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如何計算薄鋼闆精密冷彎成形的中性層?

  冷彎型鋼具有節約材料與能源、剛度大等特點得到越來越廣泛應用,而輥彎成形技術有着生産效率高,精度高,在20世紀80年代中後期得以快速發展,國内大量引進意大利先進技術和設備,國内冷彎成形設備制造行業也得到快速發展。如何更好地吸收消化引進技術,掌握精密冷彎成形軋輥設計等核心技術,開發更為先進的冷彎成形設備,生産出更高精度的精密冷彎型鋼,是擺在我們面前的艱巨任務。滾彎型鋼的精度完全由軋輥保證,隻有透徹地了解冷彎成形機理、變形規律,并借助計算機技術更好地設計加工出高精度冷彎型鋼,尤其是閉口的冷彎型鋼。

  在連續滾彎成形中,對≤2mm薄闆型鋼精度要求很高,尺寸精度一般要求小于±0.2mm,尤其是對于彩色塗層鋼闆,必須認真考慮鋼闆在彎曲變形中的長度延伸問題,闆材在彎曲過程中,中心線長度在不斷伸長,每一個變形處的中心點在不斷變化,在之前各道變形時就必須事先計算出以後各道各處變形的延伸量,以保證各變形處中心線在實際生産中始終是一條重合的線。如果按照固定展開長度計算,會因為彎曲變形的不斷進行,各變形處中心點不斷外移,造成各變形處的實際變形中心線成多條線,不但會造成尺寸誤差,對彩色塗層鋼闆由于實際變形中心的不斷變化,造成局部材料反複彎曲,塗層容易脫落。每一道每一處的變形,必須計算出變形處的延伸量,并按延伸後的長度确定變形點位置,這樣精密冷彎軋輥的設計比簡單計算要複雜的多。那麼各變形點延伸量是多少,怎樣計算,本文通過受力分析,推算出了與很多經驗數據吻合的計算公式,這樣可以很方便地運用計算程序,自動計算各道變形的滾花圖和展開長度。

  近年來,國内很多院校和企業都在探索冷彎成形技術,北京工業學院較早地開展研究,引進了意大利copra冷彎成形軋輥設計軟件,并進行了國産化。對企業生産很有幫助。但是要研究開發出我們自己的軋輥設計技術,就必須深入研究鋼闆冷塑性變形機理,才能更準确地把握冷彎成形規律。

低碳鋼拉伸壓縮應力應變性能分析

  鋼闆在彎曲變形時,中性層外側材料承受着拉應力,中性層内側材料承受着壓應力,中性層既不受拉也不受壓,應力為零。在研究鋼材彎曲變形之前,研究鋼材應力應變規律,有助于我們分析研究彎曲變形的規律。

  以Q235鋼材為例,通過拉伸和壓縮變形試驗來分析鋼材變形規律。

拉伸變形

  鋼材拉伸變形經曆三個階段,即彈性變形階段、屈服變形階段及應變強化階段。

  (1)彈性變形階段 在外加應力不大的情況下,應力應變按照線性進行變化,應力應變符合胡克定律。當外加應力撤銷後,材料變形将會消失,不會産生永久變形。σ=Eε,式中E為彈性模量,對于低碳鋼 E=200GPa。

  (2)屈服階段 當應力達到屈服極限後,在應力持續作用下,應變不斷增大,應力幾乎不變,Q235鋼σs為400MPa。材料屈服之後,外加應力撤銷後,應變将不會完全消失,将會産生永久變形。

  (3)應變強化階段 材料發生屈服變形後,繼續施加外力,應力會開始随着應變增加而增加,這種随着變形增大而應力随之增大的現象就是應變強化,也就是冷作硬化現象。

壓縮變形

  壓縮變形在彈性變形階段與拉伸一樣,應力應變成線性變化,符合胡克定律。到達屈服之後,由于材料不但在受力方向受壓,同時在其他兩個方向變形也受到了極大約束,同樣應變需要更大應力變形才能繼續,硬化速度要比拉伸快很多。

低碳鋼闆彎曲應力應變分

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  彈性變形階段

  鋼闆在彎曲變形時,在彎曲半徑比較大時,變形屬于彈性變形,材料外側承受着拉應力和拉伸應變,内側承受着壓應力和壓縮應變,應力應變的中性層,即應力應變為零的曲面與物理中性層重合。同時應力應變符合虎克定律。

  彈塑性變形階段

  随着彎曲半徑減小,變形界面上的應力增大,内外層表面應力最大,并首先進入屈服階段,屈服範圍由表及裡最終内外層全部達到屈服,屈服後繼續變形,應力将繼續增大,出現變形硬化現象。

