冷弯型钢的工艺特性和质量控制.

2冷弯型钢的工艺特性和质量控制2.1分类及特点热轧或冷轧的钢板或钢带在常温下经冷弯制成各种断面形状的经济轻型钢材。按断面形状有开口、半开口及闭口三类；按加工方法有冲压、焊接及压花等；按材料性质有碳素钢、合金钢及不锈钢制品等。目前，在中国工程中使用的冷弯型钢，其厚度一般为1.5～5mm，常用规格有等边角钢(肢长25～75mm)、内卷边角钢(肢长40～75mm)、槽钢(高25～250mm)、内卷边槽钢(高60～250mm)和卷边Z型钢(高100～180mm)等。冷弯型钢截面图冷弯型钢是一种经济断面型材，可根据使用需要直接加工成薄壁、形状合理的复杂截面形状，有热轧工艺不能生产的多种轻质、薄壁、断面复杂、受力合理的产品品种，能提高构件的强度及刚度，具有合理利用材料强度、节约材料、明显减轻结构自重的优点，在同等负荷条件下，用于建筑结构可节约金属用量25%～50%，用于钢板桩可节约金属用量40%，一般能节约材料在15～60%之间。此外，产品一般断面尺寸精确，平整度好，表面光洁，原材料来源广阔，可与冲孔等工序结合进行，便于装配，广泛应用于建筑、汽车、农机、船舶、车辆、集装箱、电力塔桅、公路护栏以及家具制造中。一般不检验材料力学性能，对成品的尺寸、弯曲等有规定指标。建筑业是主要使用部门之一，广泛用于制作轻钢结构、钢门窗、内装修的各种龙骨及建筑小五金件等。低合金钢冷弯型比碳素结构钢冷弯型钢有更高的强度和耐大气腐蚀性，可根据需要选用。2.2生产工艺及技术特性冷弯型钢一般是以经过纵剪的热轧或冷轧带钢为原料，在常温下，用连续辊弯成型、拉拔弯曲成型、冲压折弯成型等方法，最后得到各种断面型材。其中辊弯成型工艺又是冷弯型钢的主要加工方法，它是通过一组纵向排列的轧辊，将平整的原板逐渐变形，使之达到适合使用要求的形状。冷弯型钢轧制工艺按产品的不同分为开口型钢生产工艺和闭口型钢生产工艺两种，其中开口型钢生产工艺的相应的设备有：纵剪机组、对焊装置、辊式成型冷弯机组、剪切装置或飞锯。闭口型钢生产工艺包括圆管和异型管，圆管工艺的相应设备有：纵剪机组、对焊装置、冷弯成型和定径机组、高频焊接设备、剪切装置（飞锯或飞剪等）。开口型钢生产工艺流程闭口型钢（圆管）生产工艺流程辊压成型原理目前冷弯型钢的生产工艺有双角一次拉伸弯曲成形、单角二次压折弯曲成形、卷板辊压弯曲成形和条料辊压弯曲成4种，分别如图（1）、（2）、（3）、（4）所示。四个图中的（a）、（b）、（c）分别是型材在5°、45°、90°时的A、B、C三点的受力及应变状况，图（d）是弯曲R处的变薄月牙唇。图（1）图（2）图（3）图（4）双角一次拉伸弯曲成形的特点是在拉伸过程中，变形过程按A、B、C的顺序进行，内圈收缩；外圈伸长。单角二次压折弯曲成形的一般特征为在压折弯曲过程中，其弯曲始终是以B点为中心逐渐向两边A、C对称扩散。卷板辊压弯曲成形的工艺流程是卷板开平、纵剪、收卷、二次开卷、接头、打磨焊瘤、冷弯成形、校正、定尺切割、打磨毛刺，辊压R按A、B、C顺序进行。条料辊压弯曲的工艺流程是卷板开平、剪切定尺、冷弯成形，工作原理同卷板辊压弯曲成形，但在辊压部位和顺序作了改变，其辊弯顺序是按C、B、A进行的。冷弯型钢常见成形工艺及其特点工艺类型工艺特点双角一次拉伸弯曲成形优点①型材内槽宽度尺寸控制准确；②定尺材料的料头是平板，利用价值高。缺点①成形长度受设备、工装长度的限制；②受摩擦力影响，需增加润滑和清冼工序；③设备投资较大，凹模磨损较快，分段拼装存在较大的公差；④产品质量低，翼边外侧易拉伤，翼边高度、开口宽度尺寸及位形误差较大；⑤弯曲R处的应力大，易造成裂痕；⑥生产效率低，工艺成本高。