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辊式被动推挤冷弯成形工艺的探索与应用 ――圆变方异型管生产与圆管冷定径工艺的开发
 

辊式被动推挤冷弯成形工艺的探索与应用
――圆变方异型管生产与圆管冷定径工艺的开发

张培兰 马丽 付朋

   摘要: 概述了方矩型钢管等闭口型材冷弯变形的几个理论要点,简要介绍了辊式被动推挤圆变方冷弯成形工艺和圆钢管冷定径工艺。
   关键词: 辊式被动推挤、冷弯成形、圆变方、异型管、焊管、无缝管、冷定径
  1、前 言
  用辊式冷弯推挤变形,将圆形焊接管或无缝钢管加工成方形、矩形等异型管的方法,和冲压、折弯、拉拔等变形方法一样,也是金属压力加工范畴中的一种冷弯成形加工工艺。根据轧辊的动力传动方式,辊式冷弯成形又分为主动式和被动式两大类型。当前国内外由电动机带动轧辊的主动式冷弯机组应用比较普遍,仅国内就有机组约2000多套。冷弯型钢年生产能力达2000多万吨。其中大部分机组是以钢板为原料,辊压弯制为圆形管材或异型开口板材。用来生产方形矩形等异型管材的机组相对比较少,大中型机组全国仅有十多套。而利用辊式被动推挤圆变方冷弯技术的异型管成形机组在国内则更为稀少。仅有天冿钢管公司、秦皇岛东洋公司和苏南异型3套机组。
  当前在国内外经济社会日趋个性化发展的浪潮中,异型钢管作为更能恰当满足不同受力情况的经济断面型材,越来越受到人们的关注。适应建筑钢结构、桥梁、造船、机车车辆、机械加工等工业现代化的发展,各种异型钢管特别是大规格、厚壁方型、矩型钢管需求量日趋攀升。自2000年美国“911” 以后,世界各国材料专家苦心致力于对表面积小、大规格、厚壁、高刚度、高强度、耐火性强的建筑钢结构型材的开发。普遍关注于对方形和矩形钢管性能和生产工艺技术的研究。2003年国内天津钢管公司率先投建的RSH-500型被动辊式圆变方异型管冷成形生产线也正是为此应时而生。它以边长50-500毫米超宽产品规格范围和4-30毫米壁厚的大适应幅度,不仅填补了我国在这一专业领域上的空缺,而且成为至今世界辊压冷弯圆变方成形边长最大,壁厚最厚的生产机组。近年来在方、矩管生产基础上,天冿钢管公司利用该机组又成功开发出大口径钢管冷定径工艺。不仅实现了一机多用,而且定径精度高于国家标准。随着方、矩管应用市场的不断扩展,随着无缝钢管规格系列的不断拓宽,天冿钢管公司的大量高性能高质量新产品已源源不断的供应国内外的企业和工程。这一成功,必将会让业内人士重新审视这个一度曾被认为不宜推广发展的被动辊式圆变方异型管冷成形技术。也必然会把这一技术的深入研发推向新的高潮。
  2、闭口型材冷弯成形的几个理论依据
  闭口断面型材也称为空心型材。最常用的闭口型材主要有圆管、方管和矩型管等对称截面型材。对于闭口型材的断面冷弯加工从工艺上讲是个复杂的变形过程,至今尚无完整的理论来诠译、解析。往往仅能依据经验的积累来确定变形条件与基本参数。业内一些专家曾借助于型钢碾轧变形理论中的压下量、宽展、延伸系数、孔型系等一些概念来分析圆变方等闭口型材的工艺过程,实际运用中却并不贴切。闭口型材壁厚方向不受限制是给变形和受力分析增加难度的主要原因。为此本文也仅能从几个基本相关要点作简要分析;以工艺实践介绍作为主要内容断面
  2、1中性线周长不变规律
  断面中性线周长不变规律,是圆变方等冷弯成形过程中进行变形分析、原料选择、轧辊设计、成品质量控制的出发点和工艺参数的计算基础。金属的冷弯成形加工实质上是控制改变金属变形断面相关部位的曲率,达到要求的过程。这一过程。必然要伴随横截面内外层面拉伸或压缩形变发生。曲率增大部分,外层材料受拉,内层受压。内外层材料中间必然存在有一个层面上径向应力为0。这些断面径向应力为0的点连接起来既为截面的中性层。是周长不变层面。平钢板和圆管的中性层在1/2板厚位置。当断面变形部分的位伸和压缩应力超过材料屈服极限,小于断裂极限时既发生永久性塑性变形,达到冷弯之目的。冷弯实践证明,随材料弯曲变形的进行,中性层面将向曲面圆心方向偏移。其偏移量e值可按如下理论公式计算:
  
