鋼帶滾壓成形輥輪組的設(shè)計(jì)

魏 敏

（廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧 530007）

滾壓成形是一種無切屑加工，通常以長的金屬帶料為原材料，在常溫下通過順序排列、帶有型槽的若干組成形輥輪，隨著輥輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將帶料向前送進(jìn)的同時(shí)順次進(jìn)行彎曲成形，從而獲得所需斷面形狀的一種加工方法。圖1所示為滾壓U形斷面的工作原理，金屬帶料從第1組輥輪進(jìn)入，經(jīng)過第2、3、4組輥輪順次彎曲成形，型材從第4組輥輪處連續(xù)不斷地輸出。

板料滾壓成形適用于生產(chǎn)批量大的等截面、外形縱長的零件。由于使用多組輥輪的連續(xù)成形，可以成形許多壁薄、質(zhì)輕、剛度大且斷面形狀復(fù)雜的零件，加上在順序滾壓過程中可與多種工藝過程（如開卷、沖孔、焊接、PVC涂敷、定長剪切等）結(jié)合組成不同用途的連續(xù)化生產(chǎn)線，因而滾壓成形生產(chǎn)效率高，制造出的零件表面美觀、厚度均勻、精度高且表面光潔，能最大限度地滿足零件設(shè)計(jì)的要求。滾壓成形技術(shù)在工程中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

1 產(chǎn)品分析

在汽車門窗密封條制品中，如門框密封條、行李箱密封條、內(nèi)側(cè)條和外側(cè)條等密封條，常采用金屬骨架來加強(qiáng)膠條的定型、支撐和夾持固定作用，再通過膠條上特定的齒形將密封條定位在車體鈑金上。包覆在密封條中的金屬骨架通過滾壓成形工藝加工而成。密封條中的骨架成形是密封條生產(chǎn)中的關(guān)鍵，也是密封條生產(chǎn)過程中的一個(gè)難點(diǎn)，它的成形直接影響密封條的性能指標(biāo)。本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，以某型號汽車前門框外夾條密封條骨架成形輥輪組的設(shè)計(jì)為例，介紹成形輥輪組的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

汽車外夾條密封條結(jié)構(gòu)如圖2所示。密封條骨架材料為08F鋼帶，料厚0.5 mm。從圖3b分析可知零件成形難點(diǎn)主要是:（1）骨架結(jié)構(gòu)左右不對稱，彎曲時(shí)兩側(cè)受力不均勻，鋼帶容易向受力大的一側(cè)竄動(dòng);（2）圖3b中A、B兩處彎鉤是成形難點(diǎn);（3）骨架兩側(cè)收攏后口部變窄，再加上圖3b中C部凸起，造成了成形盲區(qū)（即上下輥輪壓不到的位置），使骨架頂部斜面易產(chǎn)生變形。

2 滾壓成形輥輪組設(shè)計(jì)要點(diǎn)

輥輪設(shè)計(jì)在滾壓成形技術(shù)中是最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到零件滾壓加工的成敗。目前滾壓成形工藝?yán)碚撨€不是很完整，對于密封條骨架的滾壓成形，生產(chǎn)企業(yè)也是以實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和類比推斷來進(jìn)行設(shè)計(jì)的。筆者根據(jù)相關(guān)資料并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中的經(jīng)驗(yàn)，歸納出以下幾個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

2．1 確定截面展開寬度尺寸

由于滾壓成形過程中材料變形復(fù)雜，影響因素較多，因此，實(shí)際中一般采用理論計(jì)算與實(shí)踐驗(yàn)證相結(jié)合的方法來確定和修正帶料寬度。滾壓成形在工藝上與彎曲工序極為相似，理論計(jì)算可借助于模具彎曲成形時(shí)坯料展開的計(jì)算方法，即材料彎曲的“中性層”理論來進(jìn)行計(jì)算。圖3b所示鋼帶斷面中圓角半徑r均小于0.5t（t為帶料厚度），由于變薄不嚴(yán)重，可按中性層展開原理計(jì)算，其計(jì)算式為

式中:LZ為帶料展開總寬度，mm;L直線為斷面上直線部分各段長度，mm;L圓弧為斷面上圓弧部分各段長度，mm;φi為斷面上第i段彎曲區(qū)中心角，（°）;ri為斷面上第i段彎曲區(qū)內(nèi)彎曲半徑，mm;xi為斷面上第i段中性層系數(shù)，見表1;t為帶料厚度，mm。

