CN116159909A - 一种矩形钢管角部增厚的孔型成型方法及成型辊 - Google Patents
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Abstract
本发明属于轧制辊弯成形技术领域，尤其涉及一种矩形钢管角部增厚的孔型成型方法及成型辊。包括：S1、将板材控温后进入辊弯机组；S2、计算矩形管成型的参数；S3、相应道次前增加“Ω”成形辊型，实施“Ω”成形；S4、进行角部增厚完成作业。利用这些方法，本发明可以达到显著提高板材的角部强度，进而提高产品的生产质量的目的。
Description
技术领域
本发明属于轧制辊弯成形技术领域，尤其涉及一种矩形钢管角部增厚的孔型成型方法及成型辊。
背景技术
孔型设计是指将钢锭或钢坯在两个或两个以上带槽轧辊间经过若干道次的轧制变形，以获得所需要的断面形状、尺寸和性能的产品，为此而进行的设计和计算工作。
大规格厚壁矩形钢管具有受力合理、节点处理相对简单、外形美观等优点，在大型桁架结构体系以及幕墙支撑体系中作为承载部件得到普遍应用，随着建筑规模的增大以及承载能力要求的提高，大规格厚壁高强矩形管的需求越来越大。采用冷弯成形方式很容易导致角部减薄和宏、微观出现裂纹，严重影响了板材的坚固程度、韧性、抗压荷载能力，降低了建筑的安全性与稳定性。因此，亟需一种更加高效、高质量大规格厚壁矩形管成形的孔型设计方法，来根据需要增加角部厚度，获得相应强度的板材。
发明内容
本发明的目的是提供一种矩形钢管角部增厚的孔型成型方法及成型辊，以解决上述问题，达到显著提高板材的角部强度，进而提高产品的生产质量的目的。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种矩形钢管角部增厚的孔型成型方法及成型辊，包括：
S1、将板材进行热轧处理；
S2、计算成型参数；
S3、相应道次前增加“Ω”成形辊型，实施“Ω”成形；
S4、进行角部整形处理。
优选的，所述步骤S1包括：
S1.1、将热轧后的所述板材进行冷却处理，余温控制在810℃-850℃；
S1.2、冷却后进入所述辊弯机组，弯辊热弯作业的温度控制在500℃-700℃。
优选的，所述步骤S2包括：
S2.1、基于弯板截面力矩平衡条件，建立弯曲变形中性层偏移解析模型；
S2.2、基于弯曲体积不变，推导减薄系数计算公式并建立辊弯成形的所述弯曲部位的角部减薄模型；
S2.3、计算应变极限，建立累积塑性能模型；
S2.4、计算Ω成形孔型外扩角。
优选的，所述步骤S2.1的弯曲变形中性层偏移解析模型为：
其中，
为中性层减薄量，
为修正系数，t为板厚，
为中性层曲率，r为厚板内径曲率。
优选的，所述步骤S2.2的弯曲部位的角部减薄模型为：
其中，
为中性层减薄量，
为修正系数，t为板厚，
为中性层曲率，r为厚板内径曲率，
为所述板材两端与弯折点之间形成的两条直线的弯曲角度。
优选的，所述修正系数
的取值范围为1.8~2.0。
优选的，所述步骤S2.3包括：
S2.3.1、以Oyane室温变形准则为基础，结合变形温度、变形速度，构建Zener-Hollomo模型；
S2.3.2、基于各向同性屈服准则建立耐候钢热态弯曲的断裂准则，从而计算应变极限；
S2.3.3、建立累积性能模型。
优选的，所述步骤S2.4包括：
S2.4.1、基于热压变形体积不变的原理，计算Ω成形孔型外扩角；
S2.4.2、在所述中性层偏移解析模型及所述角部减薄模型的基础上，建立基于孔型外扩角的外扩量计算模型；
S2.4.3、在累积性能模型的基础上，以最终角部增厚量为目标，获得优化后的孔型外扩角。
一种矩形钢管角部增厚的孔型成型方法的成型辊，“Ω”成形过程中的弯辊包括成型上工作辊、成型下工作辊，所述成型上工作辊中部沿周向开设有“Ω”型槽，所述成型下工作辊中部沿周向设有“Ω”型凸起；
