冷彎型鋼彎曲成形應(yīng)力因素影響研究

朱珊珊　趙福森

摘 要：冷彎型鋼在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域有較廣泛的應(yīng)用，其彎曲成形的質(zhì)量控制非常重要。而應(yīng)力因素是影響其彎曲成形的主要因素。本研究主要從應(yīng)力影響因素中板材初始厚度、屈服極限以及內(nèi)圓彎曲半徑三個(gè)因素出發(fā)，研究了這些因素對(duì)冷彎型鋼的彎曲狀態(tài)的具體影響，并總結(jié)了影響因素的具體分析結(jié)果。本研究?jī)?nèi)容有利于提高冷彎型鋼的質(zhì)量，并為相關(guān)的工程設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：冷彎型鋼；彎曲應(yīng)力；影響因素

冷彎型鋼指用鋼板或帶鋼在冷狀態(tài)下彎曲成的各種斷面形狀的成品鋼材。冷彎型鋼是一種經(jīng)濟(jì)的截面輕型薄壁鋼材，是制作輕型鋼結(jié)構(gòu)的主要材料。它具有熱軋所不能生產(chǎn)的各種特薄、形狀合理而復(fù)雜的截面。與熱軋型鋼相比較，冷彎型鋼能較合理地利用材料強(qiáng)度；與普通鋼結(jié)構(gòu)相比較，可節(jié)約鋼材30-50%左右。近年來(lái)中國(guó)冷彎型鋼市場(chǎng)需求日趨增多，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，市場(chǎng)前景十分廣闊。冷彎型鋼如此廣泛的優(yōu)點(diǎn)以及應(yīng)用要求對(duì)其質(zhì)量有一定的嚴(yán)格要求，有必要對(duì)冷彎型鋼彎曲成形應(yīng)力影響因素進(jìn)行研究分析，從影響因素入手控制其產(chǎn)品質(zhì)量，因而具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)意義。

1 彎曲成形以及應(yīng)力的介紹

彎曲成形是現(xiàn)代工藝中十分常見(jiàn)的一種加工方式。彎曲成形實(shí)質(zhì)上是一種沖壓成形工藝。彎曲造型的原材料一般是金屬板材、管材和型材等。彎曲成形就是使工件具有一定曲率、一定角度以及一定形狀和尺寸。高壓容器、 鍋爐汽包、 鍋爐爐管、船體的鋼板及骨肋、各種器皿、儀器儀表構(gòu)件以及箱柜鑲條等制造是典型的彎曲成型的例子。常見(jiàn)的彎曲成形工藝有壓彎、折彎、拉彎、滾彎以及錕彎等。壓彎做為最常用的彎曲方法，有著比折彎、拉彎、滾彎以及錕彎等彎曲成形工藝方法更顯著的優(yōu)點(diǎn)。壓彎工藝主要的設(shè)備有機(jī)械壓力機(jī)、液壓機(jī)以及專用折彎壓力機(jī)等。卷板機(jī)是滾彎常用的設(shè)備。彎曲變形有一個(gè)成形過(guò)程，首先橫斷面中間有一部分不變形的區(qū)域是中性層。中性層內(nèi)外的金屬分別收到壓、拉應(yīng)力的作用，內(nèi)層金屬受壓產(chǎn)生壓縮變形，外層金屬受拉產(chǎn)生伸長(zhǎng)變形。并且，由于中性層兩側(cè)金屬的應(yīng)力和應(yīng)變方向是相反的，故而，一旦載荷卸去，其彈性變形回復(fù)方向也是相反的，產(chǎn)生彈復(fù)力并有不同程度的彈復(fù)效果。彈復(fù)的制約因素有很多，但是這些因素往往是難以控制的。彎曲件精度問(wèn)題一直是彎曲成形生產(chǎn)的重難點(diǎn)，實(shí)踐證明，彈復(fù)作用會(huì)影響彎曲件的精度。

