機械畢業(yè)設計79徐州工程學院三輥卷板機的設計

圖 書 分類號： 密 級： 畢業(yè)設計 (論文 ) 三輥卷板機的設計 The Design of Three Roller Bending Machine 學生姓名 汪竹琨 學院名稱 機電工程學院 專業(yè)名稱 機械設計制造及其自動化 指導教師 陸興華 2007 年 05 月 17 日 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) I 徐州工程學院學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明： 所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經注明引用或參考的內容外，本論文 不含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標注。 本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。 論文作者簽名： 汪竹琨 日期： 2007 年 05 月 17 日 徐州工程學院學位論文版權協(xié)議書 本人完全了解徐州工程學院關于收集、保存、使用學位論文的規(guī)定，即：本校學生在學習期間所完成的學位論文的知識產權歸徐州工程學院所擁有。徐州工程學院有權保留并向國家有關部門或機構送交學位論文的紙本復印件和電子文檔拷貝，允許論文被查閱和 借閱。徐州工程學院可以公布學位論文的全部或部分內容，可以將本學位論文的全部或部分內容提交至各類數據庫進行發(fā)布和檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。 論文作者簽名 汪竹琨 導師簽名： 日期： 2007年 05 月 17日 日期： 年 月 日 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) II 摘要 卷板機是一種將金屬板料彎卷成筒體、錐體、曲面體或其他形體的一 種專用鍛壓機械設備，廣泛用于鍋爐、造船、化工、金屬結 構及機械制造 行業(yè)。本課題的研究旨在改進舊式卷板機的不足，提高生產率、降低工人勞動強度，滿足廠方對板料加工的生產需求。 卷板機的規(guī)格型號很多，按卷板機的機械結構和卷板機輥的數量劃分，有三輥卷板機和四輥卷板機之分，按輥的驅動方式有機械式卷板機和液壓式卷板機之分，卷板機結構相對簡單，三輥當中有一對側輥和一根上輥，其中上輥能夠上下移動。四輥卷板機結構相對復雜，有一對側輥和一根上輥和下輥，這種卷板機成本很高，但性能較好，卷制成品質量較好。各種卷板機，工作原理都相同，通過調整上輥和側輥的相對位置，使板料在輥之間逐漸彎 曲變形，用主軸的正反轉使板料在輥之間來回運動直至板料產生塑性變形。隨著輥的相對位置的不斷調整，主軸不斷的往復正反轉運動，板料的塑性變形量逐漸加大，直至加工成符合要求的圓弧或圓通型成品。 關鍵詞 卷板機 ； 驅動方式 ； 圓通型成品 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) III Abstract The oing machine is one kind coils curved the metal sheet the tube body, the cone, the curved surface body or other physique one special-purpose forging and stamping mechanical device, widely uses in the boiler, the shipbuilding, the chemical industry, the metal structure and the machine manufacture profession.This topic research is aims at the Tianjin Ironworks steel and iron production movement and second steel mill constructing needs the volume board equipment which large quantities of water, the gas conduit processing uses to carry on the development, is for the purpose of improving the old-style oing machine the insufficiency, enhances the