角部增厚处理过程中的弯辊包括整形上工作辊、整形下工作辊，所述整形上工作辊中部沿周向开设有直角凹槽，所述整形下工作辊中部沿周向设有直角凸起。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
1、本申请通过成型上工作辊、成型下工作辊先将板材进行“Ω”成形，引导金属外扩流动，使得板材的圆角部分留有一定体积，此时再通过整形上工作辊、整形下工作辊的整形，就可以生成角部厚度增强的板材，相较于现有技术中生成的板材，本发明的板材角部厚度明显增厚，不易发生断裂、裂纹等现象。
2、本发明可以有效解决现有技术中生产大规格厚壁矩形钢管面临的难点，为直接热辊弯成形大规格厚壁矩形钢管的产业化提供理论与技术支撑。
3、本发明建立了计算Ω成形孔型外扩角的计算模型，可以很方便地应用于不同条件下的生产制造中，稳定实用且适用性广泛。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明的“Ω”成形辊弯示意图；
图3为本发明的角部增厚辊弯示意图；
图4为现有技术中的辊弯示意图。
附图标记：1、成型上工作辊；2、板材；3、成型下工作辊；4、整形上工作辊；5、整形下工作辊；6、常规上工作辊；7、常规下工作辊。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1-3所示，本发明提供一种矩形钢管角部增厚的孔型成型方法及成型辊，包括：
S1、将板材2进行热轧处理；
S2、计算成型参数；
S3、相应道次前增加“Ω”成形辊型，实施“Ω”成形；
S4、进行角部整形处理。
参照图4所示，现有技术的辊弯机组仅仅是设置了相对应的常规上工作辊6、常规下工作辊7，让板材2经过常规上工作辊6、常规下工作辊7之间的缝隙后被挤压成型，其弯折部分的板材2由于形变会出现圆角减薄的现象，而圆角减薄的现象在板材2进入到后续的整形弯辊中也不会得到改善。当板材2由现有技术的圆角塑型弯辊进入到后续的整形弯辊中，其减薄后的圆角无法形成较厚的角部，由于其圆角相较于其它部位较薄，在塑型成角部时，还会出现裂纹、断裂等情况。
而本申请则是通过成型上工作辊1、成型下工作辊3先将板材2进行“Ω”成形，引导金属外扩流动，使得板材2的圆角部分留有一定体积，此时再通过整形上工作辊4、整形下工作辊5的整形，就可以生成角部厚度增强的板材2，相较于现有技术中生成的板材，本发明的板材2角部厚度明显增厚，不易发生断裂、裂纹等现象，有效解决了生产大规格厚壁矩形钢管面临的技术难点，显著提高了板材2的生产质量。
进一步优化方案，步骤S1包括：
S1.1、将热轧后的板材2进行冷却处理，余温控制在810℃-850℃；
S1.2、冷却后进入辊弯机组，弯辊热弯作业的温度控制在500℃-700℃。
热轧后的板材2的温度控制是需要保证板材2在热压处理时保持一定的硬度，同时不会因温度过低导致弯角在被热压成型时发生断裂、裂纹。
进一步优化方案，步骤S2包括：
S2.1、基于弯板截面力矩平衡条件，建立弯曲变形中性层偏移解析模型；
S2.2、基于弯曲体积不变，推导减薄系数计算公式并建立辊弯成形的弯曲部位的角部减薄模型；
S2.3、计算应变极限，建立累积塑性能模型；
S2.4、计算Ω成形孔型外扩角。
步骤S2中计算出中性层偏移解析模型、角部减薄模型两个模型，综合这两个模型与累积塑性能模型，可以获得Ω成形技术，并计算得到Ω成形孔型的外扩角，只需要带入相应的参数即可计算不同规格的板材2、辊弯机组所需要的Ω成形孔型的外扩角，可适应性强，适用于不同条件下的工业生产中。
进一步优化方案，步骤S2.1的弯曲变形中性层偏移解析模型为：
其中，
为中性层减薄量，
为修正系数，t为板厚，
为中性层曲率，r为厚板内径曲率。
进一步优化方案，步骤S2.2的弯曲部位的角部减薄模型为：