  式中: S-材料厚度mm
     R-材料内壁的弯曲半径mm
  从上式可以看出材料厚度越大,弯曲的内圆角半径越小,中性层偏移量越大。另外为防止材料发生弯曲断裂,R的选择应受最小弯曲半径限制。(见2.3的内容)
  在径厚比D/S相对较大,并按照弯曲半径约束条件进行圆变方冷弯变形时,e值和S/2值相对D来说都是较小值,为此可以大略视为圆管外径周长不变而仅是被稍加压缩了一下。采用圆管外径周长压缩系数ξ,表示管材变形过程中外径周长的变动率;
  
  方矩管生产实践中,圆管的外径周长压缩系数一般仅为1.009-1.02之间。并可用此公式推算原料钢管的直径。

  2、2 纵向微量延伸规律
  在被动推挤变形方式中,动力缘自于对原料管材施加的纵向推力。这一纵向力会在材料上产生较大的压应力。虽然不足以超过材料的屈服限而产生塑性变形。但在整个机组各机架间变形管材上的纵向压力将阻碍截面径向形变时材料的前后滑。而且中空管材壁厚方向无约束,断面径向弯曲变形的不均匀造成相邻部份相互的制约,这些因素都严重限制了管材的纵向延伸,从而使这一变形过程近似于二维形变。尽管在圆变方过程中也采用了近似于型钢轧制的箱形孔型,也给予足够大的道次压下量,限制了宽展,但纵向延伸却很小。大量生产实践中得出方矩管成形过程总延伸系数仅为1.004-1.02。
  如推制Q345、长12米、200×200、壁厚24毫米方管时,成品长度延伸量不足200毫米。推制Q235、长8米、60×60、壁厚5毫米方管时,成品长度延伸量约为40毫米。

  2、3 最小弯曲角度半径选择的限制
  冷弯成型时的弯曲变形要受材料极限变形率既极限延伸率的限制。否则在弯曲处将出现裂纹或折断。材料的弯曲变形,角部最外层金属纤维受拉应力最大,也既成为最易被破坏层面。而这一拉应力的变化是随弯曲曲率半径的减小而增大的。金属材料允许的最小弯曲半径Rmin 理论计算公式为:
  
  式中:R min-最小允许弯曲半径mm
   S- 材料的厚度  mm
  δs-金属材料极限延伸率
  常用结构钢的极限延伸率举例如下:
  10#钢     δs = 31%
  20#钢     δs = 25%
  16Mn钢     δs = 21%
  在设定圆变方工艺时可用以上公式,作为选择方矩管截面角部弯曲半径的依据。在冷弯行业中,国际上各国方矩管标准,不但对材料成份机械性能等条件进行了约束,而且也按管材的材质、壁厚给定出弯角外圆弧半径的限制。
  以我国结构用冷弯空心型钢国标GB/T6728-2002中的规定为例:
  角部外圆弧半径R值
  壁厚t(mm)   碳素钢(σs≤320MPa)   低合 钢(σs>320MPa)
  t≤3      1.0-2.5t      1.5-2.5t
  3<t≤6     1.5-2.5t      2.0-3.0t
  6<t≤10    2.0-3.0t      2.0-3.5t
  t>10      2.0-3.5t      2.5-4.0t

