冷弯型钢垂直尖角成形方法研究

摘要：开发带有垂直尖角的新型冷弯型钢, 对垂直尖角的成型, 采用在转角处凸出圆弧、预留出多余材料的方法来补偿外圆角, 然后精整成垂直尖角. 本文对试验结果进行了分析和总结, 为其他异形断面冷弯型钢在垂直尖角冷弯成型方面积累了经验.
关键词：冷弯型钢; 尖角; 外圆角

随着工业的迅速发展, 冷弯型钢作为一种经济断面得到了广泛的应用. 目前, 由于冷弯型钢有重量轻、强度高、尺寸精度高及便于运输安装等特点, 许多工业产品采用冷弯成型方法加工, 并已取得了较好的经济效益和社会效益. 为满足不同的使用要求, 一些构件需要有垂直尖角. 解决直角转角处的外圆弧小圆角的问题, 成为开发冷弯型钢的难点. 在冷弯成型过程中, 对于厚度为2mm 断面在直角处的外圆弧最小半径采用一般的冷弯成型工艺应在2. 5mm～3mm 范围内. 要解决直角转角处的外圆弧小圆角(R 不大于0. 3mm ) 的问题, 需要探讨新的工艺方法. 经过试验及分析, 采用在转角处预留出多余圆弧用于弥补转角使其成垂直尖角, 获得了垂直尖角的成型工艺方法.

1 初步方案及其试验结果

本课题研究冷弯型钢断面如图1 所示.

图1 试验断面

图2 为弯曲试验初步方案工艺图. 该工艺是在德国CO PRA 软件上设计完成的. 此方案采用在型钢转角处向侧边凸出圆弧(如图3) ,此圆弧大小根据弥补量的几何关系来确定, 使凸出来的圆弧金属向底部外圆角流动. 由于金属挤压有一定难度, 所以采用了精整过程. 但经过初步试验后发现, 外圆弧圆角半径R 远远大于0. 3mm , 而且左右外圆角半径并不相同。

图2 初次方案工艺

图3 初次方案

2实验观察及理论分析

对于上述现象, 作者认为有以下几个方面的原因:

(1) 在最后成型前实际所弯曲的凸出圆弧与设计中的理想圆弧有差距. 这是因为这段圆弧是在前几道次弯曲成形, 在随后弯曲过程中受到了影响。

(2) 金属流向问题. 在两边对凸出圆弧进行挤压时, 金属流向不但有向底部外圆角流动的趋势, 也有向上流动的趋势, 所以很难确定需要有多大的凸出圆弧。

(3) 上辊片没有贴紧内圆角侧边, 导致了成型后的左右外圆角半径的较大差异。

3 试验改进及弯曲效果

针对以上情况, 采用只在侧边凸出圆弧的方法并不可行. 作者在原有轧辊的基础上进行修改, 并做了第二次试验. 利用上下辊的作用,达到金属只向圆角处流动。

图4 改进方案

弯曲多余圆弧的大小根据弥补量的多少来确定, 根据图4 来确定其需要弯曲的底部内外各圆弧形状. 这里假设弯曲处板料厚度没有减薄, 其底部分为3 段圆弧, 底边圆弧总长度按如图5 所示的θ1、θ2、θ3 来计算.

图5 改进方案几何分析

要得到预定的尖角, 要满足的几何条件是这3 段圆弧面积应不小于最终所要求得到的在相同高度条件下的断面面积, 其高度大小是：

h= r+ s

式中r——内圆弧半径;
s——板料厚度.

这3 段圆弧的面积：

式中R ——底部凹进圆弧内半径;
θ1, θ2, θ3 ——各段圆弧弧度;

由于对称性, 故θ1 = θ2, 且θ3= 2θ1 – π, 上式为：

式中W ——底面宽度.
两者面积的关系为:

S 1≥S 2

将公式(2)、(3) 代入并化简得:

从(4) 式可以看出, 对于给定板厚和底宽的断面, 只要选择合适的上下圆弧半径满足(4)式, 在理论上是能够得到所要求的垂直尖角.实验结果表明, 在选择了合适的上下辊间距后, 最终得到了所要求的垂直尖角, 其外圆角半径达到0. 1mm 左右, 小于所要求的0. 3mm.图6 是实际成型断面。

图6 最终成型断面

试验结果表明, 在圆弧成形道次的上下辊间距过小导致多余成形的圆弧过大, 使得最终成型后凹进的圆弧不能压平, 留有明显凹痕. 所以需要调整好多余圆弧的成型. 圆弧过小, 则不能满足垂直尖角成型的几何条件.

4 结论

从以上试验可以看到, 在底部生成的圆弧形状大小对小圆角的生成相当重要. 对底面预留凹弧材料在受到上下辊的挤压作用时只能向两边的外圆角处流动, 这便于根据圆弧形状大小来从理论上计算确定金属向两边的流动量,而且底部生成圆弧比较容易跟设计中的圆弧一致, 不会受到其它弯曲的影响, 这是因为生成圆弧后, 在后面的道次都有上下相应形状的辊片贴紧圆弧. 此试验是在通用轧机上进行, 且不需要太多的辅助设备就能完成, 成本低, 可适用于批量生产. 所以采用在底部预留出圆弧的方法解决直角转角处外圆弧小圆角问题是成功的.

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冷弯型钢垂直尖角成形方法研究

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