彎曲應(yīng)力簡(jiǎn)單的說(shuō)即彎曲產(chǎn)生的應(yīng)力。彎曲應(yīng)力在工件材料的不同表面也是不同的。通常，彎曲應(yīng)力分為正應(yīng)力和切應(yīng)力。彎矩和剪力是受彎構(gòu)件橫截面上的兩種主要內(nèi)力。彎矩在橫截面上產(chǎn)生正應(yīng)力，對(duì)彎曲正應(yīng)力必須進(jìn)行嚴(yán)格的推導(dǎo)，彎矩產(chǎn)生的正應(yīng)力會(huì)影響受彎構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度。剪力在橫截面上產(chǎn)生剪應(yīng)力，相對(duì)正應(yīng)力而言，剪應(yīng)力雖對(duì)梁的強(qiáng)度和剛度也是有影響的，但只是次要因素，故而對(duì)剪應(yīng)力公式?jīng)]作嚴(yán)格推導(dǎo)。彎曲應(yīng)力是指法向應(yīng)力的變化分量沿厚度上的變化，這個(gè)變化可以是線性的，也可以是非線性的。壁厚最厚的表面的彎曲應(yīng)力最大，設(shè)計(jì)時(shí)要進(jìn)行強(qiáng)度校核，一般取其最大值。材料的屈服極限指當(dāng)材料所受應(yīng)力超過(guò)彈性極限后，變形增加較快，此時(shí)除了產(chǎn)生彈性變形外，還產(chǎn)生部分塑性變形。而當(dāng)壁厚的表面達(dá)到屈服極限后，表面應(yīng)力雖然不再增加，但屈服層由表面向中間擴(kuò)展，仍能繼續(xù)提高承載能力。故而，彎曲應(yīng)力在壓力容器中，其安全性有明顯優(yōu)于相同數(shù)值的薄膜應(yīng)力。了解彎曲成形是熟悉工藝手段的主要方法，了解彎曲應(yīng)力對(duì)于理解影響彎曲應(yīng)力的因素具有促進(jìn)作用。所以掌握一定的彎曲成形工藝以及彎曲應(yīng)力的產(chǎn)生、分類等知識(shí)是掌握有關(guān)專業(yè)知識(shí)的第一步。

2 影響彎曲應(yīng)力的因素

冷彎型鋼的特點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)性比較好，由冷彎型鋼制成的型材的質(zhì)量一般都比較低，而且工藝性較好，因而廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐中。所以冷彎型鋼的成形及其性能的優(yōu)劣對(duì)于冷彎型鋼的應(yīng)用具有很大的影響。彎曲成形是冷彎型鋼的成形方式，其彎曲應(yīng)力直接影響冷彎型鋼的性能。而影響其彎曲應(yīng)力的因素有很多，值得去研究，以進(jìn)一步提高其成形性。其中板材初始厚度、板材屈服極限以及板材內(nèi)圓彎曲半徑是主要的影響因素，而彎曲應(yīng)力中根據(jù)實(shí)際情況又詳細(xì)地分為軸向應(yīng)力、徑向應(yīng)力以及周向應(yīng)力，并詳細(xì)研究板材初始厚度、屈服極限以及內(nèi)圓彎曲半徑對(duì)軸向應(yīng)力、徑向應(yīng)力以及周向應(yīng)力的具體的影響效果。本研究采用單一因素研究法，即研究某一因素變化的具體影響時(shí)，保持其它變量因素不變。

2.1 板材初始厚度對(duì)冷彎鋼彎曲應(yīng)力的影響

當(dāng)研究板材初始厚度的影響時(shí)，保持板材屈服極限以及板材內(nèi)圓彎曲半徑保持在一定值不變。通過(guò)設(shè)置不同板材初始厚度來(lái)研究其具體影響規(guī)律。通過(guò)一定的實(shí)驗(yàn)以及數(shù)據(jù)的處理發(fā)現(xiàn)，隨著板材初始厚度的增大，冷彎型鋼的彎曲應(yīng)力也在不斷增大。而且通過(guò)具體的數(shù)據(jù)計(jì)算可得出，板材的初始厚度要是每增加10%，彎曲應(yīng)力中的軸向應(yīng)力最大值相應(yīng)增大1%左右，徑向應(yīng)力最大值相應(yīng)增大6%左右，周向應(yīng)力最大值相應(yīng)增大1.8%左右。由這些數(shù)據(jù)可以得到這樣的結(jié)論：板材初始厚度對(duì)冷彎型鋼彎曲應(yīng)力有很大影響，初始厚度越大，冷彎型鋼的彎曲應(yīng)力也越大，而且初始厚度對(duì)彎曲應(yīng)力中的徑向力影響效果最大，對(duì)周向應(yīng)力和軸向應(yīng)力的影響效果相對(duì)較小。

