机械毕业设计79徐州工程学院三辊卷板机的设计

图 书 分类号： 密 级： 毕业设计 (论文 ) 三辊卷板机的设计 The Design of Three Roller Bending Machine 学生姓名 汪竹琨 学院名称 机电工程学院 专业名称 机械设计制造及其自动化 指导教师 陆兴华 2007 年 05 月 17 日 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) I 徐州工程学院学位论文原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文 不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名： 汪竹琨 日期： 2007 年 05 月 17 日 徐州工程学院学位论文版权协议书 本人完全了解徐州工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归徐州工程学院所拥有。徐州工程学院有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和 借阅。徐州工程学院可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 论文作者签名 汪竹琨 导师签名： 日期： 2007年 05 月 17日 日期： 年 月 日 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) II 摘要 卷板机是一种将金属板料弯卷成筒体、锥体、曲面体或其他形体的一 种专用锻压机械设备，广泛用于锅炉、造船、化工、金属结 构及机械制造 行业。本课题的研究旨在改进旧式卷板机的不足，提高生产率、降低工人劳动强度，满足厂方对板料加工的生产需求。 卷板机的规格型号很多，按卷板机的机械结构和卷板机辊的数量划分，有三辊卷板机和四辊卷板机之分，按辊的驱动方式有机械式卷板机和液压式卷板机之分，卷板机结构相对简单，三辊当中有一对侧辊和一根上辊，其中上辊能够上下移动。四辊卷板机结构相对复杂，有一对侧辊和一根上辊和下辊，这种卷板机成本很高，但性能较好，卷制成品质量较好。各种卷板机，工作原理都相同，通过调整上辊和侧辊的相对位置，使板料在辊之间逐渐弯 曲变形，用主轴的正反转使板料在辊之间来回运动直至板料产生塑性变形。随着辊的相对位置的不断调整，主轴不断的往复正反转运动，板料的塑性变形量逐渐加大，直至加工成符合要求的圆弧或圆通型成品。 关键词 卷板机 ； 驱动方式 ； 圆通型成品 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 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 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) I 目 录 第一章 绪论 1.1 国内外卷板设备的技术现状 1 1.1.1 国外卷板设备的技术现状 1 1.1.2 国内卷板设备的技术现状 2 第二章 卷板理论和卷板工艺分析 2.1 概述 3 2.2 卷板工艺的理论分析 5 2.3 弯曲力矩和弯曲半径 10 2.4 卷板工艺和卷板质量分析 14 2.5 卷板产生桶状变形的原因与对应措施 20 2.6 卷板设备 22 第三章 卷板机驱动功率的计算及技术参数 3.1 卷板机驱动功率的计算 28 3.2 卷板机的技术参数 32 结论 34 参考文献 35 附录 36 翻译部分 英文原文 37 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) II 中文译文 44 致谢 48 徐州工程学院 07届毕业论文 第 1页 1 第一章 绪论 1.1 国内外卷板设备的技术现状 卷板机是一种将金属板材弯卷成筒体、锥体、曲面体或其他形体的通用成 型设备。