当宽幅断面冷弯成型的实验研究及理论分析

宽幅断面冷弯成型的实验研究及理论分析

摘要：本文以宽幅断面成型为工程实例，实验研究了轧辊道数、变记住不要松手形量分配（道次分配）、板厚以及断面边缘宽度等因素对成型过程中所出现的袋形波、边部波浪、纵向弯曲等缺陷的影响，分析了它们的产生机理，并结合相关机理和工程经验针对缺陷提出了相应的解决方案。

关键词：冷弯成型 宽幅断面 缺陷 实验研究 理论分析

1.前言

冷弯成型工艺被称为一门“艺术”，其产品广泛应用于各个领域。目前已有学者对其进行了较深入的理论研究，部分研究人员对成型过程进行了计算机仿真，且取得了一定成果。但冷弯成型过程是一个十分复杂的过程，设计生产中仍有许多问题尚待解决，这些问题往往在调试生产过程中才能发现。以宽幅断面薄板成型为例，如果设计不合理，在调试过程中会出现边浪、袋形波、纵向弯曲、角部皱褶、裂纹及扭曲等变形缺陷。出现问题后再重新设计加工轧辊，必然会造成人力物力等资源的极大浪费。如果能够了解这些缺陷的产生机理，在设计过程中尽量避免这些缺陷，或在缺陷出现后能够在原来的基础上对轧辊进行合理的改进，从而减轻甚至消除这些缺陷，仍可达到轧辊设计预期的目标。因此进行相应的实验研究并结合理论分析，得出一些可供参考的成型规律，将会对设计和生产起到指导作用。

2. 实验设备及方法

2.1 实验机组

实验装置如图1所示，采用的是四川广汉门窗型材厂的1号机组，该机组成型部分共30架，架间距为450毫米，本实验主要使用前9架。

2.2 实验材料

实验中所用材料为攀钢生产的ST12冷轧板，试件材料参数见表1。实验中设置了18种工况，用到了18个试件，有0.35mm、0.5mm、0.7mm三种厚度。

牌号 长度（mm） 宽度（mm） 厚 度（mm） 屈服强度（MPa） 弹性模量

(MPa) 波松比 强化系数 ST12 2000 200 号:0.35 号:0.5 号: 0.7 162.4 2×105 0.28 563

2.3成型断面及轧辊：

实验以帽型断面为研究实例，断面的形状及尺寸标注如图2所示，设计板厚0.5mm，宽幅面位于中部，左右边缘不对称，右边比而10KN以下机型却是塑料类最经常使用的左边宽。图3为九道成型的成型工艺图。为了便于实验结果的比较，90度成型分九道完成，每道成型10度。第一道轧辊上辊辊径为184mm,下辊辊径为140mm，后面道次下辊依次较前道递增2mm。

图2 断面形状及尺寸标注

图3 成型工艺图

2.4实验方法及实验过程

本实验主要研究宽幅断面薄板辊式冷弯成型过程中，轧辊道数、变形量分配（成型角分配）、板厚等对成型的影响，因此实验中根据这几个参数对轧辊进行了组合。表2是形成上述断面的9道成形（每道弯曲角度为10o）和把它们组合起来的18种轧辊孔型设计。表2 轧辊的孔型配置

注：○表示该道有轧辊，×表示该道没有轧辊

实验中首先使用全部九道轧辊成型，实验结果缺陷不够明显，取消第2、4、6、8道，分别使用厚度为0.5和0.7的板使用剩余的五道成型，结果中缺陷较为明显，于是在后面的实验中在此基础上分别取消1、3、5、7道以及改变板厚进行比较试验。实验最后补做了间隔变形量为40o的 1、5、9道三道成型和变形量为2. RH M 0250 M P02 1V01 代表RH 系列, M18X1.5 螺纹, 250mm 行程公制, 02米电缆, 0⑴0VDC输出30o的3、6、9道的三道成型，以作比较。

2.5实验结果的测量

边部波浪使用游标卡尺测量，取10点求平均值。纵向弯曲的测量方法为将两米长的试样放在平台上，使两端与平台接触，用游标卡尺测取拱高。纵向伸缩量用软尺测量两米试样伸缩量后取百分数。由于袋形波不易测量，其实验结果主要通过观察进行比较。

3．实验结果及理论分析

实验过程中主要出现了三种缺陷：袋形波、边部波浪及纵向弯曲。下文针对这三种缺陷从产生机理、实验结果、解决方法等几个方面进行分析。

3.1 袋形波

1. 产生机理

袋形波的产生主要是由于板在弯曲过程中产生了横向拉伸应力和横向应变，而板料沿厚度方向的应变相对较小，根据材料变形的泊松关系，必然会在变形比较集中的部位沿纵向出现收缩变形。在本实验中这种现象主要出现在四条变形弯角处，于是纵向收缩的部分对中部的板施加压缩力，部分地区在力的作用下发生失稳出现了袋状鼓包，这就是我们常说的袋形波。袋形波主要是弹性变形。

2. 实验结果分析

袋形波较难于测量，故实验中主要通过对试样的观察比较得出结论。实验中发现第4~15号组合中有几种组合的袋形波较为严重，按严重程度依次为第14、13、5、16、17、4种组合。其中第14种和210世纪810年代开始第13种组合的板厚分别是0.35和0.5，轧辊道次为1、3、5、9。第5个组合和第4种组合的板厚分别是0.35和0.5，采用都是3、5、7、9道。第16和17种组合采用的道次是1、5、9道。值得注意的是袋形波的位置多位于宽边附近。

从试验结果可以看出，成型过程中初始道次和终了道次对成形影响较大。在本实验中表现为在第7道轧辊抬起后，袋形波尤为严重，包括后面的1、5、9道组合。这一点与轧辊设计中成型接近最终截型时变形量就须越小的成型经验相一致，因此设计中须注意后面道次变形量要小。当出现袋形波时，可以在后面道次中适当添加道次以减小变形量。实验结果同时表明，前面道次虽然比后面道次影响小，但对袋形波的出现也有一定影响，因此设计中应注意变形开始和变形结束时的道次变形量不要过大，实际生产中要根据实际情况合理增减道次。

袋形波在宽边附近比较严重的结果容易理解，窄边在轧制过程中与辊面的接触面积小，且边缘离弯曲变形的部位较近，力臂较小，边部受到更大的力，更易于沿横向滑动，弥补了部分因变形产生的横向应变，即窄边附近的纵向收缩量比宽边附近的纵向收缩量小，因此袋形波也不如宽边附近严重，由此看来边缘宽度对袋形波的出现影响比较大，这与小奈弘的研究结果是相近的。从这个角度上说，断面设计中为防止出现袋形波，边缘不要设计的过宽，可参照关系式F