宽幅断面冷弯成型的实验研究及理论分析

王春新                         刘继英

（北方工业大学机电工程研究所，100041，北京.石景山区）

陈国学                         陈宏远

（清华大学机械系）        （四川广汉门窗型材有限公司）

摘要：本文以宽幅断面成型为工程实例，实验研究了轧辊道数、变形量分配（道次分配）、板厚以及断面边缘宽度等因素对成型过程中所出现的袋形波、边部波浪、纵向弯曲等缺陷的影响，分析了它们的产生机理，并结合相关机理和工程经验针对缺陷提出了相应的解决方案。

关键词：冷弯成型 宽幅断面 缺陷 实验研究 理论分析

   Experimental Research and Theoretic Analysis on Cold Roll Forming Process of Wide Range Profile

Wang Chunxin^a    Liu Jiying^a

    Chen Guoxue^b     Chen Hongyuan^c

^aInstitute of Mechanical-electrical Engineering, North China Univ. of Tech., 100041, Beijing, China

^bDepartment of Mechanical Engineering, Tsinghua University, 100084, Beijing, China

^cSichuan Guanghan Window&Door Frame Co., Ltd., 618300, Sichuan, China

Abstract This paper takes the wide range profile forming as typical project, and researches the affection factors on the defects such as pocket wave, edge wave and longitudinal curvature. The factors involve the number of passes, distribution of bending angle, strip thickness and flange width. The mechanism of defects is analyzed and the solution of these problems is discussed in this paper. 

Key Words Cold roll forming, Wide range profile, Defects, Experimental research, Theoretic analysis

1.前言^[1][2]

图1 实验设备图

   冷弯成型工艺被称为一门“艺术”，其产品广泛应用于各个领域。目前已有学者对其进行了较深入的理论研究，部分研究人员对成型过程进行了计算机仿真，且取得了一定成果。但冷弯成型过程是一个十分复杂的过程，设计生产中仍有许多问题尚待解决，这些问题往往在调试生产过程中才能发现。以宽幅断面薄板成型为例，如果设计不合理，在调试过程中会出现边浪、袋形波、纵向弯曲、角部皱褶、裂纹及扭曲等变形缺陷。出现问题后再重新设计加工轧辊，必然会造成人力物力等资源的极大浪费。如果能够了解这些缺陷的产生机理，在设计过程中尽量避免这些缺陷，或在缺陷出现后能够在原来的基础上对轧辊进行合理的改进，从而减轻甚至消除这些缺陷，仍可达到轧辊设计预期的目标。因此进行相应的实验研究并结合理论分析，得出一些可供参考的成型规律，将会对设计和生产起到指导作用。

2. 实验设备及方法

2.1 实验机组

实验装置如图1所示，采用的是四川广汉门窗型材厂的1号机组，该机组成型部分共30架，架间距为450毫米，本实验主要使用前9架。

2.2 实验材料

实验中所用材料为攀钢生产的ST12冷轧板，试件材料参数见表1。实验中设置了18种工况，用到了18个试件，有0.35mm、0.5mm、0.7mm三种厚度。

表1 试件材料参数表

牌号	长度 （mm）	宽度 （mm）	厚   度 （mm）	屈服强度 （MPa）	弹性模量 (MPa)	波松比	强化系数
ST12	2000	200	1-5号:0.35  6-13号:0.5  14-18号: 0.7	162.4	2×105	0.28	563

图2 断面形状及尺寸标注

2.3成型断面及轧辊：

    实验以帽型断面为研究实例，断面的形状及尺寸标注如图2所示，设计板厚0.5mm，宽幅面位于中部，左右边缘不对称，右边比左边宽。图3为九道成型的成型工艺图。为了便于实验结果的比较，90度成型分九道完成，每道成型10度。道轧辊上辊辊径为184mm,下辊辊径为140mm，后面道次下辊依次较前道递增2mm。

2.4实验方法及实验过程

本实验主要研究宽幅断面薄板辊式冷弯成型过程中，轧辊道数、变形量分配（成型角分配）、板厚等对成型的影响，因此实验中根据这几个参数对轧辊进行了组合。表2是形成上述断面的9道成形（每道弯曲角度为10^o）和把它们组合起来的18种轧辊孔型设计。

表2 轧辊的孔型配置

试验序号	试件号	板厚 (mm)	所用道次
			10o	20o	30o	40o	50o	60o	70o	80o	90o
1	6	0.5	○	○	○	○	○	○	○	○	○
2	7	0.5	○	×	○	×	○	×	○	×	○
3	14	0.7	○	×	○	×	○	×	○	×	○
4	8	0.2	×	×	○	×	○	×	○	×	○
5	1	0.35	×	×	○	×	○	×	○	×	○
6	15	0.7	×	×	○	×	○	×	○	×	○
7	9	0.5	○	×	×	×	○	×	○	×	○
8	2	0.35	○	×	×	×	○	×	○	×	○
9	16	0.7	○	×	×	×	○	×	○	×	○
10	10	0.5	○	×	○	×	×	×	○	×	○
11	3	0.35	○	×	○	×	×	×	○	×	○
12	17	0.7	○	×	○	×	×	×	○	×	○
13	11	0.5	○	×	○	×	○	×	×	×	○
14	4	0.35	○	×	○	×	○	×	×	×	○
15	18	0.7	○	×	○	×	○	×	×	×	○
16	12	0.5	○	×	×	×	○	×	×	×	○
17	5	0.35	○	×	×	×	○	×	×	×	○
18	13	0.5	×	×	○	×	×	○	×	×	○

