冷軋帶鋼彎曲起皺問題研究

朱秋菊 任光合 孫樹金

摘要：大型鋼廠生產(chǎn)的冷軋帶鋼質(zhì)量較為穩(wěn)定，但是價(jià)格較高。小型鋼廠生產(chǎn)的冷軋帶鋼價(jià)格相對(duì)便宜，但是質(zhì)量波動(dòng)范圍較大，生產(chǎn)使用時(shí)的彎曲狀況不很理想，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)腹部凹凸、邊部波浪等缺陷，為提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，本文對(duì)冷軋鋼帶彎曲起皺的問題深入研究，并對(duì)彎取成型設(shè)備提出相關(guān)改進(jìn)建議。

關(guān)鍵詞：冷軋帶鋼；彎曲起皺；螺旋排水管

前言

鋼帶增強(qiáng)聚乙烯螺旋排水管將鋼帶的高剛度和聚乙烯的高防腐性實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一，在農(nóng)村城鎮(zhèn)化建設(shè)及污水處理工程中具有較大的應(yīng)用空間。鋼帶在產(chǎn)品中的主要作用是提高產(chǎn)品的環(huán)剛度，因此在實(shí)際生產(chǎn)中，鋼帶屈服強(qiáng)度越高，生產(chǎn)出的管材環(huán)剛度就越高。但當(dāng)鋼帶厚度超過1.2mm（DN1000以上規(guī)格）時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)腹部凹凸、邊部波浪等缺陷，影響了產(chǎn)品外觀，降低了鋼帶與內(nèi)外片的粘接質(zhì)量，易出現(xiàn)廢品。因此，為保證產(chǎn)品的質(zhì)量，需對(duì)所采購(gòu)的帶鋼性能做一定的要求：拉伸強(qiáng)度290Mpa～420Mpa，屈服強(qiáng)度190～340Mpa，斷裂伸長(zhǎng)率≥30%。經(jīng)過多次試驗(yàn)，小型鋼廠的帶鋼不能滿足生產(chǎn)要求，只能從大型鋼廠訂購(gòu)或從分銷商手中采購(gòu)，無形中增加了產(chǎn)品成本。

1.帶鋼材質(zhì)性能分析

目前，行業(yè)內(nèi)常用的冷軋帶鋼有Q195、ST12、08AL，其中Q195價(jià)格相對(duì)便宜，應(yīng)用較為廣泛。三種材質(zhì)的化學(xué)成分詳見表1。

表1 冷軋帶鋼化學(xué)成分及性能參數(shù)表

牌號(hào) 化學(xué)成分（%） 機(jī)械性能 備注

抗拉強(qiáng)度（Mpa） 屈服強(qiáng)度（Mpa） 延伸率（%）

Q195 C：0.06-0.12；Mn：0.25-0.50；Si：0.12～0.30；S：≤0.050；P：≤0.045 315～430MPa ≥195Mpa ≥33% 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)

ST12 C≤0.10；Mn≤0.50；P≤0.035；S≤0.035；Alt a≥0.020 270～410Mpa 177～280MPa ≥28% 德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)

08AL C：0.05～0.11；Mn：0.25～0.65；Si：≤0.03；S：≤0.035；P≤0.035；Al：≤0.02～0.07；Cr：≤0.10；Ni：≤0.30 ≥325Mpa ≥185Mpa ≥33% 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)

P和S是鋼中的有害元素，P易導(dǎo)致鋼出現(xiàn) “冷脆性”現(xiàn)象，S易導(dǎo)致鋼出現(xiàn)“熱脆性”現(xiàn)象。Si和Mn通常是在煉鋼后期作為脫氧劑加入鋼水中而殘留下來的，可提高鋼的強(qiáng)度和硬度，是鋼中的有益元素[1]。Q195中含S、P相對(duì)較高，故其塑性相對(duì)低。一般情況下，Q195鋼帶的生產(chǎn)是由冷軋鋼廠購(gòu)買熱軋或正火狀態(tài)的熱軋鋼板，軋制成相應(yīng)規(guī)格后以退火狀態(tài)交貨，退火用于改善冷軋過程中的冷作硬化現(xiàn)象，但由于工藝和技術(shù)所限，小型鋼廠生產(chǎn)的Q195冷軋鋼帶具有屈服強(qiáng)度偏高的特點(diǎn)。

