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1、冷弯型钢生产培训讲义2005年11月20日一、高频直缝焊管和冷弯型钢生产基本知识1 .高频直缝焊管分类1.1按钢管外径分 毛细管 10mm以下10.3mm(1”)102mm(31”)82 小直径管114mm(4”）508mm( 20”) 中直径管 大直径管 508（20”）以上。 1.2按管径与壁厚分见表1表1 管径与壁厚序号类 别DT/t（外径/壁厚）t/DT(壁厚/外径)1特壁厚管0.82厚壁管5.59.00.180.123标准管9.1200.120.054薄壁管20.1500.050.025特薄壁管500.021.3按用途分见表2表2 按用途分序号钢管名称用途1中、低压流体输送用管用于煤
2、气、水、天然气、石油等流体输送2结构用管用于各种钢结构、建筑、家具制造3机械制造用于汽车、农机、机械制造4热交换器用于锅炉、石化工业、家电冰箱等热交换器2 .冷弯型钢分类21我国冷弯型钢产品一般按断面形状分冷弯型钢开口断面型钢闭口断面型钢 开口断面型钢开口断面型钢是最简单的，易于制造，如槽钢（汽车大梁）、帽型钢、端墙横带等。C70铁道货车耐大气腐蚀冷弯型钢中的侧柱（帽型钢）、端墙横带、下侧梁等都是开口断面型钢。 闭口断面型钢 大型冷弯型钢冷弯型钢按尺寸规格分类闭口断面型钢亦称空心型钢，如方、矩型等， 中型冷弯型钢铁道货车冷弯型钢中的C64、C62、C70的上侧 小型冷弯型钢梁，都属于闭口冷弯型
3、钢。 宽幅冷弯型钢B按尺寸规格分类 大型冷弯型钢产品原料展开尺寸为：厚度416mm 宽度3001200mm 中型冷弯型钢产品原料展开尺寸为：厚度25 mm 宽度100450mm 小型冷弯型钢产品原料展开尺寸为：厚度0.53mm 宽度30200mm 宽幅冷弯型钢产品原料展开尺寸为：厚度0.36mm 宽度7001600mm3、轧制变形基本原理 钢的塑性钢的塑性：在外力作用下，钢在体积不变的情况下，稳定地改变其形状而不破坏的能力叫做钢的塑性。塑性和柔软性混为一谈，因为柔软表示金属对变形力的抵抗能力，即变形抗力的大小。例如：铅同时具有良好的塑性及柔软性，又例如奥氏体不锈钢在冷状态下不能经受很大的变形而
4、不破裂，说明它的塑性很好。但这种钢的变形抗力很大，所以它并不柔软。所以在热轧加工过程前，把钢加热至高温状态下，促使钢的变形抗力降低至很小，（即柔软）但不能说都具有良好的塑性。 塑性变形和弹性变形金属晶体在外受外力时发生歪扭和拉长如图1所示，当外力未超过原子间的结合力时，去掉外力之后晶格便会由变形的状态恢复到原始状态，也就是未超过金属本弹性极限的变形叫做金属的弹性变性。当加在金属晶体上的外力超过其弹性极限时，去掉外力之后歪扭的晶格和破碎晶粒不能恢复到原始状态，这种永久变形叫做塑性变形。 加工硬化金属在冷加工后，由于晶粒被压扁、拉长，晶格歪扭、晶粒破碎，使金属的塑性降低，强度和硬度增高，这种现象叫
5、做加工硬化。 体积不变定律轧制前后体积不变的客观事实，叫做体积不变定律。 它是计算轧制变形前后的轧件尺寸的基本依据。在介绍体积不变定律时，举例来说明体积不变的客观事实。如，轧制前后的尺寸变化如图2所示。 轧前的轧件体积以V1表示，轧后的轧件体积以V2表示。V1=HBL V2=hbl如果轧件原料在几道轧制过程前，无连铸缩孔、疏松、气孔、裂纹等缺陷，那么对轧件轧制前后的外形进行分别对名测量得到相应长、宽、高尺寸数据，代入上2式计算，得到一轧制前后的体积相等，即V1= V2HBL=hbl 最小阻力定律钢在塑性变形时，金属沿着变形抵抗力最小的方向流动，这就叫做最小阻力定律。 图2 轧件轧制前后体积变化
