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      高強度結構鋼的冷彎成型工藝

      發布時間:2022/8/8 21:29:04人氣:8

      近年來,隨著貨架鋼結構理論的不斷探索,物流倉儲事業的不斷發展和應用,為了滿足對貨架鋼結構強度,剛度和穩定性方面的要求,減輕貨架自重等方面的要求,高強度結構鋼板因其綜合機械性能好,性價比高,在貨架鋼結構設計中的使用不斷增多,給我們在貨架結構件的冷彎成型工藝及改進零件成型方面,又提出了相應的課題,促使我們必須不斷研究高強度結構鋼板的物理性能及其冷彎成型加工工藝,采取相應的技術措施,保證材料的綜合機械性能,并滿足相關鋼結構設計要求,提高貨架鋼結構的整體強度,剛度和穩定性方面的性能。

        1 對冷彎型鋼所用材料的要求

        冷彎設計中普遍認為:冷彎型鋼所用材料一般采用w(C)0。9%的碳鋼(即使經過退火處理也無法進行冷彎成型加工)。材料的材質,尺寸精度,表面質量,成型形狀和力學性能等對冷彎型鋼產品的表面質量,強度,耐蝕性及其使用壽命有著直接的關系,根據《冷彎薄壁型鋼結構技術規范《GB50018—2002》有關規定:用于承重結構的冷彎薄壁型鋼的帶鋼或鋼板,應采用符合現行國家標準《GB700—88 碳素結構鋼標準》規定的Q235鋼和《低合金高強度結構鋼》GBl591—94規定的Q345鋼。

        當有可靠根據時,可采用其他牌號的鋼材,但應符合相應有關國家標準的要求。由此我們可以參照有關規定制訂高強度結構鋼板的有關化學成分,材料的尺寸公差,有關鋼帶的不平度和鐮刀彎允許偏差及材料的力學性能和冷彎試驗要求。特別是相關材料的屈服點上的縱橫伸長率及冷彎試驗得到的彎心直徑等對冷彎型鋼產品的影響很大。這些實際上也進一步限制了高強度結構鋼板在冷彎行業中的發展。

        2 高強度結構鋼板的特性

        高強度結構鋼共分Q295,Q345,Q390,Q420和Q460五個牌號,根據貨架鋼結構的受力分析并考慮到材料的冷彎工藝性,多選用抗拉強度大于490~980MPa的高強度結構鋼板。如:Q345,低合金結構鋼SS490等。為了提高鋼材焊接的抗冷裂性能和低溫韌性,降低含碳量是很有效的措施。但是,降低含碳量又會影響鋼材的強度。為了彌補這一缺陷,在鋼材冶煉過程中,可通過加入多種微量元素,特別是B等能對材料淬透性有強烈影響的元素,來提高材料的淬透性,只要添加少量的合金元素就能通過淬火或高溫回火獲得回火馬氏體或貝氏體。這樣處理的調質鋼,不僅具有足夠高的強度,而且具有良好的塑性和韌性。

        所以為了達到相同的強度,高強鋼所需的合金元素含量比正火鋼低,具有低C和低P的特點,焊接工藝性好,熱影響區淬硬傾向小,冷裂紋敏感性低。這些鋼添加元素有B,Cr,Ni,V,Ti和Cu等,大大提高了材料的各種性能指標。S,P和雜質對高強鋼的加工性能有一定的影響,其中非金屬夾雜物在軋制時會沿軋制方向形成纖維狀組織,在輥式冷彎成型時易產生邊角部裂紋,必須在相應的鋼號化學成分中添加補充規定,以上幾個方面也是我們選擇高強度結構鋼板在冷彎行業中應用的基本依據。

        3 高強度結構鋼板的冷成型性能

        高強度結構鋼板的不足之處是熱成型及焊后熱處理溫度的確定都受到材料軟化問題的限制。因此,在實際應用中為了避免熱成型工藝對材料機械性能的影響,對板厚較小的材料,采用冷成型工藝進行冷彎件加工是一種既經濟又實用的辦法。實際上在貨架鋼結構的應用中目前影響因素較小或不明顯,因為貨架鋼結構中的應用板料厚度主要集中在4mm以下;但當板厚超過25mm,在采用冷成型工藝進行冷彎件加工時,部分材料會發生斷裂,斷口呈纖維狀,色澤灰暗,斷口附近有宏觀的塑性變形,這是屬于后延性斷裂特征。

        分析其斷裂原因,除了溫度,加載速度等外界因素對材料的斷裂形式有很重要的影響之外,首先是冶金方面的因素,在生產薄板時,材料的壓延量大,終軋溫度低,組織細密,內外層均勻;而在軋制厚板時,材料的軋制次數少,終軋溫度高,組織疏松,內外層均勻性較差。其次是材料的應力狀態對冷成型工藝的影響,當板材比較薄時,材料在厚度方向變形比較容易,徑向材料應變值小,沿厚度方向的應力也較小,其受力接近于平面狀態;而厚板由于沿厚度方向的收縮變形受到很大的限制,進行冷彎加工時,在冷彎件的表面易形成微小裂紋,裂紋處形成三向應力,即所謂的平面應變狀態使材料變脆,產生斷裂。

