冷弯型钢生产工艺.ppt

03 冷弯型钢生产工艺韩静涛 博士/教授/博士生导师北京科技大学 材料加工工程学科 首席教授中国钢结构协会冷弯型钢分会 理事长中国金属学会 荣誉理事,北京科技大学 材料成形与控制工程专业冷弯型钢生产,3.1 概述3.2 冷弯型钢的原料3.3 冷弯成形工艺参数3.4 冷弯成形辅助工序3.5 冷弯型钢轧辊孔型设计3.6 冷弯成形过程的工艺润滑3.7 典型冷弯型钢生产工艺流程,3 冷弯型钢生产工艺,3.1 概述3.2 冷弯型钢的原料3.3 冷弯成形工艺参数3.4 冷弯成形辅助工序3.5 冷弯型钢轧辊孔型设计3.6 冷弯成形过程的工艺润滑3.7 典型冷弯型钢生产工艺流程,3 冷弯型钢生产工艺,3.1 概述,3.1 概述,形式特征：冷弯成形是以金属薄板或带卷为原料，通过多架装配了具有一定形状的成形辊的成形机对坯料逐步进行弯曲变形，从而得到均一截面产品的塑性加工方法。一般每架成形机装有两个或多个成形辊，每列成形机组由两架以上的成形机组成。内容特征：冷弯成形的主要变形为板料的弯曲变形，次要变形为弯曲角局部的减薄，以及带卷材料的纵向延伸或拉缩。一般，假设变形材料厚度在成形过程中基本不变。这种加工方法特别适合于外形纵长、批量较大的高精度产品的加工。此外，在冷弯成形过程中，可以将冲裁、打孔、压印、纵弯等辅助加工引入进来。分类特征：冷弯成形工艺可分为4种，即单张(或单件)成形工艺、成卷成形工艺、连续成形工艺和组合加工工艺。每一种工艺都可分为3个阶段，即成形前坯料准备阶段、成形加工阶段、型材精整阶段。,3.1 概述,单张成形工艺：就是预定尺坯料的成形方法。这种方法在坯料成形之前将坯料切成定尺长度，然后用选料辊将坯料送进成形机，成形后的型材不必经剪切即可收集人库。采用这种成形工艺的成形机的速度一般较低。这种工艺主要应用于小批量、成形后型材锯切比较困难的情况下。采用单张成形工艺的成形机组的设备简单、工具费用少、投资低。但用这种生产工艺得到的型材边部纵向拉伸较大，因而只有利用侧立辊才能得到比较精确的产品形状。成卷成形工艺和连续成形工艺：工艺基本相同，所不同的是连续成形时前一卷带材的尾部与后一卷带材的头部经过齐对焊，使坯料带材连续不断地进入成形机进行成形。而成卷成形时带卷头尾不对焊，进行单卷供料成形。与单张成形工艺相比，这两种成形工艺更加高效、高产、通用。,3.1 概述,成卷成形工艺和连续成形工艺的主要优点是：1)带卷成本低、切损少，因而降低了材料成本；2)由于需要的成形机架数少且不需要额外的导卫装置，因而工具成本低；3)可以加工形状比单张成形工艺的产品更复杂的型材；4)型材的头尾部扭曲及张开度减小；5)由于操作几乎是连续的，因而生产率得到提高。但这两种成形工艺需要开卷机、活套器、对焊机、定尺飞锯或飞剪等辅助设备，因而其机组设备投资较大、占地较大，成形机组的成形速度较高。目前投产的绝大多数冷弯成形机组均是采用这两种工艺。图3-1给出了其工艺流程示意图。,3.1 概述,图3-1带卷冷弯成形工艺1-带卷；2-开卷机；3-坯料；4-矫平机；5-预冲孔机；6-活套辊；7-进料台；8-成形机；9-侧立辊；10-驱动轴；11-校型机；12-切断装置；13-储料台；14-成形机组,3.1 概述,组合加工工艺：用于加工具有特定要求的冷弯型钢，如高强度冷弯型钢，闭口焊接冷弯型钢、热处理强化冷弯型钢、周期波纹板、冲孔冷弯型钢、涂层冷弯型钢等。组合加工成形机组的设备最复杂、投资最高。根据产品的要求这种机组可包括如下设备：直缝焊机、对焊机、辊式冲孔机、辊式压印机、涂层机、热处理设备等。,典型冷弯成型生产线,a开卷机；b校平机；c预冲孔机；d储料活套；e成型机组；f 矫直机；g精冲/切断机；h收集台架,3.1 概述3.2 冷弯型钢的原料3.3 冷弯成形工艺参数3.4 冷弯成形辅助工序3.5 冷弯型钢轧辊孔型设计3.6 冷弯成形过程的工艺润滑3.7 典型冷弯型钢生产工艺流程,3 冷弯型钢生产工艺,3.2 冷弯型钢的原料,生产冷弯型钢用的原料 由于冷弯型钢广泛应用于各行各业，所以使用的原料也就包括了诸多品种，如普通碳素钢、优质碳素结构钢、低合金钢、耐大气腐蚀钢、不锈钢、镀层材料（镀锌板、镀铝板等）、彩色涂层板、铜、铝合金、钛合金等等。