畢業(yè)論文-槽鋼輥彎成型過程模具設(shè)計及可靠性分析

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The roll forming process is extremely complicated(this paper took channel steel as example). And moreover, the influence formation factor is multitudinous. So far, the characteristics and rules of itself have not yet truly understood and grasped. The technological design and the roll pass design of production were still mainly decided by the experience know ledge, which not only delayed the debugging time and was difficult to adapt the market ,but also wasted resources and increased the cost. This paper introduces the theory of domestic and international research on the Roll Forming the status and development trend of roll forming process of calculating the parameters, to develop molding system to determine the bending angle, draw forming pass. In each pass to determine the size of mold design. The researching results of this paper provided the reliable forecasting model for the pass system design of the cold bending section product development and the direct basis for the actual production application, which is of important theoretical significance and the application value.Key word: Channel steel, roll forming , Molding tool design 第 Ⅰ 頁 共 Ⅱ 頁目錄1 引言 11.1 課題的目的和意義 .11.2 冷彎型鋼發(fā)展概述及特點 .31.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .31.3.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀 .31.3.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 .31.4 冷彎型鋼軋制工藝及設(shè)備 .41.5 研究的內(nèi)容和方法 .52 槽鋼輥彎成型過程參數(shù)計算 62.1 設(shè)計原理 .62.2 毛坯參數(shù)計算 .72.2.1 冷彎鋼板彎曲時中性層位置的確定 72.2.2 展開料長度 82.3 成型制度的確定 .92.3.1 各道次彎曲角的選定 92.3.2 道次彎曲半徑的選定 .112.3.3 成型道次確定 .13 2.3.4 成型工作斷面的取向 .142.3.5 彎曲的方式 .142.3.6 彎曲的次序 .163 槽鋼輥彎成型過程模具設(shè)計 .173.1 成型輥及孔型設(shè)計 173.1.1 成型輥結(jié)構(gòu)的選擇 .173.1.2 閉式孔型設(shè)計及構(gòu)圖 .173.1.3 槽鋼開式孔尺寸及構(gòu)圖 .203.2 模具設(shè)計 213.2.1 第一道次模具設(shè)計 .21****學(xué) 院 ****屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 1 頁 共 45 頁3.2.2 第二道次模具設(shè)計 .223.2.3 第三道次模具設(shè)計 .253.2.4 第四道次模具設(shè)計 .273.2.5 第五道次模具設(shè)計 .294 了解疲勞理論以及模具的可靠性分析 .324.1 模具可靠性的內(nèi)涵 324.2 疲勞理論 324.3 模具可靠性 324.3.1 可靠度 .334.3.2 累積失效概率 .334.3.3 平均壽命 .334.3.4 可靠壽命與中位壽命 .334.3.5 失效率 .335 結(jié)論與展望 .345.1 結(jié)論 345.2 展望 34參 考 文 獻(xiàn) 35致 謝 .371 引言1.1 本課題研究的意義及目的冷彎型鋼是指通過輥彎成型法或滾壓成型法等以帶材為原料，加工成特定斷面的型材，如圓管、槽鋼、波形板、異型截面鋼材等。