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【摘要】简单介绍了U型钢压制过程中的弯曲回弹现象，通过对比人工模段压制和辊弯成型机压制原理，阐明了两种制造方法的优缺点，并提出了未来U型钢支架成型的发展趋势。
【关键词】U型钢；模段压制；辊弯成型；弯曲回弹
U-Shaped Steel Support Processing Technology Through Hand Or Roller Bend Forming Machine
Dengqiuxia Niu Wei-li
（Henan Wanhe-Machinery Co.，Ltd， Henan Xinmi 452371）
Abstract：Briefly introduce the bend spring-back phenomenon during pressing process of u-shaped steel. Illustrate the advantages and disadvantages of artificial mold pressing and roller bend forming pressing through comparison between above two kinds of manufacturing methods. Finally， put forward the development trend of u-shaped steel support forming process.
Key Works：U-shaped steel； mold pressing； roller bend forming； spring-back
引言
目前國内U型钢拱形可缩性支架生产制造主要以人工模段压制和半自动辊弯成形压制为主，这两种加工工艺相对国外来说比较落后，存在着加工效率低、制作精度不高、人工劳动强度大、生产安全性差等缺点。随着近阶段我国科技迅速发展，全自动数控U型钢支架辊弯成形压制工艺将会成为今后U型钢支架制造的发展方向。
1、U型钢弯曲回弹现象
U型钢的截面比较复杂，无论在辊弯成型或模压弯曲成型中，都必须配备与U型钢截面相符合的模具，否则在弯曲时就会形成扭转变形、较大斜弯曲、腹板与缘条错动、收边型材腹板失稳起皱、剖面角度改变等缺陷。
U型钢在弯曲压制过程中，其横刨面上不但存在弹性变形区，而且还存在塑性变形区，此外，在塑性变形区内U型钢的变形中也包含着弹性变形，因此，当弯曲力矩卸载之后，U型钢的弯曲半径比卸载前增大，而弯角减小，这就是回弹现象，如下图1所示。
回弹现象直接影响U型钢弯曲生产加工工艺，它所造成的后果是降低U型钢支架的加工精度及质量，使U型钢支架装配性能差，并可产生过大的残余应力，从而影响U型钢支架在使用中的可靠性。要使U型钢辊压件的形状及尺寸达到生产要求，就必须使辊压模具的形状和尺寸与U型钢支架要求的尺寸和形状产生一定的偏离余量，这个偏离余量程度就取决于U型钢回弹量的大小及分布情况。
2、人工模段压制
人工模段压制U型钢成形多采用模版对照、边对边压的逐段模压成形，如图2所示。
2.1人工模段压制成形过程
人工模段压制时，采用人工进给料，通过上、下模具压制弯曲，成形过程分割为有限个近似的曲率半径，分段压制平滑过渡而成。
2.2人工模段压制优缺点
人工模段压制成形的生产工艺比较落后，主要存在以下几个方面的缺点：①由于U型钢支架的腿和梁都比较长，在模压成型机上不可能一次成形，只能分段压制，这样容易造成曲率不均匀，严重时边缘会出现明显的折痕加工缺陷，而且附加应力大，质量很难保证；②由于支架种类很多，曲率半径设计参数几乎不同，因此，模具用量很大，使得模具设计制造困难，生产成本高；③采用人工上下料，工人劳动强度大，生产安全隐患高，生产效率比较低。