各类原料的品种、牌号如下：碳素结构钢：常用碳素结构钢的牌号有Q195、Q215、Q235等；优质碳素结构钢：常用优质碳素结构钢的牌号有08、10、08F、08Al等；低合金钢：常用低合金钢的牌号有：16Mn等 耐大气腐蚀钢：常用耐大气腐蚀钢的牌号有16CuCr、12MnCuCr、15MnCuCr、15MnCuCr-QT；09CuPCrNiA、09CuPCrNiB、09CuP；（车辆用耐大气腐蚀钢09CuPCrNi、09CuPTiRE）,3.2 冷弯型钢的原料,生产冷弯型钢用的原料 集装箱用钢：集装箱用钢的牌号有NSF345、NSF390、J335、J490；不锈钢：常用不锈钢的牌号有：301、1Cr18Ni9（302）、0Cr18Ni9（304）、1Cr18Ni12（305）、0Cr17Ni12Mo2（316）等；镀层材料：在冷弯成形中，通常一般使用普通用途和机械咬合加工性能的材料，锌层重量为100350g/m2的热镀锌钢板；彩色涂层板：彩色涂层板表面涂料的种类有：丙烯酸、聚酯、硅改性聚酯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯塑料溶胶、有机溶胶以及PVC薄膜等；铜：铜是一种容易冷弯成形的材料，常用的包括有紫铜、黄铜等；铝合金：铝具有耐蚀性、加工性能优良以及外观美的特性。冷弯成形常用的有纯铝、铝锰系、铝镁系；钛合金,3.2 冷弯型钢的原料,3.2.2 在冷弯成形中使用不同的原料需要注意的问题3.2.2.1 原料的化学成分：不同的材料具有不同的化学成分组成，各种成分都会对于钢的成形性能造成不同的影响。需要特别注意的是在进行非常规新产品的孔型设计时，要特别注意所选用材料的化学成分，根据其特点，应该充分考虑不同的元素对成形工艺的影响。例如：碳素钢的强度及其他性能主要取决于钢中碳存在的形式和碳化物的形状、大小和分布状态等，即主要取决于钢的金相组织。由于冶炼原料、冶炼方法和工艺操作等的影响，碳素钢中往往会有少量的其他元素存在，如硅、锰、硫、磷、铜、铬、镍等。这些元素一般被作为碳素钢的杂质或残余元素看待，而不被作为合金元素。这些元素中有些对钢起到有益的作用，有些则产生不利的影响，如铜、铬、镍等对碳素钢的冷弯成形加工和焊接性能会产生不良的影响。,3.2 冷弯型钢的原料,生产冷弯型钢用的原料 溶解在固溶体中的合金元素，一般将提高钢的冷弯成型加工的硬化率，使钢带变硬变脆，对冷弯成型加工很不利。硫：一般被认为是残存在钢中的有害元素之一。硫易导致焊缝热裂，在焊接过程易于氧化，生成SO2气体而逸出，致使焊接金属中产生很多气孔而疏松，对钢的焊接性能产生不良影响。因此规定优质钢中硫的含量不得大于0.04%，普 通碳素钢中硫的含量不得大于0.055%。磷：是固溶强化铁素体的元素，其含量对软钢抗拉强度的影响比其他合金元素显著。磷提高软钢抗拉强度这一有利因素将随钢中含碳量的增高而消失，碳含量越高则磷所引起的脆性就越大。在含碳量0.02%的软钢中，当磷含量从0.017%增大至0.103%时，钢的冲击韧性亦随之增高。同时脆性转变温度亦逐渐下降，尤其以磷含量为0.103%时最为明显。而当磷含量超过0.103%时则冲击韧性下降，同时脆性转变温度上升，这显然对钢的加工性能不利。磷加入普通钢特别是含铜钢中，有明显的抗大气腐蚀作用。磷能增加焊裂的敏感性，影响钢的焊接性能。,3.2 冷弯型钢的原料,生产冷弯型钢用的原料锰：在钢冶炼中是良好的脱氧剂和脱硫剂，它能够消除或减弱钢因硫所引起的热脆性，从而改善钢的热加工性能。锰已成为普通低合金钢中的主要的合金元素之一。锰在提高珠光体钢强度的同时，使钢的延展性有所降低。硅：也是良好的还原剂和脱氧剂。随着硅含量的增加钢的弹性极限及屈服强度显著提高，使钢的冷弯成形性能降低。硅与氧的亲和力比铁强，焊接时容易生成低熔点的硅酸盐，提高溶渣和溶化金属的流动性，而引起较严重的喷溅现象，影响焊缝质量。了解以上不同成分因素的影响，在进行孔型设计时，就应该考虑相应的对策。如当采用含硫、磷高的钢种带钢材料，生产需要进行焊接工序的空心型钢时，就应该考虑采用适当的焊接工艺。,3.2 冷弯型钢的原料,3.2.2.2 涂镀层材料冷弯成形加工 随着冷弯型钢产品应用的日益广泛，越来越多的冷弯型钢产品采用带有涂层和复合钢板材料制造。这些材料在冷弯成型过程中也各有特点，如：镀锌钢板：热镀锌钢板的弯曲性能，与其采用的原板材质有关。在冷弯成形加工时，不仅要考虑原板的加工特性，同时还要考虑镀层的弯曲性能。非合金化的热镀锌钢板，在原板与镀层之间生成铁锌合金过渡层，因此镀层不易脱落；而合金化的铁锌合金层比纯锌层的硬度高，且塑性差，弯曲加工后，合金层会出现细小的龟裂，但通常冷弯成形不发生上述现象。