6、示意图根据这个定律，在自由变形的情况下，金属的流动总是取最短的路线，因为最短的路线抵抗变形的阻力最小，这个最短的路线是以该动点到断面周界的垂线。例如图3所示，立压一块方钢，金属沿垂直各边的方向移动立压一块方钢，金属沿垂直各边的方向移动（最短路线）。 力轧制在轧制过程中，前后两架机架存在速度差，当后架的轧制速度大于前架时，造成前、后架之间的轧件受到后架和架的接力作用，通常此力和力。存在力的轧制过程称为力轧制。 连轧和连轧常数连轧：一根轧件同时在几架轧机上轧制，并保持在单图3金属沿垂直各边的方向移动示意图 位时间轧件通过各轧机的体积相等的轧制叫连轧。连轧常数：在连轧状态下，单位时间通过每架机架的金
7、属体积等于一个常数，这个常数叫连轧常数。用下式表示：F1D1n1=F2D2n2=FnDnnn单位时间通过的金属体积用下式计算：V=D n F60V 单位时间通过轧机的金属体积，mm3； D 轧辊工作直径，mm；n 轧辊转速，（转/分），r/min；F 轧件截面面积，mm34、成型基本知识4、1 冷弯的变形特点冷弯的变形特点：a.金属在冷态下弯曲变形，变形前后板带的厚度不变；b.成型后各段中性层的展开长度等于原板带宽度；c.在成型过程中不可避免地伴随着弹性变形；d.弯曲的部分存在着加工硬化和减薄现象。4、2 弯曲变形的条件轧件产生弯曲变形时，其截面中存在着中性线，中性线以上和以下两部分，中性线以
8、上区域存在压应力，中性线以下区域存在拉应力。离中性线愈远拉应力值愈大，当拉应力超过金属的（抗拉强度）值时，则在该处产生断裂。为保证板带冷弯成型而又不产生裂纹的必要条件，是弯曲截面上的最大正应力max符合smax180270时，上轧辊仅与板带原料中间部分接触；当270时，进入几架上辊带有焊缝导向环的封闭孔型中成型。导向环的厚度逐架减窄，最后成型成圆筒，（如图10所示）图8 中心弯曲法 图9 边缘弯曲法 4）综合弯曲法该方法是以挤压辊孔型半径RJ为边缘弯曲半径，将板带原料边缘到一变形角，并且再以后的成型架次中基本保持不变，而板带原料的中间部分弯曲按圆周弯曲变形法进行变形分配，直至进入几架上辊带有焊
9、缝导向环的封闭孔型中成型。导向环的厚度逐架减窄，最后成型成圆筒，（如图11所示）。5）W弯曲法W弯曲法于上世纪80年代由日本山羊精机工业株式会社研制开发，是综合弯曲法的发展，并于1984年获得美国专利。该方法是将板带原料的中间部分进行方向弯曲的同时，又以弯曲半径r弯曲板带原料边缘。 图10 圆周弯曲法 图11 综合弯曲一般设计在第一成型机架。第二架以后的成型按综合弯曲法变形，直至进入几架上辊带有焊缝导向环的封闭孔型中成型。导向环的厚度逐架减窄，最后成型成圆筒，（如图12所示）。4、5、2冷弯型钢的弯曲方法冷弯型钢的弯曲方法有5种方法，分别为：1）弯曲圆心固定法（半径不变，孤长增加）该法固定弯曲
10、半径的圆心，在半径不变的情况下，依靠弯曲角增大来依次增加弯曲孤状(如图13所示)，相当于圆管成型的中心弯曲成型法。此种方法适用于弯曲圆孤半径大的生产工艺。2）弯曲圆心移法（半径不变，孤长增加）该方法固定弯曲半径，移弯曲圆心(如图14所示)，相当于圆成型的边缘弯 图12 W弯曲法 曲成型法。该法适用于所有产品的生产，但弯曲回弹较大。3）弯曲圆心上移法（半径减小，孤长固定）该方法随弯曲角的增大，孤长不变，弯曲半径逐渐减小(如图15所示)，相当于圆管成型的圆周变形成型法。该法适用于波纹板美的宽、薄带坏和非对称称易加工产品。4）弯曲圆心（二维）坐标移动法（半径减小，弧长增加）该方法随弯曲角增加，弯曲半