  2、4冷弯型钢力学性能的特点
  金属的冷弯成型是材料断面各部塑性为主的不均匀变形过程。从金属的强度理论出发,金属的冷弯塑性形变的冷作硬化作用,会使材料屈服极限提高。圆变方过程中方矩管的角部变形远大于各边的变形量。自然各部分的机械强度虽然都有提高,但差别也比较大。从经验上讲,冷弯方矩型钢管的总体屈服极限大约可比原料管提高10-15%。这对于结构管材来讲是有益的。正因以上各项原因,在国内外冷弯行业标准中都明确规定:“对于冷弯方矩管不作成品力学性能检验。只以原料管材力学性能作为参考值”。
  另外方矩异型管因其截面对称、形变对称,虽然冷弯变形后存留有较大的残余应力,但一般也不会发生时效弯扭。所以在国内外行业标准中未对变形后管材消除内应力方面作任何规定。

  1、辊式被动推挤圆变方技术特点

  方矩钢管冷弯成形技术属于二次成材冷加工工艺。当前无论是主动送料的辊式成形技术,还是压力折弯成形技术都囿于原料的送进能力和原料板材折弯能力的限制而制约了成品方矩管壁厚的提高。也既制约了需要一定径厚比的大口径厚壁结构方矩管的开发。辊式被动推挤圆变方工艺靠组合在一起的高刚度万能辊式成形机架和大推力推进机较好的解决了这一难题。从产品的规格和壁厚上把这一冷加工技术带上一个新的高度。
  3、1
设备组成特点

  RSH-500圆变方异型钢管生产线是采用辊式被动推挤技术的典型设备。目标产品是大规格厚壁方矩等异型管。机组改变了传统辊式机组的平立相间的多机架配置,省略了轧辊动力传入装置和原料夹送装置。仅使用了四架万能成型机架、一架矫直矫正机(土耳其头) 和一台双缸液压推进机构成了整个机组。纵向推力是整个变形机组的原功力。为适应高强度、高刚度产品生产需要,配置的液压推进机推力需达250-300吨,工作速度可达4-5米/分。实践证明该动力足以将φ630壁厚30毫米的Q345钢管推挤成形。四架高刚度万能成形机架采用平立辊对称同平面布置。并具有平立辊位的互换性,能组成全封闭孔型,有利于在大轧制力下保持高刚度、高精度轧制和对于组合辊系的换位使用。矫直矫正机是产品的矫形设备,具有同样平立辊对称同平面布置的辊架。放置在生产线的未端,其最主要功能在于对产品扭转的矫正。成品管材的直度必须靠各架次孔型调整的同轴度来保证。
  这样的机组简单、简洁。虽然单台年生产能力仅有3-5万吨,但设备的重量,动力消耗与造价也比传统辊式设备低数倍,甚至更多。

  3、2 工艺技术特点

  圆变方技术虽然从变形理论、受力分析上讲是个复杂的课题。但在生产工艺实践中却并非如此,尤其是辊式被动推挤技术的采用,更简单的解决了机架间速度的匹配问题。高刚度机架、大截面压下丝杠、稳定快速的推进速度对于生产效率、产品精度、质量稳定性起到了可靠的保证作用。该工艺技术的变形机理简单易懂,工艺工具配置低。在道次压下量分配、轧辊选用、辊位放置等方面都给操作者留有更多灵活创新发挥的余地。
  该工艺在低能耗的前提下,更能实现国家冷弯协会多次年会中提出的发展大规格特别是厚壁方矩结构钢管的宗旨。应该讲该工艺技术更适应于当今社会个性化市场需求。
  2、圆变方异型管生产工艺

  在圆变方异型管工艺技术中主要涉及的是标准选用、原料选定、钢管压下量公配、轧辊及辊系设计等几大项问题。
  4、1标准选用
  为对冷弯方矩管进行生产控制和产品质量评定,在国际上各国都根据生产实践与使用要求制订了比较完善的产品标准。如欧盟的EN10219-1;1997、原西德的DIN 59411-1978、美国的ANSIG 24-21、日本的JISG3466-1982等等。我国经过多年实践,也再次修订了相关的冷弯方矩管、圆管国家标准。
    GB/T6725-2000《冷弯型钢》标准
    GB/T6728-2002《结构用冷弯空心形钢尺寸、外形、重量及允许偏差》标准。
  其中《冷弯型钢》标准的主要内容是对冷弯开口、闭口型材综合性的技术要求。特别明确了冷弯型钢材料使用上的技术规范与材料质量控制执行标准。具体为:
    GB/T699-88    《优质碳素结构钢》
    GB/T700-88    《碳素结构钢》
    GB/T1591-94    《低合金高强度结构钢》
    GB/T4171-2000   《高耐候性结构钢》
    GB/T4239     《不锈钢冷轧带钢》
  《结构用冷弯空心型钢尺寸外型重量及允许偏差》标准,是包括圆型管方型管和矩型管在内的空心结构型钢的标准规范。是目前国内对以各种冷弯方法生产的结构方矩管的唯一标准。虽然该标准中比较详细的规范了方矩管代号、几何尺寸、重量及允许偏差等内容。但因该标准是基于以钢板为原料的主动辊压成形技术拟定的。所以壁厚、规格受到较大制约,最厚仅达到16mm。而且壁厚公差也无法适应无缝方矩管的生产。此标准对于厚壁管和无缝管圆变方生产仅能是参照而已。