至于镀锌钢板的焊接性能，由于锌的熔点低，因此采用接触焊的方法生产焊接的空心型钢时，电极上有锌附着，容易生成表面缺陷。锌的附着量越大，缺陷就越严重。彩色涂层钢板：彩色涂层钢板是在原板（冷轧板或各种镀层钢板）上，将丙烯酸、聚酯、硅改性聚酯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯塑料溶胶、有机溶胶、PVC等涂敷上去。其弯曲加工性能与采用的原板性能有关，同时也要考虑带有涂层的弯曲特性。,Induction Welding Lines.,ApplicationComplex hollow section with high torsional stiffnessMaterialsMild steel,AHSS,galvanized steel,Aluminum ProcessRollforming,HF welding,Resistance Welding Lines.,Applications:Closed profiles with weld flangeMaterials:Carbon steel,AHSS,galvanized steel,stainless steel,aluminumProcess:Continuous and Start-Stop operation,distance of weld spot programmable,Laser Welding Lines.,ApplicationsWelded tubes and profilesMaterialsMild steel,AHSS,galvanized steel,AlProcessesContinuous and stitch welding CO2 and Nd:YAG Laser,3.2 冷弯型钢的原料,3.2.2.3 常用冷弯成形原料的机械特性表2.1-1常用各种带钢原料的机械性能,3.2 冷弯型钢的原料,表2.1-2常用镀锌带钢原料的机械性能,表2.1-3宝钢生产彩色涂层带钢原料的涂层性能,3.2 冷弯型钢的原料,关于冷弯成形材料的弯曲性能指标，由于在开发一个新的冷弯型钢产品时，用户要求的产品断面尺寸，有时可能会超出原料性能允许的范围，特别是型钢断面的弯曲部位，弯角的内半径，应该符合相应材料标准的规定值。否则就需要慎重考虑实施的可能性及需要采取有效的措施。表面处理钢板时应注意的问题主要有：弯曲半径取决于涂层的韧性。若涂层的延伸性好，则0.30.6mm厚的钢板的弯曲半径最好是0.71.5mm。成形辊的间隙按下式求出：成形辊间隙=板厚+(涂层厚度+保护层厚度)(0.151.20)间隙太小会损坏涂层，导致涂层产生缺陷。涂层钢板成形时的成形辊数量较多，成形辊上的变形力分布要均匀且小。要求成形工具(包括成形辊和导板等)的表面粗糙度要低。为提高成形速度和保证成品质量，有的机组在成形机架前用红外线加热器将塑料涂层板预热到3840，然后再进行冷弯成形。,3.2 冷弯型钢的原料,3.2.2.4 冷弯成形原料的尺寸公差 对冷弯成形所需原料的尺寸偏差检测项目有：板厚、宽度、板形等。有关标准对于宽带钢厚度公差的规定，可以参照相应的国家标准。此外，对于冷弯成形原料带钢的宽度允许偏差，要根据原料的厚度以及产品断面尺寸允许偏差的要求具体确定。一般冷弯成形所使用的带钢宽度的允许偏差，均严于带钢标准中一般纵剪带钢宽度的允许偏差。对板形的要求，如带钢的不平度会影响宽幅波纹板产品的外形质量；镰刀弯的存在，会对冷弯型钢产品的平直度和扭转带来不良的影响。特别是对于那些要求平直度和扭转严格的产品，对于原料带钢的板形质量要求，也应该予以充分的重视并采取相应的对策。表3-5热轧钢带(GB352483)坯料尺寸公差 单位：mm,带钢的板形与对中问题,微型拉伸弯曲矫直机,坯料问题,设备问题,开发了一套适用于冷弯生产的小型拉弯矫直设备，并针对特定钢带进行了矫直工艺优化。获得了拉伸张力、弯曲压下量和弯曲辊距的最佳组合；,拉弯矫直机的矫直效果,3.2 冷弯型钢的原料,表3-13 我国钢带的不平直度和镰刀弯允许偏差 mm,3.2 冷弯型钢的原料,力学性能和冷弯试验表3-17碳素结构钢的力学性能,3.1 概述3.2 冷弯型钢的原料3.3 冷弯成形工艺参数3.4 冷弯成形辅助工序3.5 冷弯型钢轧辊孔型设计3.6 冷弯成形过程的工艺润滑3.7 典型冷弯型钢生产工艺流程,3 冷弯型钢生产工艺,3.3 冷弯成形工艺参数,冷弯成形机组是生产冷弯型钢的主要设备。