根据三点成圆的原理，利用工作辊相对位置变化和旋转运动使板材产 生连续的塑性变形，以获得预定形状的工件。该设备广泛用于锅炉、造船、石油、化工、金属结构及机械制造行业。 关于卷板机的分类，国外一般以工作辊的配置方式来划分。国内普遍以工 作辊数量及调整型式等来分类，一般分为：三辊卷板机（包括对称式三辊卷板机、非对称式三辊卷板机、水平下调 式三辊卷板机、倾斜下调式三辊卷板机等）、四辊卷板机、特殊用途卷板机（有船用卷板机、锥体卷板机、双辊卷板机等） 卷板机采用机械传动已有几十年的历史，由于结构简单、性能可靠，造价 低廉，至今在中小型卷板机中仍被广泛应用。但在低速大扭矩的卷板机上，如采用机械传动，会使传动系统体积庞大，电动机功率大，启动时电网波动也较 大，所以目前液压传动越来越多地在卷板设备中得到采用。近年来，有工作辊 的移动采用液压驱动但主驱动仍为机械传动的机液混合传动卷板机，也有全部 动作均采用液压驱动的全液压式卷板机。采用液压驱动能降低机 器的能耗，便于工作压力、卷板速度的调节以适应不同的工况，便于实现自动控制。 1.1.1 国外卷板设备的技术现状 目前，国外卷板设备生产水平较高的有瑞士、意大利、德国、日本等国 家。这些国家对板厚小于 38mm 的板料的卷制，大多采用机械式或机液混合驱 动式。对板厚大于 40mm 的板料的卷制，多采用全液压驱动式卷板机。由于三辊不对称可调式卷板机较四辊卷板机结构简单、体积小、价格低、耗电少，且具有四辊卷板机便于端部预弯、剩余直边小等特点，已在不少国家得到广泛开 发和应用。特别是随着计算机技术的迅猛发展，卷板设 备也越来越多的采用计 算机实行自动控制，使加工精度、工作效率大大提高，同时减少了工人的劳动 强度、改善了工作条件。 国外著名厂家的产品如下： 瑞士 Chr.Haeusler 公司，生产世界上最大的四辊卷板设备 VRM-hy 4000 150mm。冷卷钢板规格为： 150 4000mm（最大厚度最大宽度），热卷规 格为 260 4000mm，主要用于核工业方面。 意大利 PROMAU 公司生产全液压式“ DAVI”系列四辊卷板机，它具有自 动平衡系统（ ABS）、行星摆式回转导轨（ PSG）、自动润滑系统（ ALS）、 节能系统（ ESS）。 国外生产卷板设备的著名厂家还有西德的瑟尔夫公司、福斯造船及机械公 徐州工程学院 07届毕业论文 第 2页 2 司；英国布郎克公司；日本富士车辆公司等 . 1.1.2 国内卷板设备的技术现状 科学技术的发展和对国外卷板技术的不断学习和引进，使我国卷板设备的 生产技术有了很大提高。近几年，我国生产的三辊可调式卷板机和四辊卷板机 越来越多地代替了在卷板设备中一直占据主要地位的对称三辊卷板机。随着液压产品生产技术不断进步，国产液压元件的精度、性能已达到较高的水平。所 以，液压传动也越来越多的应用于卷板设备中。目前，用于卷制中薄板的 小功 率卷板机多采用机械传动或机液混合驱动，用于卷制厚板的大功率卷板机多采 用液压驱动或多电机同时驱动。但由于我国机械加工设备水平与加工技术水平 与世界发达国家相比，仍有一定的差距，所生产的机械零部件和液压元件的加 工精度达不到设计要求，因机械摩擦造成的机械损失和因泄漏造成的液压损失 较高。所以卷制同等规格的钢板，所需卷板机功率要高于国外的卷板机，使得 卷板设备体积庞大，形体笨重。另外，我国引进国外数控卷板技术，在数控卷 板工艺和设备研究方面作了大量工作。但无论国内还是国外的卷板机，从数控 技术的实现上看， 还均不能达到令人满意的结果，还不能根据被卷制坯料的材 质、规格尺寸、卷曲曲率等，正确计算和调整工艺参数，达到真正的全自动控 制，而是需要较多的人工干预。 国内生产卷板设备的厂家有一重、二重、沈阳重型机械厂、太原重型机械 厂、江苏南通重型机械厂、长治锻压机械厂等。 