姜春民

（上海佳冷型鋼有限公司，上海201815）

P形截面冷彎型鋼成型工藝研究

姜春民

（上海佳冷型鋼有限公司，上海201815）

介紹了一種用于工程機(jī)械駕駛室的立柱兼門(mén)框的P形截面異型管的變形工藝確定過(guò)程及試制，對(duì)不同變形工藝設(shè)計(jì)和試制結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)。為了解決P形截面異型管變形工藝?yán)碚撛O(shè)計(jì)與實(shí)際試制產(chǎn)品存在的尺寸差異問(wèn)題，借助有限元仿真分析，查找出變形不到位的根本原因，并對(duì)變形工藝中轉(zhuǎn)角處的弧長(zhǎng)分料方法進(jìn)行了修正，總結(jié)出P形管變形的有效設(shè)計(jì)方法和操作要領(lǐng)。工藝修正后的試制結(jié)果表明，產(chǎn)品各尺寸轉(zhuǎn)角、圓弧、尺寸都在要求公差范圍內(nèi)。

冷彎型鋼；P形截面；變形工藝

P形截面冷彎型鋼產(chǎn)品大多應(yīng)用于各種門(mén)窗類(lèi)的邊框，本研究對(duì)象是工程機(jī)械駕駛室的一個(gè)立柱兼門(mén)框。產(chǎn)品截面尺寸為110 mm×68 mm×35 mm×5 mm，材質(zhì)為Q420C低合金鋼，焊縫在110 mm寬面上。設(shè)計(jì)者對(duì)產(chǎn)品形狀尺寸提出很高的技術(shù)要求，并且要求變形工藝必須先成型后焊接，目的是保證成型后產(chǎn)品各面的力學(xué)性能接近，便于后續(xù)深加工。

在實(shí)際試制過(guò)程中變形工藝的不同帶來(lái)的結(jié)果相差很大，甚至無(wú)法完成圖紙規(guī)定的形狀和尺寸精度，因此，提出對(duì)原有設(shè)計(jì)進(jìn)行有限元仿真分析，查找截面尺寸不達(dá)標(biāo)的主要原因，修正完善變形工藝。

1 產(chǎn)品的技術(shù)要求及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 技術(shù)要求

產(chǎn)品力學(xué)性能和化學(xué)成分要求見(jiàn)表1，產(chǎn)品截面尺寸如圖1所示，材質(zhì)為Q420。根據(jù)使用要求對(duì)該產(chǎn)品提出如下技術(shù)要求：

表1 產(chǎn)品化學(xué)成分及力學(xué)性能要求

圖1 產(chǎn)品截面尺寸圖

（1）直線度≤1 mm/m；

（2）扭曲度≤1 mm/m；

（3）110 mm面凹凸度≤0.5 mm/m；

（4） 厚度 t=5 mm±0.25 mm；

（5）焊縫左右偏移≤5 mm。

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

用于工程機(jī)械駕駛室立柱兼門(mén)框的P形截面冷彎型鋼產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

（1）截面形狀典型P形，成型過(guò)程易產(chǎn)生各面不平行以及陰角R值不易達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（2）寬面和窄面的高度差大，此產(chǎn)品35 mm面為總高度的1/2以上，變形時(shí)軋輥直徑差大，易出現(xiàn)表面擦傷和轉(zhuǎn)角處變形不充分、角度達(dá)不到要求的現(xiàn)象。