2.2 板材屈服極限對(duì)冷彎鋼彎曲應(yīng)力的影響

當(dāng)研究板材屈服極限的影響時(shí)，保持板材初始厚度以及板材內(nèi)圓彎曲半徑保持在一定值不變。通過(guò)設(shè)置不同板材屈服極限來(lái)研究其具體影響規(guī)律。通過(guò)一定的實(shí)驗(yàn)以及數(shù)據(jù)的處理發(fā)現(xiàn)，隨著板材屈服極限的增大，冷彎型鋼的彎曲應(yīng)力也在不斷增大。而且通過(guò)具體的數(shù)據(jù)計(jì)算可得出，板材的屈服極限要是每增加10%，彎曲應(yīng)力中的軸向應(yīng)力最大值相應(yīng)增大10%左右，徑向應(yīng)力最大值相應(yīng)增大10%左右，周向應(yīng)力最大值也相應(yīng)增大10%左右。由這些數(shù)據(jù)可以得到這樣的結(jié)論：板材屈服極限對(duì)冷彎型鋼彎曲應(yīng)力有很大影響，屈服極限越大，冷彎型鋼的彎曲應(yīng)力也越大，而且屈服極限對(duì)彎曲應(yīng)力中的徑向力、周向應(yīng)力以及軸向應(yīng)力的影響效果都比較均勻，同時(shí)影響也非常顯著。

2.3 板材內(nèi)圓彎曲半徑對(duì)冷彎鋼彎曲應(yīng)力的影響

當(dāng)研究板材內(nèi)圓彎曲半徑的影響時(shí)，保持板材初始厚度以及板材屈服極限保持在一定值不變。通過(guò)設(shè)置不同板材內(nèi)圓彎曲半徑來(lái)研究其具體影響規(guī)律。通過(guò)一定的實(shí)驗(yàn)以及數(shù)據(jù)的處理發(fā)現(xiàn)，隨著板材內(nèi)圓彎曲半徑的增大，冷彎型鋼的彎曲應(yīng)力在不斷減小。而且通過(guò)具體的數(shù)據(jù)計(jì)算可得出，板材的內(nèi)圓彎曲半徑要是每增加10%，彎曲應(yīng)力中的軸向應(yīng)力最大值相應(yīng)減小1.4%左右，徑向應(yīng)力最大值相應(yīng)減小4.3%左右，周向應(yīng)力最大值也相應(yīng)較小0.8%左右。由這些數(shù)據(jù)可以得到這樣的結(jié)論：板材內(nèi)圓彎曲半徑對(duì)冷彎型鋼彎曲應(yīng)力有很大影響，內(nèi)圓彎曲半徑越大，冷彎型鋼的彎曲應(yīng)力卻越小，而且內(nèi)圓彎曲半徑對(duì)彎曲應(yīng)力中的徑向力影響效果最大，對(duì)周向應(yīng)力以及軸向應(yīng)力的影響效果比較小。

3 結(jié)語(yǔ)

冷彎型鋼在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用廣泛，研究其彎曲應(yīng)力的影響因素具有現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)意義和質(zhì)量意義。本研究在介紹了冷彎型鋼在工業(yè)上的應(yīng)用的背景下，并基于彎曲成形以及彎曲應(yīng)力的概念，重點(diǎn)介紹了板材初始厚度、板材屈服極限以及板材內(nèi)圓彎曲半徑這三個(gè)影響因素。并重點(diǎn)闡述了以上三個(gè)因素對(duì)徑向應(yīng)力、周向應(yīng)力以及軸向應(yīng)力的具體影響。其中，屈服極限對(duì)三種形式應(yīng)力的影響是最大的，板材初始厚度以及板材內(nèi)圓彎曲半徑對(duì)徑向力的影響比較明顯，對(duì)其它兩種應(yīng)力的影響不太顯著。本研究?jī)?nèi)容對(duì)冷彎型鋼的改進(jìn)以及性能的提升具有重要的參考價(jià)值。

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