CN102672014B - 一种u型吊臂冷弯型钢的生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种U型吊臂冷弯型钢的生产方法，包括步骤：将高强钢板材或高强钢钢卷导入轧辊，进行第一道次的成形；总成形道次为3~6道次；在第一与第二道次之间设置感应加热设备，在对型钢进行成形的同时，进行感应加热并利用各道次间轧辊直径的不同所形成的辊速差，对板材进行拉伸矫直；依据板材进给速度v，现场实际测量在后续成型道次中板材的实际温度并通过补偿加热的方式控制温度；通过后续的冷却、剪切等操作，直至成型出符合目标要求的高强度半圆大半径型钢。本发明在传统冷弯工艺中引入了感应加热和轧辊的同步拉伸矫直等工艺，集合了冷弯型钢低成本、高效率和热成型钢板成形力小、尺寸优化等特点。

Description

一种U型吊臂冷弯型钢的生产方法

技术领域

本发明涉及高强度半圆大半径型钢精密热辊压成形工艺的研究，特别是其中高强钢的U型吊臂的热辊弯—拉伸复合工艺成形方法。

背景技术

U型吊臂是吊车承重系统中重要的受力器件，其承重能力的大小直接影响了整台起重设备的运行能力。为提升U型吊臂的承重能力，大多数厂家都会选用高强钢作为该部件的原材料，使得U型吊臂的承载能力大幅度提升。

目前，市场上有采用折弯的成形方式对该半圆大半径型钢进行成形。但是经折弯成形后的板料极不规律，与目标产品的尺寸相差较大，且在折弯处易造成应力集中，使得该处容易发生折断和腐蚀。

而在辊压成形过程中，每个道次的辊压成形可以分为三个变形区域，如图2所示。在第一个区域中，弯曲角恒定；第二个区域中，弯曲角是变化的，并且该段区域板料和轧辊没有接触；第三个区域中，弯曲角度变化，板料接触轧辊。在辊压成形过程中，第二个区域是金属变形最剧烈的成形阶段，也是板料产生缺陷的发生区域。

在进入轧辊前的第二区域时，板材极易发生冗余变形，如图3所示。不过，如果在板料两端施加高于材料屈服点、小于材料抗拉强度的张力作用，那么冗余的局部变形将被拉直，这就是所谓的张力矫直原理，如图4所示。

在半圆大半径型钢精密辊压成形过程中，由于采用的原材料为高强钢，故材料的屈服强度极高，对成形力的要求很高。较之于普通钢种，高强钢的回弹更为明显，而且由于在半圆大半径型钢中，半径与厚度的比值R/t>>10，使得成形后板料的回弹更为明显，尺寸精度更加难以保证。

在半圆大半径型钢精密辊压成形过程中，利用感应加热对特定道次间的板材进行一定温度范围内的加热，并利用各道次间轧辊的不同半径所形成的辊速差，在成形过程中对板料进行拉伸矫直，不仅可以降低成形力的要求，易于板材的成形和在纵向上的矫直，还可以明显降低甚至消除成形后板材回弹的影响，解决高强钢和大半径回弹问题。

发明内容

本发明所要解决的关键技术问题是，通过高强度半圆大半径型钢的成型的研究，诠释以降低金属成形力，降低金属回弹，减小金属制件缺陷，在成型过程中对板材进行同步拉伸矫直为目的热辊压工艺。分析通过热辊压工艺，解决制品成型过程中板材的同步拉伸矫直问题以及高强钢和大半径回弹，两个传统辊压成形无法解决的关键技术点。

本发明的技术方案为：

一种U型吊臂冷弯型钢的生产方法，包括以下步骤：

1）将高强钢板材或高强钢钢卷以进给速率v导入轧辊，进行第一道次的成形；总成形道次为3～6道次，轧辊直径逐道次增加；

2）在第一与第二道次之间设置感应加热设备，在对型钢进行成形的同时，进行感应加热，加热温度范围为500～900℃，加热时间为5～30s；同时，利用各道次间轧辊直径的不同所形成的辊速差，对板材进行拉伸矫直；

3）依据板材进给速度v，现场实际测量在后续成型道次中板材的实际温度是否保持在500～900℃之间，并通过补偿加热的方式使板材温度始终保持在500～900℃之间；同时，利用各道次之间轧辊直径的增加所形成的依次增加的轧辊辊速，在对板材进行成型的同时，进行板材的拉伸矫直；

4）由于机架之间的张力拉伸，板料将会被拉直，从而保证了产品纵向截面的形状；同时，通过后续的冷却、剪切等操作，直至成型出符合目标要求的高强度半圆大半径型钢。

所述步骤1）的进给速率v为4～40m/min；所述道次间轧辊直径的增加量通常在0.2～0.8mm之间。

所述步骤2）中的辊速差Δv由角速度ω和轧辊的半径r确定。

由于v=ωr，ω为角速度，r为轧辊的半径，故在每个道次中，只要依据轧辊之间的半径差，即可算出辊速差，

即Δv=ω·Δr。

所述Δr为半径差；所述各个机架之间的轧辊的角速度ω相等。

由于辊速的不同，必然导致与不同直径轧辊接触时，板料与轧辊之间的接触摩擦不同，从而导致同一块板料在与两个不同直径的轧辊接触时，所受力的情况不同，导致板料在两个不同直径的轧辊之间时处于拉伸状态而被拉直。

