Q345R異形錐體成形工裝設計及經(jīng)驗總結

■秦皇島秦冶重工有限公司（河北 201406）王永龍

公司生產(chǎn)的爐頂產(chǎn)品中，料罐儲存爐料，同時配合上下密封閥的操作，實現(xiàn)布料功能，由上密封閥、焊接鋼結構殼體、檢修人孔和可更換的耐磨襯板組成。料罐分串罐式、并罐式，其中并罐式爐頂由于投資少、爐頂高度低、上料操作不受布料影響以及連續(xù)性好，在大中型高爐上得到了廣泛的應用。

在并罐式料罐中，焊接鋼結構殼體選用Q345R容器鋼板，并且呈異形錐體（斜錐），異形錐體的結構及尺寸由于受到公司內(nèi)設備及產(chǎn)品結構的限制，無法使用卷板機進行制作，因此需要設計一套相對簡易的工裝，使用公司內(nèi)現(xiàn)有的設備的基礎上保證殼體制作成形。

1.異形錐體結構及成形工藝

（1）錐體結構及尺寸（選取殼體上某一段）。該工件板厚為40 mm，材質(zhì)Q345R，錐體最大母線2011.9 mm，如圖1所示。

（2）Q345R材質(zhì)化學成分、力學性能及許用應力情況如表1～表3所示。

（3）成形工藝方法：錐體分兩片，分別進行壓制，然后再組焊在一起，設備選用800 t油壓機。

2.胎具設計與壓制成形工藝要求

（1）異形錐體冷壓成形胎具的總體如圖2所示。

（2）下胎支點尺寸計算：根據(jù)自由彎曲壓彎力的經(jīng)驗公式

式中，t為鋼板厚度（mm）；B為板料寬度（mm）；σb為鋼板的抗拉強度（MPa）；L為下胎兩支點間距（mm）。

由此下胎兩支點間距計算公式為L=t2Bσb/F自

已知：t=40 mm，B=2200 mm，σb=490MPa，F(xiàn)自=8 MN。

圖1 選取的錐體示意圖

L=（402×2200×490）/（8×106）=215.6(mm)，取長度L=250 mm。

本錐體為異形錐體，單側(cè)壓彎時每道折彎線處的錐度都不同，下胎的寬度及長度按照殼體中最大錐度及長度進行計算，其余部位通過在下胎中間部位放置墊塊進行錐度調(diào)整。由此下胎具體尺寸如圖3所示。

（3）上胎、下胎圓鋼直徑確定：借鑒三輥卷板機設計規(guī)范，上輥直徑φ上=L/（1.1～1.3）。其中L為下胎中心距，取L=250 mm。

圖2 異形錐體冷壓成形胎具示意圖

圖3 下胎尺寸示意圖

表1 Q345R 鋼板的化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （單位：%）

表2 Q345R鋼板力學性能

表3 Q345R材質(zhì)的許用應力

所以上輥直徑φ上=250/1.3=192(mm)。上胎選用圓鋼φ200 mm，材質(zhì)Q345B。根據(jù)經(jīng)驗，下胎所用圓柱直徑不宜小于上胎圓柱體直徑的3/4。下胎選用圓鋼φ150 mm，材質(zhì)Q345B。

（4）異形錐體制作工藝要點：①下料時毛坯料兩邊留出直邊余量各150～200 mm。②在毛坯鋼板上劃出放射狀壓彎線，要求分度準確。③按照錐角調(diào)整好上下胎具的位置，上胎中心線對準毛坯鋼板壓彎線。④先壓彎毛坯料的兩側(cè)，再壓中間部分，并隨時用樣板檢查曲率，測量對角線的偏差。⑤異形錐體成形后，在工作平臺上可以使用火焰矯正、拉鏈固定等手段進行錐體矯正。⑥錐體組對時，不能使用大錘敲擊工件，若發(fā)現(xiàn)局部對口錯邊量超差或其他形狀超差的問題，應返回上到工序用油壓機糾偏。⑦組對完畢后的錐體，需要在內(nèi)壁做米字形工藝支撐，并點焊。工藝支撐的點焊，應按照Q345R鋼焊接工藝要求進行。

3.回彈量控制

（1）回彈量的計算：該錐體為異形錐體，回彈量的計算可以根據(jù)圓錐體冷壓自由彎曲回彈量的經(jīng)驗公式進行近似計算

式中，rp為回彈前的彎曲件的半徑（mm）；R為回彈后彎曲件的半徑（mm）；σs為板料的屈服極限（MPa）；E為板料的彈性模數(shù)（MPa）；t為板料的厚度（mm）。

