拱架用H型鋼的冷彎成型制造工藝

劉 奇

（濟南重工股份有限公司，濟南 250109）

拱形結構具有受力均勻、結構簡單、施工快捷等特點，在現代隧道施工中，由于隧道的寬度不斷加寬，隧道施工中型鋼加工成拱架用于支撐上方巖土，增強隧道安全。

拱架一般采用型鋼結構，而型鋼彎曲方法有冷彎和熱彎兩種。對彎曲半徑小、形狀復雜、批量少的彎曲件，通常采用加熱后手工彎曲；對于批量生產、彎曲質量要求較高的彎曲件一般采用機械冷彎，機械冷彎翼板在型鋼彎曲機、卷板機、撐直機或彎管機上進行，也可以在壓力機壓彎、拉彎機或拉彎模拉彎。

1 工藝措施[1-2]

型鋼彎曲時，由于重心線與力的作用線不在一個平面上，所以，型鋼除受彎曲力矩外還受扭矩的作用，使型鋼截面產生畸變。考慮在H型鋼的生產中會出現褶皺情況，因此，采用并聯的方式來減少腹板出現褶皺及扭曲變形的情況。如圖1所示。

圖1 H型鋼并聯示意圖

某拱架結構由H型鋼組成，腹板為8mm，翼板為6mm，高度為150mm的型鋼，展開長度約5m，共6根，根據工期緊、制作要求嚴格、批量小的特點，經綜合分析，適用100卷板機完成，具體制造工藝如下。

將6根H型鋼并排放置。將H型鋼件間段焊牢固，以吊裝過程中不開裂為準，并將超過H型鋼翼板面的焊縫磨掉。

按圖紙直徑要求制作樣板，樣板的弦長不小于1.5m。

H型鋼按內徑展開并在兩側各延長400mm作為引板。

將組焊好的H型鋼按下圖放置卷板機內，放置時使H型鋼與卷輥間成90°，以盡量減少H型鋼的變形，如圖2所示。

將卷板機上輥下壓至H型鋼上平面，注意下壓力量以卷板機上輥轉動時，能夠帶動H型鋼移動即可。開動卷板機使H型鋼來回移動幾次，檢測H型鋼是否發生位移，檢驗H型鋼與卷板機上輥是否成90°。根據實際情況，重新調整H型鋼的位置。

下壓卷板機上輥，位移量控制在5mm左右，開動卷板機使H型鋼來回移動，注意觀察H型鋼翼板是否出現褶皺。一般來講，如果下壓位移量過大，很容易使H型鋼的翼板出現褶皺。所以，下壓的位移量盡量小，且移動速度要慢。第一次進行卷制時，在不增加下壓位移量時，使卷板機上輥多移動幾次。

逐步增加下壓位移量的次數，卷制過程中密切注意H型鋼的變化，并用樣板檢查H型鋼的弧度。當H型鋼的成型弧度完全符合樣板的弧度后，在不增加下壓位移量的同時，保持卷板機的壓力不變時，使卷板機多運行幾次，以穩定H型鋼的弧型尺寸，如圖3所示。

圖2 H型鋼放置示意圖

圖3 H型鋼輥壓示意圖

將H型鋼吊離卷板機，并把H型鋼分離成單體。焊接處應焊補修磨。

在6m的平臺上按圖紙尺寸畫出H型鋼的彎曲直徑，并打樣沖做好標記。分別將H型吊至平臺，檢驗H型鋼的彎曲弧度與平臺樣板弧度是否相符。

2 冷彎H型鋼滾彎易出現的問題[3-4]

2.1 變形矯正

H型鋼局部彎曲變形可以應用火焰加熱法矯正，利用不均勻的加熱使結構獲得發現的變形來補償或抵消原來的變形，根據此矯正原理，加熱位置必須取在型鋼彎曲部位的凸起處。畫出火焰矯正加熱區（通常是采用三角法）。加熱區由若干個小的三角區組成。加熱時可由1～3個“烤把”間隔加熱，中心區溫度要高一些。冷卻時，可采用緩冷或急冷，視情況而定。火焰矯正注意事項，根據構件的變形情況，確定加熱的位置及加熱順序，加熱溫度最好控制在600～650℃，矯正時在槽鋼的兩邊同時向一個方向進行線性擺動式加熱，加熱寬度視變形大小而定。

2.2 回彈問題

回彈是材料變形時的特征，型鋼的彎曲變形可分為兩個階段。第一階段為彈性變量階段，型鋼在最初加載時處于彈性彎曲階段，當加載力矩逐漸增大，型材逐步由彈性變形進入第二階段——塑性變形階段。

采用公式（1）計算型鋼彎曲前的曲率半徑，在型鋼彎曲回彈后，通過測量其誤差不超過1%，完全滿足生產要求。

式中，R前為零件彎曲前曲率半徑；R零件為零件圖紙要求曲率半徑；H為彎曲零件高度。

2.3 扭轉變形問題

型材在傳統滾彎機上采用通用滾輪進行滾彎時，在滾輪表面上由于摩擦力不等，很容易出現扭轉變形。消除變形的原則是：在左右彎曲滾輪之間的滾輪變形區域內，應使腹板與翼板在垂直于型材的平面內的自由度為零，即在此變形區域內腹板與翼板的兩側均須加以足夠約束。以防止滾彎過程中控制產生任何微小變形的可能性。

在卷板機上采用并聯的方式可有效解決扭曲變形，卷板機下壓量均勻，使H型鋼受力均勻，基本可以避免扭轉變形。

3 結語

H型鋼冷彎成型工藝裝置具有很好的實用價值，充分利用現有的資源，既解決了問題，也降低了成本，不失為一種成型方法。該工藝措施經過實踐，結果表明，完全符合圖紙技術要求。由于采用了將H型鋼成排卷制工藝，將生產效率提高72%，人工費用節省近50%。該工藝措施除應用于H型鋼彎制外，還可以加工角鋼等多種型鋼。