所述步骤3）中，当现场实际测量在后续成型道次中板材温度，若所测板材现场实际温度低低于500℃，则需在后续成型道次中通过感应加热设备对板材进行补偿加热，使板材温度始终保持在500～900℃。

本发明和现有技术相比所具有的有益效果在于：

1）本发明通过在成型过程的第一与第二道次之间设置感应加热的方法将板料加热至高温，并在随后的成型过程中，依据现场实际确保板料处于工艺规定温度范围内，从而使板料的塑性有了明显的提高，且保证了在成型过程中板料的高塑性要求。与传统的冷弯成型工艺相比，显著降低了板料的屈服点，减小了材料的成形力，提高了材料的成形性能，一方面扩大了选用材料的强度级别；另一方面也降低对设备的要求，延长设备的使用寿命，降低了成本。

2）本发明在热加工技术中引入了轧辊的同步拉伸矫直，一方面可以显著的降低牵引力要求，降低对成形设备的要求；另一方面利用各道次间不断增加的轧辊直径所形成的轧辊辊速差，在不损坏板材的前提下，可以消除在成型过程中出现的冗余、纵向弯曲、扭曲等缺陷，提高型钢的成形质量。

3）本发明将半圆大半径型钢的成型放置在高温环境（500℃～900℃）中进行，由于高温下板材残余应力的基本释放，成形后板料的回弹很小，甚至可以忽略，使得型钢的成型尺寸精度大幅度提升。例如在本次目标产品的成型中，高强度半圆大半径型钢两平直边之间的理想距离L为100mm，用传统方法成型出的产品L一般大于110mm或小于90mm，而采用本发明成型出的产品L基本可以稳定在100～108mm，甚至可以达到100～104mm，使得成型结果大大优化。

4）本发明在传统冷弯工艺中引入了感应加热和轧辊的同步拉伸矫直等工艺，集合了冷弯型钢低成本、高效率和热成型钢板成形力小、尺寸优化等特点，从而使得成型过程更为高效，成本更低，而成型出的产品少、无缺陷且尺寸更为精确，解决了高强钢和大半径回弹，两个传统成形技术无法解决的关键技术点。

附图说明

图1是本发明的目标产品——高强度半圆大半径型钢。

图2是辊压成形工艺中板料的变形图。

图3是板料入轧辊前产生的冗余变形示意图。

图4是板料张力矫直原理示意图。

图5是热张力辊压成形原理示意图。

图6是目标产品成形步骤示意图。

具体实施方式

图1为本发明实验中的目标产品，高强度半圆大半径型钢的产品厚度为2mm，大半径半圆的半径为50mm，两平直边的长度均为20mm，两平直边之间的距离L为100mm。

图2是辊压成形工艺中板料的变形图；如图所示，在辊压成形过程中，每个道次的辊压成形可以分为三个变形区域。在第一个区域中，弯曲角恒定；第二个区域中，弯曲角是变化的，并且该段区域板料和轧辊没有接触；第三个区域中，弯曲角度变化，板料接触轧辊。在辊压成形过程中，第二个区域是金属变形最剧烈的成形阶段，也是板料产生缺陷的发生区域。

图3：在进入轧辊前的第二区域时，板材极易发生冗余变形。

图4是板料张力矫直原理示意图，如图所示，在板料两端施加高于材料屈服点、小于材料抗拉强度的张力作用，那么冗余的局部变形将被拉直。

图5为板料张力矫直原理示意图，假设最后的倒数第一道次、倒数第二道次、倒数第三道次、倒数第四道次分别命名为1#、2#、3#、4#，各道次与板料接触的速度为V₁、V₂、V₃、V₄，其中V₁>V₂>V₃>V₄，故板料在不同道次之间的由于速度差产生的拉力为分别表示为F₁、F₂、F₃，相对应的应力为σ₁、σ₂、σ₃，设t℃时材料的屈服强度是σ_s，抗拉强度是σ_b，则该工艺中σ_s≤σ_总＝σ₁+σ₂+σ₁＜σ_b为材料的成形范围，假设轧辊和板料之间无打滑现象，拉伸速度和材料应力理想换算方法为

图6是目标产品成形步骤示意图，如图所示，工艺成形顺序是从右至左，分别命名为1#、2#、3#、4#机架，板料在经过1#机架后将被感应加热500℃～900℃，保证了板料的完全塑性；经过2#机架时，板料在横截面上将成为理想的形状，并且在该阶段由于机架之间的张力拉伸，板料将会被拉直，保证纵向截面的形状，后续道次中，板料将被喷水冷却并配合侧辊继续矫直直至成型为合格的目标产品。