2.冷彎成型研究現(xiàn)狀

在鋼帶增強(qiáng)螺旋波紋管的性能指標(biāo)中，環(huán)剛度指標(biāo)尤其重要，它是表征管道抗外壓負(fù)載能力的綜合參數(shù)。它與帶鋼的彈性模量及截面慣性矩成正比，與管材的內(nèi)徑成反比。管材的直徑是由客戶需求決定的，所以提高管材的環(huán)剛度，只能通過采用高彈性模量的鋼帶材料或增大波形的截面慣性矩的方式。通常，鋼帶的材質(zhì)確定，其彈性模量基本上是確定的，故影響螺旋管環(huán)剛度的因素只有只有截面慣性矩。常見的波形截面有U形、梯形及Ω形，我公司產(chǎn)品采用Ω形截面。

使帶鋼成型為Ω形，沖壓和冷彎成型是國(guó)內(nèi)外常采用的方式，其中輥彎成型又是冷彎成型的常見方式。國(guó)內(nèi)冷加工業(yè)常見的有三輥彎曲機(jī)、四輥彎曲機(jī)和六輥彎曲機(jī)。其中三輥彎曲機(jī)原理是利用三點(diǎn)確定一個(gè)圓，與彎曲半徑垂直的弦相交于一點(diǎn)來保證彎曲半徑的均勻，其中又分為兌成式和不對(duì)稱式兩種，其中對(duì)稱式的不能連續(xù)彎曲，工作效率較低。四輥彎曲機(jī)曲率半徑調(diào)節(jié)范圍較大，分為側(cè)輥進(jìn)給式、側(cè)輥擺動(dòng)式、副輥擺動(dòng)式等幾種形式。其中，側(cè)輥進(jìn)給式也不能連續(xù)生產(chǎn)，應(yīng)用并不普遍。六輥彎曲機(jī)主要分為擺動(dòng)式和對(duì)輥式。對(duì)輥式六輥彎曲機(jī)原則上也屬于擺動(dòng)式彎曲機(jī)的一種，主要是靠三組相互對(duì)應(yīng)的輥輪逐步成型，其曲率半徑由滾輪的安裝位置確定，中間有滑道保持鋼帶的導(dǎo)向，便于下一組滾輪的咬入，上下輥輪均為驅(qū)動(dòng)輪，從而實(shí)現(xiàn)鋼帶的連續(xù)彎曲成型[2]。

3.帶材滾彎成型應(yīng)力分析

（a）變形應(yīng)力 （b）彎曲應(yīng)力

圖1波形彎曲應(yīng)力分析

如圖1（a）所示彎曲變形主要發(fā)生在彎曲帶中心角φ范圍內(nèi)，彎曲帶以外直邊部分離彎曲部分越遠(yuǎn)，變形越小，底板部分的彎曲與此類同。彎曲時(shí)，凹模外側(cè)的切線方向的纖維受拉伸長(zhǎng)，而靠近凸模的內(nèi)側(cè)纖維在切線方向受到壓縮變短，中性層纖維不變。當(dāng)彎曲半徑與板厚之比r/t≤4時(shí)，變形區(qū)會(huì)變薄。