（3）產(chǎn)品厚度5 mm，與外形尺寸而言，屬于厚壁產(chǎn)品，軋制力大，易造成變形不到位。

（4）材料Q420低合金鋼強(qiáng)度較高，需要變形道次充足，同時(shí)機(jī)組軋制力要強(qiáng)。

（5）各轉(zhuǎn)角的R值都有一定公差要求，工藝設(shè)計(jì)方案不但要正確合理，每道變形量的分配要準(zhǔn)確。

（6）焊縫在產(chǎn)品最大面上，不但增加了焊接的難度，同時(shí)變形時(shí)空彎變形道次也增加。

2 變形工藝方案的擬定與分析

閉口異型管成型工藝有兩大方式，第一是先成圓后整形（可輥彎也可拉拔）；第二是先輥彎成型，再焊接、精整。變形方案已由產(chǎn)品設(shè)計(jì)者給出要求，先成型后焊接。使用合理寬度的縱剪帶逐道次輥彎變形，基本達(dá)到所需截面尺寸再進(jìn)入擠壓焊接，冷卻后進(jìn)入定徑精整階段。

復(fù)雜截面異型管“先成型后焊接工藝”的優(yōu)點(diǎn)：①各轉(zhuǎn)角在一定角度范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)“實(shí)彎”，轉(zhuǎn)角充分；②R角可控；③平板部分沒(méi)有多次軋制變形過(guò)程，加工硬化不充分，所以各面的力學(xué)性能差異很小。

針對(duì)截面結(jié)構(gòu)分析各成型工藝方案，將截面分為三大區(qū)域，即區(qū)域Ⅰ、區(qū)域Ⅱ和區(qū)域Ⅲ，提出如下兩種變形方案。

第一方案：變形輥花如圖2所示，先對(duì)區(qū)域Ⅲ變形，再變區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ，優(yōu)點(diǎn)是區(qū)域Ⅲ的每個(gè)轉(zhuǎn)角充分，可保證各邊的垂直度、R6和R5圓弧。缺點(diǎn)是區(qū)域Ⅱ的變形實(shí)彎道次少，不易保證各邊尺寸。

圖2 第一方案輥花工藝圖

第二方案：變形輥花如圖3所示，先對(duì)區(qū)域Ⅰ、區(qū)域Ⅱ同時(shí)變形，再對(duì)區(qū)域Ⅲ進(jìn)行變形。優(yōu)點(diǎn)是區(qū)域Ⅰ的尺寸可保證，但區(qū)域Ⅲ的R5，R6及底面不易保證。

圖3 第二方案輥花工藝圖

3 產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)及試制

3.1 第一方案

（1）按該方案進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，焊前使用13架次變形，其中區(qū)域Ⅲ用4道次。區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ同時(shí)變形，開(kāi)口部分（即“實(shí)彎”部分）用8道次，封閉孔（即空彎）用4道次，一道斜輥。

（2）試軋產(chǎn)品截面形狀和尺寸如圖4所示，R1和R2遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于10mm規(guī)定值，并且側(cè)面幾乎沒(méi)有平面，33mm高底面傾斜，整體滿(mǎn)足不了形狀尺寸要求。

圖4 第一方案試制產(chǎn)品截面尺寸圖

（3）對(duì)該變形方案進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，區(qū)域Ⅱ的R1和R2兩個(gè)轉(zhuǎn)角實(shí)彎只有3個(gè)道次，轉(zhuǎn)角只有55°就進(jìn)入空彎，t=5 mm，屈服強(qiáng)度又很高，所以各轉(zhuǎn)角無(wú)法變形，這是一個(gè)主要原因。試制時(shí)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)每一道次變形后測(cè)量也證實(shí)了這一點(diǎn)。因此此工藝方案不可行。

3.2 第二方案

（1）按該方案進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，焊接前共用13個(gè)道次，區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ同時(shí)變形7道次，封閉孔型5道次，最后1道次三個(gè)區(qū)域同時(shí)有變形。

（2）按第二方案試制出的產(chǎn)品截面尺寸如圖5所示，其中不合格項(xiàng)有：①R1=R2=5.5 mm；②a=36 mm， α=87°。

圖5 第二方案試制產(chǎn)品截面尺寸圖

（3）對(duì)截面形狀和尺寸分析發(fā)現(xiàn)，線性尺寸除a=36 mm超差外，其他都在公差范圍內(nèi)，而R1和R2特別小。擠壓焊接后截面尺寸如圖6所示，擠壓焊接后h=40 mm，因此進(jìn)入精整定徑時(shí)，尺寸h=40 mm向33 mm轉(zhuǎn)變時(shí)，R1和R2變小。