徐州工程学院 07届毕业论文 第 3页 3 第二章 卷板理论和卷板工艺分析 2.1 概述 在钢结构制作中，弯制成型的加工主要是卷板（滚圆）、弯曲（煨弯）、折边和模具压制等几种加工方法。弯制成型的加工工序是由热加工或冷加工来完成的。 把钢材加 热到一定温度后进行的加工方法，通称热加工。 热加工常用的有两种加热方法 一种是利用乙炔火焰进行局部加热；这种方法简便，但是加热面积较小。 另一种是放在工业炉内加热，其加热面积很大。温度能够改变钢材的机械性能，能使钢材变硬，也能使钢材变软。钢材在常温中有较高的抗拉强度，但加热到 500以上时，随着温度的增加，钢材的抗拉强度急剧下降，其塑性、延展性大大增加，钢材的机械性能逐渐降低。 钢材在常温下进行加工制作，通称冷加工。冷加工绝大多数是利用机械设备和专用工具进行的。 应注意低温时不宜进行冷加工。低温中的 钢材，其韧性和延伸性均相应减小，极限强度和脆性相应增加，若此时进行冷加工受力，易使钢材产生裂纹。 与热加工相比，冷加工具有如下优点： 使用的设备简单，操作方便； 节约材料和燃料； 钢材的机械性能改变较小，材料的减薄量甚少。 滚圆是在外力的作用下，使钢板的外层纤维伸长，内层纤维缩短而产生弯曲变形（中层纤维不变）。 当圆筒半径较大时，可在常温状态下卷圆，如半径较小和钢板较厚时，应将钢板加热后卷圆。 在常温状态下进行滚圆钢板的方法有：机械滚圆、胎模压制和手工制作三种加工方法。 机械滚圆是在 卷板机（又叫滚板机、轧圆机）上进行的。 在卷板机上进行板材的弯曲是通过上滚轴向下移动时所产生的压力来达到的。 卷板机按轴辊数目和位置可分为三辊卷板机和四辊卷板机两类，三辊卷板机又分为对称式与不对称式两种。 滚圆机原理用三辊弯（卷）板机弯板，其板的两端需要进行预弯，预弯长度为 0.5L（ 3050） mm（ L 为下辊中心距）。预弯可采用压力机模压预弯或用托板在滚圆机内预弯 a）用压力机模压预弯； b）用托板在滚圆机内预弯图 6-3 钢板预弯示意圆柱面 的卷弯，卷制时根据板料温度 徐州工程学院 07届毕业论文 第 4页 4 的不同分为冷卷、热卷与温卷。 冷卷一般采用快速进给法和多次进给法滚弯，调节上辊（在二辊卷板机上）或侧辊（在四辊卷板机上）的位置，使板料发生初步的弯曲，然后来回滚动而弯曲。冷卷时必须控制变形量。 当碳素钢板的厚度 t 大于或等于内径 D 的 1/40 时，一般认为应该进行热卷。热卷前，通常必须将钢板在室内加热炉内均匀加热，加热温度范围视钢材成分而定。 温卷作为一种新工艺，吸取了冷、热卷板中的优点，避免了冷、热卷板时存在的困难。温卷是将钢板加热至 500600，使板料比冷卷时 有更好的塑性，同时减少了卷板超载的可能，又可减少卷板时氧化皮的危害，操作也比热卷方便。 由于温卷的加热温度通常在金属的再结晶温度以下，因此，温卷工艺方法实质上仍属于冷加工范围。在钢结构的制造过程中，弯曲成形的应用相当广泛，其加工方法分为压弯、滚弯和拉弯等几种。 压弯是用压力机压弯钢板，此种方法适用于一般直角弯曲（ V 形件）、双直角弯曲（ U形件），以及其他适宜弯曲的构件。滚弯是用滚圆机滚弯钢板，此种方法适用于滚制圆筒形构件及其他弧形构件。拉弯是用转臂拉弯机和转盘拉弯机拉弯钢板，它主要用于将长条板材 拉制成不同曲率的弧形构件。 弯曲按加热程度分为冷弯和热弯。冷弯是在常温下进行弯制加工，此法适用于一般薄板、型钢等的加工；热弯是将钢材加热至 9501100，在模具上进行弯制加工，它适用于厚板及较复杂形状构件、型钢等的加工。 弯曲加工设备有型钢滚圆机、液压弯管机及压力机床等。弯曲过程是材料经过弹性变形后再达到塑性变形的过程。在塑性变形时，材料外层受拉，内层受压。拉伸和压缩在材料内部存在一定的弹性变形，当外力失去后有一定程度的回弹。因此，弯曲件的圆角半径不宜过大，圆角半径过大易引起回弹，影响构件 精度。但圆角半径也不宜过小，半径过小会产生裂纹。 卷板加工属于压力加工范畴，是在锻造加工和轧制加工的基础上发展起来 的一种新型加工方法。