11、径减小，弯曲孤长增加(如图16所示)。其变化量依赖于实际经验。该法适用于3）所生产的产品。图13 弯曲圆心固定法示意图 图14 弯曲圆心移法示意图图15 弯曲圆心上移法示意图 图16 弯曲圆心（二维）坐标移动法示意图5）弯曲圆心移动和半径度化成函数关系法(图略)该法随弯曲孤长的增加，弯曲半径按照指数关系减小，应用面较窄。4、6 孔型系统孔型系统一般可分为4类：1）同时型，即在断面上各部分同时成型。2）顺序型，即先边缘部位成型后中心部位，或相反。3）组合型，即先分别在各个部分顺序成型，而后同时在各部分成型，或相反。4）专用型，即为保证所生产型钢断面的一些高质量指标和要求而采用的专门系统。二、高频
12、直缝电焊钢管孔型设计1、高频直缝电焊钢管孔型设计步骤：1）进行原料板宽计算；2）根据成型机组的轧辊布置形式，进行孔型结构的选择；3）挤压辊孔型设计；4）封闭孔型设计（平辊）；5）开口孔型设计（平辊）；6）初成型段立辊孔型设计；7）定径孔型设计（平辊）；8）定径立辊孔型设计；9）矫直辊孔型设计；10）根据前面的设计和计算，绘制成型变形图，进行成型过程状态分析，对孔型设计进行适当修改；11）根据孔型设计和计算结果，结合机组结构特点和要求，设计和绘制轧辊零件工作图。2、双半径孔型设计与计算方法2、1原料板宽计算a.常用计算经验公式（1） B = ( DT- t )+ 1+ 2 + 3B 原料宽度；
13、DT 成品钢管的外径，mm； t 成品钢管的壁厚，mm；1成型余量mm，按表5选取；2焊接余量mm，按表6选取；3定径余量mm，按表7选取。t1.01.14.04.16.02t2/3t1/2t表5 成型余量选取表 表6 焊接余量选取表DT/t81516252640416011/2t2/3t3/4tt表7 定径余量选取表DT6.32526353650517071959612012114514617217320030.71.01.31.52.02.62.93.23.5例2 已知牌号为Q235A的165（外径）X4.50（壁厚）（6）的焊接钢管，计算所需原料宽度。解：外径DT=165，壁厚t=4.5
14、0，DT/t=165/4.5036.67。 按表5选取成型余量1=3/4t=0.75X4.503.38，按表6选取焊接余量2=1/2t=0.50X4.50=2.25，按表7选取定径余量3=3.20，所需原料宽度为： B=( DT- t )+1+2 +3=（165-4.50）+3.38+2.25+3.20=513.513 答：计算所需原料宽度为513mm。b. 常用计算经验公式（2） B =DT - 2t + 1 + Z B原料宽度； DT 成品钢管的外径，mm； t 成品钢管的壁厚，mm；Z 系数mm，按表8选取。表8 系数Z选取表钢管外径，mm1818.12525.140415051Z0.4
15、0.480.560.60.722、2挤压辊孔型计算a.焊接挤压孔型由双半径组成，孔型结构设计见图16所示，其作用是使靠近焊接部分的管形呈平椭圆形，使焊接挤压力沿整个管壁分布均匀，以提高质量。孔型半径 RH=DT+R 下底圆弧半径，mm2h=RH+C1 孔型半径圆心高，mmRB=RH+e上部平椭圆弧半径，mm式中： DT 成品焊接钢管的外径，mm DK 机组的工作外径，mm R定径量按前面表7选取，mm C1辊环宽度，一般取2030mm； S辊缝， 一般取56 mm 取C2= 3040mm 图16焊接挤压孔型结构图 h = RH- RHcosS sinD1 = DK+2( RH-RHcosS s