圖6 第二方案試制擠壓焊接后產(chǎn)品截面尺寸圖

對(duì)于α＜90°的問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量分析，此轉(zhuǎn)角在進(jìn)入封閉孔型之前為90°，進(jìn)入封閉孔型之后逐道次減小，特別是進(jìn)入精整定徑段尤為突出。原因在于進(jìn)入封閉孔型和定徑前，高度尺寸h，c和a都比工藝設(shè)計(jì)理論值大很多，進(jìn)入封閉孔型和定徑精整孔型時(shí)，產(chǎn)品受上下左右封閉的4個(gè)方向軋制力，但作用在邊長(zhǎng)c上的力不易使其減短，而力量傳遞到邊a上使其產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，造成α＜90°現(xiàn)象。因此可以認(rèn)為，該方案大方向正確，但還需進(jìn)一步改進(jìn)。

4 產(chǎn)品變形工藝方案的確定

4.1 變形工藝的仿真分析

（1）根據(jù)第二方案試制結(jié)果及簡(jiǎn)單分析認(rèn)為，變形工藝大方向正確，通過(guò)計(jì)算機(jī)有限元仿真進(jìn)行分析，查找出變形后尺寸h，c和a比設(shè)計(jì)理論值大的原因。

（2）以其中1架變形數(shù)據(jù)及受力數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析，仿真圖如圖7～圖11所示。其中圖7為仿真模型圖，圖8為仿真三視圖，不但可觀察變形時(shí)每道次的變形狀況，還可以看到每個(gè)位置內(nèi)應(yīng)力的大小。第二方案工藝設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于轉(zhuǎn)角弧長(zhǎng)的處理方法是“定半徑、變弧長(zhǎng)”的方法，即直線段長(zhǎng)度逐道次減小而弧長(zhǎng)隨角度變化逐漸變長(zhǎng)。與仿真圖形（圖9）對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，直線段沒(méi)有按設(shè)計(jì)那樣逐漸減短，減小部分與理論設(shè)計(jì)值差距較大。圖10和圖11是截面載荷計(jì)算和水平軸的撓度計(jì)算界面。

圖7 仿真模型圖

圖8 DTM仿真三視圖

圖9 仿真截面圖和輥花

圖10 截面軋制力計(jì)算

圖11 水平軸撓度計(jì)算

（3）對(duì)水平軸所受軋制力進(jìn)行載荷計(jì)算與分析，如圖11所示，水平軸受力后會(huì)產(chǎn)生較大的撓度，對(duì)每一個(gè)架的變形量產(chǎn)生影響，達(dá)不到設(shè)計(jì)的變形量，逐道次積累，這也是變形最終尺寸與理論值相差很大的原因。

4.2 變形工藝方案的調(diào)整

（1）對(duì)于a和h的處理，轉(zhuǎn)角弧長(zhǎng)計(jì)算方法不變，即 “定半徑、變弧長(zhǎng)”，從第一道分料開(kāi)始，直線段長(zhǎng)度分別減小1mm和3mm。

（2）對(duì)邊長(zhǎng)c值的處理，轉(zhuǎn)角弧長(zhǎng)按“定弧長(zhǎng)、變半徑”的方法處理，從第一架變形就將直線段長(zhǎng)度定為20mm（35-R5-R6，其中R5=10mm，R6=5 mm）。

（3）為了保證α不小于90°，對(duì)區(qū)域Ⅲ變形轉(zhuǎn)角保持85°進(jìn)入擠壓焊接道次。

4.3 工藝方案調(diào)整后結(jié)果及調(diào)整要領(lǐng)

