高強結構鋼60mm厚板冷彎成形的工藝實現

周志術，胡 壘

（航天重型工程裝備有限公司，湖北 孝感 432100）

金屬板材彎曲成形技術作為塑性加工的基本方法之一，具有生產率高、成本低、輕量化等特點，隨著制造業的不斷進步，大量應用于制造飛機、汽車及其他工程產品。公司某型號百噸級鏟板車項目采用鉸接式車架，由前車架、中車架、后車架三部分組成，實現前車架、中車架在水平面的偏轉和繞中心軸的回轉。其中前車架立板、中車架立板作為鉸接總成安裝底座，在產品使用工況下存在較大的應力集中。為規避拼焊成形時焊縫開裂風險，設計圖紙選用了折彎成形方案。由于選取材質為高強度結構鋼Q690D，規格t＝60mm，對折彎能力提出了很高的要求且成形過程極易開裂。本文就此進行了較為深入的分析研究。圖1為折彎工件模型圖，其折彎半徑R200，折彎角度107°。由GB/T 16270-2009《高強度結構用調質鋼板》查閱Q690D力學性能和工藝性能如表1所示。

圖1 折彎工件模型圖

表1 Q690D力學性能和工藝性能

1 折彎分析與實施方案

采用自由折彎方式，折彎工藝方案的確定主要是折彎力、下模開口度的核算確定。

1.1 折彎能力核算

1.1.1 折彎力計算公式

圖2為一般自由折彎示意圖，其折彎力計算公式為

式中：P——折彎力，kN；

S——板材厚度，mm；

L——折彎長度，m；

V——下模開口寬度，mm；

σb——材料抗拉強度，MPa。

圖2 自由折彎示意圖

由于一般折彎設備有如下約束條件

取V=9S、r=0.16V，且鋼板折彎角度為90°，推導出常用折彎力計算公式為

但本文涉及工件折彎參數（見表2）不滿足式（2）、（3）約束條件要求，因此折彎力的計算應按式（1）代入計算。

1.1.2 折彎方案與折彎力核算

公司現有大型數控折彎機WF67K23-1600/8000，最大公稱折彎力16000kN，工作臺面長度8000mm、寬度610mm。綜合考慮選取下模開口度V=480mm。折彎詳細參數如表2所示。

代入式（1），計算得折彎力

表2 折彎參數表

由于該載荷趨近于折彎設備最大公稱載荷，且受力相對集中，因此綜合考慮公司生產現狀及折彎作業工藝安全性，工藝設計階段調整折彎方案，采用現有的r75折彎刀對該r200折彎圓弧進行搟制。搟制時該段圓弧參照正20邊形、分4次進行擬合，使用折彎樣板比對折彎工件檢查折彎過程尺寸。經計算，該方案所需最大折彎力為8220kN。

1.2 折彎開裂分析與控制

1.2.1 折彎半徑核算

由GB/T 16270-2009規定Q690D在冷彎180°條件下最小彎心直徑為3倍板厚，即折彎半徑r≥1.5t；根據一般經驗，冷彎小于90°時允許的最小折彎半徑約為180°條件下最小折彎半徑的0.8倍，即r≥1.2t。搟制時，其折彎角度為168°，即冷彎角度為12°，則計算折彎半徑有r≥72mm，因此r75折彎刀滿足材料最小彎曲半徑要求。

1.2.2 材料化學成分復驗

鋼板折彎出現裂紋的主要原因之一是材料化學成分中磷、硫含量允差上限超標或不均局部不超標，導致板材塑性和韌性有所下降，折彎時折彎區域內易造成裂紋。因此，應對工件原材料進行成分復驗，檢查原材料中磷、硫等元素含量情況。

1.2.3 坯料板形分析

（1）由于熱軋鋼板的軋制方向性，使得板材的纖維方向有一定的方向性，導致板材橫向與縱向機械性存在差異。根據試驗總結，鋼板橫向塑性和韌性性能低于縱向，因此下料時應盡量考慮安排折彎線沿鋼板橫向。

（2）厚板下料一般使用火焰切割，切割后切割邊會出現硬化層，折彎前應打磨處理，特別是尖角、棱邊需處理圓滑，避免折彎應力集中而產生裂紋。

1.3 折彎下模設計

由于該工件折彎半徑較大，需重新設計、投制專用的折彎下模。該下模采用多點支撐、拼焊成形的方案，如圖3所示。單片支撐板采用t80鋼板，共8件，通過與底板和鑲條安裝座焊接成整體；鑲條作為主要作業零件，安裝在內側尖角折彎接觸區，材質6CrW2Si，淬火硬度HRC52～55，以提高抗磨損性能。

圖3 折彎下模

2 結果分析

折彎成形工件如圖4所示。

經驗證，上述工藝方案有效、可行，折彎區域未出現可見裂紋，但折彎后仍存在一些問題：

圖4 折彎成形工件

（1）由于折彎件規格尺寸大、噸位重，且自由折彎下折彎控制手段不多，折彎圓弧搟制精度還有待進一步提高；

（2）由于工件折彎所需折彎力大，折彎結構尺寸有限，導致折彎區內工件分別與折彎刀、折彎下模接觸區局部應力集中，有明顯的壓痕，必要時需在接觸區加裝墊板處理。

3 總結

本文就高強度結構鋼Q690D、規格t60厚板折彎的工藝過程開展了折彎能力與折彎參數核算，最終確定了折彎方案和工藝參數，經驗證可行、有效，實現了高強結構鋼的折彎成形。本文對其進行總結，供大家參考借鑒。

[1]劉 進，等.板料折彎機自由折彎時折彎力計算[J].鍛壓裝備與制造技術，2011，46（3）：36-37.

[2]JB/T 5109-2001.金屬板料壓彎工藝設計規范[S].