輥式成型是一種高效、節(jié)能、節(jié)材的金屬成型工藝。 [1]輥彎成型是槽鋼的主要成型方法，輥彎成型是通過多道次具有特定輪廓型面的成型軋輥，把卷材或單張板材逐漸地進(jìn)行橫向彎曲以制成特定斷面的金屬型材的工藝方法。輥彎成型過程是一個復(fù)雜的成型過程，受到很多因素影響。軋輥是板金屬輥彎成型的關(guān)鍵部件，對最后金屬的成型有著至關(guān)重要的影響。 [2]****學(xué) 院 ****屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 2 頁 共 45 頁因此，槽鋼輥彎成型過程的模具設(shè)計具有很重要的應(yīng)用前景與研究意義。1.2 冷彎型鋼發(fā)展概述及特點我國冷彎型鋼生產(chǎn)起始于20世紀(jì)50?60年代，只在鞍山、上海、重慶等個別地區(qū)，以服務(wù)于農(nóng)基業(yè)為主。1958年開始生產(chǎn)的冷彎型鋼開始用于汽車、建筑、自行車制造等行業(yè)，其產(chǎn)品僅僅能滿足該行業(yè)自身需要。70年代末僅有6家，在改革開放的有利形式下，國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)對鋼材品種和質(zhì)量提出了新的要求，冷彎型鋼的優(yōu)點逐步為人們所認(rèn)識和接受，冷彎型鋼的生產(chǎn)取得了較大的發(fā)展。例如：由包頭設(shè)計研究院為消化吸收國外某些先進(jìn)技術(shù)結(jié)合國內(nèi)市場具體情況而開發(fā)研制的 m219?中口徑焊管成型機(jī)組，即CR機(jī)組（Composite Roll Mill）屬于一種新型輥式成型機(jī)組。直到上世紀(jì)80年代是冷彎型鋼的第一次發(fā)展高潮，集中于華東、華北、東北地區(qū)，服務(wù)于汽車、客車、建筑門窗、交通運輸、貨架、電器等行業(yè)。21世紀(jì)初，我國冷彎型鋼生產(chǎn)面臨第二次發(fā)展高潮，集中于華北、華東、西南地區(qū)。這次發(fā)展的特征是：以原料鋼廠為重點或以用戶服務(wù)單位為重點；產(chǎn)品特點是大型( m325?以上） 、精薄或?qū)I(yè)化為主；市場多數(shù)描準(zhǔn)鋼結(jié)構(gòu)、汽車、電力、基建等。到目前為止，生產(chǎn)機(jī)組達(dá)到一千多套，最大管徑達(dá)到 m60。全國冷彎型鋼生產(chǎn)能力基本能滿足市場需求量，但出口量很少，只有幾千噸。冷彎型鋼產(chǎn)量占鋼產(chǎn)量的2.4%，產(chǎn)品品種達(dá)到2000多種。冷彎型鋼已經(jīng)成為鋼材品種中不可缺少的一支后起之秀，受到廣大用戶的青睞。國外輥彎成型技術(shù)工藝已具有100多年歷史了，大致分為三個階段：第一階段（1838?1909）是探索和試制階段這階段輥彎成型理論和冷彎型鋼的研究工作進(jìn)展緩慢。僅少數(shù)幾個國家進(jìn)行生產(chǎn)，期間生產(chǎn)的產(chǎn)品不僅產(chǎn)量低而且品種與質(zhì)量都很差，產(chǎn)品僅僅能夠滿足當(dāng)時建筑部門與車輛等部門的需求。隨著工業(yè)運輸業(yè)的迅速發(fā)展，輥彎成型工藝生產(chǎn)的冷彎型鋼已經(jīng)不能滿足用戶要求。第二階段（1910?1959）是創(chuàng)立和逐步推廣輥式冷彎成型工藝的階段。在此期間，美國首先創(chuàng)立了輥式冷彎成型工藝，并建立了第一套專業(yè)化輥式****學(xué) 院 ****屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 3 頁 共 45 頁冷彎型鋼機(jī)組，使得冷彎型鋼生產(chǎn)發(fā)展到了一個新階段。但是由于當(dāng)時的冷軋、熱軋帶材生產(chǎn)落后，影響了冷彎型鋼使用與發(fā)展。第三階段（1960年至今）是冷彎型鋼生產(chǎn)迅速發(fā)展這一時期，由于世界鋼材品種有了重大進(jìn)步，帶鋼與板材的比重與質(zhì)量顯著提高，使冷彎型鋼生產(chǎn)應(yīng)用得到了極大發(fā)展。 [3]冷彎型鋼能得到較為廣泛的應(yīng)用，主要是其具有如下特點：1）斷面形狀簡單的冷彎型鋼（角鋼、槽鋼等） ，整個斷面的壁厚是一樣的，它們用來制造結(jié)構(gòu)件時，可以簡化裝配工序，并減少結(jié)構(gòu)安裝勞動力；2）逐漸的連續(xù)變形方式，適合大規(guī)模生產(chǎn)；3）高質(zhì)量的冷軋帶鋼，經(jīng)過連續(xù)的輥彎成型，仍然可以保持其優(yōu)良的表面質(zhì)量和精確的尺寸；4）不同架次的冷彎型鋼機(jī)組和不同工藝參數(shù)的成型機(jī)組，為生產(chǎn)各種規(guī)格、各種斷面形狀的產(chǎn)品提供了技術(shù)保證；5）輥彎成型可以同其他生產(chǎn)工序合并成一條多功能的連續(xù)作業(yè)線，這樣就可以大大提高勞動生產(chǎn)率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低輔助材料和電力消耗；6）由于加工通常是在常溫下進(jìn)行，故可以用各種涂鍍層的帶鋼進(jìn)行加工，而且不至于破壞其表面的涂層和鍍層；7）冷彎成型可生產(chǎn)出一般熱軋難以生產(chǎn)的復(fù)雜斷面、品種多樣的薄壁冷彎型材，從而在金屬消耗最少的情況下，獲得最大的強(qiáng)剛度；8）在大規(guī)模生產(chǎn)方面，成型輥費用比沖模少，而使用壽命卻比沖模長得多。