productivity, reduces the worker labor intensity, satisfies the factory to the sheet processing production demand. The oing machine specification model are very many, according to the oing machine mechanism and the oing machine roller quantity division, some three roller oing machine and division of the four roller oing machine, has mechanical oing machine and division of the hydraulic pressure type oing machine according to the roller drive type, the oing machine structure is relatively simple, in the middle of three rollers has an opposite side roller and an upper roll, in which upper roll can reciprocate.Four roller oing machine structure is relatively complex, some opposite side roller and an upper roll and the lower roll, this kind of oing machine cost is very high, but the performance is good, curls the finished product quality to be good.Each kind of oing machine, the principle of work is all same, through adjusts the upper roll and the side roller relative position, causes the sheet between the roller gradually the bending strain, until is reversing with the main axle causes the sheet back and forth the movement the sheet to have the plastic deformation between the roller.Along with the roller relative position continual readjustment, the main axle unceasing reciprocation is reversing the movement, the sheet plastic amount of deformity enlarges gradually, until processes conforms to the request circular arc or the flexible end product. Key words : The oing machine The flexible end product 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) I 目 錄 第一章 緒論 1.1 國內外卷板設備的技術現狀 1 1.1.1 國外卷板設備的技術現狀 1 1.1.2 國內卷板設備的技術現狀 2 第二章 卷板理論和卷板工藝分析 2.1 概述 3 2.2 卷板工藝的理論分析 5 2.3 彎曲力矩和彎曲半徑 10 2.4 卷板工藝和卷板質量分析 14 2.5 卷板產生桶狀變形的原因與對應措施 20 2.6 卷板設備 22 第三章 卷板機驅動功率的計算及技術參數 3.1 卷板機驅動功率的計算 28 3.2 卷板機的技術參數 32 結論 34 參考文獻 35 附錄 36 翻譯部分 英文原文 37 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) II 中文譯文 44 致謝 48 徐州工程學院 07屆畢業(yè)論文 第 1頁 1 第一章 緒論 1.1 國內外卷板設備的技術現狀 卷板機是一種將金屬板材彎卷成筒體、錐體、曲面體或其他形體的通用成 型設備。根據三點成圓的原理，利用工作輥相對位置變化和旋轉運動使板材產 生連續(xù)的塑性變形，以獲得預定形狀的工件。