由于我公司采用的的鋼帶為寬鋼帶（b/T>3），彎曲變形時(shí)只在長(zhǎng)度和厚度方向上產(chǎn)生應(yīng)變，即上圖中的ε1和ε2，在彎曲變形時(shí)在長(zhǎng)度和厚度的應(yīng)變區(qū)內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力，即σ1和σ2。寬度方向的應(yīng)變內(nèi)外相互限制抵消，外側(cè)的材料橫向收縮受阻產(chǎn)生拉應(yīng)力，內(nèi)側(cè)產(chǎn)生壓應(yīng)力，即圖1（a）中的σ3。

在彎曲成形時(shí)，滾輪組相當(dāng)于模具，對(duì)板帶產(chǎn)生了力的作用，在波形與底板上產(chǎn)生了誘發(fā)應(yīng)力，如圖1（b）所示。此處的誘發(fā)應(yīng)力與滾壓預(yù)成形處產(chǎn)生的應(yīng)力σ1、σ2、σ3疊加，有可能引起的變形缺陷是：波峰處可能因拉應(yīng)力過度產(chǎn)生開裂，底板可能在壓應(yīng)力作用下失穩(wěn)起皺[3]。

4.改進(jìn)措施

（a） 增加滾輪組 （b） 使用彈性滾輪

圖2 改進(jìn)方案

4.1增加滾輪組：無論何種彎曲方式，變形時(shí)均遵循“弱區(qū)先變形，變形區(qū)為弱區(qū)”的原則。板料在彎曲過程中，彎曲半徑逐漸減小，彎曲變形過程中板料與凹輥之間產(chǎn)生相對(duì)滑移，最后三者完全壓緊，進(jìn)行校正彎曲成型。當(dāng)鋼帶的屈服強(qiáng)度過高時(shí)，若一次性彎曲量過大，使彎曲力超過鋼帶所能承受的極限，會(huì)導(dǎo)致底板失穩(wěn)起皺。針對(duì)此問題，可嘗試逐步成形工藝來完成鋼帶的滾彎成形，現(xiàn)有滾彎?rùn)C(jī)為3對(duì)滾輪，可以適當(dāng)增加1到2組滾輪，減小每工步得得彎曲角，如圖2（a）所示。前兩組滾輪弧度R值較大，后兩組逐步減小R值。

4.2采用柔性滾輪：將下滾輪換成橡膠輪（如圖2（b）所示），在成型力作用下，剛性輪會(huì)將彈性輪壓出一定變形量，其優(yōu)點(diǎn)在于在滾彎系統(tǒng)中引入了一個(gè)彈性體，對(duì)工件產(chǎn)生較大的包角，從而使工件受到分布力而得以逐漸屈服，適宜輥彎高強(qiáng)材料。

實(shí)際滾彎過程分為加載成型階段、曲率恒定階段、卸載回彈階段。加載成型階段，鋼帶首先與橡膠輪接觸，鋼帶受力和彎矩隨進(jìn)給逐漸增大。鋼帶同時(shí)與上下滾輪都接觸時(shí)，進(jìn)入曲率恒定階段，鋼帶截面應(yīng)力、 應(yīng)變分布保持不變。鋼帶離開剛性輪，其上的力開始減小，進(jìn)入卸載回彈階段，到鋼帶完全離開彈性輪，其內(nèi)部的彈性應(yīng)變能全部釋放，板帶最終成型。

5.結(jié)束語

本文結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)問題，就冷軋薄帶鋼在進(jìn)行異形輥彎成型起皺的問題進(jìn)行了探討，分別從鋼帶材質(zhì)、彎曲成形、應(yīng)力分析等三個(gè)方面進(jìn)行了分析，最后給出了有益于改善起皺的改進(jìn)措施，對(duì)彎曲裝置的優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

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[2]韓飛，劉繼英，艾正青等. 輥彎成型技術(shù)理論及應(yīng)用研究現(xiàn)狀[J]. 塑性工程學(xué)報(bào)，2010，17（5）：53-59.

[3]朱慧濤，馬蘇常.基于TRIZ和QFD的彎曲機(jī)概念設(shè)計(jì)中的QFD分析[J].科技信息，2013，（9）：121-123.