从加工形式上属于弯曲加工。 所谓压力加工，从广义上讲：凡是利用永久变形（塑性变形）将固态坯料 制成所需形状和尺寸的固态制件的加工，均被称为压力加工，或压力成形。狭 义上的压力成形，一方面是指板料及条料的弯曲、翻边、拉伸等。它们是既保 持作为坯料的板料的形态，同时又改变其外观的加工方法。另一方面，像锻 造、挤压等，能使材料的大部分产生复杂的塑性变形，并且制件形状和外观都 与原材不同。 弯曲成形就是将金属材料弯成一定角度、曲率和形状。常用的弯曲加工大 体上可分为压弯、折弯和滚弯三种类型。 1、压弯 徐州工程学院 07届毕业论文 第 5页 5 压弯是用压力机或弯板机进行的板料弯曲。最简单的形式，是用一个固定 凹模和一个活动凸模的弯曲。（如图 2-1 所示）板材、型材、管材的弯曲多用 这种成形方法。 2、折弯（如图 2-2） 是用沿着固定模具周边移动的压弯工具，一边将材料压在固定模具圆角部 分，同时又使其贴合在一起的弯曲方法。管材、板材、线材的弯曲多用这种成 形方法。 3、滚弯（如图 2-3） 滚弯是用 二至四个轴辊在送进板料的同时做连续弯曲加工的方法。与压弯 和折弯相比，滚弯的弯曲半径较大，制件的曲率相等（同一截面的曲率）。所 以被广泛用于筒形、锥形、部分筒形或锥形等大口径管件的加工制造之中。 滚压成形也被视为是滚弯的一种，是使带料依次通过几组成形轴辊，成形 一定断面形状。一般用于结构用轻型型材。 卷板机就是滚弯原理的具体应用。 2.2 卷板工艺的理论分析 2.2.1 金属板料的弯曲过程 塑性弯曲是冷压成型工艺中最为普遍的成型方法之一，弯曲工艺不仅用来 成形圆筒件、“ U”形件、“ V” 形件等，而 且还可以通过弯曲的方法来增加 转动惯量以提高零件的刚度。弯曲成型的效果，表现为弯曲变形区曲率半径 和角度的变化。（如图 2-4） 弯曲变形时，坯料上曲率发生变化的部位是变形区，弯曲变形的主要参数 与变形区的应力、应变的性质及数值有关。 徐州工程学院 07届毕业论文 第 6页 6 塑性变形必须首先经过弹性变形阶段。弹性弯曲时，板材的外区纤维受 拉，内区纤维受压。拉、压两区以中性层为界，中性层恰好通过剖面的中心， 其应力应变为 0。假定中性层曲率半径为，弯曲角度为，则距中性层距离 为 y 处的纤维，其切向应变为 所以材料的变形程 度与应力大小 ,完全取决于纤维至中性层的距离与中性层 曲率半径的比值 ( y/ ),而与弯曲角度的大小无关 .在弯曲变形区的内、外边 缘，应力应变最大。 对于厚度为 t 的板料，当其内表面的弯曲半径为 R 时，板料边缘的应力（ ） max与应变（） max 为： 实验研究表明，利用以上公式计算内层金属的应力与应变 ， 比用 该公式计算外层金属的应力、应变要精确的。这是因为弯曲时弯曲件的中性层 发生了位移，使外层金属的变形明显增大。 假定材料的屈服应力为 s，则弹性条件是： 徐州工程学院 07届毕业论文 第 7页 7 R/ t 称为板料的相 对弯曲半径，是表示板料弯曲变形程度的重要指数： R/ t 愈小，变形程度愈大。当 R/ t 减小至一定数值时，板料的内、外缘首先屈服，开始塑性变形。如果R/t 继续减小，在板料的变形区 t 中，塑性变形部分愈益扩大。最终材料出现弯裂。一般当 R/t 3 5 时，弹 R t 性区很小，可近似认为：板料的弯曲变形区已全部进入塑性变形；当 R/ t 200 时，弹性变形不能忽视，应按弹塑性弯曲计算。 2.2.2 塑性弯曲时的应力应变状态 随着相对弯曲半径 R /t 逐渐减小，弯曲的变形性质由弹性变为塑性，同时，变形区 的应力应变状态也逐渐产生了变化 立体的应力应变状态逐渐显著起来。 塑性弯曲时，随着变形程度的增加，除了切向应力与应变 之外，宽 向和厚向的应力应变（ B、 B； r、 r ）也有了显著发展。但因为板料的 相对宽度 B/t （ B 板料宽度； t 板料厚度）不同，立体应力应变状态的性质 也不同，分析如下： 一、应变状态 弯曲时，主要是依靠中性层内外纤维的缩短与伸长，所以切向主应变 即为绝对值最大的主应变 max 。