虽然人工模段压制存在一些不足，但是当U型钢弯曲半径要求很小时（R≤1100mm），辊压成型机是无法压制成形的。而人工模压可以压制U型钢曲率半径允许范围内的任意弯曲半径，并且当U型钢支架出现缺陷时可以二次修复。
3、辊弯成型机压制
3.1辊弯成型机原理
辊压成型工艺设备是目前U型钢支架成型的发展方向，侧辊摆动式4辊弯原理见图3.1所示，该辊弯成型机采用液压传动，连续辊弯方式，3、4辊可绕1辊轴心钢性摆动，辊压后直线长度≤80mm，生产效率相对较高。
3.2辊弯成形过程
辊弯压制成形过程可分为两个阶段，如图3.2所示辊弯过程受力分析。
第一阶段属于连续加载弯曲，U型钢从弹性弯曲开始，随着材料接近于第四侧辊时弯矩愈大，逐步进入塑性弯曲。第二阶段属于连续卸载回弹，处于左、右辊轮与主辊轮之间的型材相当于中部承受上辊轮施加集中载荷的简支梁。上、下辊轮垂直中心线处弯矩最大。由此可以见，型材沿长度方向任何微段的材料进入上、下辊轮处时弯曲变形程度最大，零件回弹后的曲率半径决定于进入此处的曲率以及随后的回弹量。
3.3辊弯成型机压制优缺点
①梁、腿在辊压成形中可以定长下料，一次进料，自动成型，但无法二次修复。
②曲率比较均匀，附加应力小。
③靠几组压辊旋转压制，不需要多余的模具。
④U型钢两端直线段长度无法消除。
⑤弯曲半径受到限制R≥1100mm。
4、结束语
现阶段国内U型钢支架的生产过程主要是以人工放样、手动操作、手动调整加工参数。由于U型钢回弹现象的存在，辊弯成形工艺的数学和力学模型比较复杂，国内在该领域的研究起步较晚，使得U型钢支架制作的精度和工作效率很低。
随着矿井深度和巷道断面的不断增大，提高U型钢支架的承载能力，加大巷道的支护强度，成为煤炭行业愈来愈重要的问题，这就要求必须提高U型钢支架的制作和装配精度，减小装配残余用力，因此，研究U型钢回弹实验，统计回弹数值规律，建立加工参数与回弹变形量的数据库，开发全自动数控U型钢辊弯成型机数控程序，成为今后U型钢拱形支架成型发展的主要方向。
参考文献
[1]朱正泽.全自动数控U型钢辊弯设备控制系统的研制.兰州理工大学硕士论文，2011-05-01
【关键词】U型钢；模段压制；辊弯成型；弯曲回弹
U-Shaped Steel Support Processing Technology Through Hand Or Roller Bend Forming Machine
Dengqiuxia Niu Wei-li
（Henan Wanhe-Machinery Co.，Ltd， Henan Xinmi 452371）
Abstract：Briefly introduce the bend spring-back phenomenon during pressing process of u-shaped steel. Illustrate the advantages and disadvantages of artificial mold pressing and roller bend forming pressing through comparison between above two kinds of manufacturing methods. Finally， put forward the development trend of u-shaped steel support forming process.
Key Works：U-shaped steel； mold pressing； roller bend forming； spring-back
引言
目前國内U型钢拱形可缩性支架生产制造主要以人工模段压制和半自动辊弯成形压制为主，这两种加工工艺相对国外来说比较落后，存在着加工效率低、制作精度不高、人工劳动强度大、生产安全性差等缺点。随着近阶段我国科技迅速发展，全自动数控U型钢支架辊弯成形压制工艺将会成为今后U型钢支架制造的发展方向。