  4、2 原料的选择

  圆变方异型管生产所使用原料为焊管或无缝钢管。其规格的选用是按照前面2、1款中阐明的原料管直径计算方法选取。具体计算过程如下。
  成品方矩管的外周长L周计算公式为:

    L周 = 2(A+B)-8R+2πR = 2(A+B)-1.7168×R
            
      式中: L周-方矩管外周长mm。
         A、B -分别为方矩管的两个边长mm,对于方管则A=B。
         R-按照标准规定,以管壁厚分档选取的弯曲圆角半径
  原料钢管直径规格φ原的确定由下式得出:
        
  式中ξ-原料钢管外径周长压缩系数,一般取1.009-1.02之间,原料管刚度大取小值。
  但是无论是焊管还是无缝钢管规格系列的空档间隔都比较大。在进行工艺编排中,可以用调整角部曲率半径和利用边长允许公差的方法
,选取适当原料钢管的直径。
  
  其中  A1  B1 -分别为方矩型管两边的长度负允差。
      A2  B2 -分别为方矩型管两边的长度正允差。
      R大、R小-分别为标准中根据壁厚,允许选取的方矩管最大和最小圆角半径。
  4、3 钢管变形量的分配
   由原料钢管变形为方矩管的总压下量为 h总
   h总=原料钢管直径-方矩管边长
  (对于矩形管长边h总可能为负值,表现为胀大。)
  在4架变形机架和矫直矫正机架中水平辊各道次压下量分配为:
      第一架 压下量  h1  50%  h总
      第二架     h2  30%  h总
      第三架     h3  20%  h总
      第四架     h4  0
      矫直矫正机架  h5  0
  其中 h1- h5为各道次分配压下量。
  立辊道次压下量分配;对于方管与水平辊的分配方法相同。对于矩型管则按相同比例进行压下或放开分配。
  4、4 轧辊设计及辊系设置
  在轧辊及辊系设计中根据对成品变形的要求,考虑如下几点:
  1、 考虑方矩管的成形对称与角部切分准确。同时考虑控制成边部分原料曲率增大变形程度,前两道次轧辊应设计为对称凹圆弧面。但圆弧弦高考虑多品种共用的前提,应尽量短一些。
  2、 机组第四道次是管材表面精整道次。在这一道次前管材已基本完成变形。考虑出机组后材料的弹复,在这道次中稍给于负压下。既采用凸圆弧面。按产品规格大小选择弦高为1.5-4.5mm。其余第三道和第五道均为平辊。
  3、 为增加轧辊的配组功能和共同性,应尽量加大辊缝,既利用管材在孔形中的不充满度,作为同一轧辊生产不同规格品种的调整量。具体概念如下图示:
            