該設備廣泛用于鍋爐、造船、石油、化工、金屬結構及機械制造行業(yè)。 關于卷板機的分類，國外一般以工作輥的配置方式來劃分。國內普遍以工 作輥數量及調整型式等來分類，一般分為：三輥卷板機（包括對稱式三輥卷板機、非對稱式三輥卷板機、水平下調 式三輥卷板機、傾斜下調式三輥卷板機等）、四輥卷板機、特殊用途卷板機（有船用卷板機、錐體卷板機、雙輥卷板機等） 卷板機采用機械傳動已有幾十年的歷史，由于結構簡單、性能可靠，造價 低廉，至今在中小型卷板機中仍被廣泛應用。但在低速大扭矩的卷板機上，如采用機械傳動，會使傳動系統(tǒng)體積龐大，電動機功率大，啟動時電網波動也較 大，所以目前液壓傳動越來越多地在卷板設備中得到采用。近年來，有工作輥 的移動采用液壓驅動但主驅動仍為機械傳動的機液混合傳動卷板機，也有全部 動作均采用液壓驅動的全液壓式卷板機。采用液壓驅動能降低機 器的能耗，便于工作壓力、卷板速度的調節(jié)以適應不同的工況，便于實現自動控制。 1.1.1 國外卷板設備的技術現狀 目前，國外卷板設備生產水平較高的有瑞士、意大利、德國、日本等國 家。這些國家對板厚小于 38mm 的板料的卷制，大多采用機械式或機液混合驅 動式。對板厚大于 40mm 的板料的卷制，多采用全液壓驅動式卷板機。由于三輥不對稱可調式卷板機較四輥卷板機結構簡單、體積小、價格低、耗電少，且具有四輥卷板機便于端部預彎、剩余直邊小等特點，已在不少國家得到廣泛開 發(fā)和應用。特別是隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，卷板設 備也越來越多的采用計 算機實行自動控制，使加工精度、工作效率大大提高，同時減少了工人的勞動 強度、改善了工作條件。 國外著名廠家的產品如下： 瑞士 Chr.Haeusler 公司，生產世界上最大的四輥卷板設備 VRM-hy 4000 150mm。冷卷鋼板規(guī)格為： 150 4000mm（最大厚度最大寬度），熱卷規(guī) 格為 260 4000mm，主要用于核工業(yè)方面。 意大利 PROMAU 公司生產全液壓式“ DAVI”系列四輥卷板機，它具有自 動平衡系統(tǒng)（ ABS）、行星擺式回轉導軌（ PSG）、自動潤滑系統(tǒng)（ ALS）、 節(jié)能系統(tǒng)（ ESS）。 國外生產卷板設備的著名廠家還有西德的瑟爾夫公司、福斯造船及機械公 徐州工程學院 07屆畢業(yè)論文 第 2頁 2 司；英國布郎克公司；日本富士車輛公司等 . 1.1.2 國內卷板設備的技術現狀 科學技術的發(fā)展和對國外卷板技術的不斷學習和引進，使我國卷板設備的 生產技術有了很大提高。近幾年，我國生產的三輥可調式卷板機和四輥卷板機 越來越多地代替了在卷板設備中一直占據主要地位的對稱三輥卷板機。隨著液壓產品生產技術不斷進步，國產液壓元件的精度、性能已達到較高的水平。所 以，液壓傳動也越來越多的應用于卷板設備中。目前，用于卷制中薄板的 小功 率卷板機多采用機械傳動或機液混合驅動，用于卷制厚板的大功率卷板機多采 用液壓驅動或多電機同時驅動。但由于我國機械加工設備水平與加工技術水平 與世界發(fā)達國家相比，仍有一定的差距，所生產的機械零部件和液壓元件的加 工精度達不到設計要求，因機械摩擦造成的機械損失和因泄漏造成的液壓損失 較高。所以卷制同等規(guī)格的鋼板，所需卷板機功率要高于國外的卷板機，使得 卷板設備體積龐大，形體笨重。另外，我國引進國外數控卷板技術，在數控卷 板工藝和設備研究方面作了大量工作。但無論國內還是國外的卷板機，從數控 技術的實現上看， 還均不能達到令人滿意的結果，還不能根據被卷制坯料的材 質、規(guī)格尺寸、卷曲曲率等，正確計算和調整工藝參數，達到真正的全自動控 制，而是需要較多的人工干預。 國內生產卷板設備的廠家有一重、二重、沈陽重型機械廠、太原重型機械 廠、江蘇南通重型機械廠、長治鍛壓機械廠等。 徐州工程學院 07屆畢業(yè)論文 第 3頁 3 第二章 卷板理論和卷板工藝分析 2.1 概述 在鋼結構制作中，彎制成型的加工主要是卷板（滾圓）、彎曲（煨彎）、折邊和模具壓制等幾種加工方法。彎制成型的加工工序是由熱加工或冷加工來完成的。 把鋼材加 熱到一定溫度后進行的加工方法，通稱熱加工。 熱加工常用的有兩種加熱方法 一種是利用乙炔火焰進行局部加熱；這種方法簡便，但是加熱面積較小。 另一種是放在工業(yè)爐內加熱，其加熱面積很大。溫度能夠改變鋼材的機械性能，能使鋼材變硬，也能使鋼材變軟。鋼材在常溫中有較高的抗拉強度，但加熱到 500以上時，隨著溫度的增加，鋼材的抗拉強度急劇下降，其塑性、延展性大大增加，鋼材的機械性能逐漸降低。 鋼材在常溫下進行加工制作，通稱冷加工。