СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ГНУТЫХ ШВЕЛЛЕРОВ
METHOD FOR PRODUCTION OF BENT CHANNELS

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, в частности к технологии профилирования гнутых профилей на профилегибочном стане. Оно направлено на организацию производства швеллеров повышенной жесткости, с внутренним радиусом в зоне угла, соответствующим толщине металла. Потребность в таких швеллерах постоянно возрастает в связи с расширением сортамента машиностроительной продукции, в частности, она связана с необходимостью освоения новых моделей грузовых автомобилей.
Известен способ профилирования преимущественно швеллеров (SU 1754267, B21D 5/06, опубл. 15.08.1992, Бюл. №30), согласно которому элементы профиля подгибают по переходам с технологическим перегибом по меньшей мере в одном из переходов и последующим их выпрямлением с целью повышения качества профилей при поштучном профилировании за счет уменьшения износа валков. Однако здесь, как и при обычном профилировании, не обеспечивается возможность получения малых радиусов внутреннего радиуса кривизны в зонах углов готового швеллера, поскольку чем меньше радиус кривизны, тем выше опасность появления трещин на наружной поверхности заготовки ввиду увеличения растягивающих напряжений в этой области. Соответственно невозможно использование указанного способа для получения профилей повышенной жесткости. Другим недостатком является то, что выпрямление элементов профиля вследствие пружинения участка резкого перегиба полки ведет к остаточной кривизне полки и, следовательно, к отклонению от требуемой геометрии сечения профиля.
Наиболее близким способом к заявляемому изобретению по совокупности признаков является способ формовки швеллеров на профилегибочном стане (RU 2296025, B21D 5/06, 27.03.2007, Бюл. №9), включающий подгибку и изгиб периферийных участков и дна заготовки, соответствующих боковым полкам и основанию швеллера, с последующим их выпрямлением, за несколько переходов. У заявляемого изобретения и прототипа имеются следующие общие признаки: 1) подгибка элементов профиля по переходам; 2) изгиб (перегиб) элементов; 3) последующее выпрямление элементов профиля.
Швеллера, полученные при прокатке на профилегибочном стане в соответствии с рассмотренным способом, характеризуются внутренним радиусом кривизны в зонах будущих углов готового швеллера, составляющим около 2 толщин полосовой заготовки. При таком профилировании снижение данного радиуса кривизны менее указанной величины приводит к появлению чрезмерных растягивающих напряжений в наружных поверхностных слоях металла и соответственно к появлению продольных трещин в указанной зоне. Это делает невозможным получение швеллеров повышенной жесткости с внутренним радиусом кривизны в зонах будущих углов готового швеллера, соответствующим толщине полосовой заготовки.
Технический результат, получаемый при использовании заявленного изобретения, заключается в уменьшении внутреннего радиуса кривизны в зонах углов готового швеллера до уровня, соответствующего толщине полосовой заготовки, и получении за счет этого профилей повышенной жесткости. Для этого предложено решение, обеспечивающее поперечное смещение металла в зону угла профиля и соответственно заполнение калибра с малым внутренним радиусом гибки. Сущность заявляемого изобретения заключается в следующем. В известном способе формовки швеллеров на профилегибочном стане, включающем подгибку и изгиб периферийных участков и дна заготовки, соответствующих боковым полкам и основанию швеллера, с последующим их выпрямлением за несколько переходов, в соответствии с предложенным техническим решением формовку осуществляют в три этапа, каждый из которых проводят за несколько переходов, причем на первом этапе формовки производят подгибку периферийных участков заготовки до достижения угла не более 45°, при этом сохраняют прямолинейными периферийные участки и дно профиля, соответствующие боковым полкам и основанию швеллера, с внутренним радиусом кривизны в зонах будущих углов готового швеллера 1,9-2,2 толщины заготовки; на втором этапе формовки производят подгибку периферийных участков заготовки до угла 87-89°, с сохранением прямолинейности этих участков и приданием дну профиля поперечной кривизны с осесимметричной выпуклостью в направлении подгиба периферийных участков, начальную величину радиуса кривизны выпуклости задают равной 3,5…3,8 ширины дна профиля и уменьшают ее от перехода к переходу до величины 3,1…3,4, с сохранением внутреннего радиуса кривизны в зонах будущих углов готового швеллера первого этапа формовки, а на третьем этапе формовки не менее чем в двух последних переходах производят выпрямление дна профиля с устранением выпуклости путем ее осадки с раздачей металла в направлении углов готового швеллера, при этом одновременно осуществляют подгибку боковых полок до угла 90° с внутренним радиусом кривизны в зонах углов готового швеллера, равным 0,9-1,2 толщины заготовки.
