冷轧带钢弯曲起皱问题研究

朱秋菊 任光合 孙树金

摘要：大型钢厂生产的冷轧带钢质量较为稳定，但是价格较高。小型钢厂生产的冷轧带钢价格相对便宜，但是质量波动范围较大，生产使用时的弯曲状况不很理想，经常会出现腹部凹凸、边部波浪等缺陷，为提高产品质量，降低生产成本，本文对冷轧钢带弯曲起皱的问题深入研究，并对弯取成型设备提出相关改进建议。

关键词：冷轧带钢；弯曲起皱；螺旋排水管

前言

钢带增强聚乙烯螺旋排水管将钢带的高刚度和聚乙烯的高防腐性实现了统一，在农村城镇化建设及污水处理工程中具有较大的应用空间。钢带在产品中的主要作用是提高产品的环刚度，因此在实际生产中，钢带屈服强度越高，生产出的管材环刚度就越高。但当钢带厚度超过1.2mm（DN1000以上规格）时，经常会出现腹部凹凸、边部波浪等缺陷，影响了产品外观，降低了钢带与内外片的粘接质量，易出现废品。因此，为保证产品的质量，需对所采购的带钢性能做一定的要求：拉伸强度290Mpa～420Mpa，屈服强度190～340Mpa，断裂伸长率≥30%。经过多次试验，小型钢厂的带钢不能满足生产要求，只能从大型钢厂订购或从分销商手中采购，无形中增加了产品成本。

1.带钢材质性能分析

目前，行业内常用的冷轧带钢有Q195、ST12、08AL，其中Q195价格相对便宜，应用较为广泛。三种材质的化学成分详见表1。

表1 冷轧带钢化学成分及性能参数表

牌号 化学成分（%） 机械性能 备注

抗拉强度（Mpa） 屈服强度（Mpa） 延伸率（%）

Q195 C：0.06-0.12；Mn：0.25-0.50；Si：0.12～0.30；S：≤0.050；P：≤0.045 315～430MPa ≥195Mpa ≥33% 中国标准牌号

ST12 C≤0.10；Mn≤0.50；P≤0.035；S≤0.035；Alt a≥0.020 270～410Mpa 177～280MPa ≥28% 德国标准牌号

08AL C：0.05～0.11；Mn：0.25～0.65；Si：≤0.03；S：≤0.035；P≤0.035；Al：≤0.02～0.07；Cr：≤0.10；Ni：≤0.30 ≥325Mpa ≥185Mpa ≥33% 中国标准牌号

P和S是钢中的有害元素，P易导致钢出现 “冷脆性”现象，S易导致钢出现“热脆性”现象。Si和Mn通常是在炼钢后期作为脱氧剂加入钢水中而残留下来的，可提高钢的强度和硬度，是钢中的有益元素[1]。Q195中含S、P相对较高，故其塑性相对低。一般情况下，Q195钢带的生产是由冷轧钢厂购买热轧或正火状态的热轧钢板，轧制成相应规格后以退火状态交货，退火用于改善冷轧过程中的冷作硬化现象，但由于工艺和技术所限，小型钢厂生产的Q195冷轧钢带具有屈服强度偏高的特点。

2.冷弯成型研究现状

在钢带增强螺旋波纹管的性能指标中，环刚度指标尤其重要，它是表征管道抗外压负载能力的综合参数。它与带钢的弹性模量及截面惯性矩成正比，与管材的内径成反比。管材的直径是由客戶需求决定的，所以提高管材的环刚度，只能通过采用高弹性模量的钢带材料或增大波形的截面惯性矩的方式。通常，钢带的材质确定，其弹性模量基本上是确定的，故影响螺旋管环刚度的因素只有只有截面惯性矩。常见的波形截面有U形、梯形及Ω形，我公司产品采用Ω形截面。