用一套裝配式組合成型輥可生產(chǎn)多種規(guī)格的冷彎型鋼，而一套型鋼軋輥只能軋制一種規(guī)格的軋材；9）用冷彎型鋼代替熱軋鋼一般可節(jié)約材料25%?50%，這對于橋梁、車體等笨重結(jié)構(gòu)是非常有利的，而且冷彎型鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、裝配式結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)比起來，最主要的優(yōu)點在于它的不燃性、強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)重量輕，構(gòu)件適于大批量生產(chǎn)，空間利用率高，施工期限縮短；10）冷彎型鋼的縱向長度不受臺面尺寸的限制，適于加工成型橫斷面形狀復(fù)雜而縱向尺寸很長的制件。 [4]所以冷彎型鋼在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，各國意識到了冷彎型鋼的發(fā)展?jié)摿Γ?***學(xué) 院 ****屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 4 頁 共 45 頁都大量投入資金和精力研究和發(fā)展核心技術(shù)，其中輥子的設(shè)計開發(fā)尤為重要。1.3 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀1.3.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀英國學(xué)者提出了人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)方法輔助軋輥設(shè)計，該系統(tǒng)提供了63個儲存單元和一種學(xué)習(xí)軋輥模具的方法，該方法是利用先前的設(shè)計指導(dǎo)目前的設(shè)計得出更好的解決方法。再者系統(tǒng)能引導(dǎo)無經(jīng)驗的設(shè)計者作為培訓(xùn)教案學(xué)習(xí)軋輥設(shè)計。德國 Data M 軟件公司開發(fā)了一套軋輥設(shè)計的軟件，能設(shè)計出精確的輥花圖和軋輥模具圖，還能進(jìn)行有限元模擬分析冷彎成型工藝過程。該有限元分析的模型是自動從輥花圖和軋輥模具圖獲取到 Copra?軟件中。德國 UBCEO 軟件公司的 PROFIL 冷彎軋輥設(shè)計軟件，該軟件的目標(biāo)是讓工程師更好、更快、更安全的設(shè)計。并提出了三步質(zhì)量管理理念，分別是產(chǎn)品邊部應(yīng)力的校核、產(chǎn)品應(yīng)力分布分析和計算機(jī)有限元模擬分析，保證軋輥設(shè)計的安全性。其主要的功能包括產(chǎn)品圖的繪制、產(chǎn)品展開寬計算、邊部應(yīng)力計算、回彈角計算、輥花圖的自動設(shè)計、軋輥模具的自動設(shè)計、有限元模擬分析、軋輥加工數(shù)據(jù)輸出、圖紙輸出和成本分析等等。 [5]1.3.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 我國學(xué)者對冷彎成型工藝成型輥設(shè)計的優(yōu)化進(jìn)行了研究，通過反應(yīng)曲面法建立的數(shù)學(xué)模型描述了叫增量成型的影響，輥子半徑對回彈角的影響和最大邊部縱向應(yīng)變。在優(yōu)化的過程中，回彈角和最大邊部縱向應(yīng)變分別的在每個機(jī)架中設(shè)置成基本函數(shù)和約束條件。得到的最小的回彈角便會成為最優(yōu)化的成型角度和輥子半徑。北京科技大學(xué)的朱書棟等對冷彎成型的基本理論進(jìn)行了全面的研究，得到了冷彎過程中的四種基本變形方式的應(yīng)力應(yīng)變表達(dá)式和變形功的數(shù)學(xué)表達(dá)式，對槽鋼等輥彎型鋼的設(shè)計和生產(chǎn)有著普遍的指導(dǎo)意義。 [6]我國于1958年開始生產(chǎn)冷彎型鋼，主要開始于汽車、建筑、自行車制造等行業(yè)，其產(chǎn)品僅僅能滿足該行業(yè)自身需要。直到上世紀(jì)八十年代才逐漸有所發(fā)展。但是與國外冷彎型鋼生產(chǎn)還有很大差距?？偖a(chǎn)量仍然很低，約占全國生產(chǎn)鋼材總產(chǎn)量0.5%，而國外已達(dá)到5%；從生產(chǎn)設(shè)備上看，我國設(shè)備比較陳舊，且中小型設(shè)備多，大型專業(yè)化設(shè)備少，微型機(jī)組國內(nèi)目前尚屬空白。