成形机组的分类有多种方法。成形机按所生产产品可分为型材成形机和电焊管成形机；按机架形式可分为悬臂式成形机和龙门式成形机；按成形机构造可分为辊式成形机，排辊式成形机和履带式成形机。目前国内冷弯型材生产厂家所采用的成形机，除宽幅波纹板机组和近年来少量引进的成形机外，绝大多数是采用高频直缝焊管机组或由其改装而成。这种成形机一般由水平辊机架和立辊机架组成。成形过程按坯料成形的先后顺序可分为带钢边缘成形阶段（I段）、带钢中心部成形阶段（II段）以及封闭孔阶段（III段）。水平辊是传动机架，承担管坯变形的主要任务。立辊是被动的，设立于两架水平辊间或成组设立，主要作用是导向，也参与部分变形，并防止变形带钢回弹。,3.3 冷弯成形工艺参数,高频焊接与一般焊接不同，因为它不需要金属填料非填料焊接。将钢带边缘加热到熔点，熔融金属和金属氧化物被外界施加的压力从熔接面上挤出，而其下灼热的、清洁的金属表面被压力锻焊结合在一起。如果一切条件得当，其强度是所有焊接中最强的。,3.3 冷弯成形工艺参数,3.3.1 变形区长度 变形区长度：连续式冷弯成形机从第一架水平辊中心至最后一架水平辊中心的距离。确定变形区长度的原则：必须保证带钢边缘在成形过程中不产生塑性变形，以防止边缘鼓包和波浪等缺陷的产生。最佳的变形区长度是在保证这个原则的前提下最小的变形区长度。对于低碳钢板，相对于弹性极限的相对伸长为0.1%，因此变形区长度的选择应按带钢边缘的相对伸长不超过0.1%进行计算。对于简单形状的角钢，成形时保持带钢边缘不产生塑性变形的临界升起角约为1 125，由此可得到变形区长度为：L=Hctg=(40 57)H,即变形区长度为最大升起高度的50倍左右。图3-2 变形区长度的计算 对于任意冷弯型材生产机组所需要的变形区长度，它与冷弯型材的总变形量（弯曲角总和）和形状的复杂程度有关。目前有通用的变形区长度计算方法。,3.3 冷弯成形工艺参数,3.3.2 成形机架间距和数量 成形机架间距的确定：要考虑带钢边部塑性变形、机架的结构设计，以及导卫装置的安装等多方面的要求。在同一机组里，机架间距可以相同，也可不同。对于连续式电焊管冷弯机组，其水平辊机架间距可由所生产的最大管径Dmax确定：l=KDmax=(5.710)Dmax 从而水平辊机架数量n为：n=L/l+1 当L=(4057)Dmax，l=(5.7 10)Dmax时，可得n=710架。采用电焊管机组生产冷弯型材时，每架成形机允许的最大弯曲角在l030之间，平均为约等于20，因而所需要的成形机组的水平辊机架数量可按其所生产的最复杂产品的曲角总和计算，为 n=0.05i+l，一般经验值为每个角不包括对称同时成形角3架。定径机架数量一般为46架。,3.3 冷弯成形工艺参数,3.3.3 成形辊轴径和底径 焊管机组的成形辊轴径可根据下面经验公式确定：平=k1Dmax其中系数k1的取值范围如下：D 35 35 250 350 660 k1 1.151.20 0.751.00 0.580.72 立辊轴径一般取所生产钢管最大直径Dmax的一半。第一架下成形辊的底径一般取相应轴径的1.92.1倍，随后各机架的下成形辊底径应逐驾增加 0.50.65%，以便使成形机架间的带钢保持一定的张力。上成形辊底径要根据下成形辊低径和上下辊的传动比来确定。但当采用下成形辊单独传动时，上成形辊底径的选择只需足强度的需要。立辊的底径应根据水平辊机架间距、孔型系统、结构形式等确定，一般为所生产钢管最大12倍。,3.3 冷弯成形工艺参数,3.3.4 成形力和成形力矩冷弯成形力：包括弯曲成形力与模具压紧力两部分。成形辊的辊缝间隙对成形力有很大影响，一般当辊缝间隙与带钢厚度之比大于0.3时，成形辊所受的成形力保持在一个较稳定的低值，此值可用如下的经验公式计算 P=s t2式中，P成形力，N；s带钢的屈服应力，Mpa；t板厚，mm；修正系数，随成形辊形状和尺寸的变化而变化，其值在1.03.0之间。成形力的精确计算可以利用数值模拟技术（如差分法，有限元法等）求得。但这种方法由于过程复杂，加之某些边界条件不甚清楚，因而仍处探索阶段。,3.3 冷弯成形工艺参数,3.3.4 成形力和成形力矩 成形力矩轧制总能耗变形力矩摩擦力矩空转力矩变形力矩：工件的弯曲成形10%摩擦力矩：轧辊与工件的摩擦阻力轧辊与轴承间的摩擦阻力空转力矩：传动阻力成形功耗:U=U1+U2+U3弯曲成形变形功 U1=st2轧辊/工件摩擦功 U2=U1机械传动损失功U3=(1.21.5)(U1+U2)式中，s带钢的屈服应力/Mpa；t板厚/mm；修正系数；弯曲角变化量；摩擦系数。