冷加工絕大多數是利用機械設備和專用工具進行的。 應注意低溫時不宜進行冷加工。低溫中的 鋼材，其韌性和延伸性均相應減小，極限強度和脆性相應增加，若此時進行冷加工受力，易使鋼材產生裂紋。 與熱加工相比，冷加工具有如下優(yōu)點： 使用的設備簡單，操作方便； 節(jié)約材料和燃料； 鋼材的機械性能改變較小，材料的減薄量甚少。 滾圓是在外力的作用下，使鋼板的外層纖維伸長，內層纖維縮短而產生彎曲變形（中層纖維不變）。 當圓筒半徑較大時，可在常溫狀態(tài)下卷圓，如半徑較小和鋼板較厚時，應將鋼板加熱后卷圓。 在常溫狀態(tài)下進行滾圓鋼板的方法有：機械滾圓、胎模壓制和手工制作三種加工方法。 機械滾圓是在 卷板機（又叫滾板機、軋圓機）上進行的。 在卷板機上進行板材的彎曲是通過上滾軸向下移動時所產生的壓力來達到的。 卷板機按軸輥數目和位置可分為三輥卷板機和四輥卷板機兩類，三輥卷板機又分為對稱式與不對稱式兩種。 滾圓機原理用三輥彎（卷）板機彎板，其板的兩端需要進行預彎，預彎長度為 0.5L（ 3050） mm（ L 為下輥中心距）。預彎可采用壓力機模壓預彎或用托板在滾圓機內預彎 a）用壓力機模壓預彎； b）用托板在滾圓機內預彎圖 6-3 鋼板預彎示意圓柱面 的卷彎，卷制時根據板料溫度 徐州工程學院 07屆畢業(yè)論文 第 4頁 4 的不同分為冷卷、熱卷與溫卷。 冷卷一般采用快速進給法和多次進給法滾彎，調節(jié)上輥（在二輥卷板機上）或側輥（在四輥卷板機上）的位置，使板料發(fā)生初步的彎曲，然后來回滾動而彎曲。冷卷時必須控制變形量。 當碳素鋼板的厚度 t 大于或等于內徑 D 的 1/40 時，一般認為應該進行熱卷。熱卷前，通常必須將鋼板在室內加熱爐內均勻加熱，加熱溫度范圍視鋼材成分而定。 溫卷作為一種新工藝，吸取了冷、熱卷板中的優(yōu)點，避免了冷、熱卷板時存在的困難。溫卷是將鋼板加熱至 500600，使板料比冷卷時 有更好的塑性，同時減少了卷板超載的可能，又可減少卷板時氧化皮的危害，操作也比熱卷方便。 由于溫卷的加熱溫度通常在金屬的再結晶溫度以下，因此，溫卷工藝方法實質上仍屬于冷加工范圍。在鋼結構的制造過程中，彎曲成形的應用相當廣泛，其加工方法分為壓彎、滾彎和拉彎等幾種。 壓彎是用壓力機壓彎鋼板，此種方法適用于一般直角彎曲（ V 形件）、雙直角彎曲（ U形件），以及其他適宜彎曲的構件。滾彎是用滾圓機滾彎鋼板，此種方法適用于滾制圓筒形構件及其他弧形構件。拉彎是用轉臂拉彎機和轉盤拉彎機拉彎鋼板，它主要用于將長條板材 拉制成不同曲率的弧形構件。 彎曲按加熱程度分為冷彎和熱彎。冷彎是在常溫下進行彎制加工，此法適用于一般薄板、型鋼等的加工；熱彎是將鋼材加熱至 9501100，在模具上進行彎制加工，它適用于厚板及較復雜形狀構件、型鋼等的加工。 彎曲加工設備有型鋼滾圓機、液壓彎管機及壓力機床等。彎曲過程是材料經過彈性變形后再達到塑性變形的過程。在塑性變形時，材料外層受拉，內層受壓。拉伸和壓縮在材料內部存在一定的彈性變形，當外力失去后有一定程度的回彈。因此，彎曲件的圓角半徑不宜過大，圓角半徑過大易引起回彈，影響構件 精度。但圓角半徑也不宜過小，半徑過小會產生裂紋。 卷板加工屬于壓力加工范疇，是在鍛造加工和軋制加工的基礎上發(fā)展起來 的一種新型加工方法。從加工形式上屬于彎曲加工。 所謂壓力加工，從廣義上講：凡是利用永久變形（塑性變形）將固態(tài)坯料 制成所需形狀和尺寸的固態(tài)制件的加工，均被稱為壓力加工，或壓力成形。狹 義上的壓力成形，一方面是指板料及條料的彎曲、翻邊、拉伸等。它們是既保 持作為坯料的板料的形態(tài)，同時又改變其外觀的加工方法。另一方面，像鍛 造、擠壓等，能使材料的大部分產生復雜的塑性變形，并且制件形狀和外觀都 與原材不同。 彎曲成形就是將金屬材料彎成一定角度、曲率和形狀。常用的彎曲加工大 體上可分為壓彎、折彎和滾彎三種類型。 1、壓彎 徐州工程學院 07屆畢業(yè)論文 第 5頁 5 壓彎是用壓力機或彎板機進行的板料彎曲。最簡單的形式，是用一個固定 凹模和一個活動凸模的彎曲。（如圖 2-1 所示）板材、型材、管材的彎曲多用 這種成形方法。 2、折彎（如圖 2-2） 是用沿著固定模具周邊移動的壓彎工具，一邊將材料壓在固定模具圓角部 分，同時又使其貼合在一起的彎曲方法。管材、板材、線材的彎曲多用這種成 形方法。 3、滾彎（如圖 2-3） 滾彎是用 二至四個軸輥在送進板料的同時做連續(xù)彎曲加工的方法。與壓彎 和折彎相比，滾彎的彎曲半徑較大，制件的曲率相等（同一截面的曲率）。所 以被廣泛用于筒形、錐形、部分筒形或錐形等大口徑管件的加工制造之中。 滾壓成形也被視為是滾彎的一種，是使帶料依次通過幾組成形軸輥，成形 一定斷面形狀。一般用于結構用輕型型材。 卷板機就是滾彎原理的具體應用。 