從品種規(guī)格、產(chǎn)品質(zhì)量****學(xué) 院 ****屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 5 頁 共 45 頁上看與國外也有很大差別，主要集中表現(xiàn)為：(1)坯料材質(zhì)不優(yōu)、品種單一、精度差。(2)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上品種開發(fā)，生產(chǎn)滯后于研究。(3)產(chǎn)品表面質(zhì)量差、性能不穩(wěn)、定尺率低、還有產(chǎn)品未去除內(nèi)毛刺。(4)對于深加工產(chǎn)品、國外已做到零件化、部件化，我們則是由使用單位自行 加工成所需零部件。 [7]未來輥彎型鋼生產(chǎn)正在向高效率化、高附加值化、多品種化方向發(fā)展，推動了一系列輥彎新技術(shù)的發(fā)展。虛擬制造技術(shù)逐漸應(yīng)用到輥彎成型過程中。先進(jìn)的系統(tǒng)建模和仿真優(yōu)化技術(shù)已應(yīng)用于輥彎成型中, 并應(yīng)用于動態(tài)模擬輥彎產(chǎn)品的設(shè)計、制造和檢驗的全過程。再加上經(jīng)驗及合理的推理機(jī)制，將形成一個完整的輥彎成型專家系統(tǒng)。使冷彎成型走向更加智能化的生產(chǎn)。 [8]1.4 冷彎型鋼軋制工藝及設(shè)備冷彎型鋼軋制工藝按產(chǎn)品的不同分為開口型鋼生產(chǎn)工藝和閉口型鋼生產(chǎn)工藝兩種，如圖1.1,1.2所示。其中開口型鋼生產(chǎn)工藝的相應(yīng)的設(shè)備有：縱剪機(jī)組、對焊裝置、輥式成型冷彎機(jī)組、剪切裝置或飛鋸。閉口型鋼生產(chǎn)工藝包括圓管和異型管，圓管工藝的相應(yīng)設(shè)備有：縱剪機(jī)組、對焊裝置、冷彎成型和定徑機(jī)組、高頻焊接設(shè)備、剪切裝置（飛鋸或飛剪等） [9]原材料卷板 縱剪 對接 冷彎成型機(jī)冷彎或鋸切 包裝入庫 圖1.1 開口型鋼生產(chǎn)工藝流原材料卷板 縱剪 對接 冷彎成型機(jī) 高頻焊接件定徑機(jī)組 冷彎或鋸切 包裝入庫 圖1.2 閉口型鋼生產(chǎn)工藝流 1.5 研究的內(nèi)容和方法1、搜集資料綜合，了解并掌握輥彎成型過程理論2、運用 solidworks 軟件及搜集到的資料進(jìn)行總和、分析，對槽鋼輥彎成型****學(xué) 院 ****屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 6 頁 共 45 頁過 程各道次進(jìn)行模具設(shè)計3、運用疲勞強(qiáng)度理論，對模具進(jìn)行可靠性分析2 槽鋼輥彎過程參數(shù)設(shè)計此零件供汽車制造車身用，這里采用是涂層鍍鋅鋼板為原材料進(jìn)行模具設(shè)計，這種鋼材變形塑性很好，深沖壓等冷加工性和焊接性很好，強(qiáng)度和硬度均很低，生產(chǎn)成本較低。由單軸拉伸實驗測得材料的彈性模量E為21000MPa，切線模量為368 MPa，密度為7850kg/m，泊松比v為0.3，摩擦系數(shù)p取0.2，坯料寬度經(jīng)過計算取155mm，板厚為2.0mm的鋼板。原始數(shù)據(jù)：圖2.1 汽車用等邊槽鋼如圖： 厚度 mt2? 總彎曲角 o90?腰長 h6腿長 b5?圓弧半徑 mR2.1 設(shè)計原理冷彎型鋼是用經(jīng)過縱剪的熱軋或冷軋帶鋼為原料，在常溫下，用連續(xù)輥彎成型、拉拔彎曲成型、沖壓折彎成型等方法，加工制造出熱軋方法難以生產(chǎn)的各種斷面型材。其中輥彎成型工藝又是冷彎型鋼的主要加工方法。它是通過一組縱向****學(xué) 院 ****屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 7 頁 共 45 頁排列的軋輥，將平整的原板逐漸變形，使之達(dá)到適合使用要求的形狀。冷彎成型有如下特點：(1) 產(chǎn)品成型不僅發(fā)生在每一架的成型輥上，而且還發(fā)生在兩架成型輥之間的平緩過渡區(qū)內(nèi)。(2)在彎形過程中，帶鋼坯料厚度和面積在理論上不變。 [10]2.2 毛坯參數(shù)計算制定合理的毛坯就是使輥彎毛坯尺寸最小，材料等級最低，這首先意味著能減小材料耗用量，提高輥彎成型的材料的利用率，降低所用材料的價格，從而使產(chǎn)品成本降低，提高經(jīng)濟(jì)效益。使用合理毛坯進(jìn)行沖壓，材料各部分的變形都貢獻(xiàn)給有用形狀的形成，無附加變形、未參與變形的附加余料牽制。在機(jī)床及模具的狀態(tài)、潤滑條件一定的情況下，材料變形吸收能量最少，變形的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)最佳，因而板料的成型性能可得到最大程度的發(fā)揮。2.2.1 中性層位置的確定一般可按圖形分析法計算坯料寬度，復(fù)雜斷面有時要用放大比例方法進(jìn)行精確計算。料寬通常按斷面中性層長度決定。一般認(rèn)為中性層長度不經(jīng)受彎折或橫向拉伸變形。要確定一個給定型材所需的帶寬，先要做一個打比例的斷面圖，把它劃分為直線段和曲線段后，沿中性線對各段長度進(jìn)行求和。