元來分析 其徑向應(yīng)力 r 切向應(yīng)力 圖3 12彎曲處單元應(yīng)力平衡關(guān)系 當微單元處于中性層上部 即拉伸部位時 其應(yīng)力平衡關(guān)系為 3彎曲處的應(yīng)力與應(yīng)變 3彎曲處的應(yīng)力與應(yīng)變 將邊界條件r Rmax時 r 0代入上式得 積分后得 于是有 由于Rmax r 可知 r為負值 即其方向與設(shè)定方向相反 表示 r為壓應(yīng)力 3彎曲處的應(yīng)力與應(yīng)變 3彎曲處的應(yīng)力與應(yīng)變 當微單元處于中性層下時 即在壓縮側(cè) 可設(shè)定 r為都是壓應(yīng)力 微單元的厚度仍為dr 其平衡方程式為 3彎曲處的應(yīng)力與應(yīng)變 仍按前面的處理方法可寫出 積分后得 3彎曲處的應(yīng)力與應(yīng)變 將邊界條件r Rmin時 r 0代入上式得 于是寫出 因為Rmin r 故 r為負值 即壓應(yīng)力 同圖中設(shè)定方向一致 3彎曲處的應(yīng)力與應(yīng)變 平面變形時的第三向應(yīng)力 z在中性層上側(cè) 即在拉伸側(cè)為 3彎曲處的應(yīng)力與應(yīng)變 平面變形時的第三向應(yīng)力 z在中性層下側(cè) 即在壓縮側(cè)時 為 可見 z恒為負值 即壓應(yīng)力 3彎曲處的應(yīng)力與應(yīng)變 三向應(yīng)力中 r為連續(xù)變化的應(yīng)力 在中性層處最大 到彎曲的內(nèi)外表面處達到最小的零值 而且方向不變 作為拉應(yīng)力由外側(cè)向中性層 由大到小連續(xù)變化 在中性層處突然改變方向 由拉應(yīng)力超越到壓應(yīng)力 并由大到小連續(xù)變化 直到內(nèi)邊緣止 z的變化與 相似 圖各層纖維產(chǎn)生塑性彎曲時應(yīng)力分布 3彎曲處的應(yīng)力與應(yīng)變 在這種全斷面都可能發(fā)生塑性變形的條件下 從理論上可以求出中性層的偏移量 由上 下兩個變形區(qū)的 r值在中性層處必然相等的條件可以得出 此r值是應(yīng)力中性層的曲率半徑 3彎曲處的應(yīng)力與應(yīng)變 為了區(qū)別一般的r值 故用R0表示 即 3彎曲處的應(yīng)力與應(yīng)變 不過前面討論的出發(fā)點是只考慮了塑形彎曲 而未考慮平截面原則 即變形的線性分布原則 根據(jù)平截面原則 彎曲時各層纖維的變形之間存在線性關(guān)系 結(jié)合圖3 15可寫出周向應(yīng)變?yōu)?圖3 15彎曲應(yīng)變示意圖 式中 h為纖維層與中性層之間的距離 在R0不變的條件下 與h成正比 各層纖維沿縱向的變形量 與其距中性層的距離成正比 3彎曲處的應(yīng)力與應(yīng)變 圖3 15彎曲應(yīng)變示意圖 由上面可以看出 中性層外側(cè)應(yīng)變?yōu)橐焕粔?