表1 部分中性系數(shù)x值

同理計(jì)算出:

通過理論計(jì)算，得出骨架截面展開總寬度為53.47mm。此數(shù)據(jù)為理論值，在滾壓成形加工中，帶料的橫向拉伸變形是不可避免的，尤其在復(fù)雜斷面形狀以及彎曲圓角半徑較小時(shí)更明顯。因此，當(dāng)制品精度要求比較高時(shí)，帶料寬度的最終尺寸應(yīng)以實(shí)際試模情況進(jìn)行修正。

2．2 確定垂直導(dǎo)向基準(zhǔn)和水平導(dǎo)向基準(zhǔn)

（1）確定垂直導(dǎo)向基準(zhǔn)線，如圖4所示的Y－Y線，此線垂直于輥輪軸線，是第一組輥輪到最后一組輥輪在此導(dǎo)向線兩側(cè)加工變形量相等的一條基準(zhǔn)線，通常以兩側(cè)變形量均等為原則來確定。在對稱斷面中，此導(dǎo)向線與斷面中心重合;在不對稱斷面中，由于還沒有成熟的理論依據(jù)，在實(shí)際生產(chǎn)中通常根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來確定。設(shè)計(jì)輥輪時(shí)，以垂直導(dǎo)向基準(zhǔn)線為零點(diǎn)，根據(jù)變形要求向兩側(cè)展開變形，同時(shí)還要保證每次曲線的展開長度一致。各組輥輪的Y－Y基準(zhǔn)線要保證重合，否則在滾壓過程中料帶會(huì)發(fā)生扭曲。

（2）確定水平導(dǎo)向基準(zhǔn)線，如圖4所示的X－X線，此線是控制各組輥輪成形面線速度的基準(zhǔn)線。滾壓成形過程中，從第一組輥輪開始到最后一組輥輪為止，鋼帶從平板狀態(tài)向前移動(dòng)直至成形出所需斷面形狀，鋼帶上的某一位置要始終保持在同一個(gè)平面，即X－X面，在此平面內(nèi)上、下輥輪與鋼帶始終接觸。此面是保證鋼帶向前輸送受到轉(zhuǎn)矩載荷最大的面，也是確定成形輥輪基本直徑的基準(zhǔn)。如果沒有水平導(dǎo)向基準(zhǔn)，在滾壓過程中，各組輥輪工作型面的線速度有波動(dòng)，會(huì)造成生產(chǎn)過程中料帶抖動(dòng)、歪扭和堆積，影響成形質(zhì)量。

從圖4中可見A點(diǎn)是水平導(dǎo)向線和垂直導(dǎo)向線的交點(diǎn)，此點(diǎn)位置在整個(gè)滾壓變形過程中始終沒有變，因此設(shè)計(jì)時(shí)以該點(diǎn)作為輥輪花形展開圖設(shè)計(jì)基準(zhǔn)點(diǎn)。

2．3 合理控制滾壓成形的變形量

滾壓成形是順次彎曲變形的過程，每組輥輪僅進(jìn)行部分變形。因此，合理分配總變形量和確定每組輥輪應(yīng)完成的變形量是保證變形成功的基礎(chǔ)。變形量的分配原則是保證工件在滾壓過程中只有彎曲變形，不產(chǎn)生拉伸變形，并且每次變形量不能過大。否則工件無法正常進(jìn)入下一道工序，并且造成工件扭曲變形、局部皺褶、邊緣起波紋和工件表面劃傷等缺陷。

合理分配變形量主要是控制帶料寬度方向的變形角度，即帶料經(jīng)過每組輥輪滾壓后側(cè)邊彎曲變形角度，如圖5所示。為了使帶料保持動(dòng)態(tài)變形平衡和工件側(cè)邊的直線性，在輥距一致的情況下，每組輥輪的彎曲成形角度應(yīng)基本一致。如果每次變形角度太大，易使制件產(chǎn)生扭曲、邊緣起波紋等缺陷，同時(shí)帶料成形力增大，導(dǎo)致帶料向前行進(jìn)阻力增大;如果每次變形角度太小，則使輥輪組數(shù)增加，延長加工線，降低生產(chǎn)率。實(shí)踐證明，在密封條骨架滾壓成形輥輪設(shè)計(jì)中，根據(jù)復(fù)雜程度一般每次彎曲變形角度取10°～20°。