  塑性變形階段

  當中性層附近的材料也屈服後,整個界面進入塑性變形階段。

  彎曲變形外側拉伸變形基本與普通拉伸變形曲線重合,但是内層壓縮變形在屈服後,由于材料在三維方向變形都受到了極大約束,所以壓縮塑變硬化速度明顯比普通壓縮快得多。

  鋼闆彎曲塑性變形分析

  由低碳鋼拉伸壓縮應力應變曲線可看出,拉伸曲線在材料屈服後,應力随應變增大很少,最大不超過10%,為計算分析方便可以簡化為一條水平直線。

  彎曲壓縮在材料屈服後,随着變形量增大應力也幾乎按比例增加,把此曲線按斜線簡化,平均誤差不超過4%。

  雖然塑性變形階段彎曲斷面的應力分布是不連續的,但是變形截面按照材料的連續性原則,變形還是符合平面變形假設。即變形截面上的應變與偏離中性層的距離成正比。

  精密冷彎成形各變形處所發生的變形都是塑性變形(當然塑性變形中也有彈性變形,也就是變形後能夠回彈的那部分變形,但所占比例非常小,不超過5‰,與塑性變形量相比,可忽略不計),這樣拉伸塑性變形和壓縮塑性變形的起點都在(0,σs)點。

  将計算K1、K與卡爾特普羅菲爾經驗數據KK作曲線,可看出K曲線連續性很好,且在彎曲半徑較小時與卡爾特普羅菲爾經驗曲線幾乎重合,而卡爾特普羅菲爾數據僅在r/t小于1.5時才比較符合實際,而r/t大于1.5數據是很粗燥的。K1曲線r/t大于于6.5時,與K非常接近,而在r/t小于6.5時都大于K1和KK,K曲線應該說是K1和KK的拟合曲線,所以更具有應用價值。且計算式簡單又好記,所以這個計算式是一個比以前任何一種查表數據和分段式計算式都要好用,可很方便地帶入計算機程序中,自動計算彎曲變形中性層。且經過我們長期應用考證和實際測量數據非常吻合。

實際應用

  按照計算式精密冷彎型材的中性層精度很高,誤差不超過3%, 2802精密冷彎型材,闆厚為1.0mm,材料為Q235彩色塗層鋼闆,按照不計中性層位移展開長度為155.84mm,而實際展開長度隻要150mm。

2.jpg

  從A端起,各段理論展開長度及總展開長度計算得Lo =155.92mm。冷彎成形時直線段尺寸是不變的,隻是圓弧部分會有延伸,各段弧線彎曲時實際需要寬度和理論展開長度對比計算如下。

  (1)按理論中性層,彎曲半徑1mm,曲線理論長度L1.0=r/180=11.07mm,實際彎曲内徑r=0.5,t=1.0,r/t=0.5,K= 1/(2+0.8t/r)計算K =0.278。實際中性層彎曲半徑ρ=r+Kt=0.5+0.278×1.0=0.778。實際中性層長度S1.0=ρ/180=8.61mm。差值△1.0 = L1.0- S1.0 = 11.07-8.61=2.46mm。

  (2)彎曲半徑1.3mm,曲線理論長度L1.3 = 13.50mm,實際中性層長度S1.3 = 11.77mm,差值△1.3 = 13.50-11.77=1.73mm。

  (4)彎曲半徑1.5mm共2處,曲線理論長度L1.5 = 9.79mm,實際中性層長度S1.5=8.86mm,差值△1.5 = 13.50-11.77=0.930mm。

  (5)彎曲半徑2.5mm共1處,曲線理論長度L2.5=2.31mm,實際中性層長度S2.5=2.24mm,差值△2.5=2.31-2.04=0.07mm。

  以上全部理論與實際展開長度差值合計為5.19mm。那麼冷彎變形之前應該用155.92-5.19=150.73mm。實際生産用鋼帶寬度為150.5mm,冷彎成品尺寸及形狀準确,尺寸公差在±0.10mm以内,咬口飽滿。理論計算與實際生産誤差=(150.73-150.5)×100/150.73=0.15%。


結語

  冷彎成形技術是一種節省材料、節約能源、高效率的金屬成形工藝,通過順序配置多道次成形軋輥,把闆材連續地橫向彎曲,能夠加工出力學性能好、表面質量高、尺寸精确的高附加值産品。精密計算鋼帶的展長對冷彎成形相當重要,中性層計算分析為冷彎成形提供了便利,通過實際應用産品表面光潔、外觀好、尺寸精确,且提高了材料的利用率。


如何計算薄鋼闆精密冷彎成形的中性層? 2018-10-9 本文被閱讀 1608 次
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