很容易造成減薄變形 其內(nèi)側(cè)由于成型輥凸起圓角的剛性接觸 使金屬無處可流 上述現(xiàn)象不利于產(chǎn)生增厚 結(jié)果必然形成全厚度的減薄 中性層內(nèi)移 3彎曲處的應(yīng)力與應(yīng)變 4彎曲角的彈性回復(fù)及成型尺寸 圖3 16彎曲的彈性回復(fù)模型 圖3 16彎曲的彈性回復(fù)模型 下面用解析方法來確定彈復(fù)應(yīng)力與變形 按圖3 16應(yīng)力與應(yīng)變模型可寫出單位寬度上的彎矩為 式中St為中性層附近彈性變形區(qū)厚度 為了便于計算將St S 定義為彈性區(qū)厚度比 簡稱為彈區(qū)比 將S2 r 6 Mt定義為單位寬度斷面的彈性極限彎矩 于是將上式寫為 4彎曲角的彈性回復(fù)及成型尺寸 圖3 16彎曲的彈性回復(fù)模型 圖中 f代表彈性回復(fù)的等效應(yīng)力 用 f可以算出等效的彈復(fù)彎矩為 4彎曲角的彈性回復(fù)及成型尺寸 4彎曲角的彈性回復(fù)及成型尺寸 圖3 17曲率間的關(guān)系 取單位弧長的彎曲部位 并畫出其中性線 當彎曲到半徑為R0時 則此時的曲率正是單位弧長所對應(yīng)的弧心角C 則C 1 R0 這個弧在卸載后彈復(fù)到Rs半徑所指的弧線處 這個弧線所對應(yīng)的的中心角為Cs 則Cs 1 Rs 這兩個角度的差值Cf正好是由彈復(fù)造成的彈復(fù)曲率 Cf C Cs 壓彎后保留下來的永久曲率為 Cs C Cf 1 R0 Ct 1 5 0 5 2 4彎曲角的彈性回復(fù)及成型尺寸 4彎曲角的彈性回復(fù)及成型尺寸 壓彎后保留下來的永久曲率為 Cs C Cf 1 R0 Ct 1 5 0 5 2 鑒于 彈性區(qū)的最大變形 t是可知的 由幾何關(guān)系可以確定彈性區(qū)的厚度為 彈區(qū)比 例題 厚度S 2mm的帶鋼 其彈性極限 500MPa 冷彎成型時所用輥子的圓角半徑r 1 97mm 成型后角度 90 計算成型后的圓角半徑 4彎曲角的彈性回復(fù)及成型尺寸 Cs C Cf 1 R0 Ct 1 5 0 5 2 4彎曲角的彈性回復(fù)及成型尺寸 4彎曲角的彈性回復(fù)及成型尺寸 4彎曲角的彈性回復(fù)及成型尺寸 5冷彎成型的力能參數(shù)計算 5 1冷彎成型力為了設(shè)計上的安全可靠 可將每次的彎矩都按極限彎矩來設(shè)定 即Mmax 1 5Mt 為了計算上方便可在成型過渡區(qū)內(nèi)設(shè)定彎矩按線性規(guī)律變化 5 1冷彎成型力圖a給出 從自由成型區(qū)的始端按M0 0算起 到輥壓成型區(qū)的末端按Mmax 1 5Mt為止 在成型過渡區(qū)全長L上的內(nèi)彎矩總和為 5冷彎成型的力能參數(shù)計算 5 1冷彎成型力如果在一個孔型中有兩個以上的彎曲圓角 如圖b c所示 這時的總彎矩要在上個式子上乘上圓角數(shù) 5冷彎成型的力能參數(shù)計算 5 1冷彎成型力為了便于計算 需要對壓力分布進行簡化處理 第一步把不均勻的受壓面積按三角形進行等效處理 第二步用通過三角形重心的集中力代替該部分壓力的合力 5冷彎成型的力能參數(shù)計算 5冷彎成型的力能參數(shù)計算 5冷彎成型的力能參數(shù)計算 5冷彎成型的力能參數(shù)計算 5冷彎成型的力能參數(shù)計算 5冷彎成型的力能參數(shù)計算 5冷彎成型的力能參數(shù)計算 5冷彎成型的力能參數(shù)計算 在成型的完成階段 輥縫處于壓靠階段 在輥子之間形成壓緊力 這個力更難于準確計算 它不僅與板材的力學性能 板厚公差 輥縫公差 輥面狀況和工件斷面復(fù)雜程度有關(guān) 工件材料強度高 強化特性大 厚度大 則所需壓緊力越大 