16、in)D2 =( DK+2R- RH sin-S )-2r( 1/sin-1) D3 = D2 -2 C2 sin H = h + ( RH + C2 )sin DK、上、下挤压辊的宽度、工作外径b、ds、B、dx尺寸由机组的结构和设备参数决定。b.压光棍孔型计算 压光棍孔型结构见图17所示。C辊环宽度，一般取2030mm； S辊缝， 一般取510mm R = RH 与下挤压辊半径相同 图17压光辊孔型结构 B = 2 （ R+C ） D = DK + 2R 工作外径DK、b、d1、d2、d3、尺寸由机组的结构和设备参数决定。2、3封闭孔型计算（含一架焊缝导向辊）封闭孔型一般为3+1结构，即3
17、架平辊+1架导向。封闭孔型结构见图18所示。2、3、1封闭辊孔型计算 a. 第i架平辊的导向环厚度 bi = B z 式中： B 所计算原料板宽，mm Z导向片厚度系数按表8选取，mm i封闭孔型机架序号，i=1、2、3、导向。 b. 第i架下平辊的孔型半径RBi=B+bi+Cb2 式中： B 所计算原料板宽，mm bi导向片厚度，mm Cb孔型弧长修正系数，Cb=0.52.3mm e半径R2偏移系数，e=26mm 图18 封闭辊孔型结构表8 导向片厚度和上辊孔型半径R2系数选取表机架序号i123导向导向片厚度系数z0.180.200.0960.10.0.0320.0270.03半径R2修正系
18、数1.0301.0401.0301.0401.021.031辊环修正角度(度)1412100c.第i架上平辊的孔型半径R2 = R1上辊孔型半径修正系数，按表8选取； d.孔型结构尺寸计算与选取i=Sin-1bi+ei =90-IR2 半径R2的偏心距 e=R2-R1B1=R2 cos+ e B2=R2 sin+ B1 B3=B2+C-bi/2 D1=DK+2(4050) D2= DK+2R2sini-S D3=DK+2R2(sini-sin)Bi =Bi-D1-DKtgi22b1=(D1-DK)/2 DK 机组的工作外径，mm C辊环宽度，一般取2030mm； S辊缝， 一般取614 mm，
19、外径值大的取上限值，外径值小的取下限值。e.封闭孔型计算过程结束前，必须对孔型圆弧段中性层的周长进行验算，孔型圆弧段中性层的周长原料板宽；如不等，必须进行孔型修改计算。2、4开口孔型计算计算特点：各架开口孔型的边缘弯曲半径均相等，弯曲的弧长与W孔型相等一致。孔型中间弯曲变形的孔型，按均匀变形法均匀分配。2、4、1W孔型计算W成型孔型技术在近年来得到广泛的应用，（壁厚/外径）值0.33%S/D 22.1%，不仅适用于普通碳素钢，还可应用于铝、铜、钛和不锈钢等材料的成型。该方法是将板带原料的中间部分进行方向弯曲的同时，又以半径r弯曲板带原料边缘，能有效的减小和控制边缘延伸，一般设计在第一成型机架。
20、孔型结构见图19。a.中部反弯孔型半径该段圆弧的中型层长度，约占原料板宽的32%52%，中部反弯孔型半径可以接近成品圆管直径的3倍或等于原料板宽。取原料板宽的45%，则LR2=0.45 B B 所需原料宽度 R2=LR21802b. 一般中部反弯变形角取=1314 d.两侧下弯的孔型半径两侧下弯孔型半径的圆弧段中性层长度占原料板宽的40%45%（两侧下弯圆弧段中性层长度的合计值），取原料板宽的40%，则LR1=0.40B/2=0.20B B 所需原料宽度R1= RJ+R 或 R1= RB1 边缘弯曲角=+( 35 ) 1=LR1.180R1e. 两侧联结直线段两侧联结直线段占原料板宽的8%17