根据塑性变形体积不变条件可知，沿板料的宽 度和厚度方向，必然产生与 符号相反 的应变。在板料的外区，切向主应力 为拉应变，所以厚度、宽度方向的应变 B、 r 均为压应变。而在材料的内 区，为压应变， B 与 r 为拉应变。 对于 B/t 8 的窄板，由于宽向、厚向材料可自由变形，其应变状态如上所述。 对于 B/t 8 的宽板，由于宽度方向受到材料之间的制约作用，不能自由 变形，可近似认为 B=0。 所以，弯曲时，窄板的应变状态是立体的，而宽板的应变状态是平面的。 二、应力状态 切向应力：外区受拉，内区受压 径向应力：在板料表面 r =0，由表及里递增，至中性层达到 最大值。 宽向应力：对于窄板（ B/t 8），宽度方向可自由变形，故 B =0 对于宽板（ B/t 8 ），因为宽度方向受到材料的制约作用， B 0 。具 体言之，外区由于宽度方向的收缩受到限制，所以 B 为拉应力，内区由于宽 度方向的伸长受到限制，所以， B 为压应力。 从应力状态看，宽板弯曲时的应力状态是立体的，而窄板是平面的。 徐州工程学院 07届毕业论文 第 8页 8 三、宽板塑性弯曲时三个主应力的分布性质 一般冷压弯曲所用的板料大多属于宽板。为了深入理解宽板弯曲时的各种 现象，还必须进一步分析弯曲变形区三个主应力的分布性质。为此 ，我们只需 在一种理想的情况下求出三个未知主应力 、 B 、 r 的解就行了。因此我 们假定变形区已全部进入塑性，而且不考虑板料的应变强化效应（即认为材料 的屈服应力与变形程度无关） 根据前面的分析，可看出：、 B 、 r 三个未知主应力，就其代数值 的大小而言，在拉区， B r ，在压区 r B 。为了求解上述 三个未知主应力，必建立三个独立的方程式，然后联立求解。 根据宽板塑性弯曲时应力应变状态的特点，（如图 2-5 所示）我们可以从 以下三个条件： 塑性条件、平面应 变条件和微分平衡条件出发，建立三个独立 的方程式。联立得到： （其中， =1.155） 徐州工程学院 07届毕业论文 第 9页 9 联立求解，得到主应力、 B 、 r 在板料弯曲时剖面上的变化 规律： 式中参数如图 2-5。 根据中性层上内外区径向应力相平衡的条件： r=时，内外区的 x 值相等，即： ln Rw/ r = ln /Rn 得到： = )( tRRRRnwn 此值小于 R+t/2，所以中性层的位置并不通过中性层的重心，产 生了内移。如图 2-6 为板料剖面上三个主应力的分布规律。 对小变形冷弯 曲，可近似认为弯曲变形处于切向应力的作用 的线性应力状态，中性层的内移和材料变薄忽略，则应变可写成： = y / ，在有加工硬化的情况下，正应力分布如图 2-4 所示，这时 ， = s + = s + y / 为硬化系数 徐州工程学院 07届毕业论文 第 10页 10 四、各向异性板料的弯曲 各向异性宽板塑性弯曲时，求解三个主应力所用的条件中，除微分平衡条 件外，其它两个条件须做相应的修正。 根据各向异性板料的屈服条件和应力应变关系，对三个主应力的求解方程式进行修正，得到各向异性板料的弯曲时三个主应力 B r 的分布规律 。 五、塑性弯曲中现象的复杂性 1、中性层内移 塑性弯曲时，由于径向压应力 r 的作用，使板料外区拉应力的的数值小于 内区的压应力，使拉区扩大，压区减小，中性层内移，只有这样，才能满足弯 曲时的静力平衡条件。 相对弯曲半径 R/t 越小， r 的作用越显著，中性层内移量越大；当 R/t 5 后，中性层与板料剖面的重心渐相重合。 2、变形区板料厚度减薄、长度增加 板料弯曲时，拉区使板料减薄，压区使板料加厚。又因中性层的内移，拉 区扩大，压区减小，板料的减薄必将大于板料的加厚，整个板料乃出现减薄现 象。另外， 宽板弯曲时，宽度方向几乎没有变形。根据塑性变形体积不变的原 理，变形区板料变薄的同时，必然伴随着长度的增加。 