[发明专利]大截面尺寸构件的冷弯成形方法

说明书

技术领域

本发明属于管材和型钢二次冷加工领域，涉及一种大截面尺寸构件的冷弯成形方法，成形产品主要应用于管道工程和建筑钢结构领域，所弯构件的直径或截面最大尺寸可超过1500mm。

背景技术

大截面尺寸的弧形构件(弯管和弯曲型钢)广泛应用于油气输送管道工程和大跨度空间钢结构领域。其采用的成形工艺主要有中频热弯和冷弯。中国专利(公开号为CN102350452A，名称为“一种钢管大半径弧度弯制方法及大弯弯管机”)公开了一种钢管大半径弧度弯制方法及大弯弯管机。但由于中频热弯方式存在高能耗和低效率等成本因素，以及过烧、材性变脆、成形过弯难以调整等产品性能缺陷，目前工程中主要采用冷弯的成形方式。

应用于管道工程和钢结构工程中的弧形构件的成形特点是，截面尺寸大，冷弯成形所需的成形荷载也大，因而该类构件通常只能采用垂直于管侧横向加载、顶弯的方式获得所需的形状，其冷弯时受力模式类似于悬臂梁或简支梁。中国专利(公开号为CN101927281A，名称为“一种变步长冷弯管制造方法”)公开了一种以悬臂梁受力模式成形的、在管道工程中应用的冷弯工艺，提出了一种连续分段冷弯成形钢管的分段长度确定方法。但该专利依靠试弯确定单次弯曲角度，成形荷载与分段长度的确定人为因素影响明显，难以保证产品性能稳定，特别是弯管的材性变化不明确。

中国专利(公开号为CN201310053884、名称为“弧形圆管构件压弯成形过程中精度控制方法”)公开了一种以简支梁受力模式成形的、在钢结构领域中应用的冷弯工艺，提出了一种大口径钢管的冷弯精度控制方法。但该专利依靠复杂的数值分析方法模拟弧形圆管的加载与卸载过程，预测冷弯成形荷载和弯管的真实变形，其在生产阶段对技术人员有很高的理论要求，实施成本很高。

中国专利(公开号为CN101380652、名称为“大型曲线型钢管冷弯成型的加工工艺”)公开了一种建筑钢结构弯曲钢管的加工工艺。但该成形工艺仅从几何放样的角度给出了冷弯成形构件的分段方法，其分段方法未能考虑冷弯工艺引起的物理变化对成形精度的影响，在成形荷载的确定方面也未给出解决方案，难以控制构件最终的成形形状。

于大尺寸构件的冷弯工艺而言，无论采用悬臂梁还是简支梁受力模式，各类工艺均须经历连续、多次分段顶弯成形。一种典型的简支梁受力模式的顶弯装置如图1所示，待成形的构件2置于支承模1上，加载油缸3经由成形模4将荷载施加于构件2。其单次顶弯的受力模型可简化为图2所示的简支梁模型，为得到设计弯曲半径为R的弧形构件，须在构件的初始位形5用加载油缸3施加成形荷载，卸载回弹后得到曲线状构件2，在支承跨距S内构件将产生真实变形Δ，由于该简支梁成形时仅跨中一段进入弹塑性状态，故通常认为只有跨中弧长为2L、矢高为δ的弧段(以分段点2.1-2.2-2.3标识)达到设计要求，因而该弧段的长度被称为成形的有效长度，该有效长度也为连续分段顶弯成形的分段标准。连续分段成形时，首先要将构件进行分段(如图3所示，图中2.1至2.7为构件2的七个分段点)，然后再分段加载成形。为确保构件成形时不从支承模脱落，同时保护已切好相贯口的构件端部，在首个和最后一个分段顶弯时，应使构件处在支承模外的一端预留长度不小于0.3m(见图3和图5中的预留段2.0)，该预留段在成形前后均不发生塑性变形。首次顶弯结束后构件的整体变形如图3所示，在支承模1的跨距内，构件2将获得真实变形Δ，首次顶弯产生的有效弧段为2.1-2.2-2.3。上一个分段顶弯完成后，需要以有效长度为单位，将构件由未成形的直线段朝已成形的曲线段方向，移动一个单位长度，以确保前后两次顶弯所产生的有效弧段正好能首尾相连。移动构件后重新弯制支承模跨距内的分段，获得的弧线形状如图4所示，此次顶弯产生的有效弧段2.3-2.4-2.5正好与前一个有效弧段2.1-2.2-2.3连续光滑过度。按此方法逐步移动并连续顶弯至所有分段结束，最终弯管形状如图5所示。不难看出，就连续分段顶弯工艺而言，支承模跨距、成形荷载以及构件的移动长度三个参数是影响产品的最终成形精度的关键因素，但目前加工工艺均依赖于工人经验确定上述关键参数。

综上所述可见，目前的冷弯工艺在支承模跨距、成形荷载和分段长度的确定方面，人为经验因素影响非常明显，使得所成形的产品存在严重的不确定性，成形精度难以控制，构件成形后的力学性能也不明确。

发明内容