2.2 卷板工藝的理論分析 2.2.1 金屬板料的彎曲過程 塑性彎曲是冷壓成型工藝中最為普遍的成型方法之一，彎曲工藝不僅用來 成形圓筒件、“ U”形件、“ V” 形件等，而 且還可以通過彎曲的方法來增加 轉動慣量以提高零件的剛度。彎曲成型的效果，表現為彎曲變形區(qū)曲率半徑 和角度的變化。（如圖 2-4） 彎曲變形時，坯料上曲率發(fā)生變化的部位是變形區(qū)，彎曲變形的主要參數 與變形區(qū)的應力、應變的性質及數值有關。 徐州工程學院 07屆畢業(yè)論文 第 6頁 6 塑性變形必須首先經過彈性變形階段。彈性彎曲時，板材的外區(qū)纖維受 拉，內區(qū)纖維受壓。拉、壓兩區(qū)以中性層為界，中性層恰好通過剖面的中心， 其應力應變?yōu)?0。假定中性層曲率半徑為，彎曲角度為，則距中性層距離 為 y 處的纖維，其切向應變?yōu)?所以材料的變形程 度與應力大小 ,完全取決于纖維至中性層的距離與中性層 曲率半徑的比值 ( y/ ),而與彎曲角度的大小無關 .在彎曲變形區(qū)的內、外邊 緣，應力應變最大。 對于厚度為 t 的板料，當其內表面的彎曲半徑為 R 時，板料邊緣的應力（ ） max與應變（） max 為： 實驗研究表明，利用以上公式計算內層金屬的應力與應變 ， 比用 該公式計算外層金屬的應力、應變要精確的。這是因為彎曲時彎曲件的中性層 發(fā)生了位移，使外層金屬的變形明顯增大。 假定材料的屈服應力為 s，則彈性條件是： 徐州工程學院 07屆畢業(yè)論文 第 7頁 7 R/ t 稱為板料的相 對彎曲半徑，是表示板料彎曲變形程度的重要指數： R/ t 愈小，變形程度愈大。當 R/ t 減小至一定數值時，板料的內、外緣首先屈服，開始塑性變形。如果R/t 繼續(xù)減小，在板料的變形區(qū) t 中，塑性變形部分愈益擴大。最終材料出現彎裂。一般當 R/t 3 5 時，彈 R t 性區(qū)很小，可近似認為：板料的彎曲變形區(qū)已全部進入塑性變形；當 R/ t 200 時，彈性變形不能忽視，應按彈塑性彎曲計算。 2.2.2 塑性彎曲時的應力應變狀態(tài) 隨著相對彎曲半徑 R /t 逐漸減小，彎曲的變形性質由彈性變?yōu)樗苄裕瑫r，變形區(qū) 的應力應變狀態(tài)也逐漸產生了變化 立體的應力應變狀態(tài)逐漸顯著起來。 塑性彎曲時，隨著變形程度的增加，除了切向應力與應變 之外，寬 向和厚向的應力應變（ B、 B； r、 r ）也有了顯著發(fā)展。但因為板料的 相對寬度 B/t （ B 板料寬度； t 板料厚度）不同，立體應力應變狀態(tài)的性質 也不同，分析如下： 一、應變狀態(tài) 彎曲時，主要是依靠中性層內外纖維的縮短與伸長，所以切向主應變 即為絕對值最大的主應變 max 。根據塑性變形體積不變條件可知，沿板料的寬 度和厚度方向，必然產生與 符號相反 的應變。在板料的外區(qū)，切向主應力 為拉應變，所以厚度、寬度方向的應變 B、 r 均為壓應變。而在材料的內 區(qū)，為壓應變， B 與 r 為拉應變。 對于 B/t 8 的窄板，由于寬向、厚向材料可自由變形，其應變狀態(tài)如上所述。 對于 B/t 8 的寬板，由于寬度方向受到材料之間的制約作用，不能自由 變形，可近似認為 B=0。 所以，彎曲時，窄板的應變狀態(tài)是立體的，而寬板的應變狀態(tài)是平面的。 二、應力狀態(tài) 切向應力：外區(qū)受拉，內區(qū)受壓 徑向應力：在板料表面 r =0，由表及里遞增，至中性層達到 最大值。 寬向應力：對于窄板（ B/t 8），寬度方向可自由變形，故 B =0 對于寬板（ B/t 8 ），因為寬度方向受到材料的制約作用， B 0 。具 體言之，外區(qū)由于寬度方向的收縮受到限制，所以 B 為拉應力，內區(qū)由于寬 度方向的伸長受到限制，所以， B 為壓應力。 從應力狀態(tài)看，寬板彎曲時的應力狀態(tài)是立體的，而窄板是平面的。 徐州工程學院 07屆畢業(yè)論文 第 8頁 8 三、寬板塑性彎曲時三個主應力的分布性質 一般冷壓彎曲所用的板料大多屬于寬板。為了深入理解寬板彎曲時的各種 現象，還必須進一步分析彎曲變形區(qū)三個主應力的分布性質。為此 ，我們只需 在一種理想的情況下求出三個未知主應力 、 B 、 r 的解就行了。因此我 們假定變形區(qū)已全部進入塑性，而且不考慮板料的應變強化效應（即認為材料 的屈服應力與變形程度無關） 根據前面的分析，可看出：、 B 、 r 三個未知主應力，就其代數值 的大小而言，在拉區(qū)， B r ，在壓區(qū) r B 。為了求解上述 三個未知主應力，必建立三個獨立的方程式，然后聯(lián)立求解。 