На фиг.1 представлена последовательность этапов формовки заготовки на профилегибочном стане при производстве швеллера в соответствии с предлагаемым способом; на фиг.2 - поперечное сечение заготовки для разных этапов формовки заготовки.
1
1
1
1
2
2
ш
2
ш
2
ш
2
1
2
1
=
Способ производства гнутых профилей повышенной жесткости (с минимальным внутренним радиусом кривизны в зонах углов) на профилегибочном стане, содержащем n-клетей, реализуют следующим образом. Заготовку 1 поступательно перемещают в направлении W от первой клети 2-1 до клети 2-n в линии стана, одновременно осуществляя ее формовку из полосы в швеллер (фиг.1). На первом этапе формовки за несколько последовательных переходов производят подгибку периферийных участков А заготовки 1 на угол α до тех пор, пока величина угла подгибки не достигнет α=45°. При этом сохраняют прямолинейными периферийные участки А и дно профиля В, соответствующие боковым полкам и основанию швеллера, а внутренний радиус кривизны r в зонах будущих углов готового швеллера задают 1,9-2,2 толщины заготовки S (r=1,9…2,2·S). На втором этапе формовки производят дальнейшую последовательную подгибку периферийных участков заготовки вплоть до достижения угла α=87…89°. На этом этапе также сохраняют прямолинейность этих участков, однако, обеспечивают такой режим деформации, при котором дну профиля В придают поперечную кривизну с осесимметричной выпуклостью в направлении подгиба периферийных участков. Начальную величину радиуса кривизны выпуклости R' для первого перехода второго этапа задают равной 3,5…3,8 ширины дна профиля H (R'=3,5…3,8·H). Величину этого радиуса уменьшают от перехода к переходу второго этапа до величины R”=3,1…3,4·H, для последнего перехода второго этапа. Внутренний радиус кривизны в зонах будущих углов готового швеллера r задают соответствующим величине такого же радиуса r на первом этапе формовки (rr).
2
ш
3
3
3
Затем на третьем этапе формовки не менее чем в двух последних проходах производят выпрямление дна профиля В с одновременным устранением выпуклости путем ее осадки усилием Р. Иначе говоря, устраняют радиус R”=3,1…3,4·H, выравнивая указанное дно В до прямого состояния. Такой характер деформации при осадке выпуклости на дне швеллера обеспечивает раздачу (смещение) металла F в направлении его углов и соответственно схему напряженного состояния с двухсторонним сжатием при заполнении этих углов. Эта схема напряженного состояния позволяет избежать появления трещин на наружной поверхности при формировании углов швеллера с минимальным радиусом кривизны r. Для осадки на третьем этапе формовки используют калибры с прямолинейным дном. Одновременно производят подгибку боковых полок швеллера до угла α=90°. Величину внутреннего радиуса кривизны в углах готового швеллера устанавливают составляющей r=0,9-1,2·S. Таким образом, характер деформации обеспечивает течение металла в направлении углов швеллера и приводит к снижению внутреннего радиуса кривизны в этих углах до требуемой величины. Такой подход позволяет стабилизировать процесс прокатки и обеспечить получение швеллеров повышенной жесткости с внутренним радиусом кривизны в зонах углов швеллера, соответствующим толщине заготовки.
Применение способа поясняется примером его реализации. При производстве швеллера 260×75×8 мм (ширина основания 260 мм, высота боковых полок 75 мм, толщина швеллера 8 мм) из стали 3сп использовали штрипсовую заготовку шириной
0
1
1
H=385,7 мм. Указанную заготовку подвергали формовке в 11 клетях профилегибочного стана 2-8 в соответствии с предложенным техническим решением до получения готового швеллера заданного размера. На первом этапе формовки за пять проходов осуществляли подгибку боковых полок швеллера последовательно до величины α=0°, 10°, 20°, 30°, 40° (первый проход - без подгибки, используется для центровки полосы), т.е. до величины менее 45°. При этом варьировали величину внутреннего радиуса кривизны в зонах углов швеллера в диапазоне r=1,7-2,2 толщины заготовки S.
2
2
2
ш
ш
2
ш
2
1
2
1
На втором этапе формовки в следующих пяти проходах осуществляли подгибку боковых полок швеллера последовательно до величины α=50°, 60°, 70°, 80°, 85…90°. Иначе говоря, угол подгибки в последнем проходе второго этапа варьировали в диапазоне α=85…90°. Одновременно формировали выпуклость на дне профиля за счет использования калибров с кривизной по дну, а радиус этой кривизны для первого прохода второго этапа формовки устанавливали в диапазоне R'=(3,3…4)·H, в зависимости от ширины основания швеллера H. При этом радиус кривизны дна калибра уменьшали от прохода к проходу до величины R”=(2,9…3,5)·H в последнем проходе второго этапа формовки. Величина внутреннего радиуса кривизны в зонах углов швеллера r на этом этапе соответствовала аналогичной величине r на предыдущем этапе (r=r).