  4、辊宽边缘是易于在成品表面留下压痕或刻痕的部位,必须让辊宽大于相应边长减两个弯角圆弧半径。既使辊宽大于边长平直段。
  公式; 辊宽>A(或B) -2R
  5、水平辊宽设定大于品种规格。立辊应尽量窄,但应付合上式要求。辊系配置时因考虑方矩管规格很多。为实现一辊多用减少配置量。机组虽设定水平辊与立辊之分。但仍可成对换规格、换辊位配组。
  6、常规惯例使用的方矩管壁厚是随规格大小而增加的。则轧辊缝也可按此比例增大,为此我们选择的辊系配置为:
       全套辊  100×100    立辊  60
            200×200       150
            300×300       250
            450×450       350
  经过几年生产证明该辊系基本能适应满足各种规格方矩管的生产。
  7、 轧辊采用的材质可以是GCr15调质钢,表面淬火。也可使用45#调质钢和Ni Cr球墨无限冷硬铸铁。我们依据定单批量的大小,从经济的角度分别都进行过选用。效果也都比较理想。
  4、5生产操作调整要点
  1、 配辊与压下量要求都不是一程不变的,可根据产品特点将道次压下量加大或减少。如进行80×80×6方管时就可以仅用两架次完成变形。
  2、 各道次孔型中心线调整必须保证同轴度,才能保证管材成品直度。仅靠土耳其头难于保证。
  3、 设备自身有返回功能,在开始调试孔型时,可按轧后拉回的样管实际尺寸进行定量调整。
  3、圆管冷定径工艺的开发
  
近年来应对天津钢管公司新开发的焊管、热扩管、不锈管等多品种小批量、宽规格范围、但高质量标准管材的定径需求,在该成形机组上我们成功开发出圆钢管冷定径功能。定径直径范围已达200-530mm, 定径精度可达直径±0.4-0.6%。从而拓宽了辊式被动推挤冷弯成形工艺的思路。
  5、1 冷定径工艺开发的理论与实践
  1、 依据钢管冷拨理论来看待辊式被动推挤变形过程,既改原冷拨时的滑动模具为滚动模具,改对管材的拉力为推力。定径变形过程为空推,管内不设置芯棒。
  2、 轧辊采用正圆孔型,既不按照热轧定径孔型设计。因孔型由4辊分解,对应圆心角小于等于90°。对原料夹持限制小,故可不考虑在两侧修削坡口。
  3、 在推挤力计算中,虽然与冷拨相比辊式推挤纵向力可减小30-40%。但工艺计算时考虑加大可靠度仍按冷拨变形拨制力经验公式计算。冷拨拨制力计算公式为:  P=K( F0—F1 )
        式中  P-拨制力    公斤
            K-拨制力系数  公斤/mm2
            F0—F1-拨制前和拨制后钢管截面积mm2
  由实践中得出的拨制力系数K取值表

钢 种

无芯棒拨制 K值 公斤/mm

10   15   20

63.7-73.6

35   45   15Cr

88.3-98.0

40Cr   15MnV   35CrMo

137.3-147.1


  4、定径过程减径量相对较小,故可不考虑壁厚增厚因素。为降低管材冷作硬化作用。我们控制原料管减径余量不超过6mm。同时加大轧辊辊缝,以应对较大的轧辊过钢弹跳。一般辊缝定为10-14mm. 防止辊缝处出现凸压痕,可将相邻机架辊缝错开,既辊缘锥角定为非45°设置。
  5、 因为定径减径量很小,可以在1至2个机架上完成。但为保证定径后钢管直度。起码应有三个机架参加定径过程。

结束语
  我们虽然首先开发了辊式被动推挤冷弯成形机组,并在此机组上成功探索了圆变方成形和钢管冷定径工艺。我们虽然已有成批高质量产品供应国内外市场,并把产品的规格推向行业的最顶层。但是我们对工艺理论的探讨仍然很肤浅。我们仍然仅仅是开始,我们期望业内人士和各位专家的批评指正。

作者介绍
  张培兰 1945年7月出生    天津钢管公司实业开发公司教授级高工,当前主要从事钢管深加工工艺设备研究开发。
  马丽  1963年3月出生    大连三高应用技术公司副经理 高工 从事冶金机械设计研发制造。
  付朋  1975年9月出生    德州亚星管道设备厂经理  工程师  从事钢管热扩径及管道深加工设备的研发制造。

参考文献
1、《冷弯型钢生产及应用》王先进主编 冶金工业出版社 1994.8
2、《小型无缝钢管生产》韩观昌、李连诗著 冶金工业出版社1990
3、《中国冷弯型钢生产面临第二次发展高潮》丁国良著 2003
  年中国国际冷弯型钢技术设备研讨会论文集 2003年12

 
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