单角二次压折弯曲成形优点①使用方便，凹模通用，在特殊要求下，只需调换上模；②由于V型压弯，单边成形角为45°，且摩擦只发生在凹模口R处，不需润滑；③定尺料头是平板，利用价值高。缺点①成形长度易受设备、工装的限制；②产品质量差，其位形、尺寸误差较大；③应力过于集中，极易造成裂痕；④生产效率低。卷板辊压弯曲成形优点①型材长度不受设备、工装的限制；②产品质量较稳定，其位形、尺寸公差容易达到国标；③弯曲R处的变薄系数较小，缓减应力集中量高；④生产效率高。缺点①工序多、投资大、耗能高；②增添水、噪声、火花、粉尘污染，有害人体健康；③有工艺损失，辅助工、料多，工艺成本高；④型材定尺的首尾料头价值低；⑤接头邻近的型材翼边高度公差大。条料辊压弯曲成形优点①型材长度不受设备、工装的限制；②工序少、投资小、耗能低；③工艺稳定性强，成品率100%，质量水平高，有些指标超国标；④应力小，能有效防止裂痕；⑤无公害污染，无工艺损失，无辅助工、料；⑥平板定尺料头利用价值高；⑦生产效率高，工艺成本低。缺点换型调模复杂，需进一步改进。冷弯型钢行业对生产工艺的要求很高，复杂的生产工艺形成了天然的技术壁垒。冷弯型钢的生产一般存在以下技术难题：①变形程度、变形速度的不同会对冷弯材料性能产生较大的影响，采用何种生产工艺控制适度的变形程度和变形速度是很多小企业难以解决的问题；②冷弯型钢行业工艺复杂性体现在如何解决厚壁高强度产品的角部微裂纹问题。③V形角、弹变量、焊接速度、频率对冷弯型钢产品的性能存在较大影响。辊弯成型按传统工艺有单张、成卷、连续和联合加工等。冷弯型钢的传统工艺存在的问题：①换辊次数频繁、劳动强度大、4个R弧不对称等缺陷；②厚薄不均的原材料通过上下辊之间的变形间隙时,不均衡的变形力对管材造成局部加工硬化现象,并对设备造成硬性损坏；③变形过程为“硬性”成型，加工硬化现象易生成危险截面，存在影响产品质量的不安全因素。工艺技术名称轧辊界面示意图特点成型辊集中调节技术（CAT）1、机架结构简单、调整方便。2、节约辊片费用，减少换辊时间；3、可生产直径与壁厚比值极大的产品；4、不适合生产太小直径管材柔性辊弯成型技术（FF）1、生产不同规格型材时，不用换辊，节省了辊片费用，减少了换辊时间，简化了调整工序，同时也节约了备辊数量；2、轧机维护和轧辊加工较复杂，排辊成型生产厚壁管时，轧机刚度不足。世界先进的柔性万能成型工艺技术，如上表，奥钢联的成型辊集中调节技术（CAT）和带有插入式立辊成型技术、日本中田制作所的柔性辊弯成型技术（FF）和排辊成型技术（CBR）、日本日新制钢公司的无辊自然成型技术、日本东洋特殊钢业株式会社的辊挤压和辊拉拔成型技术等，冷弯型钢的成型过程几乎达到了完美无缺的境地，很好地保证了原材料带钢的自然、均衡变形，使带钢的两个边缘完美地对接在一起，保证了焊接质量；因是柔性成型，对原材料的力学性能不会造成影响，保证了产品的后续使用性能，是世界上冷弯型钢成型工艺的未来发展方向。2.3质量控制资源和能力是企业发展的永远瓶颈，质量和成本始终是加工产品的对立矛盾。质量的提高往往是以人力、物力、财力、技术、信息、管理等方面的质量成本的追加为前提，过高的质量成本会是一种机会成本，造成了企业资源的浪费。一般认为高质量产品是一种能以最低成本满足顾客需要，即最少的浪费和最高的一致性的产品。要衡量质量水平就要确认这两种达到的程度。企业产品质量控制的最终目的是实现“用最经济的手段，制造出市场最有用的产品”的目标。一般普遍认为：(1)产品质量水平的确定应以顾客满意为依据；(2)限制质量冗余以降低质量成本；(3)实现质量在产品生命周期内的合理化。