21、%。取原料板宽的15%，则LZ =1-（0.45+0.40） B / 2 图19 W孔型结构= 0.15 B / 2 = 0. B 两侧联结直线段用作图法在孔型图中连接。 B 所需原料宽度f.孔型结构尺寸计算 DK 机组的工作外径，mmB1= R1(sin+sin)+C B2 = 2R2 sin B3=L2cos R1s = R2-S A1 = 2 R1S sin A2=( R2+R1S)sin+ B3 D1 = 2( 1- cos) R2+ DK D2 = DK + 2( 1- cos) R1 D3 = iDK D4 = D3 2R1S + 2R1SCOS-( 1020 ) C1、C2辊环宽
22、度，一般取C1=2030mm，C2=3040mm。2、4、2各架次开口孔型的中间部分弯曲变形孔型计算a.除第一架W孔型外，以后各架次开口孔型的中间部分弯曲变形时，中间部分的中性层长度占原料板宽的60%75%，当中间部分的中性层长度占50%时，进入封闭孔型。取中间部分的中性层长度为： L=( 10.4 ) B = 0.6 B B 所需原料宽度中间部分的弯曲半径为：Ri=NRB1iN参加成型的机架数，从i=1、 i=（第一架封闭孔型机架序号，其中包含参加成型的立辊机架数）；i所计算的机架顺序号； RB1第一架封闭孔型下辊半径。当中间部分变形角为i时，原料中间部分弯曲变形为板宽的0.6 B。因此，i
23、可用下式求得： i =0.6 B180=54 B2RiRi边缘弯曲角i=7.1625BRib.边缘弯曲与中间同时综合变形辊计算 边缘弯曲与中间同时综合变形辊孔型结构见图20。R2X= RB1R2S=R2X-SA2=R2SR1X=RiR1S=R1X-SA1= R2Ssini+ (58) R1S siniA3=A1+A2B1=A3+2( S+C )D1=i DKD2=DK+2R1X(1-cosi)+R2Xcosi连接圆弧半径 r = 510 mm上辊取上限、下辊取下限。 C.中间变形辊孔型计算 R2X= RB1R2S=R2X-SR1X=Ri 图20 边缘弯曲与中间同时综合变形辊孔型结构R1S=R1
24、X-S D1=i DK 1）（2i130中间变形辊孔型结构2）（2i130）中间变形辊孔型结构见（图22）,按下面公式计算： A =0.85 Rs +钢带边缘与上辊间间隙，取=1015mmB = RX+C DS = DK+2( RX + r )连接圆弧半径 r = 510 mm上辊取上限、下辊取下限。图22 （2i130）中间变形辊孔型结构2、5定径孔型计算定径孔型结构见图23所示。定径量（减径量）按均匀分配发分配，定径各架次的孔型半径按下式计算：Ri=RT+n-i.D=RT+n-iRn2n式中：RT成品管半径，mm n参加定径机架数i参加定径机架序号，i=1、n 图23 定径孔型结构R定径余
25、量，R=D/2，mmB1= 2 Ri cosB2= ( Risin-S/2-r+ r sin)tg B3= B1 +2 B2 B4=B3+2CD1= DK+2Ri(1-sin)D2= DK+ 2Ri- S2、6矫直辊孔型计算矫直辊一般由两组四辊组成，其孔型结构见图24所示。Ri =RT -0.05 , mm= 90 = 1.53 , 辊缝间隙，mm = 90- 57.3 / Ri l = 2 Ri sin / 2B = l+ 2C 图24 矫直辊孔型结构图C = 2030 mm C辊环宽度, r = 35 mmRT成品管半径，mm i参加定径机架序号，i=1、n 2.7边缘弯曲与中间同时综合变