2．4 花形展開圖設(shè)計(jì)

2．4．1 確定成形順序

滾壓成形順序一般有3種:

（1）從板料的中心起向兩邊順次成形。此方法可減小成形過程的走料阻力，易于材料流動(dòng)，使制件邊緣平直，不易產(chǎn)生不合理的拉伸干涉，尤其適于復(fù)雜斷面型材的成形;

（2）從板料的兩邊順次向中間成形。此方法可改善毛坯寬展趨勢，常用于邊緣形狀復(fù)雜的斷面及用邊緣成形提高邊緣縱彎強(qiáng)度等情況。

（3）從板料中間和兩邊同時(shí)對多個(gè)部位成形。先對帶料整體進(jìn)行緩和的過渡彎曲，然后再對急劇過渡的角度作精滾整形。這種方法成形工序少，但易造成帶料橫向拉伸變形，主要用于寬料、斷面形狀復(fù)雜且不規(guī)則的斷面成形。

根據(jù)密封條骨架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，常采用第2種成形順序。但骨架斷面變化多樣，也可根據(jù)具體情況綜合采用上述3種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2．4．2 花形展開圖設(shè)計(jì)

所謂花形展開圖就是采用“倒推法”（由成品斷面逐步將其“還原”成板料）先確定工藝成形方案，再將順次變形過程的形狀按同一基準(zhǔn)點(diǎn)疊放在一起所構(gòu)成的工藝疊加圖。它是滾壓成形過程分析、變形量分配以及輥輪設(shè)計(jì)的依據(jù)。

通過對圖3所示骨架斷面結(jié)構(gòu)的分析，其滾壓成形的工步展開圖如圖6所示。將工步展開圖按同一基準(zhǔn)點(diǎn)疊加后得到的花形展開圖如圖7所示。

由圖6可以看出，該制件成形需要15個(gè)工步，設(shè)計(jì)要點(diǎn)是:

（1）第1工步為平整工步，不參與變形，僅對帶料起送料、導(dǎo)向和校平的作用。

（2）第2～15工步為成形工步，整個(gè)成形過程分為3個(gè)部分。第一部分是第2～8工步，完成骨架兩側(cè)邊形狀的滾壓成形，其中第8工步為精滾整形;第二部分是第9～14工步，完成斷面成形，其中第14工步的成形面與骨架斷面形狀相同，用來完成骨架的最后滾壓成形;第三部分是第15工步，是為了消除部分回彈而設(shè)置的校正工步，同時(shí)消除滾壓過程中產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)。

（3）要成形骨架兩側(cè)的彎鉤，尤其是圖6所示右側(cè)的彎鉤，滾壓時(shí)必須先將鋼帶兩側(cè)上翹，上翹角度視彎鉤彎曲程度而定。如圖6中第2～8工步所示，第2～5工步完成彎鉤部位的成形，第6～8工步將鋼帶兩側(cè)邊向下彎曲到水平狀態(tài)。為保證帶料在滾壓過程中不發(fā)生竄動(dòng)，并且避免鋼帶在向上彎折時(shí)表面產(chǎn)生明顯的壓痕，將中間部位彎折處設(shè)計(jì)出R5mm的工藝圓弧，如圖8所示，到第8工步時(shí)再回到初始直線狀態(tài)。

（4）在輥輪設(shè)計(jì)中，工步多少?zèng)]有嚴(yán)格限定，主要保證成形順暢，變形到位。

2．5 合理控制線速度

滾壓是由上、下輥輪在旋轉(zhuǎn)過程中對帶料施力而使其成形的，是一個(gè)連續(xù)成形的過程。要使?jié)L壓成形保持連續(xù)狀態(tài)，生產(chǎn)中既保證鋼帶能夠向下一工步輸送，又能使?jié)L壓零件的表面質(zhì)量得到保證，關(guān)鍵要控制合理的線速度。