根據寬板塑性彎曲時應力應變狀態(tài)的特點，（如圖 2-5 所示）我們可以從 以下三個條件： 塑性條件、平面應 變條件和微分平衡條件出發(fā)，建立三個獨立 的方程式。聯(lián)立得到： （其中， =1.155） 徐州工程學院 07屆畢業(yè)論文 第 9頁 9 聯(lián)立求解，得到主應力、 B 、 r 在板料彎曲時剖面上的變化 規(guī)律： 式中參數如圖 2-5。 根據中性層上內外區(qū)徑向應力相平衡的條件： r=時，內外區(qū)的 x 值相等，即： ln Rw/ r = ln /Rn 得到： = )( tRRRRnwn 此值小于 R+t/2，所以中性層的位置并不通過中性層的重心，產 生了內移。如圖 2-6 為板料剖面上三個主應力的分布規(guī)律。 對小變形冷彎 曲，可近似認為彎曲變形處于切向應力的作用 的線性應力狀態(tài)，中性層的內移和材料變薄忽略，則應變可寫成： = y / ，在有加工硬化的情況下，正應力分布如圖 2-4 所示，這時 ， = s + = s + y / 為硬化系數 徐州工程學院 07屆畢業(yè)論文 第 10頁 10 四、各向異性板料的彎曲 各向異性寬板塑性彎曲時，求解三個主應力所用的條件中，除微分平衡條 件外，其它兩個條件須做相應的修正。 根據各向異性板料的屈服條件和應力應變關系，對三個主應力的求解方程式進行修正，得到各向異性板料的彎曲時三個主應力 B r 的分布規(guī)律 。 五、塑性彎曲中現象的復雜性 1、中性層內移 塑性彎曲時，由于徑向壓應力 r 的作用，使板料外區(qū)拉應力的的數值小于 內區(qū)的壓應力，使拉區(qū)擴大，壓區(qū)減小，中性層內移，只有這樣，才能滿足彎 曲時的靜力平衡條件。 相對彎曲半徑 R/t 越小， r 的作用越顯著，中性層內移量越大；當 R/t 5 后，中性層與板料剖面的重心漸相重合。 2、變形區(qū)板料厚度減薄、長度增加 板料彎曲時，拉區(qū)使板料減薄，壓區(qū)使板料加厚。又因中性層的內移，拉 區(qū)擴大，壓區(qū)減小，板料的減薄必將大于板料的加厚，整個板料乃出現減薄現 象。另外， 寬板彎曲時，寬度方向幾乎沒有變形。根據塑性變形體積不變的原 理，變形區(qū)板料變薄的同時，必然伴隨著長度的增加。 相對彎曲半徑 R/t 越小，板料變形區(qū)的變薄、增長現象越嚴重；當 R/t 5 后，該現象漸消失。 3、垂直于折彎線產生拉裂 彎曲時，外區(qū)受拉，一般拉裂是因為切向應力的作用沿著折彎線方向發(fā) 生。但寬板彎曲時，由于外區(qū)的板寬方向的拉應力 B 的存在，也可能使板料垂 直于折彎線產生拉裂。不過一般產生在具有明顯各向異性的板料上。 2.3 彎曲力矩和彎曲半徑 由以上對板料彎曲過程中存在的應力大小、種類 的分析，以及考慮相對彎 曲半徑 R/t 的影響，彎曲問題可用下列兩種途徑來分析： （ 1）彎曲時，在中心區(qū)域，即中性層兩側彎曲件處于彈塑性變形狀態(tài)。 （ 2）在外側，即彎曲件內外表面材料，則處于純塑性狀態(tài)。 一、彈塑性狀態(tài)的彎曲力矩 工程上，彈塑性狀態(tài)的彎曲力矩可以表示成彈性區(qū)和塑性區(qū)對同一軸線的 彎曲力矩之和。即： 徐州工程學院 07屆畢業(yè)論文 第 11 頁 11 方程中的第一項是彈性變形區(qū)對彎曲軸的阻力矩，第二項是塑性變形區(qū)對 彎曲軸的靜力矩。如果橫截面為矩形的板料，則 則，表達式（ 2.10）可整理成： 彎曲力矩也 用相對彎曲半徑 R/t 表示 對小變形冷彎曲： (卷板工藝屬此類彎曲變形 ) 又可整理成： M = (k1 + k0 t/2 ) W s 式中 S 彎曲坯料的靜矩 W 斷面模數 對矩形截面 S = 2Bt /4 對矩形截面 W = 2Bt /6 k1 反映斷面形狀的系數 徐州工程學院 07屆畢業(yè)論文 第 12頁 12 k0 反映材料性能的系數 二、純塑性狀態(tài)的彎曲力矩 M = k 2Bt /4 式中 k 材料的硬化指數 材料的實際應變 該表達式也可寫為： M = k0 b 2Bt /4 式中 k0 材料硬化的修正系數 b 材料的拉伸強度 三、彎曲力 把金屬板材彎成不同形狀的筒形物，通常用滾彎工藝，（如圖 2-7）在這種 情況下，彎曲處于彈塑性變形狀態(tài)。 彎曲輥輪（上輥）的彎曲力： 式中 Dn 、 D、 Dw 工件內徑、中徑、外徑 B 彎曲寬板厚度 彎曲角（ = 2arcsin L/ Dw + d ） t 板料厚度 d 兩下輥直徑 L 兩下輥中心距 徐州工程學院 07屆畢業(yè)論文 第 13頁 13 四、彎曲半徑 在影響彎曲件質量的因素中最重要的一個是彎曲內徑 Rn，它必須限制在 一定的范圍內。 