外卷邊槽鋼輥彎成型過(guò)程模具的設(shè)計(jì)及可靠性分析

郗文博， 趙云濤， 李萬(wàn)全

（西安物華巨能爆破器材有限責(zé)任公司， 陜西 西安 710061）

引言

槽鋼是冷彎型鋼之一，分為輕型槽鋼和普通槽鋼，在建筑行業(yè)通常用作梁柱及樁的主要材料，除此之外，在車(chē)輛制造等其他領(lǐng)域，也經(jīng)常配合工字鋼使用，隨著外卷邊槽鋼輥彎成型技術(shù)的成熟，槽鋼逐漸在其他領(lǐng)域得到了普及[1-2]。

冷彎成型實(shí)質(zhì)上是帶材縱橫向的彈塑性變形與橫向大位移的過(guò)程。成型輥和坯料的接觸邊界非常復(fù)雜，其復(fù)雜性主要表現(xiàn)在幾何、材料和接觸邊界等多重非線性上，而且影響成型因素眾多，精確模擬其成型過(guò)程比較困難。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此還沒(méi)有提出成熟精確的分析方法，生產(chǎn)中的工藝設(shè)計(jì)和孔型設(shè)計(jì)主要取決于經(jīng)驗(yàn)，尚缺理論指導(dǎo)[3]。利用有限元仿真對(duì)槽鋼輥彎成型過(guò)程進(jìn)行分析，不僅可以充實(shí)輥彎成型理論，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)新的輥彎模具及模具優(yōu)化具有重要意義。

1 外卷邊槽鋼相關(guān)技術(shù)參數(shù)

外卷邊槽鋼是一種具有代表性的冷彎型鋼，它包括三種斷面。在整個(gè)斷面中，第一種斷面部分形成寬度為a的彎邊，第二種斷面部分形成寬度為h的腰，第三種斷面部分形成寬度為b的立壁（見(jiàn)圖1）。

腰和彎邊在成型輥孔型中處于水平位置（平行于成型輥軸線），這時(shí)在每一道次中把立壁彎曲成相同的角度，這就是冷彎對(duì)稱(chēng)外卷邊槽鋼的成型特點(diǎn)。

圖1 外卷邊槽鋼的成型圖

本文設(shè)計(jì)的外卷邊槽鋼的尺寸為34 mm×19 mm×27.5 mm×2 mm，斷面形狀如圖2所示。

圖2 外卷邊槽鋼的尺寸圖（單位：mm）

外卷邊槽鋼對(duì)應(yīng)的斷面性能參數(shù)：理論質(zhì)量是5.788 kg，截面面積是 7.373 cm2；重心XO，1.448；慣性矩Lx=111.051 cm4；Ly=18.045 cm4；回轉(zhuǎn)半徑Rx=3.088cm，Ry=1.564 cm；截面模數(shù)Wx=22.210 cm3，Wy=5.081 cm3。

與普通槽鋼相比，外卷邊槽鋼增加了上邊部水平段，因而彎曲角相應(yīng)增加。如果采取先彎折底邊，再?gòu)澱凵线叢康捻樞虺尚头椒?，不僅增加彎曲道次，而且增大側(cè)邊端點(diǎn)提升高度，使邊部拉伸增大。因此采用底邊和上邊部同時(shí)彎曲成型的方法是相對(duì)合理的，即以相同的彎曲角同時(shí)彎曲，從而使每一過(guò)渡斷面的底邊與上邊在同一水平面上分別處于相互平行的狀態(tài)。

對(duì)于尺寸相對(duì)較小的型材，在輥彎過(guò)程中成型輥距帶坯應(yīng)盡可能近，但過(guò)近就會(huì)造成磨損擦傷。因此對(duì)每一個(gè)成型輥，應(yīng)根據(jù)整個(gè)型材的變形過(guò)程來(lái)決定成型輥與帶坯之間的間隙，確定何處增大和減小成型輥的壓力和尺寸，從而使材料順利進(jìn)入下一道次。

2 孔型的設(shè)計(jì)

通常在生產(chǎn)精度要求較高的產(chǎn)品時(shí)，除采用平輥外，還采用中間立輥及必要的工裝。一般生產(chǎn)槽鋼的平輥孔型分為三類(lèi)：開(kāi)始幾道由于斷面橫向剛度小，容易發(fā)生彎折點(diǎn)偏移現(xiàn)象（總彎曲角30°以下），所以常采用閉式孔；中間道次一般都是在30°～85°范圍，可以采用開(kāi)式孔；最后幾道為保證斷面形狀及尺寸精度要求，多采用精扎孔。前3道選用閉式孔，后6道選用開(kāi)式孔。

閉式孔尺寸及構(gòu)圖如圖3所示，開(kāi)式孔尺寸及構(gòu)圖如圖4所示。

圖3 閉式孔尺寸及構(gòu)圖

圖4 開(kāi)式孔尺寸及構(gòu)圖

外卷邊槽鋼計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 外卷邊槽鋼計(jì)算結(jié)果

3外卷邊槽鋼輥彎成型過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真

結(jié)合輥彎成型的變形過(guò)程中的種種特征可知，帶材的成型是一個(gè)連續(xù)的、復(fù)雜的變形過(guò)程，且變形過(guò)程存在較大的彈性變形，塑性變形也伴隨著的回彈現(xiàn)象，另外還受到其他諸多因素影響，因此想要精確模擬槽鋼輥彎成型過(guò)程是比較難以實(shí)現(xiàn)的。