鑒于各道次所需之壓緊程度不盡相同 故推薦 在粗軋道次取壓緊力為彎曲力的2倍左右 在中間道次取為2 5倍左右 在精軋道次取為3倍左右 因此 在一般計算中采用上面推薦的3倍數(shù)來確定壓緊力是比較方便的 5冷彎成型的力能參數(shù)計算 5 2冷彎成型功與功率 冷彎成型軋機的能耗一部分用于工件的彎曲變形 一部分用于克服輥子與工件之間的摩擦阻力及輥子軸承摩擦阻力 一部分用于克服傳動阻力 一般按經(jīng)驗算法進行計算 在八機架輥式冷彎機上 輥彎成型6 5號槽鋼 圖示6 5號槽鋼在第二道孔型時的受力狀況 求出第二道成型時 軋輥的徑向壓力 1 37 2 60 R 10mmS 5mm t 235MPa 0 1 5冷彎成型的力能參數(shù)計算 5冷彎成型的力能參數(shù)計算 先求成型過渡區(qū)長度 由關(guān)系式得 5冷彎成型的力能參數(shù)計算 5冷彎成型的力能參數(shù)計算 6輥彎成形主要工藝參數(shù) 成型道次 帶坯寬度 輥花設(shè)計 成型輥參數(shù) 以及成型輥材料等 6 1成型道次將帶坯輥彎成型為所需產(chǎn)品是一個逐漸進行的加工過程 在這個過程中 每道次或每對成型輥僅對變形材料施加有限的彎曲變形 只有這樣才能在不拉長帶坯的條件下得到所需要的彎曲變形 成型道次過少 冷彎型材易產(chǎn)生尺寸超差和扭曲 成型道次太多 則增加工具成本 6輥彎成形主要工藝參數(shù) 6 1成型道次成型道次數(shù)主要取決于材料的性能和型材形狀的復(fù)雜程度 此外它還與型材的寬度 成型機架間距 型材的尺寸精度等有關(guān) 材料的厚度 硬度 成分都影響得到所需形狀的成型道次數(shù) 帶坯厚度越大 成型道次數(shù)越多 當帶坯的屈服強度較高時 需過彎 約2 以彌補回彈的影響 表面帶有涂層的帶坯也常需較多的成型道次以保證表面的光滑程度 型材形狀復(fù)雜程度是由彎曲角的個數(shù)和總彎曲量的大小決定的 同時它也受型材對稱性的影響 6輥彎成形主要工藝參數(shù) 6 1成型道次成型角法是用來確定成型道次數(shù)的基本方法 成型角法可用下式表達為 對于簡單彎曲型材 推薦的成型角為1 2 對于復(fù)雜彎曲型材 要考慮多角共彎的可能性后才能正確地確定成型道次 6輥彎成形主要工藝參數(shù) 6 1成型道次形狀因子法是確定成型道次的另一種方法 對于對稱型材 形狀因子定義為Fnt mm2 這里F為翼緣長度 n為型材右彎角的個數(shù) t為帶坯的厚度 圖4 9表示了形狀因子與成型道次的關(guān)系 圖4 9利用形狀因子確定成型道次的方法a 對稱斷面型鋼 b 非對稱斷面型鋼 使用軸徑100以上的成型機例外 No30 38 50 52 原板厚度t在0 5mm以下例外 No22 48 49 6輥彎成形主要工藝參數(shù) 6 2帶坯寬度確定一個規(guī)定型材所需要的帶寬 把它劃分為之直線段和曲線段后 沿中性線對各段長度進行求和 各彎曲段對應(yīng)的帶坯寬度由彎曲角的大小和中性線所對應(yīng)的彎曲半徑 稱為名義彎曲半徑 所確定 即 6輥彎成形主要工藝參數(shù) 6 2帶坯寬度總之 彎曲因子k值主要取決于彎曲角內(nèi)徑與帶坯厚度的比值 而基本上與彎曲角的大小無關(guān) 因此在實際生產(chǎn)中 計算帶坯寬度時僅考慮r t的影響 特里舍夫斯基在大量試驗基礎(chǔ)上 提出表5 3所示數(shù)據(jù) 