各彎曲段對應(yīng)的帶坯寬度由彎曲角的大小和中性線所對應(yīng)的彎曲半徑(稱為名義彎曲半徑)所確定，即彎曲段長度: ?mrW? (2.1)式中： mr —— 名義彎曲半徑，mm? —— 彎曲角度，rad名義彎曲半徑 mr (mm)由下式確定：ktrm?? (2.2)式中： r —— 彎曲角內(nèi)徑，mmk —— 系數(shù)，即彎曲因子t —— 帶坯厚度，mm****學(xué) 院 ****屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 8 頁 共 45 頁當(dāng)板料彎曲變形較小時，中性層在板料中間，變形較大時，中性層逐漸向內(nèi)移動。通常當(dāng)彎曲內(nèi)半徑 r 與板料厚度 t 之比小于 12，即 r/t12 時，就必須考慮中性層向內(nèi)的移動量。該移動量通常是借助實驗方法得到鋼板中性層位置系數(shù) k（表 2.1） 。設(shè)ρ為彎曲半徑 mr的中心到中性層的距離，即中性層的彎曲半徑mr表2.1 鋼板中性層位置系數(shù)的確定r/t 0.1 0.2 0.3 0.4 0.45 0.5 0.6 0.7k 0.23 0.29 0.32 0.35 0.36 0.37 0.38 0.39r/t 0.8 1.0 1.3 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0k 0.40 0.41 0.43 0.45 0.46 0.47 0.48 0.49已知： mr6? t2 3 查表1.1得 46.0?k 2.2.2 展開料長度計算彎曲件展開料長度的方法，是將彎曲件分成若干直線段或圓弧段的基本幾何單元，分別計算各單元部分的長度，然后求出各單元部分長度的總和。鋼板折彎處展開尺寸的公式為：??ooktrl 180/180/????? (2.3)式中 — 折彎處展開長度— 彎曲區(qū)之間對應(yīng)角當(dāng) o90??時， ??2/ktrl??? (2.4)以圖為例，鋼板可分為兩個 1L一個 ，兩個 3L。 1、 2為直線部分，只需要加減，即 321L?但實際生產(chǎn)中，鋼板折彎成90度，其尺寸標(biāo)注通常不像圖2.2所示，而是像圖****學(xué) 院 ****屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 9 頁 共 45 頁2.3所示，為此折彎展開料每一部份可按下式計算：trL??1' (2.5)2'2 (2.6)其中 r --彎曲半徑t-- 為板料厚度而 3L按(2.4)式計算。 [11]圖2.2 圖2.3已知 ml5'1?60'2t 根據(jù)式(2.4) (2.5) (2.6)得 mL471?2 9.83mLL15321???2.3 成型制度的確定在擬訂冷彎型鋼生產(chǎn)工藝時應(yīng)確定成型制度，用成型工件彎曲部位的彎曲角和彎曲半徑來表征的，成型制度對于以最少的消耗生產(chǎn)合格冷彎型鋼具有決定性意義。2.3.1 各道次彎曲角的選定****學(xué) 院 ****屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 10 頁 共 45 頁彎曲角的分配由成型機(jī)能力、成型道次、機(jī)架間距、總變形量等因素決定。一般來說成型時應(yīng)這樣選定彎曲角：冷彎型鋼的成型過程是連續(xù)的過程，每一道次的變形都對整個過程有影響，而變形角正是確定變形量的參數(shù)，所以它的分配直接關(guān)系到產(chǎn)品成型的好壞。通常，變形角的分配由成型機(jī)組的能力、成型道次、機(jī)架間距、總變形形量等因素決定，可按照下面規(guī)律進(jìn)行分配：(1) 開始道次的變形角選取稍小。對于型鋼彎曲角 o90來說選取 o10-2范圍較好，這是受咬入條件、邊部拉伸和軋制穩(wěn)定性所限制。(2) 中間道次變形角盡可能大。由于邊部拉伸逐漸減弱，成型工件已經(jīng)部分成型，具有相當(dāng)大的剛性，不易偏離成型方向，所以利用材料塑性減少軋制道次。但要避免由于彎曲角分配不均而造成的帶坯局部異常變形以及型材表面劃傷。(3)后面道次變形角越小越好。這是因為斷面形狀的變化造成了彎曲力的減小，而且還減小了回彈，所以要求后面道次變型量減小以保證精度。(4)異型鋼的變型量分配，在許多情況下受幾個彎角同時變形的限制，對斷面上一部分的變形分配會影響到另一部分, 這就要做適當(dāng)調(diào)整。不同成型機(jī)組的成型道次計算方法各不相同。一個道次中工件各段的彎曲角根據(jù)彎曲段的寬度、坯料厚度、工件在成型輥中的變形方法、型鋼形狀和尺寸等確定。常見的角分配方式有兩種，一是平均分配方式即： nio/??? (2.8)其中 i — — 第 I 道次彎曲角o— — 最終彎曲角n— — 總成型道次i— — 成型道次一種是余弦分配 ??ninioi 32cs1/cos32????? (2.9)其中 i — — 第 I 道次彎曲角o— — 最終彎曲角****學(xué) 院 ****屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 11 頁 共 45 頁n— — 總成型道次i— — 成型道次圖2.4 余弦分配的圖形表示輥彎壁厚2毫米以下成型時一個道次中采用的彎曲角列于表 2.2 和 2.3 表 2.2 壁厚 2 毫米以下的成型工件一個道次的總彎曲角與彎曲部分寬度的關(guān)系總彎曲角彎曲部分寬度 1?23?45?