冷弯型钢的缺陷可分为下列三类:外观缺陷、几何尺寸超出允许公差和机械性能不符合要求。前两类缺陷一般与成型工艺有关，而第三类缺陷则主要与坯料材质有关。所以冷弯型钢的质量控制应该从企业内部和企业之间两个方面来考虑。2.3.1外延的质量控制在社会化大分工的背景下，质量已不是由一家企业来单独完成的，而是由产业链上的各个组织成员共同协作完成。链条上的每一个环节出现问题，都会直接影响到产品的质量。我们都知道原辅料的质量的优劣对企业产品质量的控制来说至关重要，但是售后服务也同样至关重要。只有把质量控制范围外延到企业供应和销售的外延，才能真正的做好质量控制。对冷弯型钢的生产来说，来料质量的控制关系到冷弯型钢的工艺性能及使用性能，售后服务的跟进才能确保其性能优势的充分发挥。2.3.1.1确保原辅材料的质量一般来说大多数企业都是产业链中的一个环节，既是供应商，也拥有自己的供应商。一个企业的产品质量的好坏在很大程度上要依赖于供应商提供的原材料的质量的优劣。企业所需各种原辅材料对本企业产品质量形成有着重大影响，没有优质稳定的原辅材料供应链，就不可能长期生产出用户满意的产品。可以说，管理供应商是每个企业都需要思考的问题。事实上，在目前市场经济逐步深入、产品竞争日益激烈、供应渠道逐渐趋于多样化、客户需求愈加苛刻化的情况下，无论是来自法规的要求还是来自市场的压力、质量管理的需求，现在企业对向从源头控制质量越来越重视。因此，对于原辅料的各个供应方，质量主管部门要先行介入，做出详尽的考察、了解、过滤、甄别，在实行招标确定其供货资格之后，企业就应当将自身的质量控制体系对其加以覆盖。主要做法就是向对方提供本企业的原辅材料验收标准、过程质量控制手册等，还要索取对方的质保体系文件、质量控制方式方法等，做到心中有数。同时为了及时获取供应方相关信息，特别是有关原辅材料质量波动情况，企业应主动在各个供应方聘请质量信息员，建立定期或不定期走访，做到早发现问题早采取对策，以确保供应链不出现断裂，供应不出现断档，实施严格的动态管理，从而避免影响本企业产品质量。这样在掌握了这些原辅料的各种实时相关数据，在此基础上，结合自身企业的生产条件制定合理的工艺，我们在生产时才能做到“知己知彼，百战不殆”。对于钢铁企业来说，重要的原材料无疑是铁矿石。铁矿石的优劣直接影响了质量控制的难易程度和产品质量的好坏。把好铁矿石这个质量控制的第一个大门，才能确保后面工序的顺利进行。2.3.1.2做好产品的售后服务在市场激烈竞争的今天，随着消费者维权意识的提高和消费观念的变化，消费者们不再只关注产品本身，在同类产品的质量与性能都相似的情况下，更愿意选择这些拥有优质售后服务的公司，售后服务已经成为了企业保持或扩大市场份额的要件。企业要坚决改变以往产品一出厂就万事大吉的做法，要注重售后服务。因为用户的知识水平和应用技术参差不齐，所以企业要通过自身的质量管理体系将其纳入覆盖对象，经常上门进行指导，讲解产品性能，优化使用效果，实现产品的最佳功能。要以用户对产品的认可和满意，检验企业质量体系成败与否。冷弯型钢广泛应用于各行各业，这对冷弯型钢生产厂商要对不同行业的客户要做好售后服务。即使运用于同一个个行业，每个客户的基础条件和能力也不尽相同。生产厂商需要组建一个优秀的售后服务团队，经常性上门指导，让客户了解产品的性能和使用要求、注意事项，从而实现产品的最佳服役性能。同时实时把握客户的需求和意见，并以此及时调整产品的生产工艺，生产出满足客户所需要质量的产品。2.3.2企业内部的质量控制在产品的质量控制中，生产与检验原材料与产品的具体工序的质量控制是其中的主体和关键。