冷弯型钢弯曲成形应力因素影响研究

朱珊珊　赵福森

摘 要：冷弯型钢在现代工业领域有较广泛的应用，其弯曲成形的质量控制非常重要。而应力因素是影响其弯曲成形的主要因素。本研究主要从应力影响因素中板材初始厚度、屈服极限以及内圆弯曲半径三个因素出发，研究了这些因素对冷弯型钢的弯曲状态的具体影响，并总结了影响因素的具体分析结果。本研究内容有利于提高冷弯型钢的质量，并为相关的工程设计提供参考。

关键词：冷弯型钢；弯曲应力；影响因素

冷弯型钢指用钢板或带钢在冷状态下弯曲成的各种断面形状的成品钢材。冷弯型钢是一种经济的截面轻型薄壁钢材，是制作轻型钢结构的主要材料。它具有热轧所不能生产的各种特薄、形状合理而复杂的截面。与热轧型钢相比较，冷弯型钢能较合理地利用材料强度；与普通钢结构相比较，可节约钢材30-50%左右。近年来中国冷弯型钢市场需求日趋增多，应用范围不断扩大，市场前景十分广阔。冷弯型钢如此广泛的优点以及应用要求对其质量有一定的严格要求，有必要对冷弯型钢弯曲成形应力影响因素进行研究分析，从影响因素入手控制其产品质量，因而具有重大的现实意义和经济意义。

1 弯曲成形以及应力的介绍

弯曲成形是现代工艺中十分常见的一种加工方式。弯曲成形实质上是一种冲压成形工艺。弯曲造型的原材料一般是金属板材、管材和型材等。弯曲成形就是使工件具有一定曲率、一定角度以及一定形状和尺寸。高压容器、 锅炉汽包、 锅炉炉管、船体的钢板及骨肋、各种器皿、仪器仪表构件以及箱柜镶条等制造是典型的弯曲成型的例子。常见的弯曲成形工艺有压弯、折弯、拉弯、滚弯以及锟弯等。压弯做为最常用的弯曲方法，有着比折弯、拉弯、滚弯以及锟弯等弯曲成形工艺方法更显著的优点。压弯工艺主要的设备有机械压力机、液压机以及专用折弯压力机等。卷板机是滚弯常用的设备。弯曲变形有一个成形过程，首先横断面中间有一部分不变形的区域是中性层。中性层内外的金属分别收到压、拉应力的作用，内层金属受压产生压缩变形，外层金属受拉产生伸长变形。并且，由于中性层两侧金属的应力和应变方向是相反的，故而，一旦载荷卸去，其弹性变形回复方向也是相反的，产生弹复力并有不同程度的弹复效果。弹复的制约因素有很多，但是这些因素往往是难以控制的。弯曲件精度问题一直是弯曲成形生产的重难点，实践证明，弹复作用会影响弯曲件的精度。

弯曲应力简单的说即弯曲产生的应力。弯曲应力在工件材料的不同表面也是不同的。通常，弯曲应力分为正应力和切应力。弯矩和剪力是受弯构件横截面上的两种主要内力。弯矩在横截面上产生正应力，对弯曲正应力必须进行严格的推导，弯矩产生的正应力会影响受弯构件的强度和刚度。剪力在横截面上产生剪应力，相对正应力而言，剪应力虽对梁的强度和刚度也是有影响的，但只是次要因素，故而对剪应力公式没作严格推导。弯曲应力是指法向应力的变化分量沿厚度上的变化，这个变化可以是线性的，也可以是非线性的。壁厚最厚的表面的弯曲应力最大，设计时要进行强度校核，一般取其最大值。材料的屈服极限指当材料所受应力超过弹性极限后，变形增加较快，此时除了产生弹性变形外，还产生部分塑性变形。而当壁厚的表面达到屈服极限后，表面应力虽然不再增加，但屈服层由表面向中间扩展，仍能继续提高承载能力。故而，弯曲应力在压力容器中，其安全性有明显优于相同数值的薄膜应力。了解弯曲成形是熟悉工艺手段的主要方法，了解弯曲应力对于理解影响弯曲应力的因素具有促进作用。所以掌握一定的弯曲成形工艺以及弯曲应力的产生、分类等知识是掌握有关专业知识的第一步。