,3.3 冷弯成形工艺参数,3.3.5 成形底线 从成形机的第一架至最后一架，各架下成形辊孔型的最低点的连线称为成形底线。成形底线的分布大致有4种(见图33):上山法：底线在成形过程中逐渐上升。底线水平法：底线在成形过程中是一条水平线。下山法：底线在成形过程中逐渐下降。边缘线水平法：边缘线（各架边缘点的连线）在成形过程中保持水平。在冷弯型材的辊式冷弯加工过程中，一般采用下山法，因为下山法在降低边缘成形高度从而减小边缘纵向变形的同时，还最大程度地减小了带钢横断面上纵向延伸的不均匀性。成形底线的调整可以通过以下方法实现：有下辊压上装置的可通过压上装置调整。下辊轴承加不同厚度的垫片。独立机架与底座之间加不同厚度的垫片。选择各架下辊的底径。调整立辊高度。,3.3 冷弯成形工艺参数,图3-3成形底线 图 3-4 冷弯成形功率与带坯厚度的关系a-上山法；b-底线水平法；c-下山法；d-边缘线水平 v=30m/min;R/t=0.5；低碳钢,3.3 冷弯成形工艺参数,3.3.6 成形速度 辊式成形机组的成形速度为0.5250m/min，常用的速度范圈为2530m/min。影响最佳成形速度的主要因素有：带钢的成分、带钢的屈服强度和硬度、带钢的厚度、成形操作的难易程度、成形型材的定尺剪切、成形机架数、需要的辅助加工，以及润滑荆（冷却剂）的应用。把钛合金加工成复杂的型材要求用下限成形速度(0.5m/min)。与此相对应，在理想成形条件下进行的成形可以采用上限成形速度，如对厚度小于0.9mm、定尺长度很长（25m左右）的铝和退火低碳钢在成形比较缓和时可达到245m/min。为了达到尽可能高的成形速度，既使总变形量不大，也常采用较多的成形道次以使每一架成形机上的道次变形量减小。当采用高速成形时，通常无法进行冲孔、压印、焊接等辅助加工，并且要求逐架进行润滑。使用飞剪或飞锯定尺时，往往不能达到成形所允许的最大速度。大多数冷弯产品的定尺是通过滑动剪切（或锯切）机座定尺的。成形速度越大，滑动机座就需移动越长的距离，才能保证准确撤定尺。因此实际允许的最大成形速度往往依赖于剪切周期的大小。,3.3 冷弯成形工艺参数,3.3.7 成形功 冷弯成形的成形功与多种因素有关，其中最主要的有带坯厚度、带坯拉伸强度、成形道次、传动系统的传动效率，以及成形辊与带坯之间的摩擦等。利用简单弯曲模型计算的理想成形功仅占实际冷弯所消耗功的10%，其余部分用于克服辊带接触摩擦和传动阻力。图3-4给出了内弯曲半径为t/2、弯曲角为90，成形速度为30m/min的条件下弯曲低碳钢带坯所消功。按此图计算冷弯4mm厚低碳钢带坯需14.9kW功率，而对应的理想成形功率仅为14.9kW。一般，对于小型冷弯成形机功率为7.4637.3kW;对于大型冷弯成形机，功率为37.393.25kW。,3.1 概述3.2 冷弯型钢的原料3.3 冷弯成形工艺参数3.4 冷弯成形辅助工序3.5 冷弯型钢轧辊孔型设计3.6 冷弯成形过程的工艺润滑3.7 典型冷弯型钢生产工艺流程,3 冷弯型钢生产工艺,3.4 冷弯成形辅助工序,3.4.1 纵剪 剪机是将轧制出的宽带卷坯从纵向上切成所需宽度带钢的加工机械。通常纵剪机是在成形机组之处单独工作。但最近也出现了在成形机组中引入纵剪机，从而达到多根型材同时生产的工艺。一般宽带钢的纵剪都采用圆盘剪纵剪机组。剪切方法按圆盘剪是否传动可分为张力拉入驱动咬入剪切。张力拉入剪切依靠卷取机的张力拉动坯料进入圆盘剪进行纵切，圆盘剪是不传动的。其优点是只需采用普通交流电机传动，不需考虑因卷取机卷径变化所引起的速度变化。其缺点是对于薄带钢(厚度小于2.0mm)所得到的成卷比较松。张力拉入剪切一般适用于厚度为2.55.0mm的宽带卷坯的纵剪。驱动咬入剪切圆盘剪和卷取机同步传动，因而需采用直流电机传动，并对它进行速度控制。一般来说，这种方式圆盘剪与卷取机之间的张力较小，适用于厚度在0.252.0mm之间的薄带钢。有时为了保证带钢在纵剪时无横向偏移，而在圆盘剪前后设有自由活套坑，实现无张力剪切，此时卷取机的张力则靠圆盘剪之后的张力辊与卷取机建立。一般采用浮动开卷机进行跑偏控制。,3.4 冷弯成形辅助工序,3.4.1 纵剪 纵剪速度随材料而异，一般可按表3-20所示选取。表3-20 不同材料的纵剪速度 圆盘剪上下刀片间隙的调整是纵剪工艺中影响最大的因素。