≤55～15≥150020906055--8075--9393--9090表 2.3 一個道次內(nèi)彎曲角與坯料厚度的關(guān)系坯料厚度（毫米）成型工具0.5～0.8 0.8～1.2 1.2～1.5成型輥輔助立輥導(dǎo)板453022302015221512根據(jù)已知條件得出，該零件最合理的成型制度是：0o 20o 55o 75o 93o 90o2.3.2 各道次彎曲半徑的選定中間各道次斷面彎曲半徑是確定成型制度的另一個重要參數(shù)。若工件成型時的彎曲半徑和彎曲處弧中心距不變，則彎曲段開始部分位于成品型鋼圓角的開始****學(xué) 院 ****屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 12 頁 共 45 頁處，接近工件中央，而且彎曲順序是從中央到兩邊。若成型時的彎曲半徑不變，可按（2.10）式求出各道次中彎曲部位弧的中心距，如圖2.6??????221190908nnoknC??????? （2.10）其中 ——第n個道次中彎曲部位弧的中心距；k——成品型鋼彎曲部位弧的中心距；1?2——彎曲部位變形中性層的彎曲半徑；n?——規(guī)定道次中的彎曲角。圖 2.5 弧中心距的確定示意圖若工件成型時的彎曲半徑是不變的或變化的，而彎曲處弧中心距是變化的，則彎曲段開始部分位于型鋼邊緣附近且彎曲順序是從兩邊到中央。在這種情況下，彎曲半徑中心距減小，各道次的彎曲半徑可按下式求出：????????KsabRn?018（2.11）其中： nb ——成品型鋼彎曲處弧長，毫米；? ——規(guī)定道次中的彎曲角；S ——工件厚度，毫米；****學(xué) 院 ****屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 13 頁 共 45 頁K ——系數(shù)，它與相對彎曲半徑有關(guān)已知 mbn6?ooooo 9037520?S46.?K得出： 第一道次 mR2 第二道次 mR9.8? 第三道次 3. 第四道次 4第五道次 6若成型時的彎曲半徑不變，則所獲得的成品冷彎型鋼集合尺寸的精度較高，而成型力較大。若成型時采用變化的彎曲半徑，則作用于成型輥上負(fù)荷減少，使成品冷彎型鋼幾何尺寸的精度稍有降低。若成型時成型工具的彎曲半徑不變，則壁厚超過1.5毫米的冷彎型鋼采用的彎曲半徑比技術(shù)條件規(guī)定的值小1毫米。為使型鋼彎曲部位彎曲半徑達(dá)到最小的允許值，成型輥不按計算值的要求加工出圓角，而僅僅稍微磨鈍各棱角即可。 [12]2.3.3 成型道次確定將帶坯輥彎成型為所需的產(chǎn)品是一個逐漸進(jìn)行的加工過程，在這個過程中每道次或每對成型輥僅對變形材料施加有限的彎曲變形。只有這樣才能在不拉長帶坯的條件下得到所需的彎曲。成型道次過少，冷彎型材易產(chǎn)生尺寸超差和扭曲；成型道次太多則增加工具成本。選擇合理的成型道次，可使冷彎型鋼彎曲部位減薄程度降到最小，使型鋼斷面的直線段和彎曲段平滑過渡，防止型鋼邊緣出現(xiàn)折皺、開裂，從而保證型鋼的鋼性。成型道次數(shù)主要取決于材料的性能和型材形狀的復(fù)雜程度，此外，它還與型材的寬度、成型機(jī)架間距、型材的尺寸精度等有關(guān)。材料的厚度、硬度、成分都影響得到所需形狀的成型道次數(shù)。帶坯厚度越大，成型道次越多。當(dāng)帶坯的屈服強(qiáng)度較高時，需過彎約2-3度以彌補(bǔ)回彈的影響。表面帶有涂層的帶坯也需要較多的成型道次以保持表面的光滑程度。 成型道次的主要是根據(jù)型鋼斷面形狀及彎形量的分配來確定，一般第一架軋****學(xué) 院 ****屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 14 頁 共 45 頁輥不參與變形，而最后的兩架軋輥也可以不參與變形，只作為定型中部的成型道次主要是根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗來確定，但應(yīng)遵循下列原則：韌成型段采用較小的彎曲角，使坯料順利咬人，防止跑偏；中成型段可采用大彎曲角；成型后段宜采用較小的彎曲角，以保證成品型鋼符合精度要求，并減小回彈。型材形狀復(fù)雜程度是由彎曲角的個數(shù)和總彎曲量的大小決定的，同時它也受型材對稱性的影響。成型角法是用來確定成型道次的基本方法。成型角法可表示為 ： ?ctgLHN??????? （2.12）式中： —— 成型道次數(shù)；H —— 彎曲高度；L —— 機(jī)架間距；? —— 成型角。一道工序中，同時彎角不能超過兩個。為彌補(bǔ)回彈，在后幾道工序中應(yīng)對彎曲角作適當(dāng)?shù)男拚?[13] 2.3.4 成型工作斷面的取向空彎是指僅由上輥或下輥進(jìn)行的彎曲，它對斷面尺寸的精確性有很大影響。成型工作斷面的取向受多種因素影響，在多數(shù)情況下，成型斷面取向與型鋼基本中心線或基本成型面的選擇有關(guān)?；局行木€是通過工件全長的一條直線，其位置在整個成型過程中相對于機(jī)架中心不變。