1、 最小彎曲半徑 Rnmin 最小彎曲半徑通常由彎曲件外表面可接受的破裂程度決定，外層纖維出現 破裂時的應變定義為 p,，引起該應變的彎曲半徑定義為最小彎曲半徑 Rnmin。那 么 , 由式 (2.3)得 : 可見， Rnmin 與板厚有關，通常用公式 :Rnmin =ct 表示 .系數 c 與材料有關，由實 驗確定。 2、 最大彎曲半徑 由 (2.2)式，當彎曲半徑較大時（ Rnt），分母中的 t/2 可忽 略不計 則 為使彎曲工件的外層金屬達到永久的塑性變形， 則： 中性層極限彎曲半徑 五、回彈 塑性彎曲和任何一種塑性變形過程一樣，都伴隨有彈性變形。外加彎矩卸 去，板料產生彈性恢復。 彎曲回彈的表現形式，一是曲率減小，二是彎曲角減小。 影響回彈的因素 (1) 材料和機械性能 s卸載后回彈量愈大 E卸載后回彈量愈小 (2)相對彎曲半徑 R/t R/t 愈大，曲率減小量 k 愈小，彎曲角減小量愈大。 徐州工程學院 07屆畢業(yè)論文 第 14頁 14 (3)彎曲角度 曲率的回彈量與彎曲角度的大小無關，角度的回彈量隨彎曲角度的增加而 增加。 (4)彎曲條件 彎曲條件對彎曲回彈量大小有著顯著的影響 例如：有底凹模的限制，彎曲卸載后的回彈量少于無底凹模的自由彎曲； 彎曲條件愈復雜，一次彎曲成型的回彈量愈小。 2、減少回彈的措施 (1)補償法：根據彎曲件的回彈趨勢與回彈量大小；控制模具工作部分的幾 何形狀與尺寸，使彎曲后，工件的回彈量得到補償。 (2)拉彎法：板料彎曲的同時施加拉力，可以使剖面上壓區(qū)轉為拉區(qū)，應力 應變分布趨于一致，從而減少回彈量。 (3)加壓校正法：在有底凹模中限制彎曲時，當板料與模具貼和以后，以附 加壓力校正彎 曲變形區(qū)。 (4)過彎曲工件：把彎曲角加大 2% 5%以滿足回彈的需要。 2.4 卷板工藝和卷板質量分析 卷板是根據三點成圓原理，利用卷板機對板料進行連續(xù)三點彎曲的過程。 按卷制曲面形狀可分為：單曲率卷制和雙曲率卷制兩大類。單曲率卷制包 括卷制圓柱面、圓錐面、任意曲面等；雙曲率卷制包括卷制球面、雙曲面等。 按卷制溫度不同，可分為冷卷、溫卷、熱卷。冷卷精度高，操作工藝簡 便，成本低廉，但對鋼板的質量要求較高，金相組織一致性要好；當卷制板厚 較大或彎曲半徑較小并超過設備工作能力時，在設備允許情況下，可 采用熱卷 （ 800 850）；對不允許冷卷的薄板，熱卷剛度差，則采用溫卷（保證在 一定金相組織的溫度下）。 2.4.1 卷板工藝 卷板工藝過程分析 三輥對稱式卷板機的特點是上輥在兩下輥中央對稱位置作垂直升降運動，兩自作旋轉運動。由于軋機的三輥是對稱式的，在彎曲成型過程中，板材前后受力相對均勻，因此能夠較好的解決鋼板的彈復問題和精度問題。其缺點在于對稱式的機器不能彎卷板材的全部長度。板材兩端有略小于兩個下輥之間距離之半的長度仍然是直的，因此板材保持直挺的兩端在彎卷之前需要先在專門的預彎邊機上加以 預彎。 在軋機卷取鋼板時，山于上輥的壓力，使支承在兩個下輥上的板材形成三點彎曲。因此板材的成型過程可以看成是三輥卷板機對板材做連續(xù)的三點彎曲的過程。加工時將被 徐州工程學院 07屆畢業(yè)論文 第 15頁 15 加工板材的一端送入三輥卷板機的上、卜軋輥之間，然后對上輥施加一向下的位移，使位于下方的板材部分因受壓而產生一定的塑性彎曲變形。當下輥被驅動作回轉運動時，由于板材與軋輥之間存在摩擦力，所以當軋輥轉動時板材也就沿其縱向運動。當板材依次通過上輥的卜方即變形區(qū)時，應力超過屈服極限，則將產生塑性變形，板材也就獲得了沿其全長的塑性彎曲變形。適當調整軋輥之間 的相對位置，就可以把板材彎成半徑不小于上輥半徑的任意值。 在卷取鋼板的過程中，也伴有變形量與應力成正比的彈性變形。研究表明彈復與彎曲曲率和材料屈服極限有關，并且隨下輥之間的距離和上下輥徑比的降低而減小。 一、剩余直邊和預彎 平板開始彎曲時的最小力臂叫做剩余直邊，剩余直邊與設備及其彎曲形式 有關。如圖 2-8 所示 為避免板料從工作輥間脫出，實際剩余直邊通常比理論值大。對稱彎曲時 為（ 6 20）t（ t 為板厚）；不對稱彎曲時為對稱彎曲時的（ 1/6 1/10）。 如圖 2-9 所示，由于剩余直邊的存 在，在板料的兩個端部殘留下平直部 分，這段平直部分在校圓時難以清除，并造成較大的焊縫應力和設備負載，故 一般應在滾彎前對板料進行預彎邊，即做端頭彎曲。常見端部預彎的方法有以 下幾種。 1、使用端部彎曲模 卷板加工之前，先由裝有帶有一定曲率的模具的壓力機或卷板機對板料的 兩個端部壓彎。如圖 2-10 所示。 徐州工程學院 07屆畢業(yè)論文 第 16頁 16 2、使用端頭滾彎機 端頭滾彎機是在所需長度上隔開布置著的兩對輥輪 之間使板料的兩端通過并進行彎曲的方法。為適應不同的板料長度，可用改變 機架間距的方法來實現。