四川長(zhǎng)江工程起重機(jī)有限責(zé)任公司（瀘州 646006）曾芳英 張 成

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)進(jìn)入突飛猛進(jìn)的發(fā)展期，作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展基石的機(jī)械工業(yè)也隨之取得了飛速發(fā)展。市場(chǎng)對(duì)現(xiàn)代工程機(jī)械、起重機(jī)械等焊接結(jié)構(gòu)機(jī)械裝備要求日益大型化、輕量化，為傳統(tǒng)起重機(jī)行業(yè)提出了更高要求。為適應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展的需求，公司迫在眉睫需要研究單缸插銷式起重機(jī)吊臂伸縮技術(shù)，達(dá)到傳統(tǒng)雙缸鋼絲繩伸縮無(wú)法實(shí)現(xiàn)的特殊功能。

為此，對(duì)大噸位起重機(jī)中關(guān)鍵受力構(gòu)件起重臂要求高，材料選用不僅要具有良好的綜合力學(xué)性能，還要有良好的工藝性能，如彎曲性、焊接性、切削加工性等。此時(shí)，普通碳素鋼已經(jīng)不能滿足結(jié)構(gòu)性能需要，所以材料選用瑞典鋼鐵公司生產(chǎn)的超高強(qiáng)鋼WELDOX1100。同時(shí)，設(shè)計(jì)者按GB/T3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，采用許用應(yīng)力法在受力最大工況下各危險(xiǎn)截面受力狀況進(jìn)行全面計(jì)算分析和獨(dú)特外觀的綜合要求，設(shè)計(jì)出某新產(chǎn)品單缸插銷式起重機(jī)吊臂截面形狀為U形。但U形截面起重機(jī)吊臂成形方法，以及超高強(qiáng)鋼WELDOX1100材料彎曲加工工藝性對(duì)我公司來(lái)說(shuō)還是一片空白。為保證新產(chǎn)品順利研發(fā)，筆者在樣機(jī)生產(chǎn)前進(jìn)行了大量的彎曲工藝試驗(yàn)研究。

一、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求

我公司某新產(chǎn)品單缸插銷起重機(jī)吊臂由6節(jié)臂組成，其中某節(jié)臂筒體結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，材料均選瑞典進(jìn)口超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼WELDOX1100δ≤10mm板厚的上下槽板焊接而成，其中最長(zhǎng)的節(jié)臂為12 000mm。技術(shù)要求：筒體上平面、左右側(cè)面的平面度誤差不大于1/1000。左右側(cè)面的平行度誤差不大于1.5mm。左右側(cè)面對(duì)上平面在任何截面上的垂直度誤差不大于1.5mm。臂軸線的直線度誤差不大于0.5/1000，且在水平面垂直平面內(nèi)的直線度誤差不大于2mm。

圖1

二、工藝分析

1.材料性能分析

WELDOX1100高強(qiáng)鋼屬于瑞典SSAB公司生產(chǎn)WELDOX系列淬火結(jié)構(gòu)用鋼，其屈服強(qiáng)度≥1100MPa。廠家評(píng)定具有良好冷彎性能和低溫沖擊韌度，優(yōu)異的綜合力學(xué)性能和加工工藝性（見(jiàn)表1）。特別適合我公司開(kāi)發(fā)某單缸插銷式起重機(jī)吊臂的要求。但如此超高強(qiáng)度的鋼材我公司首次選用，上槽板彎曲回彈量的大小、折彎設(shè)備能力選擇、下槽板U形截面如何成形等技術(shù)問(wèn)題，直接影響新產(chǎn)品研發(fā)的成敗。因此，超高強(qiáng)鋼WELDOX1100彎曲工藝技術(shù)成為研究攻關(guān)的重點(diǎn)。