其中，
为中性层减薄量，
为修正系数，t为板厚，
为中性层曲率，r为厚板内径曲率，
为板材2两端与弯折点之间形成的两条直线的弯曲角度。
进一步优化方案，修正系数
的取值范围为1.8~2.0。
进一步优化方案，步骤S2.3包括：
S2.3.1、以Oyane室温变形准则为基础，结合变形温度、变形速度，构建Zener-Hollomo模型：
式中，
为断裂发生处的等效应变，
为静水应力，
为等效应力，
为等效应变，
为裂纹出现时的临界损伤值，
为材料常数。
结合变形温度、变形速度，构建Zener-Hollomo模型；
式中，
为应变速率，Q为表观激活能，R为气体常数，T为绝对温度；
S2.3.2、基于各向同性屈服准则建立耐候钢热态弯曲的断裂准则，从而计算应变极限；“各向同性”指的是物体的物理、化学等方面的性质不会因方向的不同而有所变化的特性。
S2.3.3、建立累积性能模型。
进一步优化方案，步骤S2.4包括：
S2.4.1、基于热压变形体积不变的原理，计算Ω成形孔型外扩角；
S2.4.2、在中性层偏移解析模型及角部减薄模型的基础上，建立基于孔型外扩角的外扩量计算模型；
S2.4.3、在累积性能模型的基础上，以最终角部增厚量为目标，获得优化后的孔型外扩角。
对于步骤S2.4.1中计算Ω成形孔型外扩角，采用“Ω”孔型设计的辊弯成型仿真模型方法，其特征包括以下步骤：
步骤S2.4.1.1，参数选取：
通过gleeble热模拟实验获得耐候钢Q460NH的应力应变参数；
步骤S2.4.1.2，仿真模型建立：
根据步骤S2.4.1.1获取的参数，使用ABAQUS软件建立辊弯成型仿真模型；
步骤S2.4.1.3，模拟过程：
利用步骤S2.4.1.1获取的参数，根据步骤S2.4.1.2中的仿真模型进行模拟板材圆角厚度的变化；
步骤S2.4.1.4，分析总结：
对比分析板材经过“Ω”辊型和未经“Ω”辊型的圆角厚度。
进一步优化技术方案，所述步骤S2.4.1.1的耐候钢Q460NH的应力应变参数的具体内容包括：板材Q460NH不同温度、应变速率下的真实应力应变值。
进一步的技术方案在于，所述步骤S2.4.1.2仿真模型建立过程的一个具体内容包括：给定板材的尺寸为78mm*7mm*1mm；对部件进行几何划分，以便在划分网格时提高网格精度。
对板材进行材料属性的赋予，材料属性包括杨氏模量，密度，塑性，“塑性”指的是随温度和应变速率不断变化的应力和应变值。
采用动力显示分析，分析步时长设置为“1”。
采用切向“罚”接触，摩擦系数为0.2；“罚”指的是罚函数法，是ABAQUS定义接触的一种方法。
为辊子设置转动角速度，给定板材设定速度为2000mm/s。
在当前的参数下，为提高计算精度和效率，将部件划分为尺寸是2.5mm的立方体网格，整个模型包含8680个单元。
进一步的技术方案在于，所述步骤S2.4.1.3模拟过程板材圆角厚度的结果为：给定条件下进行模拟的板材圆角处的厚度为0.9478mm，而未经“Ω”辊型的板材的圆角厚度为0.7827mm，对比可以得出结论：本申请采用“Ω”辊型的板材圆角厚度值增大。
一种矩形钢管角部增厚的孔型成型方法的成型辊，“Ω”成形过程中的弯辊包括成型上工作辊1、成型下工作辊3，成型上工作辊1中部沿周向开设有“Ω”型槽，成型下工作辊3中部沿周向设有“Ω”型凸起。
角部增厚处理过程中的弯辊包括整形上工作辊4、整形下工作辊5，整形上工作辊4中部沿周向开设有直角凹槽，整形下工作辊5中部沿周向设有直角凸起。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种矩形钢管角部增厚的孔型成型方法，其特征在于，包括：
S1、将板材（2）进行热轧处理；
S2、计算成型参数；
S3、相应道次前增加“Ω”成形辊型，实施“Ω”成形；
S4、进行角部整形处理。