图3     成型工艺图

注：○表示该道有轧辊，×表示该道没有轧辊

实验中首先使用全部九道轧辊成型，实验结果缺陷不够明显，取消第2、4、6、8道，分别使用厚度为0.5和0.7的板使用剩余的五道成型，结果中缺陷较为明显，于是在后面的实验中在此基础上分别取消1、3、5、7道以及改变板厚进行比较试验。实验最后补做了间隔变形量为40^o的 1、5、9道三道成型和变形量为30^o的3、6、9道的三道成型，以作比较。

2.5实验结果的测量

边部波浪使用游标卡尺测量，取10点求平均值。纵向弯曲的测量方法为将两米长的试样放在平台上，使两端与平台接触，用游标卡尺测取拱高。纵向伸缩量用软尺测量两米试样伸缩量后取百分数。由于袋形波不易测量，其实验结果主要通过观察进行比较。

3．实验结果及理论分析

实验过程中主要出现了三种缺陷：袋形波、边部波浪及纵向弯曲。下文针对这三种缺陷从产生机理、实验结果、解决方法等几个方面进行分析。

3.1 袋形波

1. 产生机理^[3][4][5][6]

    袋形波的产生主要是由于板在弯曲过程中产生了横向拉伸应力和横向应变，而板料沿厚度方向的应变相对较小，根据材料变形的泊松关系，必然会在变形比较集中的部位沿纵向出现收缩变形。在本实验中这种现象主要出现在四条变形弯角处，于是纵向收缩的部分对中部的板施加压缩力，部分地区在力的作用下发生失稳出现了袋状鼓包，这就是我们常说的袋形波。袋形波主要是弹性变形。

2.    实验结果分析

袋形波较难于测量，故实验中主要通过对试样的观察比较得出结论。实验中发现第4~15号组合中有几种组合的袋形波较为严重，按严重程度依次为第14、13、5、16、17、4种组合。其中第14种和第13种组合的板厚分别是0.35和0.5，轧辊道次为1、3、5、9。第5个组合和第4种组合的板厚分别是0.35和0.5，采用都是3、5、7、9道。第16和17种组合采用的道次是1、5、9道。值得注意的是袋形波的位置多位于宽边附近。

从试验结果可以看出，成型过程中初始道次和终了道次对成形影响较大。在本实验中表现为在第7道轧辊抬起后，袋形波尤为严重，包括后面的1、5、9道组合。这一点与轧辊设计中成型接近最终截型时变形量就须越小的成型经验相一致，因此设计中须注意后面道次变形量要小。当出现袋形波时，可以在后面道次中适当添加道次以减小变形量。实验结果同时表明，前面道次虽然比后面道次影响小，但对袋形波的出现也有一定影响，因此设计中应注意变形开始和变形结束时的道次变形量不要过大，实际生产中要根据实际情况合理增减道次。

袋形波在宽边附近比较严重的结果容易理解，窄边在轧制过程中与辊面的接触面积小，且边缘离弯曲变形的部位较近，力臂较小，边部受到更大的力，更易于沿横向滑动，弥补了部分因变形产生的横向应变，即窄边附近的纵向收缩量比宽边附近的纵向收缩量小，因此袋形波也不如宽边附近严重，由此看来边缘宽度对袋形波的出现影响比较大，这与小奈弘的研究结果是相近的。从这个角度上说，断面设计中为防止出现袋形波，边缘不要设计的过宽，可参照关系式F<250t²/(W-88t)。经验表明，在此范围内袋形波与轧辊孔型设计无关，不产生袋形波。式中F为边缘宽度，t为板厚，W为中部宽面的宽度。

此外，结果表明薄板比厚板更容易出现袋形波，这用板料受力失稳的相关理论容易解释，因此一旦出现袋形波，在实际条件允许的情况下增加板厚也是一种减小袋形波的方法。

袋形波主要是板料的弹性变形，因此可以通过给板料施加拉力使之减缓。施加拉力的一种方法就是改变轧辊半径，使每后一道轧辊的半径都比前一道轧辊大。在轧辊角速度一定的情况下，后面的轧辊比前面的轧辊的线速度快，通过摩擦力拖拽板料，从而对板产生拉力，减小袋形波。本实验中即采用了此种方法。

3.2 边部波浪

1.    产生机理^[3][4]

图4

边部波浪（以下简称边浪）是一种比袋形波更为常见的缺陷，它的产生主要是两种作用的综合：种同前面袋形波的机理相同，是由于断面弯曲部分材料受到横向拉伸应力，产生横向拉伸应变，在厚度方向应变不大的情况下，根据泊松关系出现纵向收缩，而边缘部分由于受到压缩应力产生边浪；第二种是边缘部分的材料先是在外力作用下被拉伸剪切变长，后又再次被压缩剪切产生塑性变形造成边浪。这两种作用互相叠加，形成边浪。