26、形立辊计算（2i130）孔型结构见图25所示。中间部分的弯曲半径为：Ri=NRB1i中间部分变形角 i =0.6 B180=54 B2RiRi边缘弯曲角i=7.1625BRih = Ri + (2030) mmD1 = Dkl +(1020) mmD2 =Dkl+2rsin( i+i )-sinih1 = h -Ri2-( / 2)21/2h2 = h h1- Ri cosih3 =h -( Ri r )cosi- r cos(i+i) D3 = Dkl+2ri sin(i+i)+(Ri-ri)sini- C = 2030 mm C辊环宽度, r = 35 mmH = h3 +(D1 -Dkl
27、 )/2 tg90-(i+i)+ C辊缝，根据机组结构确定 图25 （2i130）孔型结构见图26所示。中间部分的弯曲半径为：Ri=NRB1i中间部分变形角 i =0.6 B180=54 B2RiRi边缘弯曲角i=7.1625B+( 23)Rih = Ri + (2030) mmD1 = Dkl +(1020) mmD2 =Dkl+2r1-cos( i+i )D3 = D2 +2ri ( 1-cosi)h1 = h -Ri2-( / 2)21/2h2 = h h1- Ri cosi 图26 （2i130）立辊孔型结构图h3 =h -( Ri r )cosi- r cos(i+i) C = 20
28、30 mm C辊环宽度, r = 35 mm， H = h3 + C辊缝，根据机组结构确定2.9闭口孔型立辊计算孔型结构见图27所示。孔型半径RiL=Ri +Ri+12 式中： Ri前架平辊孔型半径，mm Ri+1后架平辊孔型半径，mmi参加成型闭口立辊机架序号，i=1、n 变形角 i=B180=28.65 B2RiLRiLH = RiL 1+ RiL sin(i-90)+2CD = Dk +2RiL ( 1-cosi)C = 2030 mm C辊环宽度, r = 35 mm， = 36mm ，辊缝 3.FF法孔型设计及计算方法三、冷弯型钢孔型设计冷弯型钢孔型设计包括：原料选择、孔型系统选择、
29、弯曲道次确定、各道弯曲角的分配、配辊和辅助工具选择等。 图27 闭口孔型立辊结构图1.开口冷弯型钢孔型设计思想与基本原则1）固定点（段）与固定线为使弯曲轧件断面形状在各道次中有规律地变化，必须选择固定点或固定段，在整个冷弯成型过程中，固定点或固定段的位置及其长度不变，各道次的固定点联线叫作固定线（又称轧制中心线），它在整个弯曲过程中应保持一条直线。对称断面型钢，其固定点先断面对称轴和中性线的交点。非对称断面应使固定点（段）两边的弯曲变形量基本相同，以保证弯曲时轧件稳定。2）基本直径轧辊与固定点（段）相接触处的直径叫做轧辊的基本直径，弯曲成型时要求每个机架的上、下辊基本直径相同，以保证产品质量。
30、2.选择孔型系统的基本原则选择孔型系统应遵循行的基本原则：a.尽量使开口和要求较高的面朝上，以利观察和调整；b.尽量避免有长的垂直段，防止因该部辊径差过大，增加轧辊磨损和降低轧件表面质量；c.在无辅助辊的情况下，尽量避免弯和弯曲率；3.按余弦曲线来分配弯曲角。当成型道次N，单边总弯曲角为，第i道次的弯曲角为：i=(1 -cos180i)2N此种计算数学方法如图28所示。求弯曲角分配的数学方法图或按经验公式分配，R.T.安格尔方法，即：将平缓过度区长度L视为机架间距长，将带钢边缘视为直线段，认为成型纵方向边缘起升角为一常数，以此来确定最大弯曲角。3.配辊配辊原则是：a.使基本直径两边的辊径差尽可能小；b.轧槽深度适宜，既能耐轧件各种起限制作用，又不使辊环过薄；c.在保证各架之间的拉力下，设计辊型时应考虑释放角（辊面与轧件分离的