2.根据权利要求1所述的一种矩形钢管角部增厚的孔型成型方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
S1.1、将热轧后的所述板材（2）进行冷却处理，余温控制在810℃-850℃；
S1.2、冷却后进入辊弯机组，弯辊热弯作业的温度控制在500℃-700℃。
3.根据权利要求1所述的一种矩形钢管角部增厚的孔型成型方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
S2.1、基于弯板截面力矩平衡条件，建立弯曲变形中性层偏移解析模型；
S2.2、基于弯曲体积不变，推导减薄系数计算公式并建立辊弯成形的弯曲部位的角部减薄模型；
S2.3、计算应变极限，建立累积塑性能模型；
S2.4、计算Ω成形孔型外扩角。
4.根据权利要求3所述的一种矩形钢管角部增厚的孔型成型方法，其特征在于，所述步骤S2.1的弯曲变形中性层偏移解析模型为：
5.根据权利要求4所述的一种矩形钢管角部增厚的孔型成型方法，其特征在于，所述步骤S2.2的弯曲部位的角部减薄模型为：
6.根据权利要求5所述的一种矩形钢管角部增厚的孔型成型方法，其特征在于，所述修正系数
的取值范围为1.8~2.0。
7.根据权利要求3所述的一种矩形钢管角部增厚的孔型成型方法，其特征在于，所述步骤S2.3包括：
S2.3.1、以Oyane室温变形准则为基础，结合变形温度、变形速度，构建Zener-Hollomo模型；
S2.3.2、基于各向同性屈服准则建立耐候钢热态弯曲的断裂准则，从而计算应变极限；
S2.3.3、建立累积性能模型。
8.根据权利要求7所述的一种矩形钢管角部增厚的孔型成型方法，其特征在于，所述步骤S2.4包括：
S2.4.1、基于热压变形体积不变的原理，计算Ω成形孔型外扩角；
S2.4.2、在所述中性层偏移解析模型及所述角部减薄模型的基础上，建立基于孔型外扩角的外扩量计算模型；
S2.4.3、在累积性能模型的基础上，以最终角部增厚量为目标，获得优化后的孔型外扩角。
9.根据权利要求1-7任一项所述的一种矩形钢管角部增厚的孔型成型方法的成型辊，其特征在于，“Ω”成形过程中的弯辊包括成型上工作辊（1）、成型下工作辊（3），所述成型上工作辊（1）中部沿周向开设有“Ω”型槽，所述成型下工作辊（3）中部沿周向设有“Ω”型凸起；
角部增厚处理过程中的弯辊包括整形上工作辊（4）、整形下工作辊（5），所述整形上工作辊（4）中部沿周向开设有直角凹槽，所述整形下工作辊（5）中部沿周向设有直角凸起。
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Application publication date: 20230526 Assignee: Shanxi Zhida Intelligent Industry Research Institute Co.,Ltd. Assignor: TAIYUAN University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Contract record no.: X2024980003458 Denomination of invention: A hole forming method and forming roller for thickening the corners of rectangular steel pipes Granted publication date: 20230725 License type: Common License Record date: 20240326 |
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