表1 WELDOX1100力學(xué)性能

2.彎曲成形可行性分析

結(jié)合圖1產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求，工藝分析認(rèn)為，對(duì)于12 000mm長(zhǎng)起重臂來(lái)說(shuō)，材料彎曲過(guò)程中，在彎曲線內(nèi)側(cè)，長(zhǎng)度方向（縱向）材料產(chǎn)生壓縮，寬度（橫向）方向產(chǎn)生拉伸；與之相反，在彎曲線外側(cè)，長(zhǎng)度方向（縱向）材料產(chǎn)生拉伸，寬度方向（橫向）材料產(chǎn)生壓縮，因而彎曲件長(zhǎng)度方向易產(chǎn)生上下拱（撓度）變形。當(dāng)寬度方向（橫向）材料的拉伸和收縮不一致時(shí)，就產(chǎn)生扭曲變形。U形截面起重臂上下槽板尺寸、幾何公差精度要求高，很難保證。尤其U形截面下槽板大圓弧R成形問(wèn)題成為研究攻關(guān)的難題。結(jié)合本公司現(xiàn)有設(shè)備和模具，擬用大型折彎?rùn)C(jī)彎曲工藝成形起重臂上、下槽板U形截面。

三、彎曲工藝方案的確定

1.彎曲回彈角分析計(jì)算

（1）彎曲件回彈影響因素 材料的力學(xué)性能：材料的屈服強(qiáng)度越大，彈性模量越小，則彎曲回彈量也越大。相對(duì)彎曲半徑r/t：當(dāng)r/t＜5時(shí)，彎曲毛坯內(nèi)外表面上切向變形總應(yīng)變值較大。雖然彈性應(yīng)變數(shù)值也在增加，但在總應(yīng)變當(dāng)中所占比例卻是在減小，所以回彈小。當(dāng)r/t＞5時(shí)，與此相反，回彈量大。彎曲角度越大，表示變形區(qū)長(zhǎng)度越大，角度回彈也越大。彎曲方式和模具結(jié)構(gòu)：在無(wú)底自由凹模做自由彎曲時(shí)，回彈量最大。成形模具校正彎曲回彈量小。

由于工件選用超高強(qiáng)鋼WELDOX1100（Rm≥1100MPa)，上槽板r/t=120/6＞5，上槽板彎曲角度α=現(xiàn)有凹模結(jié)構(gòu)為無(wú)底自由凹模，各種因素綜合影響，故工件彎曲回彈量大。

（2）彎曲回彈角計(jì)算 根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式，按不同板厚，現(xiàn)有上模圓角半徑，計(jì)算回彈后工件彎曲半徑見(jiàn)表2。

表2 (mm)

式中 T——彎曲板厚（mm）；

Re——屈服強(qiáng)度（MPa）；

R0——工件彎曲半徑（mm）；

Rt——R0對(duì)應(yīng)的上模圓弧半徑（mm）；

E——彈性模量（MPa）。

根據(jù)表2計(jì)算結(jié)果，取最大工件彎曲半徑R0=130mm，按以下公式計(jì)算彎曲回彈角。

彎曲上模包角

彎曲回彈角

θ=αt-α0=130－90=40（°)

所以，工藝方案初選上模半徑R90mm，回彈后能基本滿足上槽板R的要求，回彈角取

2.計(jì)算折彎力及選定設(shè)備和模具

根據(jù)以下折彎?rùn)C(jī)彎曲力經(jīng)驗(yàn)公式，由于板越厚工件越長(zhǎng)所需折彎力越大，所以以最厚下槽板T=9mm，最長(zhǎng)工件長(zhǎng)度L=12 000mm為例，按不同彎曲下模開(kāi)口寬度，計(jì)算出彎曲WELDOX1100鋼材所需對(duì)應(yīng)折彎力（見(jiàn)表3）。

折彎力

式中 F——折彎力（t）；

L——彎曲長(zhǎng)度（mm）；

T——彎曲板厚（mm）；

W——下模開(kāi)口（mm）；Rm——抗拉強(qiáng)度（MPa）。

表3

由表3可見(jiàn)，下模開(kāi)口必須選擇≥150mm時(shí)，折彎力才在本公司最大折彎?rùn)C(jī)能力容許范圍內(nèi)。故工藝方案根據(jù)回彈量計(jì)算結(jié)果、選定上模R90mm，設(shè)備選用20 000kN折彎?rùn)C(jī)，初選下模開(kāi)口寬度190mm成形上下槽板。