工序质量控制就是对影响工序质量水平的因素进行分析、控制和管理的过程，也就是指人员、机器设备、材料、方法、环境条件、测量手段等六大质量因素(通常简称SMIE),对产品质量发挥综合影响的过程。工序的控制主要包括四个方面：①对生产条件的控制；②对关键工序的控制；③对计量和测试条件的控制；④对不良品的控制。冷弯型钢的产品质量包括单个产品质量和批量产品质量两个方面，批量产品的质量控制更为重要，但批量产品质量的优劣又是建立在单个产品质量的基础之上，本文就是从单个产品质量问题入手开展对冷弯型钢产品质量控制，2.3.2.1辊弯成型质量问题简析轧材的组织性能控制示意图辊弯成型过程可描述为：开卷后，板带以一初速度向辊缝运动，而上下成型辊以恒定的转速旋转，将板带咬入成型辊，板带进入辊缝后，靠成型辊旋转在板带上产生的摩擦力使板带继续沿纵向运动，成型辊同时对板带施加横向力，使板带产生较大的横向变形，经成型辊横向力多道次的作用，板带的横向变形逐渐加大，直至完成整个成型过程。随着进入成型辊的次数的增加，平面钢板逐渐变为槽钢。在辊弯成型过程中，横向弯曲变形是板带最重要的、必不可少的变形。由于板带在成形之前经历多道复杂的工序，各种其它形式的变形会附加在板带的横向弯曲变形上，这些变形的不均匀将会导致纵向弯曲及回弹、纵向拉伸及压缩、横向拉伸及压缩、金属表面方向剪切、金属厚度方向剪切等，因为这些变形并不需要，故统称之为冗余变形。被附加于横向弯曲变形的冗余变形对产品的横截面和外形都有显著的影响，产品在工艺过程中产生的质量问题大多与冗余变形有关，所以通过限制冗余变形可以有效保证产品质量的稳定性。冷弯型钢的缺陷可分为下列三类:外观缺陷、几何尺寸超出允许公差和机械性能不符合要求。外观缺陷包括:型钢整根或局部偏扭，纵向弯曲，横向弯曲，端部断面形状畸变，波纹扭曲，边缘皱纹，麻点，直线段不平，揉皱，折弯，端部凹痕，裂纹，划痕，压痕，起鳞，刮线等。几何尺寸超出允许公差包括:断面各部分尺寸，弯曲角度和长度不符合要求，弯曲部位壁厚减薄等。机械性能不符合要求：屈服强度、抗拉强度等不合符要求。坯料表面质量差，尺寸不准确，成型机调整不当，工作辊，立辊及导卫装置磨损增大等，均可使成品型钢产生缺陷。辊弯成型产品常见缺陷图(1-纵向弯曲；2-偏扭；3-边缘波；4-破裂；5-袋形波；6-圆角皱折；7-横截面展开；8-回弹)2.3.2.2控制质量问题措施（1）化学成分设计优化及控制。一般来说成分决定组织，组织决定性能。钢铁材料的化学成分对钢铁材料的各种性能都至关重要。冷弯型钢的产品最终是在常温下经冷弯制成各种断面形状直接成形，化学成分及夹杂的组成、相貌及分布对其最终的成型性能至关重要。为了减少后面变形的不均匀，我们在设计成分时，成分尽量使原坯料的组织趋于均匀，除特许的化学元素外，尽量减少杂质的含量，使钢铁材料尽可能的纯净化。当检测分析坯料的成分不符合要求时，应当采取一定的措施处理，是其符合要求，特殊情况下可直接重熔，不让其通过下一道工序，每一次的成分及夹杂的检测一定要及时迅速反应到现场，对于冷弯型钢来说，化学成分及夹杂的检测也要保证足够高的精度。（2）不良产品的处理。实际生产中，质量不合格的产品是不可避免的，当出现某一个或某一批次产品质量不合格时，我们应该怎么做？冷弯型钢的成型工艺比普通钢材的成型工艺更为复杂，更容易出现质量问题，质量的不稳定情况也更容易出现。出现问题时，我们不能简简单单的把其扔在一边当废料处理，而是应该去探究其原因，寻求其解决措施。产品质量所涉及诸多因素，如产品的原料、工艺方法、工艺条件、操作者的行为、设备运行等，各个因素错综复杂，出现问题我们要去找出问题的根源。