        另外,材料表面的溫度冷硬化現象較薄板明顯,硬度過高也是造成在冷彎加工中發生斷裂的原因,部分材料雖然沒有折斷,但是,其冷彎表面已經有明顯的裂紋,而且由于加工表面冷作硬化現象的發生,材料的塑性降低,一旦使用,也將對整個冷彎鋼結構的強度,剛度,穩定性形成潛在的危險。在一些應用場合必須進行高強度結構鋼板的冷彎試驗,控制設計彎曲半徑滿足基本孔型設計要求。

        4 高強度結構鋼板的冷彎缺陷

        冷彎成型過程是一個十分復雜的過程,如果設計不合理,在調試過程中會出現邊部波浪,袋形波,縱向彎曲,角部皺褶,裂紋及扭曲等變形缺陷,這些問題往往在調試生產過程中才能發現,而一旦發現這些問題必須很好地解決,否則變形缺陷的存在會進一步破壞高強度結構鋼板的冷彎成型工藝性。

        (1)高強度結構鋼板最主要的冷彎缺陷為冷彎裂紋,這是由高強度結構鋼板本身的材料特性決定的。

        (2)袋形波的產生主要是由于高強度結構鋼板在彎曲過程中產生了橫向拉伸的不均勻應力,應變,而板料沿厚度方向的應變相對較小,根據材料變形的泊松關系,必然會在變形比較集中的部位沿縱向出現收縮變形。而這種彈性變形的反復作用還會形成高強度結構鋼板表面裂紋的產生。

        (3)邊部波浪的產生主要是兩種作用的綜合:第一種同前面袋形波的作用機理相同;第二種是邊緣部分的材料先是在外力作用下被拉伸剪切變長,后又再次被壓縮剪切產生塑性變形造成邊浪。

        (4)造成縱向彎曲的原因較多,其中一個很重要的原因是斷面的邊部在彎曲側面時受到張緊力的作用,力圖將整個斷面沿縱向拉長,但張緊力不足以拉長整個剛性斷面,導致軋件前端出現向上或向下彎曲的現象,厚板比薄板更容易產生縱向彎曲。目前由于設備裝置有校直裝置來彌補校正,所以并不為很多人重視。

        5 高強度結構鋼板的冷彎工藝

        (1)由于高強板所形成的高剛性型鋼具有很大的慣性矩和抗彎模量,特別是由于應用上的要求需要預沖孔后進行冷彎加工生產,會形成材料表面平整度和材料邊緣尺寸上的差異,因此要求對該類高強度結構鋼板的冷彎孔型的設計中需要多加側向定位裝置,合理設計孔型,合理布置軋輥間隙等,確保進入每道孔型的材料不跑偏并盡可能地消除材料表面平整度和材料邊緣尺寸上的差異對后續冷彎成型形狀的影響;另一個突出的特點為:高強度結構鋼板的成型回彈現象較嚴重,回彈會導致出現弧邊,必須依靠過彎來修正,且過彎角比較難掌握,需要在生產調試過程中進行調整修正。

        (2)需要較多的成型道次。在輥式冷彎成型過程中主要加工過程為彎曲變形,除產品彎曲角局部有輕微減薄外,變形材料的厚度在成型過程中假定保持不變;在孔型設計時,要注意合理分配變形量,尤其是在第一道,后面幾道,變形量不易過大。另外可以使用側輥和過彎輥,對型材進行預彎,且使型材斷面的中性線與成品型材的中性線重合,使型材上下所受的力平衡,從而避免縱向彎曲。如果在加工過程中發現縱向彎曲,可根據實際情況增加部分軋輥,尤其注意后面幾道。

        其它如使用矯直機進行矯直,變更機架間距,采用托輥,調整各架次的軋輥間隙等措施均可減小或消除縱向彎曲。需要注意的是,通過調整各架次的軋輥間隙來減輕縱向彎曲需要有熟練的技術才行。

        (3)輥式冷彎速度的控制,成型輥壓力的調整要合適,盡量減少反復冷彎彎曲疲勞裂紋,并適當進行潤滑和冷卻,進一步減少熱應力裂紋的產生等,控制彎曲半徑,即彎曲半徑不能太小,否則產品表面易產生裂紋,針對高強板在冷成形冷彎工藝中出現的后延性斷裂現象,為了滿足結構設計要求,建議在滿足材料的力學設計要求的前提下優化截面形狀,如增加彎角半徑,減小冷彎角或加大截面形狀等方式處理也是一種行之有效的方法。

        6 結語

        由于結構設計和應用上的需要,大量使用冷彎型鋼時,應對高強度結構鋼板的具體成型工藝做一定時期的生產現場的產品跟蹤并不斷完善冷彎成型工藝,以保證產品的設計質量和加工質量,對高強度結構鋼板冷彎型鋼采用冷成型工藝時,要注意其開口斷面的尺寸變化較大且不穩定,當產品尺寸要求較嚴格時,必須結合后續加工手段來達到,這樣才能充分發揮高強度鋼板的綜合機械性能,最終保證冷彎型鋼結構的整體加工質量。

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