3
3
Затем на третьем этапе формовки в двух последних проходах производили выпрямление дна профиля с одновременным устранением выпуклости на дне швеллера и раздачей металла в направлении его углов, обеспечивающей заполнение этих углов, за счет использования калибров с прямолинейным дном и подгибки боковых полок швеллера до величины 90°. Величину внутреннего радиуса кривизны в углах швеллера на этом этапе формовки устанавливали составляющей r=0,7-1,4 толщины заготовки S. Характер деформации при раздаче металла в направлении углов швеллера обеспечивает снижение внутреннего радиуса кривизны r в этих углах при соблюдении значений параметров, определенных предлагаемым техническим решением.
1
2
1
2
3
1
2
3
Проведенные данные эксперимента по варьированию параметров процесса подтверждают правильность рекомендаций по выбору величины технологических параметров процесса. Установлено, что уменьшение внутреннего радиуса кривизны в углах швеллера на первом и втором этапах формовки менее r=r=1,9·S может приводить к появлению трещин на наружной поверхности углов швеллера. В то же время увеличение данного радиуса кривизны более r=r=2,2·S не позволяет получить требуемый радиус кривизны r=0,9…1,2·S на готовом швеллере, т.к. ресурса пластичности металла недостаточно для перехода от слишком большого радиуса r=r к слишком маленькому r.
Подгибка боковых полок швеллера на первом этапе формовки до величины более
1
α=45° в последнем проходе приводит к потере их устойчивости при появлении сжимающих напряжений в процессе формирования выпуклости на дне профиля, что неблагоприятно отражается на качестве готовой продукции.
2
2
Подгибка боковых полок швеллера в последнем проходе второго этапа формовки до величины менее α=87° приводит к потере устойчивости боковых полок швеллера в процессе заполнения его углов при последующей раздаче металла дна швеллера, что неблагоприятно отражается на качестве готовой продукции. Следует отметить, что увеличение этого угла подгибки на втором этапе до значений выше α=89° приводит к необходимости разгибания боковых полок в последующих двух проходах третьего этапа и соответственно к возможности появления трещин на наружной поверхности швеллера в зоне гиба.
2
ш
2
ш
Анализ характера изменения радиуса поперечной кривизны выпуклости на дне профиля для первого прохода второго этапа формовки показывает, что его уменьшение до значений менее R'=3,5·H способно сопровождаться появлением слишком больших растягивающих усилий в металле в зоне указанной выпуклости и, соответственно, возникновением трещин в готовом профиле. В то же время увеличение этого показателя до величины более R'=3,8·H не позволяет за пять проходов второго этапа формовки сформировать выпуклость на дне профиля, достаточно высокую для того, чтобы обеспечить затекание металла в углы профиля и получение углов швеллера с малыми радиусами при ее осадке.
2
ш
2
ш
3
Следует отметить, что снижение радиуса поперечной кривизны выпуклости на дне профиля для последнего прохода второго этапа формовки до значений менее R”=3,1·H приводит к существенному увеличению объема металла, участвующего в процессе раздачи в направлении углов готового швеллера, и способно сопровождаться гофрообразованием при выпрямлении дна профиля на третьем этапе формовки. В свою очередь, увеличение рассматриваемого радиуса кривизны выпуклости на дне профиля до значений выше R”=3,4·H не позволяет набрать достаточное количество металла для заполнения углов профиля и обеспечения малой величины внутреннего радиуса кривизны в углах швеллера r.
3
3
При выполнении на третьем этапе формовки внутреннего радиуса кривизны в углах швеллера величиной менее r=0,9·S, можно отметить появление трещин на наружной поверхности профиля в зоне его углов, в результате чрезмерного увеличения растягивающих напряжений при гибке. В то же время при увеличении этого параметра до величины более r=1,2·S не обеспечивается требуемое повышение жесткости швеллера, т.е. не выполняется основная задача предлагаемого технического решения.
Таким образом, использование предлагаемого способа производства швеллеров позволяет обеспечить получение изделий с внутренним радиусом кривизны в зонах углов готового профиля, соответствующим толщине заготовки, т.е. швеллеров повышенной жесткости. При этом за счет использования схемы напряженного состояния двухстороннего сжатия достигается отсутствие трещин на наружной поверхности профиля в зонах этих углов, характерное для малых радиусов кривизны в углах готового швеллера при обычных условиях формовки.