本文以彈性變形和塑性變形的有限元方法為基礎(chǔ)，利用ANSYS軟件對(duì)槽鋼板料的三維變形過(guò)程進(jìn)行了模擬，通過(guò)模擬觀察槽鋼板料在成型過(guò)程中金屬的變形情況，依次類(lèi)推輥彎成型過(guò)程的成型規(guī)律，為生產(chǎn)與設(shè)計(jì)提供了充分的理論依據(jù)[4]。

經(jīng)過(guò)單軸拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)得槽鋼的彈性模量E為21 000 MPa，密度為7 850 kg/mm3，切線模量為368 MPa，摩擦系數(shù)為0.2，泊松比為0.3。經(jīng)過(guò)計(jì)算，取寬度為186.4 mm，厚度為4.0 mm的鋼板作為坯料，選取單元類(lèi)型為SOLID164。

為方便計(jì)算，本文用簡(jiǎn)化的模型進(jìn)行模擬。輥彎成型時(shí)成型力相對(duì)較小，不會(huì)使由合金鋼制成的軋輥發(fā)生變形，因此建立模型時(shí)將軋輥假設(shè)為剛性輥是合適的。取本結(jié)構(gòu)的一半作為分析模型，板料是在恒定速度0.6 m/s下沿Z軸正向通過(guò)孔型的，并最終成型為產(chǎn)品。圖5所示為第九道次成型模型[5]。

圖5 Ansys中建立的第九道次幾何模型

各道次實(shí)體網(wǎng)格劃分后各部分單元數(shù)統(tǒng)計(jì)如表2所示。

由于板在通過(guò)孔型時(shí)發(fā)生彎曲變形只是翼緣，而腰部變化相對(duì)不明顯，故對(duì)中間對(duì)稱(chēng)面施加X(jué)、Y方向的位移約束。對(duì)稱(chēng)面約束：uy=ux=0。

而相對(duì)于軋輥，因其是剛性的，故不加縱橫向約束，在縱橫向也不會(huì)產(chǎn)生變形。前面已經(jīng)提到，軋輥被定義為剛性接觸體，每個(gè)軋輥內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的自由度都耦合到了軋輥的質(zhì)心上去。考慮軋輥的實(shí)際運(yùn)動(dòng)，軋輥僅繞軸向旋轉(zhuǎn)，其他方向均固定。因此，軋輥的六個(gè)自由度（Ux、Uy、Uz、Rx、Ry、Rz）除了繞Y軸向旋轉(zhuǎn)（即Ry）不加約束外，其他五個(gè)自由度均約束為零。

板材的初始速度取為v=0.6 m/s，上軋輥的角速度為6.66 m/s，下軋輥的角速度為6.66 m/s，時(shí)間設(shè)置0.6 s，輸出載荷步20步，子步80步。

圖6所示為第九道次等效應(yīng)力云圖，圖7所示為第九道次位移等值線圖。

從圖6中可以看出，板料在剛進(jìn)入軋輥孔型時(shí)，在腿部和腰部產(chǎn)生的應(yīng)力較大，而在彎曲角處的應(yīng)力并不明顯，并且其應(yīng)力的分布十分復(fù)雜。同時(shí)可看出，隨著彎曲角的增大，應(yīng)力的最大值是逐漸增大的。

從圖7中可看出，位移最大發(fā)生在X方向上，同時(shí)在腰部和腿部的位移也相對(duì)明顯，這是金屬板料產(chǎn)生變形的主因。同時(shí)也可以看出，隨著板料進(jìn)入軋輥的時(shí)間推移，板料發(fā)生的位移逐漸減小。

4 結(jié)論

通過(guò)仿真可知，冷彎成型力在橫向和縱向的方向分布都微乎其微，主要集中分布在厚度方向，當(dāng)生產(chǎn)厚度較大、彎曲度也較大的產(chǎn)品時(shí)，對(duì)成型力的合理計(jì)算將有利于更好地設(shè)計(jì)軋輥和選擇軸承，使它們滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。在成型過(guò)程中板帶隨著軋輥一點(diǎn)點(diǎn)地不斷咬入達(dá)到穩(wěn)定的過(guò)程稱(chēng)為非穩(wěn)態(tài)成型過(guò)程，對(duì)非穩(wěn)態(tài)成型過(guò)程的研究對(duì)分析金屬冷彎成型過(guò)程中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)流動(dòng)和相對(duì)位置有著相當(dāng)重要的意義，從圖中可以看出，上表面的節(jié)點(diǎn)朝著板帶中間方向流動(dòng)，因此在上層受壓應(yīng)力的作用，相反下表面的節(jié)點(diǎn)向著邊緣方向流動(dòng)，因此在下層受拉應(yīng)力的作用。