滾壓過程中，通常下輥輪是主動(dòng)輪，上輥輪為從動(dòng)輪，為了保證同步，各組輥輪的下輥輪角速度ω是一致的。每一工步輥輪基本直徑（輥輪上水平導(dǎo)向XX位置的直徑）的圓周速度V=ω·R，則相鄰兩個(gè)工步輥輪基本直徑的圓周速度分別為V前=ω·R前和V后=ω·R后。當(dāng)V前＞V后時(shí)，由于前工步向后輸送的鋼帶多，而后工步來不及將鋼帶變形再送下一工步，將造成鋼帶“堆積”在兩個(gè)工步之間形成皺褶，從而阻礙滾壓成形的正常進(jìn)行，鋼帶厚度越薄時(shí)這種情況越明顯。為避免鋼帶來不及通過后工步輥輪造成“堆積”現(xiàn)象，在滾壓成形時(shí)，V前一定要小于V后。但是當(dāng)V前＜V后的差值較大時(shí)，后工步輥輪會(huì)對鋼帶產(chǎn)生過大的縱向拉應(yīng)力，使鋼帶產(chǎn)生拉伸變形。因此，在滾壓成形時(shí)，相鄰輥輪之間的線速度關(guān)系要掌握恰當(dāng)。通常建立相鄰輥輪之間合理的線速度關(guān)系是通過順次增大各工步輥輪基本直徑來實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中積累的經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)密封條骨架用輥輪時(shí)，上、下輥輪的基本直徑依次增加1mm，這樣既能保證后工步的圓周速度大于前工步圓周速度，又能形成充分拉力使帶料向前送進(jìn)而不會(huì)造成堆積的現(xiàn)象。

2．6 輥輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）滾壓成形采用臥式輥輪，上、下輥輪的軸線平行于水平面。

（2）為方便滾輪加工以及將輥輪安裝在滾壓成形機(jī)上，上、下輥輪通常采用多件組合結(jié)構(gòu)，如圖9所示。為避免安裝輥輪時(shí)發(fā)生型面干涉碰撞，根據(jù)工步展開圖形狀，選擇合適位置將輥輪分割為組合件。以第2組輥輪為例，將上、下輥輪共分成5件，其中上輥輪分成3件，下輥輪分成2件。如何分割輥輪組件視具體斷面形狀而定。將輥輪安裝到滾壓機(jī)上時(shí)，以A面為基準(zhǔn)定位輥輪，從輥輪軸向裝入，安裝順序?yàn)樯陷?→下輪1→上輪2→下輪2→上輪3。根據(jù)圖6工步展開圖，輥輪設(shè)計(jì)圖如圖10所示，整套輪組由15組輥輪（上、下輪共73個(gè)輥輪）組成。

（3）雖然經(jīng)過計(jì)算得出了斷面展開寬度尺寸，但由于滾壓變形的復(fù)雜性以及存在不確定因素，在滾壓過程中，有可能帶料會(huì)產(chǎn)生伸長變形，因此，在帶料兩端頭部位一般要給出0.2～0.3mm的間隙，給料端留出空間，否則易發(fā)生阻料現(xiàn)象而影響成形，如圖11所示。

3 結(jié)語

通過現(xiàn)場調(diào)試，滾壓出的鋼帶斷面形狀規(guī)整，表面質(zhì)量良好，生產(chǎn)零件達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在生產(chǎn)過程中沒有出現(xiàn)帶料堆積、彎曲、扭轉(zhuǎn)及起皺等情況，保證了滾壓生產(chǎn)的連續(xù)進(jìn)行。

滾壓成形工藝廣泛應(yīng)用于汽車密封條的生產(chǎn)過程，這種方法的優(yōu)勢在于其幾乎不受零件截面形狀的限制，但是目前滾壓成形的理論尚不完整，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中多以實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和類比推斷為主，同時(shí)結(jié)合板料變形機(jī)理來設(shè)計(jì)。本文所述的設(shè)計(jì)過程可為同類復(fù)雜輪組的設(shè)計(jì)提供一定的借鑒。

［1］楊關(guān)全，匡余華．冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)［M］．大連:大連理工大學(xué)出版社，2007．

［2］王金龍．冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2007．

［3］劉學(xué)淵．薄板輥形技術(shù)在客車制造中的應(yīng)用［J］．客車技術(shù)與研究，2003，25（2）:30－32．