按修正后的變形工藝方案，試制產(chǎn)品截面尺寸如圖12所示，各尺寸轉(zhuǎn)角、圓弧、尺寸都在公差范圍內(nèi)。方案調(diào)整過(guò)程中，應(yīng)注意以下要領(lǐng)：①擠壓焊接前應(yīng)保證每一道次變形到位，通過(guò)輥縫檢測(cè)來(lái)控制；②擠壓焊接出口產(chǎn)品尺寸高度H=70.5～72mm， h=34.5～35mm， c=34.5～35mm。

圖12 最終產(chǎn)品截面尺寸圖

5 結(jié) 論

（1）對(duì)于“先成型、后焊接”工藝生產(chǎn)的P形截面產(chǎn)品，特別是高度差很大的產(chǎn)品，變形時(shí)各轉(zhuǎn)角在75°前一定不能空彎，否則不利于角度變形，很難達(dá)到理論值。

（2）精整定徑量不宜過(guò)大，在公差范圍內(nèi)最為合適，α轉(zhuǎn)角預(yù)留5°左右，防止進(jìn)入封閉孔型后受上下作用力時(shí)帶來(lái)的額外變形。

（3）有條件的機(jī)組變形道次適當(dāng)增加，會(huì)使尺寸精度更高，轉(zhuǎn)角的角度更容易控制。

（4）對(duì)于轉(zhuǎn)角弧長(zhǎng)的處理，進(jìn)入空彎道次時(shí)，采用“定弧長(zhǎng)、變半徑”的方法更為準(zhǔn)確。

［1］小奈弘，劉繼英.冷彎成型技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［2］喬治.哈姆斯.冷彎成形技術(shù)手冊(cè)［M］.劉繼英，艾正青，譯.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［3］日本塑性加工學(xué)會(huì).旋壓成型技術(shù)［M］.陳敬之，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

［4］王先進(jìn).冷彎型鋼生產(chǎn)及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

［5］王春新，劉繼英.冷彎成形過(guò)程仿真技術(shù)的發(fā)展［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2004（1）： 49-53， 58.

［6］劉繼英，艾正青.冷彎成形CAD/CAM/CAE技術(shù)［J］.焊管， 2006（2）:39-43.

［7］王春新.冷彎成形過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真在工程實(shí)例中的應(yīng)用研究［D］.北京:北方工業(yè)大學(xué)，2003.

［8］史永凌.先進(jìn)高強(qiáng)度鋼輥彎成型有限元仿真研究［D］.北京:北方工業(yè)大學(xué)，2006.

［9］滕煥波.AZ31鎂合金筒形件旋壓技術(shù)研究[D].太原：中北大學(xué)，2007.

［10］楊帆.異型管連續(xù)輥彎成型過(guò)程仿真及其角部開(kāi)裂的研究［D］.秦皇島:燕山大學(xué)，2014.

Research on the Forming Technology of the P-shaped Cold Forming Sectional Steel

JIANG Chunmin
（Shanghai Jialeng Section Steel Co.,Ltd.,Shanghai 201815,China）

In this article,it introduced a kind of deformation process determination procedure and trial production of P-shaped section special pipe,which is used in column and frame of construction machinery cab,and compared different deformation process design and trial production results.In order to resolve the dimension differences between the theory design and actual manufacture products,it used finite element simulation analysis to find out the primary cause of inadequate deformation.And through correcting the allocation of materials in arc length around the corner,the effective design method and essential points of operation were obtained.The trial production results showed that the angle,arc,various sizes of products dimension are within the demanding tolerance range.

cold forming section steel;P-shaped section;deformation technology

TG33

B

1001－3938（2015）10-0049-04

姜春民(1961—)，男，教授級(jí)高工，長(zhǎng)期從事冷彎型鋼的生產(chǎn)制造及相關(guān)技術(shù)研究。

2015-05-06

黃蔚莉