实施方式一：

1）准备长度2000mm、宽度200mm、厚度2mm的高强度钢板料，板料的前端要具有一定的斜度；2）板料以进给速度v=20m|min在轧辊中前进；实施中各道次间轧辊直径的增加量为0.5mm。3）板料经过第一道次后，在第一和第二道次之间设置一感应加热设备，感应线圈以功率P将板料加热至温度500℃，加热时间为10s；4）利用6个道次对板料进行辊压成型，每道次的弯曲角度为12°→27°→45°→65°→81°→90°（该参数是依据生产设备本身的条件，并根据所成型产品的要求，如表面质量，尺寸精度等以及相应材料的特性，如材料的屈服强度和抗拉强度等，由工程技术人员计算设计后给出。）；5）在第三和第四道次之间设置一感应加热设备，感应线圈以功率P将板料加热至温度500℃以上，加热时间为6s；6）过渡板料通过最后一道次成型辊，得到具有U型断面的对称板料，并且由于机架之间的张力拉伸，板料将会被拉直，保证了纵向截面的形状；7）通过后续的剪切等操作将具有U型断面的对称板料精密辊弯成符合要求的高强度半圆大半径型钢。

在本次目标产品的成型中，高强度半圆大半径型钢两平直边之间的距离L为109.24mm，且所得产品表面无明显缺陷，成型结果得到一定的优化。

实施方式二：

1）准备长度2000mm、宽度200mm、厚度2mm的高强度钢板料，板料的前端要具有一定的斜度；2）板料以进给速度v=15m|min在轧辊中前进；实施中各道次间轧辊直径的增加量为0.5mm。3）板料经过第一道次后，在第一和第二道次之间设置一感应加热设备，感应线圈以功率P将板料加热至温度700℃，加热时间为15s；4）利用6个道次对板料进行辊压成型，每道次的弯曲角度为12°→27°→45°→65°→81°→90°；5）过渡板料通过最后一道次成型辊，得到具有U型断面的对称板料，并且由于机架之间的张力拉伸，板料将会被拉直，保证了纵向截面的形状；6）通过后续的剪切等操作将具有U型断面的对称板料精密辊弯成符合要求的高强度半圆大半径型钢。

在本次目标产品的成型中，高强度半圆大半径型钢两平直边之间的距离L为103.62mm，且所得产品表面无明显缺陷，成型结果得到很大的优化。

实施方式三：

1）准备长度2000mm、宽度200mm、厚度2mm的高强度钢板料，板料的前端要具有一定的斜度；2）板料以进给速度v=10m|min在轧辊中前进；实施中各道次间轧辊直径的增加量为0.5mm。3）板料经过第一道次后，在第一和第二道次之间设置一感应加热设备，感应线圈以功率P将板料加热至温度900℃，加热时间为18s；4）利用6个道次对板料进行辊压成型，每道次的弯曲角度为12°→27°→45°→65°→81°→90°；5）过渡板料通过最后一道次成型辊，得到具有U型断面的对称板料，并且由于机架之间的张力拉伸，板料将会被拉直，保证了纵向截面的形状；6）通过后续的剪切等操作将具有U型断面的对称板料精密辊弯成符合要求的高强度半圆大半径型钢。

在本次目标产品的成型中，高强度半圆大半径型钢两平直边之间的距离L为102.31mm，且所得产品表面无明显缺陷，成型结果得到极大的优化。

Claims (4)

1.一种U型吊臂冷弯型钢的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将高强钢板材或高强钢钢卷以进给速率v导入轧辊，进行第一道次的成形；总成形道次为3～6道次，轧辊直径逐道次增加；

2）在第一与第二道次之间设置感应加热设备，在对型钢进行成形的同时，进行感应加热，加热温度范围为500～900℃，加热时间为5～30s；同时，利用各道次间轧辊直径的不同所形成的辊速差，对板材进行拉伸矫直；

3）依据板材进给速度v，现场实际测量在后续成型道次中板材的实际温度是否保持在500～900℃之间，并通过补偿加热的方式使板材温度始终保持在500～900℃之间；同时，利用各道次之间轧辊直径的增加所形成的依次增加的轧辊辊速，在对板材进行成型的同时，进行板材的拉伸矫直；

4）由于机架之间的张力拉伸，板料将会被拉直，从而保证了产品纵向截面的形状；同时，通过后续的冷却、剪切操作，直至成型出符合目标要求的高强度半圆大半径型钢。

2.根据权利要求1所述的U型吊臂冷弯型钢的生产方法，其特征在于，所述步骤1）的进给速率v为4～40m/min；所述道次间轧辊直径的增加量在0.2～0.8mm之间。

3.根据权利要求1所述的U型吊臂冷弯型钢的生产方法，其特征在于，所述步骤2）中的辊速差Δv由角速度ω和轧辊的半径r确定；即在每个道次中，依据轧辊之间的半径差，即可算出辊速差公式如下：

Δv=ω·Δr；

所述Δr为半径差；所述各个机架之间的轧辊的角速度ω相等。

4.根据权利要求1所述的U型吊臂冷弯型钢的生产方法，其特征在于，所述步骤3）中，当现场实际测量在后续成型道次中板材温度时，若所测板材现场实际温度低于500℃，则需在后续成型道次中通过感应加热设备对板材进行补偿加热，使板材温度始终保持在500～900℃之间。

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