偶然的质量问题一般与操作者的行为及设备的运行情况有关，可以先从这两方面入手，然后一一展开。发现问题，要及时处理。对于不合格产品也要去寻找处理办法，能处理后进入下一道工序的尽量处理，以节约成本。（3）做好记录，建立尽可能完善的质量事故树分析图。把自己企业或则能够接触到的每一个的质量问题及其原因和解决措施都要做好统计，出现问题时，方便我们查阅，快速处理问题。把产品的常见缺陷的原因、预防措施、解决办法等做好，建立某种关系的质量关系图，如因果关系等。同时，企业要安排好统计记录人员的交接，确保档案不会由于个人的离职或其他原因而消失。这样，不仅有利于解决问题，而且可以为新产品的开发提供依据。纵向弯曲事故树分析图符号与事件的对应关系符号事件符号事件T纵向弯曲X3轴承装配误差大M1上下成型辊存在偏心距X4齿面磨损M2切断机失效X5传动中震动M3辊缝过大X6切断刀具失效M4轴承错位X7切断时间不足M5轧辊传动齿轮错位X8轴承径向调整误差大X1卷钢未拉直X9轧辊挠度变化不均匀X2滚动体破损X10辊轴挠度过大（4）有目的有的控制轧制和控制冷却。控制轧制被广义地解释为对从轧前的加热到最终轧制道次结束为止的整个轧制过程实行最佳控制，是一种用预定的程序来控制热轧钢的变形温度、压下量、变形道次、变形间隙和终轧后冷却速度的轧制工艺，把钢的形变再结晶和相变效果联系起来，以细化晶粒为主，充分挖掘钢材的潜在能力，大大提高钢材的强度和韧性，使热轧状态钢材具有优异的低温韧性和高强度。其核心是对奥氏体硬化状态的控制。控制冷却是利用相变强化以提高钢材的强度。通过控制冷却能够在不降低韧性的前提下进一步提高钢的强度。控制冷却的核心是对处于硬化状态的奥氏体相变过程进行控制，是通过控制热轧钢材轧后冷却条件来控制奥氏体组织状态、相变条件、碳化物析出行为、相变后钢的组织和性能。控轧和控冷的结合，能充分发挥热轧钢材的强化效果，进一步提高生产冷弯型钢的坯料的综合力学性能。（5）裂纹修复理论的应用。新的研究发现，裂纹的形核、扩展、微裂纹集合直至断裂并不是一个不可逆的过程，任何成分与结构不均匀的材料，在热力学许可条件下，都将趋于均匀化。金属构件都带有不同程度以及形式的初始裂纹投入使用，这些裂纹将会在服役环境下不断演化，形成宏观裂纹，直至断裂，这个演化过程一般占金属构件使用寿命的80%左右。裂纹（含缺陷与夹杂），直接关系到产品的使用性能。国内外许多专家对金属材料内部裂纹的修复这个研究领域开展了研究。如果在金属成型过程中对表面和内部的裂纹进行有效控制，我们将可以获得优质、长寿钢材；如果在使用过程中，有意识的修复处理与保养，无疑会大大延长金属构件的寿命，报废零件有可能经过适当的处理还能继续投入使用，节约资源和能源，有利于可持续发展的实现。金属材料内部裂纹可在一定条件下（如加热、外加脉冲电流等），通过某种机制而得以愈合，内部裂纹愈合现象的发现，具有十分重要的意义，应用前景阔。（6）把计算机模拟引入冷弯型钢的成型。由于冷弯成形技术的相关资料比较少，工程技术人员经常利用试错法解决工程问题，所以冷弯成形工艺仍被普遍认为是一种“未掌握的艺术”。到目前为止，虽然国内外众多学者在探索成型理论领域做了大量的工作，也取得了很大的成就，并且已经弄清了简单断面型钢的成型机理。但由于影响冷弯成型的因素比较多，成型过程也比较复杂，所以还没有一种方法能精确的分析这一成型过程。计算机模拟主要指运用计算机模拟的技术对冷弯型钢成形过程进行仿真分析，对成形过程中轧辊载荷分布进行预测。通过修改孔型参数达到载荷的合理分布，从而控制成品型钢的质量，并为冷弯型钢成形设备设计、校核提供力能参数。