使带钢成型为Ω形，冲压和冷弯成型是国内外常采用的方式，其中辊弯成型又是冷弯成型的常见方式。国内冷加工业常见的有三辊弯曲机、四辊弯曲机和六辊弯曲机。其中三辊弯曲机原理是利用三点确定一个圆，与弯曲半径垂直的弦相交于一点来保证弯曲半径的均匀，其中又分为兑成式和不对称式两种，其中对称式的不能连续弯曲，工作效率较低。四辊弯曲机曲率半径调节范围较大，分为侧辊进给式、侧辊摆动式、副辊摆动式等几种形式。其中，侧辊进给式也不能连续生产，应用并不普遍。六辊弯曲机主要分为摆动式和对辊式。对辊式六辊弯曲机原则上也属于摆动式弯曲机的一种，主要是靠三组相互对应的辊轮逐步成型，其曲率半径由滚轮的安装位置确定，中间有滑道保持钢带的导向，便于下一组滚轮的咬入，上下辊轮均为驱动轮，从而实现钢带的连续弯曲成型[2]。

3.带材滚弯成型应力分析

（a）变形应力 （b）弯曲应力

图1波形弯曲应力分析

如图1（a）所示弯曲变形主要发生在弯曲带中心角φ范围内，弯曲带以外直边部分离弯曲部分越远，变形越小，底板部分的弯曲与此类同。弯曲时，凹模外侧的切线方向的纤维受拉伸长，而靠近凸模的内侧纤维在切线方向受到压缩变短，中性层纤维不变。当弯曲半径与板厚之比r/t≤4时，变形区会变薄。

由于我公司采用的的钢带为宽钢带（b/T>3），弯曲变形时只在长度和厚度方向上产生应变，即上图中的ε1和ε2，在弯曲变形时在长度和厚度的应变区内产生应力，即σ1和σ2。宽度方向的应变内外相互限制抵消，外侧的材料横向收缩受阻产生拉应力，内侧产生压应力，即图1（a）中的σ3。

在弯曲成形时，滚轮组相当于模具，对板带产生了力的作用，在波形与底板上产生了诱发应力，如图1（b）所示。此处的诱发应力与滚压预成形处产生的应力σ1、σ2、σ3叠加，有可能引起的变形缺陷是：波峰处可能因拉应力过度产生开裂，底板可能在压应力作用下失稳起皱[3]。

4.改进措施

（a） 增加滚轮组 （b） 使用弹性滚轮

图2 改进方案

4.1增加滚轮组：无论何种弯曲方式，变形时均遵循“弱区先变形，变形区为弱区”的原则。板料在弯曲过程中，弯曲半径逐渐减小，弯曲变形过程中板料与凹辊之间产生相对滑移，最后三者完全压紧，进行校正弯曲成型。当钢带的屈服强度过高时，若一次性弯曲量过大，使弯曲力超过钢带所能承受的极限，会导致底板失稳起皱。针对此问题，可尝试逐步成形工艺来完成钢带的滚弯成形，现有滚弯机为3对滚轮，可以适当增加1到2组滚轮，减小每工步得得弯曲角，如图2（a）所示。前两组滚轮弧度R值较大，后两组逐步减小R值。

4.2采用柔性滚轮：将下滚轮换成橡胶轮（如图2（b）所示），在成型力作用下，刚性轮会将弹性轮压出一定变形量，其优点在于在滚弯系统中引入了一个弹性体，对工件产生较大的包角，从而使工件受到分布力而得以逐渐屈服，适宜辊弯高强材料。

实际滚弯过程分为加载成型阶段、曲率恒定阶段、卸载回弹阶段。加载成型阶段，钢带首先与橡胶轮接触，钢带受力和弯矩随进给逐渐增大。钢带同时与上下滚轮都接触时，进入曲率恒定阶段，钢带截面应力、 应变分布保持不变。钢带离开刚性轮，其上的力开始减小，进入卸载回弹阶段，到钢带完全离开弹性轮，其内部的弹性应变能全部释放，板带最终成型。

5.结束语

本文结合实际生产问题，就冷轧薄带钢在进行异形辊弯成型起皱的问题进行了探讨，分别从钢带材质、弯曲成形、应力分析等三个方面进行了分析，最后给出了有益于改善起皱的改进措施，对弯曲装置的优化具有一定的指导意义。

参考文献：

[1]邹庆化. 钢的成分.回火温度与硬度之间的关系[J].金属热处理，1994，（3）：41-43.

[2]韩飞，刘继英，艾正青等. 辊弯成型技术理论及应用研究现状[J]. 塑性工程学报，2010，17（5）：53-59.

[3]朱慧涛，马苏常.基于TRIZ和QFD的弯曲机概念设计中的QFD分析[J].科技信息，2013，（9）：121-123.