间隙越大，剪切力越小；但间隙越小，切口质量越好。一般隙可取为带钢厚度的1/10左右。刀片间隙、重叠量和被剪材料厚度的关系示于表3-21。表3-21 重叠量和间隙量c的选取,3.4 冷弯成形辅助工序,3.4.1 纵剪刀片厚度可按(0.060.1)D计算，其中D是圆盘刀片的直径。一般刀片厚度应大于15mm。刀片材质一般采用9CrWSi或T8等工具钢。热处理后的硬度为HS852。剪切最大厚度在1.6mm以下时，刀片寿命为500l000t/次；最大厚度在3.2mm以下时，刀片寿命为6002500t/次。纵剪机以一套刀片为一组一起磨削。一般采用圆周磨，每次正常的磨削量为300500m。这种纵剪机可能达到的剪切精度是0.10.5mm。为了提高纵剪带钢的断口质量，最近开发了无毛刺纵剪机。其原理是将剪切分为两道工序进行。首先是通过调整刀片重叠量使剪刃咬入但不使带卷断开，然后使用压平辊从上下双向对卷板施加压力，将错位的地方压回，使之断开。,3.4 冷弯成形辅助工序,3.4.2 开卷 开卷机是带钢卷的拆卷设备，主要形式有转盘式、箱式、单筒式、双筒式、双锥式等。开卷机将纵剪后的带卷逐渐松开，供给成形生产线中的后续设备，因而要求它具备以下3种基本性能：松卷性能：松卷分自由从动松卷和主动松卷两种。自由从动松卷由成形机组中其余设备牵动带卷在开卷机主轴上转动而开卷。这种方式使开转机简化，但对于表面质量要求较高的带卷容易造成表面擦伤。而主动松卷可克服这一缺陷，但设备投资增加。制动性能：制动性能可防止辊卷设备突然停机或加减速运转时，带卷过度放卷。此外还可通过此性能调整带卷上的后张力。防止松弹性能：当带卷开卷接近完成时，带卷尾部的弹性变形将产生急剧的回弹松弛现象，因此需要设置滑动的压头装置。,3.1 概述,图3-1带卷冷弯成形工艺1-带卷；2-开卷机；3-坯料；4-矫平机；5-预冲孔机；6-活套辊；7-进料台；8-成形机；9-侧立辊；10-驱动轴；11-校型机；12-切断装置；13-储料台；14-成形机组,3.4 冷弯成形辅助工序,表3-22开卷机的种类和构造,3.4 冷弯成形辅助工序,表3-22开卷机的种类和构造,四棱锥式悬臂胀缩开卷机结构,四连杆机构式双卷筒开卷机,3.4 冷弯成形辅助工序,3.4.3 活套 为了使带钢连续成形，在带卷与带卷之间进行头部和尾部对焊连接时，预先要有一定数量的带钢被放出，以保证机组连续运转。这个储存带钢的装置被称为活套或储料器。活套装置大多用于中小规模的成形机组中。对于大型辊式冷弯机组，由于带坯宽度和厚度都较大，要求活套装置也很庞大，因而较少采用活套。根据带坯在活套装置中的形态，可将活套装置分为3大类：自由活套型、平行活套型和螺旋活套型。几种活套的主要特点见表3-23。由于螺旋活套具有占地面积小、储料长度大、带坯表面无擦伤等一系列优点，因此尽管其造价较高，但仍被认为是今后的发展方向。螺旋活套大体可分为3种：型、U型和S型（见图3-6）。其各自的特点见表3-24。,3.4 冷弯成形辅助工序,表3-23几种活套的主要特点,3.4 冷弯成形辅助工序,图3-6 螺旋式储料器种类a-型；b-U型；c-S型 1-扭转跨距；2-支柱；3-U字形旋转部；4-S弯曲,3.4 冷弯成形辅助工序,3.4.5 焊接 直缝管材的焊接主要有电阻焊和熔焊两种方法。从管筒边缘通入某种电流，利用金属自身的电阻使边缘加热到焊接温度，经过挤压辊压力焊接生产管材和闭口冷弯型材的方法称为电阻焊，这是辊式冷弯生产中最基本的焊接方法。电阻焊钢管的焊接方法根据馈入的电流形式及馈电方法可分为：,交流焊,直流焊,方波焊,高频焊,工频焊,低频焊,接触焊,感应焊,电阻焊,直流焊,3.4 冷弯成形辅助工序,高频焊是电阻焊钢管最主要的方法。高频电流频率大多200450kHz，用于生产直径6520mm、壁厚0.510mm以上的焊管。高频焊又分为接触焊和感应焊两种（见图3-7）。图3-7高频焊方法示意图a一接触焊；b一感应焊l-焊腿；2-管坯；3-焊缝挤压辊；4-边缘会合点；5-两条电路(点划线）；6-管坯；7-感应圈；8-阻抗器（铁氧体磁棒）；9-前压辊；10-电路；11-边缘会合点,3.4 冷弯成形辅助工序,3.4.6 走行切断生产过程中在型材前进时将其进行定尺分断的工序称为走行切断。目前，常用的走行切断有5种形式，如图3-8所示：使用锯片切断的分锯机。使用滚刀的滚压式飞剪机。使用上下刀刃的冲切式飞剪机。使用旋转刀头的飞刀式飞剪机。使用感应加热拉断的飞剪机。