2. 实验结果分析

实验中针对边部波浪按不同的板厚和辊型配置进行了实验组合，实验结果如图4所示，其中横轴的“1”点代表实验序号4、5、6的结果数据，使用的是第3、5、7、9道轧辊；“2”点代表实验序号7、8、9的结果数据，使用的是第1、5、7、9道轧辊；“3”点代表实验序号10、11、12的结果数据，使用的是第1、3、7、9道轧辊；“4”点代表实验序号13、14、15的结果数据，使用的是第1、3、5、9道轧辊。图5中的横坐标标注与其相同。比较实验结果发现，各道次均有可能发生边部波浪，但前面道次对边部波浪的出现影响较大，较薄的板比较厚的板更容易出现边部波浪，宽边比窄边更容易出现边部波浪。这些结果根据边部波浪产生机理都是比较容易解释的。

为减轻或消除边部波浪，在设计初期应注意断面边缘宽度不宜过大，可参照断面边缘宽和板厚的比F/t接近或小于40的比例进行设计，如果在后面的道次会对边缘进行其它变形，这个比例可适当放宽。变形角不宜过大，可参照经验公式 进行分配。另外同前面袋形波的消除类似，可增大后面道次轧辊的驱动直径以减轻或消除边部波浪。如果在轧制过程中出现边部波浪，可以适当添加部分道次，对前面的几个道次尤为注意。另外在条件允许的情况下，也可以选用较厚的板。

3.3 纵向弯曲

1.    产生机理^[7]

造成纵向弯曲的原因较多，其中一个很重要的原因是断面的边部在弯曲侧面时受到张紧力的作用，力图将整个断面沿纵向拉长，但张紧力不足以拉长整个刚性断面，导致轧件前端出现向上或向下弯曲的现象。

2.    实验结果分析

图5不同板厚及不同辊型组合下的纵向弯曲

0

5

10

15

1

2

3

4

轧辊组合

拱高（mm/2m）

板厚0.35mm

板厚0.5mm

板厚0.7mm

实验中也针对纵向弯曲采用三种板厚四种孔型配置进行了试验，测量了2米长的板发生纵向弯曲后的拱高，实验结果如图6所示。比较各种板厚及轧辊孔型组合的纵向弯曲结果，发现各板厚在第4点的纵向弯曲比较严重，即取消第7道，只采用1、3、5、9道时会出现比较大的纵向弯曲，由此看来，倒数第二道对纵向弯曲的产生有较大的影响，这也与轧辊设计中成型越接近尾部时变形就须越小的成型经验是一致的。另外，还可以从实验结果中看出，在相同的轧辊孔型组合下，厚板比薄板更容易产生纵向弯曲。

减轻或消除纵向弯曲的措施比较多。在设计时，要注意合理分配变形量，尤其是在后面几道，变形量不易过大。另外可以使用侧辊和过弯辊，对型材进行预弯，且使型材断面的中性线与成品型材的中性线重合，使型材上下所受的力平衡，从而避免纵向弯曲。如果在加工过程中发现纵向弯曲，可根据实际情况增加部分轧辊，尤其注意后面几道。此外在条件允许的情况下换用比较薄的板也不失为一种比较有效的方法。其它如使用矫直机进行矫直，变更机架间距，采用托辊，调整各架次的轧辊间隙等措施均可减小或消除纵向弯曲。需要注意的是，通过调整各架次的轧辊间隙来减轻纵向弯曲需要有熟练的技术才行。

4．结论

本实验按照不同的板厚及辊型配置采用了18种组合分别进行了试验，并针对比较明显的袋形波、边部波浪、纵向弯曲三种缺陷从产生机理、实验结果等方面进行了分析研究，并对缺陷的消除提出了相应措施。

1） 前面的道次和后面的道次比中间的道次对袋形波的产生影响较大，特别是后面的道次，影响更大。出现袋形波可通过采用更多的成型道次加以消除。断面边缘宽度的大小对袋形波有一定影响，设计中可以参照关系式F<250t²/(W-88t)。薄板比厚板更容易出现袋形波。可以通过给板料施加拉力来减缓袋形波。

2） 各道次均有可能发生边部波浪，前面的道次对边部波浪的出现影响较大，薄一点的板比厚一点的板更容易出现边部波浪，宽边较窄边容易出现边部波浪。要减轻或消除边部波浪，在设计初期应注意断面边缘宽度不宜过大，可参照断面边缘宽和板厚的比接近或小于40的比例进行设计。弯曲角可参照经验公式 进行分配。如果在轧制过程中出现边部波浪，可以通过适当添加部分道次减轻或消除。

3） 后面的道次对纵向弯曲影响较大，相同断面和辊型配置下，厚板较薄板更容易出现纵向弯曲。为减轻或消除纵向弯曲，在设计中要注意合理分配变形量，后面几道变形量不易过大。可以通过预弯、增加道次、使用矫直机、变更架间距、采用托辊、调整轧辊间隙等措施来减小或消除纵向弯曲。