對稱型鋼的基本中心線就是其對稱中心線，對于非對稱型鋼，選擇基本中心線的原則是使成型斷面兩邊的水平力相抵消，從而使金屬自由成型而不會受到牽拉。以防止工件在進(jìn)一步變形時發(fā)生橫向位移，基本中心線的選擇見圖2.7所示。****學(xué) 院 ****屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 15 頁 共 45 頁(a) 對稱斷面 (b)非對稱斷面圖2.6 基本中心線的選擇的示意圖圖中基本中心線的選擇成型時應(yīng)盡量使型材的翼緣向上彎曲，這樣可以使型材斷面更接近要求，并簡化成型輥。 [14]2.3.5 彎曲的方式型材的彎曲方法有五種，可根據(jù)帶坯材質(zhì)和產(chǎn)品斷面形狀加以選用。 1）彎曲中心固定法該方法是固定彎曲半徑的中心，在半徑不變的情況下依靠彎曲角增大來依次增加彎曲弧長，相當(dāng)于圓管成型的中央彎曲成型法。該法適用于彎曲弧長半徑大的生產(chǎn)工藝。如圖圖2.7彎曲中心固定法2）彎曲中心內(nèi)移法該方法是固定彎曲半徑，內(nèi)移彎曲中心，相當(dāng)于圓管成型的邊緣彎曲成型法。該法適用于所有產(chǎn)品的生產(chǎn)，但彎曲回彈大。****學(xué) 院 ****屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 16 頁 共 45 頁圖2.8 彎曲中心內(nèi)移法3）彎曲中心上移法該方法隨彎曲角的增大，彎曲弧長不變，彎曲半徑減小，相當(dāng)于圓管成型圓變形成型法。該法適用于波紋板類的寬板、薄帶或非對稱易加工產(chǎn)品。圖2.9 彎曲中心上移法4）彎曲中心直角坐標(biāo)系移動法該方法其變化量依賴于實踐經(jīng)驗。該法適用于彎曲中心上移法所適用的產(chǎn)品。圖2.10 彎曲中心直角坐標(biāo)系移動法5）彎曲中心移動與半徑變化成函數(shù)關(guān)系法該方法隨彎曲弧長的增加，彎曲半徑按照指數(shù)關(guān)系減小，應(yīng)用面較窄。 [15]****學(xué) 院 ****屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 17 頁 共 45 頁圖2.11 彎曲中心移動與半徑變化成函數(shù)關(guān)系法2.3.6 彎曲的次序彎曲的次序是重要的設(shè)計內(nèi)容之一。理想情況下，從斷面中心向兩邊逐漸彎曲，這樣可以使已彎曲成型部分不會進(jìn)一步受到變形。但是，考慮到多種其它因素的影響，如避免空彎、減小金屬移動、改善材料流動的平滑性等，也采用其它彎曲次序。3 等邊槽鋼的孔型及成型輥設(shè)計3,1 成型輥及孔型設(shè)計3.1.1 成型輥結(jié)構(gòu)的選擇成型輥—般有整體型和組合型兩種結(jié)構(gòu)。整體型為一個加工出孔型的整體輥，而組合型則由數(shù)個簡單輥片組成。所需輥型的成型輥采用整體輥還是組合輥取決于型材斷面的復(fù)雜程度。簡單型材常采用整體，但隨著型材斷面復(fù)雜程度的增加，應(yīng)考慮采用組合輥。采用組合輥具有下述優(yōu)點： ****學(xué) 院 ****屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 18 頁 共 45 頁1）單一輥片加工更為容易；2）單一輥片在熱處理過程中不易開裂；3）單一輥片重量輕，易于進(jìn)行操作和裝配；4）當(dāng)成型輥發(fā)生過度磨損和破壞時，只需要更換發(fā)生缺陷的輥片，因而比整 體輥更經(jīng)濟(jì)；5）可以采用不同材質(zhì)的輥片組成成型輥；6）可用數(shù)量有限的輥片組合成多種形狀的成型輥，實現(xiàn)柔性軋輥，一輥多 用；7）組合輥可以實現(xiàn)整體輥不能做到的細(xì)微調(diào)整。 [16]本次設(shè)計的斷面結(jié)構(gòu)簡單，所以選用整體型。3.1.2 閉式孔型設(shè)計及構(gòu)圖 對于小尺寸的型材，成型輥應(yīng)盡可能貼近帶坯,但過分接觸也會造成擦傷。對每一成型輥不僅要從個體上而且應(yīng)從整個變形過程來決定成型輥與帶坯在何處接觸、何處增大壓力和尺寸、何處減小成型輥輥徑,以使材料自由進(jìn)入下一道次。一般生產(chǎn)尺寸精度較高的產(chǎn)品時，除采用平輥外，還采用中間立輥及必要的導(dǎo)衛(wèi)裝置。一般生產(chǎn)槽鋼的平輥孔型分為3類：開始幾道由于斷面橫向剛度小，容易發(fā)生彎折點偏移現(xiàn)象（總彎曲角 o30以下） ，所以常采用閉式孔；中間道次一般都是從o0-85范圍，可以采用開式孔；最后幾道為保證斷面形狀及尺寸精度要求，多采用精扎孔。由槽鋼各過渡道次尺寸計算可知 1L 2 3 a，構(gòu)圖示意圖如圖 3.1所示。****學(xué) 院 ****屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 19 頁 共 45 頁圖3.1 槽鋼閉式孔構(gòu)圖示意圖1）輥徑設(shè)計：輥徑確定首先確定軋輥的基本直徑，基本直徑是指其圓周速度與工件通過軋輥的速度相等處的直徑(即軋制速度)。