――圆变方异型管生产与圆管冷定径工艺的开发

1、前 言

用辊式冷弯推挤变形，将圆形焊接管或无缝钢管加工成方形、矩形等异型管既方矩钢管的方法，和冲压、折弯、拉拔等变形方法一样，也是金属压力加工范畴中的一种冷弯成形加工工艺。根据轧辊的动力传动方式，辊式冷弯成形又分为主动式和被动式两大类型。当前国内外由电动机带动轧辊的主动式冷弯机组应用比较普遍，仅国内就有机组约2000多套。冷弯型钢年生产能力达2000多万吨。其中大部分机组是以钢板为原料，辊压弯制为圆形管材或异型开口板材。用来生产方形矩形等异型管材的机组相对比较少，大中型机组全国仅有十多套。而利用辊式被动推挤圆变方冷弯技术的异型管成形机组在国内则更为稀少。仅有天冿钢管公司、秦皇岛东洋公司和苏南异型3套机组。

当前在国内外经济社会日趋个性化发展的浪潮中，异型钢管作为更能恰当满足不同受力情况的经济断面型材，越来越受到人们的关注。适应建筑钢结构、桥梁、造船、机车车辆、机械加工等工业现代化的发展，各种异型钢管特别是大规格、厚壁方型、矩型钢管需求量日趋攀升。自2000年美国“911” 以后，世界各国材料专家苦心致力于对表面积小、大规格、厚壁、高刚度、高强度、耐火性强的建筑钢结构型材的开发。普遍关注于对方形和矩形钢管性能和生产工艺技术的研究。2003年国内天津钢管公司率先投建的RSH-500型被动辊式圆变方异型管冷成形生产线也正是为此应时而生。它以边长50-500毫米超宽产品规格范围和4-30毫米壁厚的大适应幅度，不仅填补了我国在这一专业领域上的空缺，而且成为至今世界辊压冷弯圆变方成形边长{zd0}，壁厚最厚的生产机组。近年来在方、矩管生产基础上，天冿钢管公司利用该机组又成功开发出大口径钢管冷定径工艺。不仅实现了一机多用，而且定径精度高于国家标准。随着方、矩管应用市场的不断扩展，随着无缝钢管规格系列的不断拓宽，天冿钢管公司的大量高性能高质量新产品已源源不断的供应国内外的企业和工程。这一成功，必将会让业内人士重新审视这个一度曾被认为不宜推广发展的被动辊式圆变方异型管冷成形技术。也必然会把这一技术的深入研发推向新的高潮。

2、闭口型材冷弯成形的几个理论依据

闭口断面型材也称为空心型材。最常用的闭口型材主要有圆管、方矩型管等对称截面型材。对于闭口型材的断面冷弯加工从工艺上讲是个复杂的变形过程，至今尚无完整的理论来诠译、解析。往往仅能依据经验的积累来确定变形条件与基本参数。业内一些专家曾借助于型钢碾轧变形理论中的压下量、宽展、延伸系数、孔型系等一些概念来分析圆变方等闭口型材的工艺过程，实际运用中却并不贴切。闭口型材壁厚方向不受限制是给变形和受力分析增加难度的主要原因。为此本文也仅能从几个基本相关要点作简要分析；以工艺实践介绍作为主要内容断面。

2、1中性线周长不变规律

断面中性线周长不变规律，是圆变方等冷弯成形过程中进行变形分析、原料选择、轧辊设计、成品质量控制的出发点和工艺参数的计算基础。金属的冷弯成形加工实质上是控制改变金属变形断面相关部位的曲率，达到要求的过程。这一过程。必然要伴随横截面内外层面拉伸或压缩形变发生。曲率增大部分，外层材料受拉，内层受压。内外层材料中间必然存在有一个层面上径向应力为0。这些断面径向应力为0的点连接起来既为截面的中性层。是周长不变层面。平钢板和圆管的中性层在1/2板厚位置。当断面变形部分的位伸和压缩应力超过材料屈服极限，小于断裂极限时既发生{yj}性塑性变形，达到冷弯之目的。冷弯实践证明，随材料弯曲变形的进行，中性层面将向曲面圆心方向偏移。其偏移量e值可按如下理论公式计算:

式中: S－材料厚度mm

R－材料内壁的弯曲半径mm

从上式可以看出材料厚度越大，弯曲的内圆角半径越小，中性层偏移量越大。另外为防止材料发生弯曲断裂，R的选择应受最小弯曲半径限制。(见2.3的内容)

在径厚比D/S相对较大，并按照弯曲半径约束条件进行圆变方冷弯变形时，e值和S/2值相对D来说都是较小值，为此可以大略视为圆管外径周长不变而仅是被稍加压缩了一下。采用圆管外径周长压缩系数ξ，表示管材变形过程中外径周长的变动率；

方矩管生产实践中，圆管的外径周长压缩系数一般仅为1.009－1.02之间。并可用此公式推算原料钢管的直径。

2、2纵向微量延伸规律

在被动推挤变形方式中，动力缘自于对原料管材施加的纵向推力。这一纵向力会在材料上产生较大的压应力。虽然不足以超过材料的屈服限而产生塑性变形。但在整个机组各机架间变形管材上的纵向压力将阻碍截面径向形变时材料的前后滑。而且中空管材壁厚方向无约束，断面径向弯曲变形的不均匀造成相邻部份相互的制约，这些因素都严重限制了管材的纵向延伸，从而使这一变形过程近似于二维形变。尽管在圆变方过程中也采用了近似于型钢轧制的箱形孔型，也给予足够大的道次压下量，限制了宽展，但纵向延伸却很小。大量生产实践中得出方矩管成形过程总延伸系数仅为1.004－1.02。

如推制Q345、长12米、200×200、壁厚24毫米方管时，成品长度延伸量不足200毫米。推制Q235、长8米、60×60、壁厚5毫米方管时，成品长度延伸量约为40毫米。

2、3最小弯曲角度半径选择的限制

冷弯成型时的弯曲变形要受材料极限变形率既极限延伸率的限制。否则在弯曲处将出现裂纹或折断。材料的弯曲变形，角部最外层金属纤维受拉应力{zd0}，也既成为最易被破坏层面。而这一拉应力的变化是随弯曲曲率半径的减小而增大的。金属材料允许的最小弯曲半径Rmin理论计算公式为:

式中:R min－最小允许弯曲半径mm

S－ 材料的厚度　　mm

δs-金属材料极限延伸率

常用结构钢的极限延伸率举例如下:

10#钢　　　　　δs = 31%

20#钢　　　　　δs = 25%

16Mn钢　　 　　δs = 21%

在设定圆变方工艺时可用以上公式，作为选择方矩管截面角部弯曲半径的依据。在冷弯行业中，国际上各国方矩管标准,不但对材料成份机械性能等条件进行了约束，而且也按管材的材质、壁厚给定出弯角外圆弧半径的限制。

以我国结构用冷弯空心型钢国标GB/T6728-2002中的规定为例:

角部外圆弧半径R值

壁厚t(mm)　　 碳素钢(σs≤320MPa) 　　低合 钢(σs＞320MPa)

t≤3　　　　　　1.0－2.5t　　　　　　1.5－2.5t

3＜t≤6　　　　 1.5－2.5t　　　　　　2.0－3.0t

6＜t≤10　　　　2.0－3.0t　　　　　　2.0－3.5t

t＞10　　　　　 2.0－3.5t　　　　　　2.5－4.0t