冷軋帶鋼彎曲起皺問題研究

朱秋菊 任光合 孫樹金

摘要：大型鋼廠生產的冷軋帶鋼質量較為穩定，但是價格較高。小型鋼廠生產的冷軋帶鋼價格相對便宜，但是質量波動范圍較大，生產使用時的彎曲狀況不很理想，經常會出現腹部凹凸、邊部波浪等缺陷，為提高產品質量，降低生產成本，本文對冷軋鋼帶彎曲起皺的問題深入研究，并對彎取成型設備提出相關改進建議。

關鍵詞：冷軋帶鋼；彎曲起皺；螺旋排水管

前言

鋼帶增強聚乙烯螺旋排水管將鋼帶的高剛度和聚乙烯的高防腐性實現了統一，在農村城鎮化建設及污水處理工程中具有較大的應用空間。鋼帶在產品中的主要作用是提高產品的環剛度，因此在實際生產中，鋼帶屈服強度越高，生產出的管材環剛度就越高。但當鋼帶厚度超過1.2mm（DN1000以上規格）時，經常會出現腹部凹凸、邊部波浪等缺陷，影響了產品外觀，降低了鋼帶與內外片的粘接質量，易出現廢品。因此，為保證產品的質量，需對所采購的帶鋼性能做一定的要求：拉伸強度290Mpa～420Mpa，屈服強度190～340Mpa，斷裂伸長率≥30%。經過多次試驗，小型鋼廠的帶鋼不能滿足生產要求，只能從大型鋼廠訂購或從分銷商手中采購，無形中增加了產品成本。

1.帶鋼材質性能分析

目前，行業內常用的冷軋帶鋼有Q195、ST12、08AL，其中Q195價格相對便宜，應用較為廣泛。三種材質的化學成分詳見表1。

表1 冷軋帶鋼化學成分及性能參數表

牌號 化學成分（%） 機械性能 備注

抗拉強度（Mpa） 屈服強度（Mpa） 延伸率（%）

Q195 C：0.06-0.12；Mn：0.25-0.50；Si：0.12～0.30；S：≤0.050；P：≤0.045 315～430MPa ≥195Mpa ≥33% 中國標準牌號

ST12 C≤0.10；Mn≤0.50；P≤0.035；S≤0.035；Alt a≥0.020 270～410Mpa 177～280MPa ≥28% 德國標準牌號

08AL C：0.05～0.11；Mn：0.25～0.65；Si：≤0.03；S：≤0.035；P≤0.035；Al：≤0.02～0.07；Cr：≤0.10；Ni：≤0.30 ≥325Mpa ≥185Mpa ≥33% 中國標準牌號

P和S是鋼中的有害元素，P易導致鋼出現 “冷脆性”現象，S易導致鋼出現“熱脆性”現象。Si和Mn通常是在煉鋼后期作為脫氧劑加入鋼水中而殘留下來的，可提高鋼的強度和硬度，是鋼中的有益元素[1]。Q195中含S、P相對較高，故其塑性相對低。一般情況下，Q195鋼帶的生產是由冷軋鋼廠購買熱軋或正火狀態的熱軋鋼板，軋制成相應規格后以退火狀態交貨，退火用于改善冷軋過程中的冷作硬化現象，但由于工藝和技術所限，小型鋼廠生產的Q195冷軋鋼帶具有屈服強度偏高的特點。

2.冷彎成型研究現狀

在鋼帶增強螺旋波紋管的性能指標中，環剛度指標尤其重要，它是表征管道抗外壓負載能力的綜合參數。它與帶鋼的彈性模量及截面慣性矩成正比，與管材的內徑成反比。管材的直徑是由客戶需求決定的，所以提高管材的環剛度，只能通過采用高彈性模量的鋼帶材料或增大波形的截面慣性矩的方式。通常，鋼帶的材質確定，其彈性模量基本上是確定的，故影響螺旋管環剛度的因素只有只有截面慣性矩。常見的波形截面有U形、梯形及Ω形，我公司產品采用Ω形截面。