相对弯曲半径 R/t 越小，板料变形区的变薄、增长现象越严重；当 R/t 5 后，该现象渐消失。 3、垂直于折弯线产生拉裂 弯曲时，外区受拉，一般拉裂是因为切向应力的作用沿着折弯线方向发 生。但宽板弯曲时，由于外区的板宽方向的拉应力 B 的存在，也可能使板料垂 直于折弯线产生拉裂。不过一般产生在具有明显各向异性的板料上。 2.3 弯曲力矩和弯曲半径 由以上对板料弯曲过程中存在的应力大小、种类 的分析，以及考虑相对弯 曲半径 R/t 的影响，弯曲问题可用下列两种途径来分析： （ 1）弯曲时，在中心区域，即中性层两侧弯曲件处于弹塑性变形状态。 （ 2）在外侧，即弯曲件内外表面材料，则处于纯塑性状态。 一、弹塑性状态的弯曲力矩 工程上，弹塑性状态的弯曲力矩可以表示成弹性区和塑性区对同一轴线的 弯曲力矩之和。即： 徐州工程学院 07届毕业论文 第 11 页 11 方程中的第一项是弹性变形区对弯曲轴的阻力矩，第二项是塑性变形区对 弯曲轴的静力矩。如果横截面为矩形的板料，则 则，表达式（ 2.10）可整理成： 弯曲力矩也 用相对弯曲半径 R/t 表示 对小变形冷弯曲： (卷板工艺属此类弯曲变形 ) 又可整理成： M = (k1 + k0 t/2 ) W s 式中 S 弯曲坯料的静矩 W 断面模数 对矩形截面 S = 2Bt /4 对矩形截面 W = 2Bt /6 k1 反映断面形状的系数 徐州工程学院 07届毕业论文 第 12页 12 k0 反映材料性能的系数 二、纯塑性状态的弯曲力矩 M = k 2Bt /4 式中 k 材料的硬化指数 材料的实际应变 该表达式也可写为： M = k0 b 2Bt /4 式中 k0 材料硬化的修正系数 b 材料的拉伸强度 三、弯曲力 把金属板材弯成不同形状的筒形物，通常用滚弯工艺，（如图 2-7）在这种 情况下，弯曲处于弹塑性变形状态。 弯曲辊轮（上辊）的弯曲力： 式中 Dn 、 D、 Dw 工件内径、中径、外径 B 弯曲宽板厚度 弯曲角（ = 2arcsin L/ Dw + d ） t 板料厚度 d 两下辊直径 L 两下辊中心距 徐州工程学院 07届毕业论文 第 13页 13 四、弯曲半径 在影响弯曲件质量的因素中最重要的一个是弯曲内径 Rn，它必须限制在 一定的范围内。 1、 最小弯曲半径 Rnmin 最小弯曲半径通常由弯曲件外表面可接受的破裂程度决定，外层纤维出现 破裂时的应变定义为 p,，引起该应变的弯曲半径定义为最小弯曲半径 Rnmin。那 么 , 由式 (2.3)得 : 可见， Rnmin 与板厚有关，通常用公式 :Rnmin =ct 表示 .系数 c 与材料有关，由实 验确定。 2、 最大弯曲半径 由 (2.2)式，当弯曲半径较大时（ Rnt），分母中的 t/2 可忽 略不计 则 为使弯曲工件的外层金属达到永久的塑性变形， 则： 中性层极限弯曲半径 五、回弹 塑性弯曲和任何一种塑性变形过程一样，都伴随有弹性变形。外加弯矩卸 去，板料产生弹性恢复。 弯曲回弹的表现形式，一是曲率减小，二是弯曲角减小。 影响回弹的因素 (1) 材料和机械性能 s卸载后回弹量愈大 E卸载后回弹量愈小 (2)相对弯曲半径 R/t R/t 愈大，曲率减小量 k 愈小，弯曲角减小量愈大。 徐州工程学院 07届毕业论文 第 14页 14 (3)弯曲角度 曲率的回弹量与弯曲角度的大小无关，角度的回弹量随弯曲角度的增加而 增加。 (4)弯曲条件 弯曲条件对弯曲回弹量大小有着显著的影响 例如：有底凹模的限制，弯曲卸载后的回弹量少于无底凹模的自由弯曲； 弯曲条件愈复杂，一次弯曲成型的回弹量愈小。 2、减少回弹的措施 (1)补偿法：根据弯曲件的回弹趋势与回弹量大小；控制模具工作部分的几 何形状与尺寸，使弯曲后，工件的回弹量得到补偿。 (2)拉弯法：板料弯曲的同时施加拉力，可以使剖面上压区转为拉区，应力 应变分布趋于一致，从而减少回弹量。 (3)加压校正法：在有底凹模中限制弯曲时，当板料与模具贴和以后，以附 加压力校正弯 曲变形区。 (4)过弯曲工件：把弯曲角加大 2% 5%以满足回弹的需要。 2.4 卷板工艺和卷板质量分析 卷板是根据三点成圆原理，利用卷板机对板料进行连续三点弯曲的过程。 按卷制曲面形状可分为：单曲率卷制和双曲率卷制两大类。单曲率卷制包 括卷制圆柱面、圆锥面、任意曲面等；双曲率卷制包括卷制球面、双曲面等。 按卷制温度不同，可分为冷卷、温卷、热卷。冷卷精度高，操作工艺简 便，成本低廉，但对钢板的质量要求较高，金相组织一致性要好；当卷制板厚 较大或弯曲半径较小并超过设备工作能力时，在设备允许情况下，可 采用热卷 （ 800 850）；对不允许冷卷的薄板，热卷刚度差，则采用温卷（保证在 一定金相组织的温度下）。 2.4.1 卷板工艺 卷板工艺过程分析 三辊对称式卷板机的特点是上辊在两下辊中央对称位置作垂直升降运动，两自作旋转运动。由于轧机的三辊是对称式的，在弯曲成型过程中，板材前后受力相对均匀，因此能够较好的解决钢板的弹复问题和精度问题。其缺点在于对称式的机器不能弯卷板材的全部长度。板材两端有略小于两个下辊之间距离之半的长度仍然是直的，因此板材保持直挺的两端在弯卷之前需要先在专门的预弯边机上加以 预弯。 在轧机卷取钢板时，山于上辊的压力，使支承在两个下辊上的板材形成三点弯曲。因此板材的成型过程可以看成是三辊卷板机对板材做连续的三点弯曲的过程。加工时将被 徐州工程学院 07届毕业论文 第 15页 15 加工板材的一端送入三辊卷板机的上、卜轧辊之间，然后对上辊施加一向下的位移，使位于下方的板材部分因受压而产生一定的塑性弯曲变形。当下辊被驱动作回转运动时，由于板材与轧辊之间存在摩擦力，所以当轧辊转动时板材也就沿其纵向运动。当板材依次通过上辊的卜方即变形区时，应力超过屈服极限，则将产生塑性变形，板材也就获得了沿其全长的塑性弯曲变形。适当调整轧辊之间 的相对位置，就可以把板材弯成半径不小于上辊半径的任意值。 在卷取钢板的过程中，也伴有变形量与应力成正比的弹性变形。研究表明弹复与弯曲曲率和材料屈服极限有关，并且随下辊之间的距离和上下辊径比的降低而减小。 一、剩余直边和预弯 平板开始弯曲时的最小力臂叫做剩余直边，剩余直边与设备及其弯曲形式 有关。如图 2-8 所示 为避免板料从工作辊间脱出，实际剩余直边通常比理论值大。对称弯曲时 为（ 6 20）t（ t 为板厚）；不对称弯曲时为对称弯曲时的（ 1/6 1/10）。 如图 2-9 所示，由于剩余直边的存 在，在板料的两个端部残留下平直部 分，这段平直部分在校圆时难以清除，并造成较大的焊缝应力和设备负载，故 一般应在滚弯前对板料进行预弯边，即做端头弯曲。常见端部预弯的方法有以 下几种。 1、使用端部弯曲模 卷板加工之前，先由装有带有一定曲率的模具的压力机或卷板机对板料的 两个端部压弯。如图 2-10 所示。 徐州工程学院 07届毕业论文 第 16页 16 2、使用端头滚弯机 端头滚弯机是在所需长度上隔开布置着的两对辊轮 之间使板料的两端通过并进行弯曲的方法。为适应不同的板料长度，可用改变 机架间距的方法来实现。如图 2-11 所示 3、 具有端 头弯曲用压料板的三辊卷板机 如图 2-12 所示 ,在三辊卷板机的两个下辊轮之间置入可做上下运动的压料 板，实现端部预弯。 4、 可调式卷板机 如图 2-13 所示，通过调整三辊卷板机或四辊卷板机工 作辊的位置，对板料端头预弯。 徐州工程学院 07届毕业论文 第 17页 17 二、对中 对中的目的是使工件的母线与工作辊轴线平行，防止产生扭斜。几种常见 的对中方法，如图 2-14 所示。 三、卷圆 卷圆方式分一次进给与多次进给两种。卷制厚板常用多次进给。 卷圆操作中应注意： 1、冷卷时回弹较明显，必须施加一定的过卷量。高强钢回弹较大，为了减 少回弹，在最终成形前需进行一次退火，以消除冷作硬化。 2、热卷时不必考虑回弹。对于闭合圆筒，一般只要控制板料尺寸，卷至刚 好闭合即可。