2 影响弯曲应力的因素

冷弯型钢的特点是经济性比较好，由冷弯型钢制成的型材的质量一般都比较低，而且工艺性较好，因而广泛应用在生产实践中。所以冷弯型钢的成形及其性能的优劣对于冷弯型钢的应用具有很大的影响。弯曲成形是冷弯型钢的成形方式，其弯曲应力直接影响冷弯型钢的性能。而影响其弯曲应力的因素有很多，值得去研究，以进一步提高其成形性。其中板材初始厚度、板材屈服极限以及板材内圆弯曲半径是主要的影响因素，而弯曲应力中根据实际情况又详细地分为轴向应力、径向应力以及周向应力，并详细研究板材初始厚度、屈服极限以及内圆弯曲半径对轴向应力、径向应力以及周向应力的具体的影响效果。本研究采用单一因素研究法，即研究某一因素变化的具体影响时，保持其它变量因素不变。

2.1 板材初始厚度对冷弯钢弯曲应力的影响

当研究板材初始厚度的影响时，保持板材屈服极限以及板材内圆弯曲半径保持在一定值不变。通过设置不同板材初始厚度来研究其具体影响规律。通过一定的实验以及数据的处理发现，随着板材初始厚度的增大，冷弯型钢的弯曲应力也在不断增大。而且通过具体的数据计算可得出，板材的初始厚度要是每增加10%，弯曲应力中的轴向应力最大值相应增大1%左右，径向应力最大值相应增大6%左右，周向应力最大值相应增大1.8%左右。由这些数据可以得到这样的结论：板材初始厚度对冷弯型钢弯曲应力有很大影响，初始厚度越大，冷弯型钢的弯曲应力也越大，而且初始厚度对弯曲应力中的径向力影响效果最大，对周向应力和轴向应力的影响效果相对较小。

2.2 板材屈服极限对冷弯钢弯曲应力的影响

当研究板材屈服极限的影响时，保持板材初始厚度以及板材内圆弯曲半径保持在一定值不变。通过设置不同板材屈服极限来研究其具体影响规律。通过一定的实验以及数据的处理发现，随着板材屈服极限的增大，冷弯型钢的弯曲应力也在不断增大。而且通过具体的数据计算可得出，板材的屈服极限要是每增加10%，弯曲应力中的轴向应力最大值相应增大10%左右，径向应力最大值相应增大10%左右，周向应力最大值也相应增大10%左右。由这些数据可以得到这样的结论：板材屈服极限对冷弯型钢弯曲应力有很大影响，屈服极限越大，冷弯型钢的弯曲应力也越大，而且屈服极限对弯曲应力中的径向力、周向应力以及轴向应力的影响效果都比较均匀，同时影响也非常显著。

2.3 板材内圆弯曲半径对冷弯钢弯曲应力的影响

当研究板材内圆弯曲半径的影响时，保持板材初始厚度以及板材屈服极限保持在一定值不变。通过设置不同板材内圆弯曲半径来研究其具体影响规律。通过一定的实验以及数据的处理发现，随着板材内圆弯曲半径的增大，冷弯型钢的弯曲应力在不断减小。而且通过具体的数据计算可得出，板材的内圆弯曲半径要是每增加10%，弯曲应力中的轴向应力最大值相应减小1.4%左右，径向应力最大值相应减小4.3%左右，周向应力最大值也相应较小0.8%左右。由这些数据可以得到这样的结论：板材内圆弯曲半径对冷弯型钢弯曲应力有很大影响，内圆弯曲半径越大，冷弯型钢的弯曲应力却越小，而且内圆弯曲半径对弯曲应力中的径向力影响效果最大，对周向应力以及轴向应力的影响效果比较小。

3 结语

冷弯型钢在生产实践中应用广泛，研究其弯曲应力的影响因素具有现实的经济意义和质量意义。本研究在介绍了冷弯型钢在工业上的应用的背景下，并基于弯曲成形以及弯曲应力的概念，重点介绍了板材初始厚度、板材屈服极限以及板材内圆弯曲半径这三个影响因素。并重点阐述了以上三个因素对径向应力、周向应力以及轴向应力的具体影响。其中，屈服极限对三种形式应力的影响是最大的，板材初始厚度以及板材内圆弯曲半径对径向力的影响比较明显，对其它两种应力的影响不太显著。本研究内容对冷弯型钢的改进以及性能的提升具有重要的参考价值。

参考文献

[1] 刘向东，高丽华.影响冷弯型钢弯曲应力因素综合分析[J].江南学院学报，1999.

[2] 何鹏.高强度钢冷弯成型孔型工艺研究[D].武汉：武汉科技大学，2014.