――圓變方異型管生產與圓管冷定徑工藝的開發

 

　　1、前 言

 

　　用輥式冷彎推擠變形，將圓形焊接管或無縫鋼管加工成方形、矩形等異型管的方法，和沖壓、折彎、拉拔等變形方法一樣，也是金屬壓力加工范疇中的一種冷彎成形加工工藝。根據軋輥的動力傳動方式，輥式冷彎成形又分為主動式和被動式兩大類型。當前國內外由電動機帶動軋輥的主動式冷彎機組應用比較普遍，僅國內就有機組約2000多套。冷彎型鋼年生產能力達2000多萬噸。其中大部分機組是以鋼板為原料，輥壓彎制為圓形管材或異型開口板材。用來生產方形矩形等異型管材的機組相對比較少，大中型機組全國僅有十多套。而利用輥式被動推擠圓變方冷彎技術的異型管成形機組在國內則更為稀少。僅有天冿鋼管公司、秦皇島東洋公司和蘇南異型3套機組。

 

　　當前在國內外經濟社會日趨個性化發展的浪潮中，異型鋼管作為更能恰當滿足不同受力情況的經濟斷面型材，越來越受到人們的關注。適應建筑鋼結構、橋梁、造船、機車車輛、機械加工等工業現代化的發展，各種異型鋼管特別是大規格、厚壁方型、矩型鋼管需求量日趨攀升。自2000年美國“911” 以后，世界各國材料專家苦心致力于對表面積小、大規格、厚壁、高剛度、高強度、耐火性強的建筑鋼結構型材的開發。普遍關注于對方形和矩形鋼管性能和生產工藝技術的研究。2003年國內天津鋼管公司率先投建的RSH-500型被動輥式圓變方異型管冷成形生產線也正是為此應時而生。它以邊長50-500毫米超寬產品規格范圍和4-30毫米壁厚的大適應幅度，不僅填補了我國在這一專業領域上的空缺，而且成為至今世界輥壓冷彎圓變方成形邊長最大，壁厚最厚的生產機組。近年來在方、矩管生產基礎上，天冿鋼管公司利用該機組又成功開發出大口徑鋼管冷定徑工藝。不僅實現了一機多用，而且定徑精度高于國家標準。隨著方、矩管應用市場的不斷擴展，隨著無縫鋼管規格系列的不斷拓寬，天冿鋼管公司的大量高性能高質量新產品已源源不斷的供應國內外的企業和工程。這一成功，必將會讓業內人士重新審視這個一度曾被認為不宜推廣發展的被動輥式圓變方異型管冷成形技術。也必然會把這一技術的深入研發推向新的高潮。

 

　　2、閉口型材冷彎成形的幾個理論依據

 

　　閉口斷面型材也稱為空心型材。最常用的閉口型材主要有圓管、方管和矩型管等對稱截面型材。對于閉口型材的斷面冷彎加工從工藝上講是個復雜的變形過程，至今尚無完整的理論來詮譯、解析。往往僅能依據經驗的積累來確定變形條件與基本參數。業內一些專家曾借助于型鋼碾軋變形理論中的壓下量、寬展、延伸系數、孔型系等一些概念來分析圓變方等閉口型材的工藝過程，實際運用中卻并不貼切。閉口型材壁厚方向不受限制是給變形和受力分析增加難度的主要原因。為此本文也僅能從幾個基本相關要點作簡要分析;以工藝實踐介紹作為主要內容斷面。

 

　　2、1中性線周長不變規律

 

　　斷面中性線周長不變規律，是圓變方等冷彎成形過程中進行變形分析、原料選擇、軋輥設計、成品質量控制的出發點和工藝參數的計算基礎。金屬的冷彎成形加工實質上是控制改變金屬變形斷面相關部位的曲率，達到要求的過程。這一過程。必然要伴隨橫截面內外層面拉伸或壓縮形變發生。曲率增大部分，外層材料受拉，內層受壓。內外層材料中間必然存在有一個層面上徑向應力為0。這些斷面徑向應力為0的點連接起來既為截面的中性層。是周長不變層面。平鋼板和圓管的中性層在1/2板厚位置。當斷面變形部分的位伸和壓縮應力超過材料屈服極限，小于斷裂極限時既發生永久性塑性變形，達到冷彎之目的。冷彎實踐證明，隨材料彎曲變形的進行，中性層面將向曲面圓心方向偏移。其偏移量e值可按如下理論公式計算:

 

　　式中: S-材料厚度mm

 

　　R-材料內壁的彎曲半徑mm

 

　　從上式可以看出材料厚度越大，彎曲的內圓角半徑越小，中性層偏移量越大。另外為防止材料發生彎曲斷裂，R的選擇應受最小彎曲半徑限制。(見2.3的內容)

 

　　在徑厚比D/S相對較大，并按照彎曲半徑約束條件進行圓變方冷彎變形時，e值和S/2值相對D來說都是較小值，為此可以大略視為圓管外徑周長不變而僅是被稍加壓縮了一下。采用圓管外徑周長壓縮系數ξ，表示管材變形過程中外徑周長的變動率;

 

　　方矩管生產實踐中，圓管的外徑周長壓縮系數一般僅為1.009-1.02之間。并可用此公式推算原料鋼管的直徑。

 

　　2、2縱向微量延伸規律

 

　　在被動推擠變形方式中，動力緣自于對原料管材施加的縱向推力。這一縱向力會在材料上產生較大的壓應力。雖然不足以超過材料的屈服限而產生塑性變形。但在整個機組各機架間變形管材上的縱向壓力將阻礙截面徑向形變時材料的前后滑。而且中空管材壁厚方向無約束，斷面徑向彎曲變形的不均勻造成相鄰部份相互的制約，這些因素都嚴重限制了管材的縱向延伸，從而使這一變形過程近似于二維形變。盡管在圓變方過程中也采用了近似于型鋼軋制的箱形孔型，也給予足夠大的道次壓下量，限制了寬展，但縱向延伸卻很小。大量生產實踐中得出方矩管成形過程總延伸系數僅為1.004-1.02。

 

　　如推制Q345、長12米、200×200、壁厚24毫米方管時，成品長度延伸量不足200毫米。推制Q235、長8米、60×60、壁厚5毫米方管時，成品長度延伸量約為40毫米。

 

　　2、3最小彎曲角度半徑選擇的限制

 

　　冷彎成型時的彎曲變形要受材料極限變形率既極限延伸率的限制。否則在彎曲處將出現裂紋或折斷。材料的彎曲變形，角部最外層金屬纖維受拉應力最大，也既成為最易被破壞層面。而這一拉應力的變化是隨彎曲曲率半徑的減小而增大的。金屬材料允許的最小彎曲半徑Rmin理論計算公式為:

 

　　式中:R min-最小允許彎曲半徑mm

 

　　S- 材料的厚度　　mm

 

　　δs-金屬材料極限延伸率

 

　　常用結構鋼的極限延伸率舉例如下:

 

　　10#鋼　　　　　δs = 31%

 

　　20#鋼　　　　　δs = 25%

 

　　16Mn鋼　　 　　δs = 21%

 

　　在設定圓變方工藝時可用以上公式，作為選擇方矩管截面角部彎曲半徑的依據。在冷彎行業中，國際上各國方矩管標準,不但對材料成份機械性能等條件進行了約束，而且也按管材的材質、壁厚給定出彎角外圓弧半徑的限制。

 

　　以我國結構用冷彎空心型鋼國標GB/T6728-2002中的規定為例:

 

　　角部外圓弧半徑R值