走行切断设备要具备以下几种基本性能：确定切断位置，对成品长度能检测和定尺。在切断过程进行时，维持切断装置的行走速度与作业线成形速度一致。在型材端部不产生大的变形和毛刺的条件下切断型材。,3.4 冷弯成形辅助工序,图3-8 走行切断的形式a-锯片式；b-滚压式；c-冲切式；d-飞刀式；e-感应拉断式,切断模具的切断过程,图3.21 凸模的工作过程a)凸模与型钢初步接触；b)型钢的两翼切断；c)开始冲切封闭部分的弧面；d)冲切完成。,切断凸模,3.1 概述3.2 冷弯型钢的原料3.3 冷弯成形工艺参数3.4 冷弯成形辅助工序3.5 冷弯型钢轧辊孔型设计3.6 冷弯成形过程的工艺润滑3.7 典型冷弯型钢生产工艺流程,3 冷弯型钢生产工艺,3.5 冷弯型钢轧辊孔型设计,冷弯成形的工作效率主要取决于生产工具的孔型和结构。而最广泛采用的生产工具是成形辊。在带材的稳定性和型材的质量方面随着成形速度的提高，对孔型设计提出了愈来愈高的要求。在为生产特定产品而进行孔型设计时应考虑的要素有：成形道次、带坯宽度、辊花设计、成形辊参数，以及成形辊材料等。,3.5 冷弯型钢轧辊孔型设计,3.5.1 成形道次 将带坯冷弯成形为所需的产品是一个逐渐进行的加工过程，在这个过程中每道次或每对成形辊仅对变形材料施加有限的弯曲变形。只有这样才能在不拉长带坯的条件下得到所需要的弯曲。成形道次过少，冷弯型材易产生尺寸超差和扭曲；成形道次太多则增加工具成本。成形道次数主要取决干材料的性能和型材形状的复杂程度，此外它还与型材的宽度、成形机架间距、型材的尺寸精度等有关。材料的厚度、硬度、成分都影响得到所需形状的成形道次数。带坯厚度越大，成形道次越多。当带坯的屈服强度较高时，需过弯(约2)以弥补回弹的影响。表面带有涂层的带坯也常需要较多的成形道次以保持表面的光滑程度。型材形状复杂程度是由弯曲角的个数和总弯曲量的大小决定的，同时它也受形状对称性的影响。成形角法是用来确定成形道次数的基本方法。,3.5 冷弯型钢轧辊孔型设计,成形角法可表达为：N成形道次数；H一弯曲高度；l一机架间距；成形角。对于简单弯曲型材，推荐的成形角为12。对于复杂弯曲型材，要考虑多角共弯的可能性后才能正确地确定成形道次。形状因子法是确定成形这次的另一种方法。对于对称型材，形状因子定义为Fnt(mm2)。这里F为翼缘长度，n为型材右弯角的个数，t为带坯的厚度。图3-9表示出了形状因子与成形道次的关系。,3.5 冷弯型钢轧辊孔型设计,图3-9 利用形状因子确定成形道次的方法a-对称断面型钢；b-非对称断面型钢(使用轴径 100以上的成形机例外，No30、38、50、52；原板厚t在0.5mm以下例外，No22、48、49),3.5 冷弯型钢轧辊孔型设计,3.5.2 带坯宽度 要确定一个给定型材所需要的带宽，先要作一个大比例的断面图，把它划分为直线段和曲线段后，沿中性线对各段长度进行求和。各弯曲段对应的带坯宽度由弯曲角的大小和中性线所对应的弯曲半径(称为名义弯曲半径)所确定，即式中，W一弯曲段长度，mm；rm名义弯曲半径，mm；一弯曲角角度，rad。名义弯曲半径rm为式中，r弯曲角内径，mm；k系数(弯曲因子)；t带坯厚度，mm。弯曲因子k选取方法与数值差异较大，ASTM推荐的k值计算公式为,3.5 冷弯型钢轧辊孔型设计,3.5.3 辊花图设计 辊花图是各成形机架变形带坯横截面形状的重叠图，因而辊花图是描述冷弯成形过程中带钢从带坯变形为所需型材的变形行为的示意图。在辊花图设计过程中，首先要确定的是成形工作断面的取向、弯曲的次序、弯曲角的分配和弯曲的方式等。成形工作断面的取向受多种因素影响。空弯是指仅由上辊或下辊进行的弯曲，它对断面尺寸的精确性有很大影响。成形工作断面的取向应尽可能避免空弯。回弹也是冷弯成形中常见的问题，成形断面的取向应有助于利用立辊过弯以克服回弹。在多数情况下，成形断面取向与型钢基本中心线或基本成形面的选择有关。基本中心线是通过工件全长的一条直线，其位置在整个变形过程中相对于机架中心不变。对称型钢的基本中心线就是其对称中心线；非对称型钢的基本中心线最好是开始成形时的中心线，以防止工件在进一步变形时发送横向位移。,3.5 冷弯型钢轧辊孔型设计,3.5.3 辊花图设计选择基本中心线的原则是使成形断面两边的水平力相抵消，从而使金属自由成形而不会受到牵拉。应该使型材断面最深处处于基本成形线。型材表面质量要求较高的部分或涂覆面应处于上下辊速差较小的地方。成形时应尽量使型材的翼缘向上弯曲，这样可以使型材断面更接近要求，并简化成形辊。