为防止工件卸下后产生变形，应将工件在终卷曲率下进行不断滚 弯，直至工件表面颜色发暗为止。 四、矫圆 一般矫圆工序分三个工步： a:加载 根据经验或计算将工作辊调到所需的最大矫正曲率的位置。 b:滚圆 将辊筒在矫正曲率下滚卷 1 2 圈，使整卷曲率均匀一致。 c：卸载 逐渐卸除载荷，使工件在逐渐减少的矫正载荷下多次滚卷。 徐州工程学院 07届毕业论文 第 18页 18 2.4.2 锥体卷制 使上辊轴线与下辊轴线斜交（ 角度一般不超过 30），并使辊压线始终与扇 形坯料的母线重合，卷成锥体。辊筒的倾斜度可用以下公式计算： 式中： 倾斜辊轴线与水平方向的夹角 R1、 R2 锥体大端和小端的外半径 rc 下辊半径 mm t 下辊中心距 mm L 锥体母线长度 mm 对工作辊不能做倾斜调节的卷板机，可将工作辊位置按大端曲率半径的需 要调节好，并在上工作辊上卷制小端的部位加一个适当厚度的套筒（相当于增 加了小端处的弯曲曲率），也能卷出近似锥体。 2.4.3 卷板质量 一、外形缺陷 在板料卷曲过程中，常出现的外 形缺陷见表 2-1 徐州工程学院 07届毕业论文 第 19页 19 二、表面压伤 由于氧化皮及其它杂质附着在板料或辊筒上，会造成板料板面压伤。特别 是热卷或热矫时，氧化皮的危害尤为严重。为了减少氧化皮的危害，常采用以 下措施： 1）坯料表面氧化皮尽量清除干净、涂上油漆后，再进行冷卷； 2）坯 料加热时应尽量减少氧化皮（如缩短高温停留时间，采用中性火焰、采用防氧 化涂料等） 3）选用氧化皮压伤最小的卷板机； 4）选用氧化皮压伤最小的操作 方法。例如：四辊卷板机的下辊顶压力尽量小，不断吹扫内外侧剥落的氧化 皮、矫圆时尽量减少反转次数等。 三、卷裂 冷作硬 化、粗晶组织、应力集中、以及各种脆性条件的形成，都能使材料 塑性变坏，导致卷裂。 防止卷裂的主要措施： 1）限制变形率 2）消除可能导致坯料表面应力集中的因素：备料时注意轧制方向，尽量使 板料纤维方向与弯曲线垂直；厚度 t 50mm 的板料，其机械加工端面最好有适 当的圆角；修磨对接焊缝，对非铁金属板料，打磨方向应与弯曲辊轴线方向垂 直。 3）掌握新材料的宽板冷弯性能。 4）钢板最好经过正火处理。对调质钢及经过气割等热循环的空气淬火钢， 应消除淬 徐州工程学院 07届毕业论文 第 20页 20 硬层。 5）卷制时，室温应高于板料的脆性转变温度，否则 应进行预热。对于厚 板，尤其注意。对缺口敏感的钢种，最好预热到 150 2000C 的温度卷制。 2.5 卷板产生桶状变形的原因与对应措施 1 卷板过程中产生桶状 在卷板加工过程中 ,常常会遇到卷制出的筒体出现中间大两头小的情况，我们称这种现象为桶状 (腰鼓形 )变形，如图 1。对于具有相同材质性能的中薄板，板宽尺寸 (沿设备长度方向的尺寸 )越大、卷制的筒体直径越小，越容易产生上述变形。当板宽尺寸超过 5m 时(此种情况一般是先将平板拼焊然后卷制 )，桶状变形就会比较明显。变形的产生给焊接或内部装配带来极大的不便，若 变形太大，必须通过对工件进行整形才能满足后面工序的要求，但该种变形的整形是非常困难的。为尽量减少整形量，一次性卷制出合格筒体，必须分析产生该种变形的原因，并采取适当措施加以防止或弥补及消除。 2 产生桶状变形的原因 我们知道，卷板机在工作过程中，上辊向下压， 两侧辊旋转 (对于四辊卷板机，则是上辊旋转、上下辊夹紧钢板，两侧辊斜向上升施压 )，使板材绕上辊发生连续弯曲 ,从而卷制出筒体。根据卷板机的结构形式，我们可以把其各辊轴在工作过程中的受力 情况视为简支梁来分析。一般来讲，卷板机的上辊较粗，刚性较好；侧辊或下 辊略细，刚性不如上辊。 如果卷板时上辊的下压力太大、而侧辊的刚性不足时，就会使辊轴在卷制筒体的过程中发生变形而出现挠曲，如图 2 所示；尤其对于辊轴较长的卷板机 (比如超过 5m)，当压紧力和卷板力接近设备极限能力时，其辊轴更容易出现此种变形。这使得卷板机