超高強鋼U形截面起重臂成形工藝研究

四川長江工程起重機有限責任公司（瀘州 646006）曾芳英 張 成

近年來，我國經濟進入突飛猛進的發展期，作為經濟發展基石的機械工業也隨之取得了飛速發展。市場對現代工程機械、起重機械等焊接結構機械裝備要求日益大型化、輕量化，為傳統起重機行業提出了更高要求。為適應市場發展的需求，公司迫在眉睫需要研究單缸插銷式起重機吊臂伸縮技術，達到傳統雙缸鋼絲繩伸縮無法實現的特殊功能。

為此，對大噸位起重機中關鍵受力構件起重臂要求高，材料選用不僅要具有良好的綜合力學性能，還要有良好的工藝性能，如彎曲性、焊接性、切削加工性等。此時，普通碳素鋼已經不能滿足結構性能需要，所以材料選用瑞典鋼鐵公司生產的超高強鋼WELDOX1100。同時，設計者按GB/T3811-2008《起重機設計規范》，采用許用應力法在受力最大工況下各危險截面受力狀況進行全面計算分析和獨特外觀的綜合要求，設計出某新產品單缸插銷式起重機吊臂截面形狀為U形。但U形截面起重機吊臂成形方法，以及超高強鋼WELDOX1100材料彎曲加工工藝性對我公司來說還是一片空白。為保證新產品順利研發，筆者在樣機生產前進行了大量的彎曲工藝試驗研究。

一、產品結構及技術要求

我公司某新產品單缸插銷起重機吊臂由6節臂組成，其中某節臂筒體結構示意如圖1所示，材料均選瑞典進口超高強度結構鋼WELDOX1100δ≤10mm板厚的上下槽板焊接而成，其中最長的節臂為12 000mm。技術要求：筒體上平面、左右側面的平面度誤差不大于1/1000。左右側面的平行度誤差不大于1.5mm。左右側面對上平面在任何截面上的垂直度誤差不大于1.5mm。臂軸線的直線度誤差不大于0.5/1000，且在水平面垂直平面內的直線度誤差不大于2mm。

圖1

二、工藝分析

1.材料性能分析

WELDOX1100高強鋼屬于瑞典SSAB公司生產WELDOX系列淬火結構用鋼，其屈服強度≥1100MPa。廠家評定具有良好冷彎性能和低溫沖擊韌度，優異的綜合力學性能和加工工藝性（見表1）。特別適合我公司開發某單缸插銷式起重機吊臂的要求。但如此超高強度的鋼材我公司首次選用，上槽板彎曲回彈量的大小、折彎設備能力選擇、下槽板U形截面如何成形等技術問題，直接影響新產品研發的成敗。因此，超高強鋼WELDOX1100彎曲工藝技術成為研究攻關的重點。

表1 WELDOX1100力學性能

2.彎曲成形可行性分析

結合圖1產品結構特點和技術要求，工藝分析認為，對于12 000mm長起重臂來說，材料彎曲過程中，在彎曲線內側，長度方向（縱向）材料產生壓縮，寬度（橫向）方向產生拉伸；與之相反，在彎曲線外側，長度方向（縱向）材料產生拉伸，寬度方向（橫向）材料產生壓縮，因而彎曲件長度方向易產生上下拱（撓度）變形。當寬度方向（橫向）材料的拉伸和收縮不一致時，就產生扭曲變形。U形截面起重臂上下槽板尺寸、幾何公差精度要求高，很難保證。尤其U形截面下槽板大圓弧R成形問題成為研究攻關的難題。結合本公司現有設備和模具，擬用大型折彎機彎曲工藝成形起重臂上、下槽板U形截面。

三、彎曲工藝方案的確定

1.彎曲回彈角分析計算

（1）彎曲件回彈影響因素 材料的力學性能：材料的屈服強度越大，彈性模量越小，則彎曲回彈量也越大。相對彎曲半徑r/t：當r/t＜5時，彎曲毛坯內外表面上切向變形總應變值較大。雖然彈性應變數值也在增加，但在總應變當中所占比例卻是在減小，所以回彈小。當r/t＞5時，與此相反，回彈量大。彎曲角度越大，表示變形區長度越大，角度回彈也越大。彎曲方式和模具結構：在無底自由凹模做自由彎曲時，回彈量最大。成形模具校正彎曲回彈量小。

由于工件選用超高強鋼WELDOX1100（Rm≥1100MPa)，上槽板r/t=120/6＞5，上槽板彎曲角度α=現有凹模結構為無底自由凹模，各種因素綜合影響，故工件彎曲回彈量大。

（2）彎曲回彈角計算 根據以下經驗公式，按不同板厚，現有上模圓角半徑，計算回彈后工件彎曲半徑見表2。

表2 (mm)

式中 T——彎曲板厚（mm）；

Re——屈服強度（MPa）；

R0——工件彎曲半徑（mm）；

Rt——R0對應的上模圓弧半徑（mm）；

E——彈性模量（MPa）。

根據表2計算結果，取最大工件彎曲半徑R0=130mm，按以下公式計算彎曲回彈角。

彎曲上模包角

彎曲回彈角

θ=αt-α0=130－90=40（°)

所以，工藝方案初選上模半徑R90mm，回彈后能基本滿足上槽板R的要求，回彈角取

2.計算折彎力及選定設備和模具

根據以下折彎機彎曲力經驗公式，由于板越厚工件越長所需折彎力越大，所以以最厚下槽板T=9mm，最長工件長度L=12 000mm為例，按不同彎曲下模開口寬度，計算出彎曲WELDOX1100鋼材所需對應折彎力（見表3）。