1、U型钢弯曲回弹现象
U型钢的截面比较复杂，无论在辊弯成型或模压弯曲成型中，都必须配备与U型钢截面相符合的模具，否则在弯曲时就会形成扭转变形、较大斜弯曲、腹板与缘条错动、收边型材腹板失稳起皱、剖面角度改变等缺陷。
U型钢在弯曲压制过程中，其横刨面上不但存在弹性变形区，而且还存在塑性变形区，此外，在塑性变形区内U型钢的变形中也包含着弹性变形，因此，当弯曲力矩卸载之后，U型钢的弯曲半径比卸载前增大，而弯角减小，这就是回弹现象，如下图1所示。
回弹现象直接影响U型钢弯曲生产加工工艺，它所造成的后果是降低U型钢支架的加工精度及质量，使U型钢支架装配性能差，并可产生过大的残余应力，从而影响U型钢支架在使用中的可靠性。要使U型钢辊压件的形状及尺寸达到生产要求，就必须使辊压模具的形状和尺寸与U型钢支架要求的尺寸和形状产生一定的偏离余量，这个偏离余量程度就取决于U型钢回弹量的大小及分布情况。
2、人工模段压制
人工模段压制U型钢成形多采用模版对照、边对边压的逐段模压成形，如图2所示。
2.1人工模段压制成形过程
人工模段压制时，采用人工进给料，通过上、下模具压制弯曲，成形过程分割为有限个近似的曲率半径，分段压制平滑过渡而成。
2.2人工模段压制优缺点
人工模段压制成形的生产工艺比较落后，主要存在以下几个方面的缺点：①由于U型钢支架的腿和梁都比较长，在模压成型机上不可能一次成形，只能分段压制，这样容易造成曲率不均匀，严重时边缘会出现明显的折痕加工缺陷，而且附加应力大，质量很难保证；②由于支架种类很多，曲率半径设计参数几乎不同，因此，模具用量很大，使得模具设计制造困难，生产成本高；③采用人工上下料，工人劳动强度大，生产安全隐患高，生产效率比较低。
虽然人工模段压制存在一些不足，但是当U型钢弯曲半径要求很小时（R≤1100mm），辊压成型机是无法压制成形的。而人工模压可以压制U型钢曲率半径允许范围内的任意弯曲半径，并且当U型钢支架出现缺陷时可以二次修复。
3、辊弯成型机压制
3.1辊弯成型机原理
辊压成型工艺设备是目前U型钢支架成型的发展方向，侧辊摆动式4辊弯原理见图3.1所示，该辊弯成型机采用液压传动，连续辊弯方式，3、4辊可绕1辊轴心钢性摆动，辊压后直线长度≤80mm，生产效率相对较高。
3.2辊弯成形过程
辊弯压制成形过程可分为两个阶段，如图3.2所示辊弯过程受力分析。
第一阶段属于连续加载弯曲，U型钢从弹性弯曲开始，随着材料接近于第四侧辊时弯矩愈大，逐步进入塑性弯曲。第二阶段属于连续卸载回弹，处于左、右辊轮与主辊轮之间的型材相当于中部承受上辊轮施加集中载荷的简支梁。上、下辊轮垂直中心线处弯矩最大。由此可以见，型材沿长度方向任何微段的材料进入上、下辊轮处时弯曲变形程度最大，零件回弹后的曲率半径决定于进入此处的曲率以及随后的回弹量。
3.3辊弯成型机压制优缺点
①梁、腿在辊压成形中可以定长下料，一次进料，自动成型，但无法二次修复。
②曲率比较均匀，附加应力小。
③靠几组压辊旋转压制，不需要多余的模具。
④U型钢两端直线段长度无法消除。
⑤弯曲半径受到限制R≥1100mm。
4、结束语
现阶段国内U型钢支架的生产过程主要是以人工放样、手动操作、手动调整加工参数。由于U型钢回弹现象的存在，辊弯成形工艺的数学和力学模型比较复杂，国内在该领域的研究起步较晚，使得U型钢支架制作的精度和工作效率很低。
随着矿井深度和巷道断面的不断增大，提高U型钢支架的承载能力，加大巷道的支护强度，成为煤炭行业愈来愈重要的问题，这就要求必须提高U型钢支架的制作和装配精度，减小装配残余用力，因此，研究U型钢回弹实验，统计回弹数值规律，建立加工参数与回弹变形量的数据库，开发全自动数控U型钢辊弯成型机数控程序，成为今后U型钢拱形支架成型发展的主要方向。
参考文献
[1]朱正泽.全自动数控U型钢辊弯设备控制系统的研制.兰州理工大学硕士论文，2011-05-01