他認為采用表5 3數(shù)據(jù) 不僅對大斷面有較好效果 也適用于其他斷面 6輥彎成形主要工藝參數(shù) 6 3輥花圖的設(shè)計輥花圖是各成型機架變形帶坯橫截面形狀的重疊圖 因而輥花圖是描述輥彎成型過程中 帶鋼從平帶坯變形為所需型材的變形行為的示意圖 在輥花圖設(shè)計過程中 首先要確定的是成型工作斷面的取向 彎曲的次數(shù) 彎曲角的分配和彎曲的方式等 成型工作斷面的取向受多種因素影響 空彎是指僅由上輥或下輥進行的彎曲 它對斷面尺寸精度有很大影響 成型工作斷面的取向應(yīng)盡可能避免空彎 回彈也是輥彎成型中常見的問題 成型斷面的取向應(yīng)有助于利用立輥過彎以克服回彈 6輥彎成形主要工藝參數(shù) 6 3輥花圖的設(shè)計對于復(fù)雜斷面型材 彎曲的次序是重要的設(shè)計內(nèi)容之一 理想情況下 從斷面中心向兩邊逐漸彎曲 這樣可以使已彎曲成型部分不會進一步受到變形 但是 考慮到多種其他因素的影響 如避免空彎 減少金屬移動 改善材料流動的平滑性等 也采用其他的彎曲次序 H C 特里舍夫斯基將彎曲的次序分為4類 6輥彎成形主要工藝參數(shù) 6 3輥花圖的設(shè)計H C 特里舍夫斯基將彎曲的次序分為4類 同時彎曲方式 適用于單張或連續(xù)成型工藝生產(chǎn)開口對稱型鋼 Z型鋼 波紋板及不對稱程度小的槽鋼 順序彎曲方式 包括由坯料兩邊向中部順序進行成型和從坯料中心向兩邊順序進行成型 適用于單張或連續(xù)生產(chǎn)閉口型鋼 半閉口型鋼及波紋板 聯(lián)合彎曲方式 是上述兩種方式的組合 這種方式適合生產(chǎn)有2 5個彎曲部位的不對稱型鋼 閉口型鋼及半閉口型鋼 但不適合生產(chǎn)波紋板 彎曲整形方式 這種方式先用大彎曲半徑預(yù)彎出各彎曲角 然后整形 該法適用于高質(zhì)量波紋板的彎曲 6輥彎成形主要工藝參數(shù) 6 3輥花圖的設(shè)計彎曲角度的分配是由成型機的能力 成型道次 機架間距 總變形量等因素決定 一般 在成型初期取較小的彎曲角以避免強迫咬入 在成型中期 應(yīng)避免由于彎曲角分配不均而造成的帶坯局部異常變形以及型材的表面劃傷 在成型后期采用較小的變形量以防止回彈 保證產(chǎn)品的尺寸精度 根據(jù)上述要求 可采用余弦曲線來分配彎曲角 當成型道次為N 單邊總彎曲角為時 第i道次的彎曲角為 6輥彎成形主要工藝參數(shù) 6 3輥花圖的設(shè)計用這種方法的計算實例見圖4 12 在成型后期 為了防止回彈 彎曲角的實際分配應(yīng)視現(xiàn)場生產(chǎn)條件考慮適度的過彎 圖4 12求彎曲角分配的數(shù)學方法圖示 6 3輥花圖的設(shè)計型材的彎曲方法有如圖4 13所示的5種方法 可根據(jù)帶坯材質(zhì)和產(chǎn)品斷面的形狀加以利用 分別說明如下 圖4 13彎曲方法a 彎曲中心固定法 b 彎曲中心內(nèi)移法 c 彎曲中心上移法 d 彎曲中心直角坐標系移動法 e 彎曲中心移動與半徑變化成函數(shù)關(guān)系法 6輥彎成形主要工藝參數(shù) 6輥彎成形主要工藝參數(shù) 6 3輥花圖的設(shè)計 1 彎曲中心固定法 半徑不變 弧長增加 該法固定彎曲半徑的中心 在半徑不變的情況下 依靠彎曲角增大來依次增加彎曲弧長 該法適用于彎曲圓弧半徑大的生產(chǎn)工藝 圖4 13彎曲