折彎力

式中 F——折彎力（t）；

L——彎曲長度（mm）；

T——彎曲板厚（mm）；

W——下模開口（mm）；Rm——抗拉強度（MPa）。

表3

由表3可見，下模開口必須選擇≥150mm時，折彎力才在本公司最大折彎機能力容許范圍內。故工藝方案根據回彈量計算結果、選定上模R90mm，設備選用20 000kN折彎機，初選下模開口寬度190mm成形上下槽板。

根據折彎機設備和上下模具結構形式，模擬畫工程圖，分析該產品最易與模具和設備干涉的其中某節臂上下槽板成形情況見圖2。

圖2

模擬分析結果顯示，上槽板直邊高度與折彎機模架干涉，須優化設計，適當降低直邊高度20mm左右。

3.上下槽板展開料計算

根據冷彎成形特點，工件彎曲時毛坯斷面上應力由外層拉應力過渡到內層壓應力，中間必有一層金屬其切向應力為零，稱為應力中性層，這個層面材料既不伸長，也不縮短。這是計算彎曲毛坯展開尺寸的依據。當r/t＞5時，彎曲變形較小，應力中性層就在毛坯厚度中間，所以上下槽板展開長度計算如下：

如圖1上槽板展開長度L1

如圖1下槽板展開長度L2

式中 b——工件寬度（mm）；

h——工件高度（mm）；

R——工件彎曲半徑（mm）；

T——工件板厚（mm）。

4.上槽板彎曲工藝試驗

（1）上槽板試驗情況 根據以上計算得出的模具基本尺寸和設備結構，進行500mm短試件試驗，毛坯尺寸為6mm×500mm×1590mm（厚度×長度×寬度），寬度尺寸即如圖1上槽板展開料長度，材料WELDOX1100，設備選用20 000kN折彎機，上模R90mm，下模開口寬度190mm，采取單角自由彎曲的方法折彎。試驗后發現試件彎曲區域有明顯壓痕、劃傷，回彈角通過專用角度儀測量為38 ，折彎第二道彎時，直邊與折彎機上模聯接板干涉（見圖3）。

圖3

（2）上槽板試驗結果分析 綜合試驗情況分析，壓痕、劃傷是由于材料強度高，下模開口偏窄，折彎力大，下模開口圓角R偏小，折彎時工件立邊與下模剛性摩擦所致；直邊與折彎機上模聯接板干涉是由于回彈量大，折彎時上模壓入下模深。所以，增大下模開口寬度10mm，減小折彎力；優化設計降低直邊高度尺寸15mm。采取單角自由彎曲的方法再試驗，即生產出滿足技術要求的上槽板。

5.下槽板彎曲工藝試驗

（1）內接多邊形法成形U形截面下槽板彎曲工藝試驗 如圖4所示，用內接多邊形接近半圓的方法，進行2000mm短試件試驗，毛坯尺寸為7mm×2000mm×1542mm（厚度×長度×寬度），寬度尺寸如圖1下槽板展開料長度，材料WELDOX1100，設備選用20 000kN折彎機。采用大圓角半徑（R90mm）上模和大開口下模（寬度180mm），按如圖5所示折彎順序，左右對稱分布壓形的方法折彎。采用這種內接多邊形法經過19次折彎后，起重臂U形截面下槽板左右邊高度差基本≤1mm，寬度尺寸超差2～3mm，圓弧段折痕明顯，與理想大圓弧U形截面相去甚遠，還有扭曲變形發生。

圖4

圖5

（2）試驗結果分析 根據以上情況可見，工件寬度尺寸超差，有待調整工藝折彎線位置；扭曲變形是因下模開口增大，每道折彎線間的距離小，后次彎曲與前一次彎曲間距小，工件在下模上定位不穩，折彎線找正困難，同時加載時工件會在下模內產生滑移而造成工件扭曲變形。所以優化工藝為：最終調整下模開口（寬度150mm）和內接多邊形邊數（增加至25次折彎）再試驗。系列試件效果如圖6所示。校形后R公差控制≤0.5mm，圓弧段外觀過渡圓滑。

圖6

經專業檢驗人員檢測，尺寸幾何公差、外觀均能滿足整機綜合技術要求，驗證了內接多邊形法成形U形截面起重機吊臂下槽板彎曲工藝方法合理可行。現已在系列單缸插銷起重機吊臂制造過程中廣泛應用，如圖7所示。

圖7

四、彎曲過程質量控制要點

根據大量試驗和產品開發結果證明，為保證產品質量，提高超高強度鋼U形截面起重機吊臂加工精度，必須注意以下幾點：

（1）超高強度鋼WELDOX1100彎曲回彈角大，彎曲上槽板對設備和模具的選擇要求高。

（2）下槽板選擇合理分型次數，既能保證后次彎形定位可靠，又能保證U形截面圓弧段成形美觀。

（3）在折彎機設備無自動送料機構的情況下，以上下模為基準，設計專用工裝，輔助找正上模中心線與折彎位置線重合，降低扭曲變形對工件全長直線度和側面垂直度的影響。

（4）選擇合理的彎曲上下模匹配，降低彎曲表面壓痕、劃傷等缺陷。

（5）彎曲過程容易產生撓度、波浪、扭曲變形。應選用性能穩定材料，采用熱影響區小的下料手段（如激光下料、精細等離子下料），做好板材彎曲前調平工作，使材料內應力分布比較均勻，降低彎曲缺陷產生，達到提高彎曲件精度的目的。

五、結語

工程機械中超高強度鋼將用于重要結構處，承受較大載荷，零件成形精度是保證組件尺寸幾何公差的前提，決定著整個結構強度，影響起重機使用壽命。

通過理論分析和實踐研究，設計合理的起重機吊臂截面形狀，采取合理的彎曲工藝措施，可保證起重臂整體質量。對類似U形截面超高強鋼起重機吊臂成形具有一定的參考價值。