除基本直徑外，軋輥其它部分均與工件有相對滑動，使產(chǎn)品表面劃傷、軋輥磨損及能耗增加等。因而，軋輥基本直徑的選定對產(chǎn)品質(zhì)量有著直接影響。上下成型輥基本直徑的比值，應(yīng)等于相應(yīng)減速箱圓柱齒輪的分速比。為保證工件平直，防止產(chǎn)生折皺，各架軋輥之問應(yīng)有一定張力，一般各道次基本直徑較前道次大0.25%～0.40%。整體輥式成型機(jī)組基準(zhǔn)輥徑設(shè)計，對于整體輥式成型機(jī)組，基準(zhǔn)輥徑為：??stHD????0 （3.1）其中 —— 成型機(jī)上下輥直徑，為最大中心距， mt —— 帶坯厚度， m? —— 輥縫可調(diào)量，約 30；s —— 逐架輥徑差， 8.****學(xué) 院 ****屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 20 頁 共 45 頁?ctgDH21?? （3.2）??S5.12 （3.3）30~23??D （3.4）??SBH?5 （3.5）0~3?a （3.6）151c （3.7）2） 過渡斷面圓弧半徑： ??KSaLR???2180 （3.8）3）上輥圓弧段水平投影為： tgn （3.9）4）下輥圓弧段水平投影為： ??2taSRm?? （3.10）5）下輥水平段寬度為： Lb3 （3.11）6）下輥孔型寬度 1b 是閉式孔構(gòu)圖的關(guān)鍵尺寸。一般選其等于上道次彎曲水平投影寬，這樣就可不產(chǎn)生咬邊現(xiàn)象。但這樣選取時板坯與孔型側(cè)壁間間隙較大，可能會產(chǎn)生橫向移動，故一般按下述原則選取。對于第一道閉式孔：1??Bb （3.12）****學(xué) 院 ****屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 21 頁 共 45 頁對于后面閉式孔采取前后兩道次料寬水平投影平均值，或比平均值小1 mm即： ??2'1'nb??? （3.13）式中： 1'?nb 為前道次彎曲料寬水平投影' 本道次彎曲料寬水平投影或如下式： ????????2cos2cos211111 nnnnnn aLmbaLmb ?????? （3.14）式中： 1?nb 為前道次（ n－1 道）下輥水平段寬a 為前道次（ n－1 道）彎曲角；1?nm 第n-1道彎曲部位水平投影寬第n 道彎曲部位水平投影寬1L 槽鋼腿長直段長度7）斜輥片水平投影寬： ??21bc?? （3.15） 8）上輥片寬： 1??ba （3.16）9）上輥片水平直線段： nL23? （3.17）10）上輥斜輥片水平投影： ??212a?? （3.18）3.1.3 槽鋼開式孔尺寸及構(gòu)圖開式孔用在彎曲角超過30°的中間道次。開式孔又分為兩種，即上輥用直輥片或斜輥片兩類，選用上輥片為直輥片，其示意圖見圖3.2所示。****學(xué) 院 ****屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 22 頁 共 45 頁圖3.2 槽鋼開式孔型構(gòu)圖示意圖相應(yīng)尺寸R、b、a、m、n、 1c、 5a按相應(yīng)公式(3.8)～(3.11)及式(3.7)式(3.18) 確定。 [16][17]并有： ????30~os13???L （3.19）tgbDH372 （3.20）76BH??? （3.21）'2?A （3.22）????????21' tgR （3.23）3.2 模具設(shè)計參數(shù)設(shè)計很重要，但是輥子的材料選擇也很重要。輥子的材料直接影響輥出來產(chǎn)品質(zhì)量。其中產(chǎn)品批量是影響成型輥材料選取的主要因素。最常用的成型輥材料有GCr15滾動軸承鋼，45優(yōu)質(zhì)碳素鋼，Cr12MoV、3Cr2W8V模具鋼等。當(dāng)生產(chǎn)批****學(xué) 院 ****屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 23 頁 共 45 頁量增加時，應(yīng)采用表面硬化、磨光的工具鋼，如GCr15。這種鋼比高合金工具鋼便宜，而且易于機(jī)加工和熱處理。在這種材料的成型輥上鍍一層鉻（25μm）可減少劃傷并增長重磨返修周期。但同時也要考慮經(jīng)濟(jì)因素，最終選出最佳的材料保證產(chǎn)品的優(yōu)良。 [18]3.2.1 第一道次模具設(shè)計由成型制度可得已知條件如圖所示 圖 3.3 第一道次尺寸可計算出第一道次零件如圖所示: 圖3.4第一道次上輥****學(xué) 院 ****屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 24 頁 共 45 頁圖 3.5 第一道次下輥圖3.6 第一道次模具裝配3.2.2 第二道次模具設(shè)計由已知得，第二道次彎曲角度為 55°，零件尺寸如圖 3.7，可計算出第二道次，零件尺寸：****學(xué) 院 ****屆 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書第 25 頁 共 45 頁圖 3.7 第二道次零件第二道次模具為下圖：圖 3.8 第二道次上輥