型材断面的取向还应考虑到其他工序(如冲孔)的要求。此外，如有可能还应使断面取向有利于冷却润滑剂的排出以防止型材锈蚀。对于复杂断面型材，弯曲的次数是重要的设计内容之一。理想情况下，从断面中心向两边逐渐弯曲，这样可以使已弯曲成形部分不会进一步受到变形。但是，考虑到多种其他因素的影响，如避免空弯、减小金属移动、改善材料流动的平滑性等，也采用其他的弯曲次序。,3.5 冷弯型钢轧辊孔型设计,图3-11 基本中心线的选取a-对称断面 b-非对称断面,3.5 冷弯型钢轧辊孔型设计,一般将弯曲的次序分为4类：同时弯曲方式，适用于单张或连续成形工艺生产开口对称型钢、Z型钢、波纹板及不对称程度小的槽钢；顺序弯曲方式，包括由坯料两边向中部顺序进行成形和从坯料中心向两边顺序进行成形，适用于单张或连续工艺生产闭口型钢、半闭口型钢及波纹板；组合弯曲方式，是上述两种方式的组合，这种方式适合于生产有25个弯曲部位的不对称型钢、闭口型钢及半闭口型钢，但不适于生产波纹板；弯曲整形方式，这种方式先用大弯曲半径预弯出各弯曲角，然后整形，该法适用于高质量波纹板的弯曲。弯曲角的分配由成形机的能力、成形道次、机架间距、总变形量等因素决定。一般，在成形初期取较小的弯曲角以避免强迫咬入；在成形中期应避免由于弯曲角分配不均而造成的带坯局部异常变形以及型材的表面划伤；在成形后期采用较小的变形量以防止回弹，保证产品的尺寸精度。根据上述要求，可采用余弦曲线来分配弯曲角。当成形道次为N，单边总弯曲角为s时，第i道次的弯曲角i 为：,3.5 冷弯型钢轧辊孔型设计,型材的弯曲方法有5种，可根据带坯材质和产品断面的形状加以选用，分别说明如下：弯曲中心固定法(半径不变，弧长增加)。该法固守弯曲半径的中心，在半径不变的情况下依靠弯曲角增大来依次增加弯曲弧长，相当于圆管成形的中央弯曲成形法。该法适用于弯曲圆弧半径大的生产工艺；弯曲中心内移法(半径不变，弧长增加)。该方法固定弯曲半径，内移弯曲中心，相当于圆成形的边缘弯曲成形法。该法适用于所有产品的生产，但弯曲回弹较大；弯曲中心上移法(半径减小，弧长固定)。该方法随弯曲角的增大，弯曲弧长不变，弯曲半径减小，相当于圆管成形的圆周变形成形法。该法适用于波纹板类的宽、薄带坯或非对称易加工产品；弯曲中心直角坐标系移动法(半径减小，弧长增加)。该方法随弯曲角增加，弯曲半径变小，弯曲弧长增加。其变化量依赖于实际经验。该法适用于(3)所生产的产品；弯曲中心移动与半径变化成函数关系法。该方法随弯曲弧长的增加，弯曲半径按照指数关系减小，应用面较窄。,3.5 冷弯型钢轧辊孔型设计,图3-13 弯曲方法a-弯曲中心固定法；b-弯曲中心内移法；c-弯曲中心上移法；d-弯曲中心直角坐标系移动法；e-弯曲中心移动与半径变化成函数关系法,图3-12 求弯曲角分配的数学方法图示,3.5 冷弯型钢轧辊孔型设计,3.5.4 孔型参数设计 在辊花图的基础上可以得到成形辊的尺寸。对于小尺寸型材，成形辊应尽可能贴紧带坯，但过份接触也会造成擦伤。对每一成形辊不仅要从个体上而且应从整个变形过程来决定成形辊与带坯在何处接触、何处增大压力和尺寸、何处减少成形辊，以使材料自由进入下一道次。对准基本中心线的辊径称为基准辊径。对于整体辊式的成形机组，基准辊径D0为：式中，H成形机上下辊最大中心距，mm；t带坯厚度，mm；辊缝可调量，约30mm左右；逐架辊径差，取0.8mm或0.51%D0，对于波纹板成形，最终35道次去510%D0。对于组合辊式的冷弯机组，基准辊径D0为：式中，d0辊轴直径，mm；h组装键键高，mm；a车削量，mm；b产品断面高度，mm；c成形辊的最小保留厚度，mm；,3.5 冷弯型钢轧辊孔型设计,图3-14 辊径的求法,3.5 冷弯型钢轧辊孔型设计,3.5.5 冷弯型钢轧辊材料3.5.5.1 轧辊材料选择的原则 轧辊材质选择的总原则是适应其工作环境。任何材料都不是万能的，通常所说好的材料都有其特定的工作环境和工艺要求，关键在于是否适合使用的工作环境。材料的耐磨性不仅取决于材料本身，还与磨损条件有着极大的关系。对于同一个材料，在不同的磨损系统中所表现出耐磨性会产生较大差异。不同的工作环境应当使用不同材质的轧辊，不同轧机工作环境不同，轧辊的材质就应当不同。相同轧机，不同工作机架，例如粗成型和精成型，挤压、定径、矫直，工作环境不同，所用的轧辊材质也应当不同。一种新材料工模具的研究开发，都要使其符合该种工模具的工作环境和工艺的要求，使其尽可能地达到理想状态。