如圖 2-11 所示 3、 具有端 頭彎曲用壓料板的三輥卷板機 如圖 2-12 所示 ,在三輥卷板機的兩個下輥輪之間置入可做上下運動的壓料 板，實現端部預彎。 4、 可調式卷板機 如圖 2-13 所示，通過調整三輥卷板機或四輥卷板機工 作輥的位置，對板料端頭預彎。 徐州工程學院 07屆畢業(yè)論文 第 17頁 17 二、對中 對中的目的是使工件的母線與工作輥軸線平行，防止產生扭斜。幾種常見 的對中方法，如圖 2-14 所示。 三、卷圓 卷圓方式分一次進給與多次進給兩種。卷制厚板常用多次進給。 卷圓操作中應注意： 1、冷卷時回彈較明顯，必須施加一定的過卷量。高強鋼回彈較大，為了減 少回彈，在最終成形前需進行一次退火，以消除冷作硬化。 2、熱卷時不必考慮回彈。對于閉合圓筒，一般只要控制板料尺寸，卷至剛 好閉合即可。為防止工件卸下后產生變形，應將工件在終卷曲率下進行不斷滾 彎，直至工件表面顏色發(fā)暗為止。 四、矯圓 一般矯圓工序分三個工步： a:加載 根據經驗或計算將工作輥調到所需的最大矯正曲率的位置。 b:滾圓 將輥筒在矯正曲率下滾卷 1 2 圈，使整卷曲率均勻一致。 c：卸載 逐漸卸除載荷，使工件在逐漸減少的矯正載荷下多次滾卷。 徐州工程學院 07屆畢業(yè)論文 第 18頁 18 2.4.2 錐體卷制 使上輥軸線與下輥軸線斜交（ 角度一般不超過 30），并使輥壓線始終與扇 形坯料的母線重合，卷成錐體。輥筒的傾斜度可用以下公式計算： 式中： 傾斜輥軸線與水平方向的夾角 R1、 R2 錐體大端和小端的外半徑 rc 下輥半徑 mm t 下輥中心距 mm L 錐體母線長度 mm 對工作輥不能做傾斜調節(jié)的卷板機，可將工作輥位置按大端曲率半徑的需 要調節(jié)好，并在上工作輥上卷制小端的部位加一個適當厚度的套筒（相當于增 加了小端處的彎曲曲率），也能卷出近似錐體。 2.4.3 卷板質量 一、外形缺陷 在板料卷曲過程中，常出現的外 形缺陷見表 2-1 徐州工程學院 07屆畢業(yè)論文 第 19頁 19 二、表面壓傷 由于氧化皮及其它雜質附著在板料或輥筒上，會造成板料板面壓傷。特別 是熱卷或熱矯時，氧化皮的危害尤為嚴重。為了減少氧化皮的危害，常采用以 下措施： 1）坯料表面氧化皮盡量清除干凈、涂上油漆后，再進行冷卷； 2）坯 料加熱時應盡量減少氧化皮（如縮短高溫停留時間，采用中性火焰、采用防氧 化涂料等） 3）選用氧化皮壓傷最小的卷板機； 4）選用氧化皮壓傷最小的操作 方法。例如：四輥卷板機的下輥頂壓力盡量小，不斷吹掃內外側剝落的氧化 皮、矯圓時盡量減少反轉次數等。 三、卷裂 冷作硬 化、粗晶組織、應力集中、以及各種脆性條件的形成，都能使材料 塑性變壞，導致卷裂。 防止卷裂的主要措施： 1）限制變形率 2）消除可能導致坯料表面應力集中的因素：備料時注意軋制方向，盡量使 板料纖維方向與彎曲線垂直；厚度 t 50mm 的板料，其機械加工端面最好有適 當的圓角；修磨對接焊縫，對非鐵金屬板料，打磨方向應與彎曲輥軸線方向垂 直。 3）掌握新材料的寬板冷彎性能。 4）鋼板最好經過正火處理。對調質鋼及經過氣割等熱循環(huán)的空氣淬火鋼， 應消除淬 徐州工程學院 07屆畢業(yè)論文 第 20頁 20 硬層。 5）卷制時，室溫應高于板料的脆性轉變溫度，否則 應進行預熱。對于厚 板，尤其注意。對缺口敏感的鋼種，最好預熱到 150 2000C 的溫度卷制。 2.5 卷板產生桶狀變形的原因與對應措施 1 卷板過程中產生桶狀 在卷板加工過程中 ,常常會遇到卷制出的筒體出現中間大兩頭小的情況，我們稱這種現象為桶狀 (腰鼓形 )變形，如圖 1。對于具有相同材質性能的中薄板，板寬尺寸 (沿設備長度方向的尺寸 )越大、卷制的筒體直徑越小，越容易產生上述變形。當板寬尺寸超過 5m 時(此種情況一般是先將平板拼焊然后卷制 )，桶狀變形就會比較明顯。變形的產生給焊接或內部裝配帶來極大的不便，若 變形太大，必須通過對工件進行整形才能滿足后面工序的要求，但該種變形的整形是非常困難的。為盡量減少整形量，一次性卷制出合格筒體，必須分析產生該種變形的原因，并采取適當措施加以防止或彌補及消除。 2 產生桶狀變形的原因 我們知道，卷板機在工作過程中，上輥向下壓， 兩側輥旋轉 (對于四輥卷板機，則是上輥旋轉、上下輥夾緊鋼板，兩側輥斜向上升施壓 )，使板材繞上輥發(fā)生連續(xù)彎曲 ,從而卷制出筒體。根據卷板機的結構形式，我們可以把其各輥軸在工作過程中的受力 情況視為簡支梁來分析。一般來講，卷板機的上輥較粗，剛性較好；側輥或下 輥略細，剛性不如上輥。 如果卷板時上輥的下壓力太大、而側輥的剛性不足時，就會使輥軸在卷制筒體的過程中發(fā)生變形而出現撓曲，如圖 2 所示；尤其對于輥軸較長的卷板機 (比如超過 5m)，當壓緊力和卷板力接近設備極限能力時，其輥軸更容易出現此種變形。這使得卷板機