根據(jù)簡單計算出的參數(shù)，計算圖4中墊塊H尺寸

式中，L為下胎兩支點間距（mm）；rp為回彈前彎曲半徑（mm）；α為彎曲角度；φ下為下胎圓柱直徑（mm）。

在異形錐體實際壓制過程中，我公司操作人員是利用樣板，通過檢測錐體實際成形情況確定的墊塊H尺寸，且該尺寸為多變尺寸，在不同錐度的部位，H數(shù)值都不同，所以本文不在列出墊塊的詳細計算過程，僅做示意并羅列出計算公式，以供參考。

圖4 異形錐體冷壓成形墊塊調(diào)整示意圖

4.異形錐體成形時工藝經(jīng)驗總結

（1）分段錐體應遵循對稱原則：料罐下部錐體為多段異形錐體焊接而成，在異形錐體成形的過程中，往往需要分解成兩段至多段進行拼接，但是其拼接焊縫所處位置是需要仔細斟酌的。

圖5 錐體拼接角度分度圖

如圖5所示，我公司生產(chǎn)料罐時，圖樣要求將異形錐體拼接位置放在135°～315°線上，這樣給生產(chǎn)造成了不小的麻煩。其一，由于兩段錐體都是非對稱的形狀，在壓制時無法對稱進行，板料的位置控制難度較大；其二，拼接線的右上側(cè)錐體在315°～0°段內(nèi)，錐度幾乎無法成形，只能近似壓制后，靠鉚工火焰矯正，增加了作業(yè)的難度。

經(jīng)過車間實際制作過程的經(jīng)驗進行總結，該件的拼接線應該放在0°～180°線，或者90°～270°線上，即分段后的錐體自身影視對稱的，這樣的拼接方式，不但方便錐體各段成形，也降低了后續(xù)的組對、焊接難度，能夠節(jié)約大量的人力，縮短供貨周期。

（2）SolidWorks繪制錐體折彎線應遵循“先展開后截取”原則：每個罐體都有3 件稱量元件支撐，它與料罐（下錐）貼合的部位是一段截取的投影尺寸為800 mm×1000 mm的錐體，該錐體作為稱量原件的加強筋板，需要增加稱量原件與下錐體焊接處的錐體剛度，其尺寸如圖6所示。

若按照該單件圖樣尺寸，使用SolidWorks繪制三維實體并展開，利用軟件生產(chǎn)的折彎線分布圖如圖7所示（虛線為折彎線），該折彎線是將錐體進行了等分，所以折彎線分布很均勻，但是按照圖7的折彎線將錐體壓制成形后，卻發(fā)現(xiàn)該加強筋板與料罐下部的錐體外壁根本無法貼合，造成該問題的原因出現(xiàn)在了錐體的折彎線上。

該類在異形錐體上截取一部分的工件，在利用SolidWorks軟件建模時，必須將該錐體補充完整（可以帶有加強筋板外形切口），完整的錐體進行展開，設置折彎線相關參數(shù)并生成dwg格式的二維圖樣后，在展開后的錐體上截選加強筋板的折彎線，如圖7所示。

5.結語

料罐產(chǎn)品按期完成了制作，不但保證了產(chǎn)品的交貨期，也展現(xiàn)出了良好的質(zhì)量水平。其Q345R鋼錐體使用胎具壓制成形技術產(chǎn)生于實踐當中，方便實用、投入少、效益高，值得推廣。

圖6 稱量原件加強筋板

圖7 加強筋板錯誤的折彎線(左上)、正確的折彎線(右上)

錐體壓制胎具上下胎的關鍵部位均使用圓鋼，在壓制錐體前應觀察胎具上圓鋼的磨損情況，若磨損嚴重應更換新的圓鋼后再進行壓制，否則在錐體內(nèi)外鋼板面上與胎具圓鋼接觸的部位會出現(xiàn)凹痕缺陷。

[1]劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2005.

[2]梅啟鐘.簡明鈑金冷作工作手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1992.

專家點評

異形錐體成形是一個很復雜的問題，是帶有很強的經(jīng)驗性的科學，由于影響參數(shù)多且不確定，沒有很確切的公式進行計算。此文雖然有許多地方?jīng)]有給出精確地數(shù)據(jù)，但畢竟指出了大概的操作程序，值得借鑒。對于類似的零件加工，有較強的參考價值。