根據(jù)折彎?rùn)C(jī)設(shè)備和上下模具結(jié)構(gòu)形式，模擬畫工程圖，分析該產(chǎn)品最易與模具和設(shè)備干涉的其中某節(jié)臂上下槽板成形情況見(jiàn)圖2。

圖2

模擬分析結(jié)果顯示，上槽板直邊高度與折彎?rùn)C(jī)模架干涉，須優(yōu)化設(shè)計(jì)，適當(dāng)降低直邊高度20mm左右。

3.上下槽板展開(kāi)料計(jì)算

根據(jù)冷彎成形特點(diǎn)，工件彎曲時(shí)毛坯斷面上應(yīng)力由外層拉應(yīng)力過(guò)渡到內(nèi)層壓應(yīng)力，中間必有一層金屬其切向應(yīng)力為零，稱為應(yīng)力中性層，這個(gè)層面材料既不伸長(zhǎng)，也不縮短。這是計(jì)算彎曲毛坯展開(kāi)尺寸的依據(jù)。當(dāng)r/t＞5時(shí)，彎曲變形較小，應(yīng)力中性層就在毛坯厚度中間，所以上下槽板展開(kāi)長(zhǎng)度計(jì)算如下：

如圖1上槽板展開(kāi)長(zhǎng)度L1

如圖1下槽板展開(kāi)長(zhǎng)度L2

式中 b——工件寬度（mm）；

h——工件高度（mm）；

R——工件彎曲半徑（mm）；

T——工件板厚（mm）。

4.上槽板彎曲工藝試驗(yàn)

（1）上槽板試驗(yàn)情況 根據(jù)以上計(jì)算得出的模具基本尺寸和設(shè)備結(jié)構(gòu)，進(jìn)行500mm短試件試驗(yàn)，毛坯尺寸為6mm×500mm×1590mm（厚度×長(zhǎng)度×寬度），寬度尺寸即如圖1上槽板展開(kāi)料長(zhǎng)度，材料WELDOX1100，設(shè)備選用20 000kN折彎?rùn)C(jī)，上模R90mm，下模開(kāi)口寬度190mm，采取單角自由彎曲的方法折彎。試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)試件彎曲區(qū)域有明顯壓痕、劃傷，回彈角通過(guò)專用角度儀測(cè)量為38 ，折彎第二道彎時(shí)，直邊與折彎?rùn)C(jī)上模聯(lián)接板干涉（見(jiàn)圖3）。

圖3

（2）上槽板試驗(yàn)結(jié)果分析 綜合試驗(yàn)情況分析，壓痕、劃傷是由于材料強(qiáng)度高，下模開(kāi)口偏窄，折彎力大，下模開(kāi)口圓角R偏小，折彎時(shí)工件立邊與下模剛性摩擦所致；直邊與折彎?rùn)C(jī)上模聯(lián)接板干涉是由于回彈量大，折彎時(shí)上模壓入下模深。所以，增大下模開(kāi)口寬度10mm，減小折彎力；優(yōu)化設(shè)計(jì)降低直邊高度尺寸15mm。采取單角自由彎曲的方法再試驗(yàn)，即生產(chǎn)出滿足技術(shù)要求的上槽板。

5.下槽板彎曲工藝試驗(yàn)

