塔架加強桿壓扁成型實驗及力學(xué)性能研究

吳志鋒，楊玉科，孫見龍，陳巖，吳慶博

（河北省辛集中學(xué)，石家莊052360）

1 引言

升降機構(gòu)的主體由四層塔架伸縮連接組成，四根長立柱直徑為Φ50mm，短加強桿直徑Φ25mm，壁厚3mm，每層塔架有28根加強桿，需要焊接部位有56處，整個升降機構(gòu)的焊接部位總數(shù)共有224處，焊接工作量非常大。因此，加強桿接頭形式設(shè)計的好壞對整個塔架的生產(chǎn)周期和強度都有著重要影響[1]。在設(shè)計之初，立柱與加強桿之間的連接為相貫連接，這種連接形式存在以下弊端，首先，這種接頭的相貫外形比較難加工；其次，三個加強桿交叉于一點，相互之間會發(fā)生干涉，鋼管角度銑削是一個難點。再次，鋼管的相貫線屬于空間曲線，造成焊縫不在同一平面內(nèi)，不僅焊接操作困難，而且焊縫之間需要大量的金屬來充填。

圖1 塔架

2 加強桿對接設(shè)計

2.1 接頭部位對接形式設(shè)計

為了滿足力學(xué)性能要求，又要兼顧美觀需要，我們對直徑為Φ25mm短加強桿的接頭部位進行更改設(shè)計，如圖2所示的兩種結(jié)構(gòu)形式，經(jīng)過幾次試驗反復(fù)論證，最終確定采用方案二的設(shè)計形式。這種形式的焊縫在一個水平面內(nèi)，焊接操作的難度大大降低，同時管接頭經(jīng)壓實后，焊接性能得到提高，因此焊接強度也大大提高。

圖2 接頭部位設(shè)計

2.2 管接頭壓扁形式設(shè)計

按照第二種方案設(shè)計，需要將無縫鋼管進行壓扁，然而，鋼管的壓扁有多種形式如圖3所示：

圖3 鋼管壓扁形式

從圖中可以看出，兩種壓扁形式呈現(xiàn)出不同的效果，在壓扁形式1中，管材的壓扁線呈現(xiàn)的是直線，且壓扁面偏向一側(cè)。在壓扁形式2中，壓扁線呈現(xiàn)的是圓弧線，且壓扁面居中。兩種形式的過渡部位沒有強制成形，而是鋼管在受壓后的自然過渡，兩者都能滿足接頭部位設(shè)計要求。但從外形美觀和強度角度考慮，壓扁形式2要優(yōu)于壓扁形式1，如何保證鋼管在壓扁過程中外形控制以及在壓扁過程中開裂位置的預(yù)測，需要對鋼管在壓扁過程進行力學(xué)性能分析。

3 鋼管在壓扁過程中的力學(xué)性能分析

無縫鋼管在模具的壓力作用之下，發(fā)生變形，壓扁后，長度上沒有發(fā)生變化，橫截面的平均周長和平均厚度也沒有發(fā)生改變，只是形狀有圓管狀變成了扁平狀。在壓扁的過程中，各部分的金屬所受的應(yīng)力狀態(tài)是不同的，因此我們可以分析，無縫鋼管在壓扁過程中的受力變化[2]。

圖4 試樣在壓扁試驗過程中各部位金屬受力及變形特點

表1 各點受力表

從表1分析中可以看出，各點的應(yīng)力呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。但是，統(tǒng)過多次實驗，我們發(fā)現(xiàn)，厚壁管和薄壁管也有所差異，具體表現(xiàn)在：

厚壁管：|σ(A-a)|＞|σ(B-b)|＞|σ(C-c)|

薄壁管：|σ(B-b)|＞|σ(A-a)|＞|σ(C-c)|

通過材料力學(xué)基礎(chǔ)知識可知，當(dāng)材料受到的拉應(yīng)力大于金屬材料的抗拉強度時，金屬就會先出現(xiàn)屈服而后是裂紋或斷裂，對于鋼管試件裂紋會出現(xiàn)在管壁的母線處。通過大量的鋼管壓扁實驗發(fā)現(xiàn)，鋼管在上下受力點向內(nèi)側(cè)凹，管的兩側(cè)嚴(yán)重變形。厚壁管裂紋出現(xiàn)在a處出的母線上，薄壁管的裂紋出現(xiàn)在B處。C和c點不會出現(xiàn)裂紋。

4 加強桿專用壓扁模具設(shè)計

為了壓出加強桿管接頭更改后的外形，我們設(shè)計了專用壓扁模具，如圖5所示。模具分為上模、下模和兩個定位靠板，上下模材料為Cr12MoV，靠板材料為Q345鋼板。然后將上模和下模分別固定到壓力機上下模專用接頭上。鋼管壓扁部分的垂直度和長度靠擋板的位置來保證。鋼管在壓力機的作用下被壓成圖6的外形，從而圓滿解決問題。

圖5 壓扁模具

圖6 加強桿對接形式和塔架

5 結(jié)論

經(jīng)過對加強桿對接形式和管接頭壓扁形式設(shè)計，得到了合理的結(jié)構(gòu)形式，經(jīng)過對鋼管在壓扁過程中的受力分析，最終設(shè)計出了加強桿專用壓扁模具，解決了塔架焊接部位的難題，節(jié)約了焊絲用量，增強焊工的可操作性，大大減少了焊接工作量。同時從外形美觀上和焊接強度上得到改善，有力地推進標(biāo)桿車項目的進展。