无锡方矩管：圆变方异型管生产与圆管冷定径工艺的开发

闭口型材冷弯成形的几个理论依据

　　闭口断面型材也称为空心型材。最常用的闭口型材主要有圆管、方管和矩型管等对称截面型材。对于闭口型材的断面冷弯加工从工艺上讲是个复杂的变形过程，至今尚无完整的理论来诠译、解析。往往仅能依据经验的积累来确定变形条件与基本参数。业内一些专家曾借助于型钢碾轧变形理论中的压下量、宽展、延伸系数、孔型系等一些概念来分析圆变方等闭口型材的工艺过程，实际运用中却并不贴切。闭口型材壁厚方向不受限制是给变形和受力分析增加难度的主要原因。为此本文也仅能从几个基本相关要点作简要分析;以工艺实践介绍作为主要内容断面。

　　2、1中性线周长不变规律

　　断面中性线周长不变规律，是圆变方等冷弯成形过程中进行变形分析、原料选择、轧辊设计、成品质量控制的出发点和工艺参数的计算基础。金属的冷弯成形加工实质上是控制改变金属变形断面相关部位的曲率，达到要求的过程。这一过程。必然要伴随横截面内外层面拉伸或压缩形变发生。曲率增大部分，外层材料受拉，内层受压。内外层材料中间必然存在有一个层面上径向应力为0。这些断面径向应力为0的点连接起来既为截面的中性层。是周长不变层面。平钢板和圆管的中性层在1/2板厚位置。当断面变形部分的位伸和压缩应力超过材料屈服极限，小于断裂极限时既发生永久性塑性变形，达到冷弯之目的。冷弯实践证明，随材料弯曲变形的进行，中性层面将向曲面圆心方向偏移。其偏移量e值可按如下理论公式计算:

　　式中: S-材料厚度mm

　　R-材料内壁的弯曲半径mm

　　从上式可以看出材料厚度越大，弯曲的内圆角半径越小，中性层偏移量越大。另外为防止材料发生弯曲断裂，R的选择应受最小弯曲半径限制。(见2.3的内容)

　　在径厚比D/S相对较大，并按照弯曲半径约束条件进行圆变方冷弯变形时，e值和S/2值相对D来说都是较小值，为此可以大略视为圆管外径周长不变而仅是被稍加压缩了一下。采用圆管外径周长压缩系数ξ，表示管材变形过程中外径周长的变动率;

　　方矩管生产实践中，圆管的外径周长压缩系数一般仅为1.009-1.02之间。并可用此公式推算原料钢管的直径。

　　2、2纵向微量延伸规律

　　在被动推挤变形方式中，动力缘自于对原料管材施加的纵向推力。这一纵向力会在材料上产生较大的压应力。虽然不足以超过材料的屈服限而产生塑性变形。但在整个机组各机架间变形管材上的纵向压力将阻碍截面径向形变时材料的前后滑。而且中空管材壁厚方向无约束，断面径向弯曲变形的不均匀造成相邻部份相互的制约，这些因素都严重限制了管材的纵向延伸，从而使这一变形过程近似于二维形变。尽管在圆变方过程中也采用了近似于型钢轧制的箱形孔型，也给予足够大的道次压下量，限制了宽展，但纵向延伸却很小。大量生产实践中得出方矩管成形过程总延伸系数仅为1.004-1.02。

　　如推制Q345、长12米、200×200、壁厚24毫米方管时，成品长度延伸量不足200毫米。推制Q235、长8米、60×60、壁厚5毫米方管时，成品长度延伸量约为40毫米。

　　2、3最小弯曲角度半径选择的限制

　　冷弯成型时的弯曲变形要受材料极限变形率既极限延伸率的限制。否则在弯曲处将出现裂纹或折断。材料的弯曲变形，角部最外层金属纤维受拉应力最大，也既成为最易被破坏层面。而这一拉应力的变化是随弯曲曲率半径的减小而增大的。金属材料允许的最小弯曲半径Rmin理论计算公式为:

　　式中:R min-最小允许弯曲半径mm

　　S- 材料的厚度　　mm

　　δs-金属材料极限延伸率

　　常用结构钢的极限延伸率举例如下:

　　10#钢　　　　　δs = 31%

　　20#钢　　　　　δs = 25%

　　16Mn钢　　 　　δs = 21%

　　在设定圆变方工艺时可用以上公式，作为选择方矩管截面角部弯曲半径的依据。在冷弯行业中，国际上各国方矩管标准,不但对材料成份机械性能等条件进行了约束，而且也按管材的材质、壁厚给定出弯角外圆弧半径的限制。

　　以我国结构用冷弯空心型钢国标GB/T6728-2002中的规定为例:

　　角部外圆弧半径R值

　　壁厚t(mm)　　 碳素钢(σs≤320MPa) 　　低合 钢(σs>320MPa)

　　t≤3　　　　　　1.0-2.5t　　　　　　1.5-2.5t

　　3

　　6

　　t>10　　　　　 2.0-3.5t　　　　　　2.5-4.0t

本文来自：无锡方矩管

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