使帶鋼成型為Ω形，沖壓和冷彎成型是國內外常采用的方式，其中輥彎成型又是冷彎成型的常見方式。國內冷加工業常見的有三輥彎曲機、四輥彎曲機和六輥彎曲機。其中三輥彎曲機原理是利用三點確定一個圓，與彎曲半徑垂直的弦相交于一點來保證彎曲半徑的均勻，其中又分為兌成式和不對稱式兩種，其中對稱式的不能連續彎曲，工作效率較低。四輥彎曲機曲率半徑調節范圍較大，分為側輥進給式、側輥擺動式、副輥擺動式等幾種形式。其中，側輥進給式也不能連續生產，應用并不普遍。六輥彎曲機主要分為擺動式和對輥式。對輥式六輥彎曲機原則上也屬于擺動式彎曲機的一種，主要是靠三組相互對應的輥輪逐步成型，其曲率半徑由滾輪的安裝位置確定，中間有滑道保持鋼帶的導向，便于下一組滾輪的咬入，上下輥輪均為驅動輪，從而實現鋼帶的連續彎曲成型[2]。

3.帶材滾彎成型應力分析

（a）變形應力 （b）彎曲應力

圖1波形彎曲應力分析

如圖1（a）所示彎曲變形主要發生在彎曲帶中心角φ范圍內，彎曲帶以外直邊部分離彎曲部分越遠，變形越小，底板部分的彎曲與此類同。彎曲時，凹模外側的切線方向的纖維受拉伸長，而靠近凸模的內側纖維在切線方向受到壓縮變短，中性層纖維不變。當彎曲半徑與板厚之比r/t≤4時，變形區會變薄。

由于我公司采用的的鋼帶為寬鋼帶（b/T>3），彎曲變形時只在長度和厚度方向上產生應變，即上圖中的ε1和ε2，在彎曲變形時在長度和厚度的應變區內產生應力，即σ1和σ2。寬度方向的應變內外相互限制抵消，外側的材料橫向收縮受阻產生拉應力，內側產生壓應力，即圖1（a）中的σ3。

在彎曲成形時，滾輪組相當于模具，對板帶產生了力的作用，在波形與底板上產生了誘發應力，如圖1（b）所示。此處的誘發應力與滾壓預成形處產生的應力σ1、σ2、σ3疊加，有可能引起的變形缺陷是：波峰處可能因拉應力過度產生開裂，底板可能在壓應力作用下失穩起皺[3]。

4.改進措施

（a） 增加滾輪組 （b） 使用彈性滾輪

圖2 改進方案

4.1增加滾輪組：無論何種彎曲方式，變形時均遵循“弱區先變形，變形區為弱區”的原則。板料在彎曲過程中，彎曲半徑逐漸減小，彎曲變形過程中板料與凹輥之間產生相對滑移，最后三者完全壓緊，進行校正彎曲成型。當鋼帶的屈服強度過高時，若一次性彎曲量過大，使彎曲力超過鋼帶所能承受的極限，會導致底板失穩起皺。針對此問題，可嘗試逐步成形工藝來完成鋼帶的滾彎成形，現有滾彎機為3對滾輪，可以適當增加1到2組滾輪，減小每工步得得彎曲角，如圖2（a）所示。前兩組滾輪弧度R值較大，后兩組逐步減小R值。

4.2采用柔性滾輪：將下滾輪換成橡膠輪（如圖2（b）所示），在成型力作用下，剛性輪會將彈性輪壓出一定變形量，其優點在于在滾彎系統中引入了一個彈性體，對工件產生較大的包角，從而使工件受到分布力而得以逐漸屈服，適宜輥彎高強材料。

實際滾彎過程分為加載成型階段、曲率恒定階段、卸載回彈階段。加載成型階段，鋼帶首先與橡膠輪接觸，鋼帶受力和彎矩隨進給逐漸增大。鋼帶同時與上下滾輪都接觸時，進入曲率恒定階段，鋼帶截面應力、 應變分布保持不變。鋼帶離開剛性輪，其上的力開始減小，進入卸載回彈階段，到鋼帶完全離開彈性輪，其內部的彈性應變能全部釋放，板帶最終成型。

5.結束語

本文結合實際生產問題，就冷軋薄帶鋼在進行異形輥彎成型起皺的問題進行了探討，分別從鋼帶材質、彎曲成形、應力分析等三個方面進行了分析，最后給出了有益于改善起皺的改進措施，對彎曲裝置的優化具有一定的指導意義。

參考文獻：

[1]鄒慶化. 鋼的成分.回火溫度與硬度之間的關系[J].金屬熱處理，1994，（3）：41-43.

[2]韓飛，劉繼英，艾正青等. 輥彎成型技術理論及應用研究現狀[J]. 塑性工程學報，2010，17（5）：53-59.

[3]朱慧濤，馬蘇常.基于TRIZ和QFD的彎曲機概念設計中的QFD分析[J].科技信息，2013，（9）：121-123.