（1）內(nèi)接多邊形法成形U形截面下槽板彎曲工藝試驗(yàn) 如圖4所示，用內(nèi)接多邊形接近半圓的方法，進(jìn)行2000mm短試件試驗(yàn)，毛坯尺寸為7mm×2000mm×1542mm（厚度×長(zhǎng)度×寬度），寬度尺寸如圖1下槽板展開(kāi)料長(zhǎng)度，材料WELDOX1100，設(shè)備選用20 000kN折彎?rùn)C(jī)。采用大圓角半徑（R90mm）上模和大開(kāi)口下模（寬度180mm），按如圖5所示折彎順序，左右對(duì)稱分布?jí)盒蔚姆椒ㄕ蹚潯２捎眠@種內(nèi)接多邊形法經(jīng)過(guò)19次折彎后，起重臂U形截面下槽板左右邊高度差基本≤1mm，寬度尺寸超差2～3mm，圓弧段折痕明顯，與理想大圓弧U形截面相去甚遠(yuǎn)，還有扭曲變形發(fā)生。

圖4

圖5

（2）試驗(yàn)結(jié)果分析 根據(jù)以上情況可見(jiàn)，工件寬度尺寸超差，有待調(diào)整工藝折彎線位置；扭曲變形是因下模開(kāi)口增大，每道折彎線間的距離小，后次彎曲與前一次彎曲間距小，工件在下模上定位不穩(wěn)，折彎線找正困難，同時(shí)加載時(shí)工件會(huì)在下模內(nèi)產(chǎn)生滑移而造成工件扭曲變形。所以優(yōu)化工藝為：最終調(diào)整下模開(kāi)口（寬度150mm）和內(nèi)接多邊形邊數(shù)（增加至25次折彎）再試驗(yàn)。系列試件效果如圖6所示。校形后R公差控制≤0.5mm，圓弧段外觀過(guò)渡圓滑。

圖6

經(jīng)專業(yè)檢驗(yàn)人員檢測(cè)，尺寸幾何公差、外觀均能滿足整機(jī)綜合技術(shù)要求，驗(yàn)證了內(nèi)接多邊形法成形U形截面起重機(jī)吊臂下槽板彎曲工藝方法合理可行?，F(xiàn)已在系列單缸插銷起重機(jī)吊臂制造過(guò)程中廣泛應(yīng)用，如圖7所示。

圖7

四、彎曲過(guò)程質(zhì)量控制要點(diǎn)

根據(jù)大量試驗(yàn)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)結(jié)果證明，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高超高強(qiáng)度鋼U形截面起重機(jī)吊臂加工精度，必須注意以下幾點(diǎn)：

（1）超高強(qiáng)度鋼WELDOX1100彎曲回彈角大，彎曲上槽板對(duì)設(shè)備和模具的選擇要求高。

（2）下槽板選擇合理分型次數(shù)，既能保證后次彎形定位可靠，又能保證U形截面圓弧段成形美觀。

（3）在折彎?rùn)C(jī)設(shè)備無(wú)自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)的情況下，以上下模為基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)專用工裝，輔助找正上模中心線與折彎位置線重合，降低扭曲變形對(duì)工件全長(zhǎng)直線度和側(cè)面垂直度的影響。

（4）選擇合理的彎曲上下模匹配，降低彎曲表面壓痕、劃傷等缺陷。

（5）彎曲過(guò)程容易產(chǎn)生撓度、波浪、扭曲變形。應(yīng)選用性能穩(wěn)定材料，采用熱影響區(qū)小的下料手段（如激光下料、精細(xì)等離子下料），做好板材彎曲前調(diào)平工作，使材料內(nèi)應(yīng)力分布比較均勻，降低彎曲缺陷產(chǎn)生，達(dá)到提高彎曲件精度的目的。

五、結(jié)語(yǔ)

工程機(jī)械中超高強(qiáng)度鋼將用于重要結(jié)構(gòu)處，承受較大載荷，零件成形精度是保證組件尺寸幾何公差的前提，決定著整個(gè)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，影響起重機(jī)使用壽命。

通過(guò)理論分析和實(shí)踐研究，設(shè)計(jì)合理的起重機(jī)吊臂截面形狀，采取合理的彎曲工藝措施，可保證起重臂整體質(zhì)量。對(duì)類似U形截面超高強(qiáng)鋼起重機(jī)吊臂成形具有一定的參考價(jià)值。