一種地板梁的羅拉滾壓成形工藝分析

胡 翔

廣東東莞馬士基集裝箱工業(yè)有限公司項(xiàng)目技術(shù)中心，廣東 東莞 523146

1 概述

近年來， 隨著集裝箱行業(yè)競爭越來越激烈以及木地板材料的昂貴與缺乏，國內(nèi)集裝箱地板逐步由木地板向鍍鋅鋼板梁及復(fù)合地板組合轉(zhuǎn)變。高強(qiáng)度的熱鍍鋅鐵合金由于具有良好的焊接性和耐腐蝕性能，在集裝箱制造的使用越來越廣泛。但是，由于高強(qiáng)度的鍍鋅合金鋼生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)，在后續(xù)加工成形過程中經(jīng)常出現(xiàn)鋅層脫落、扭曲變薄等質(zhì)量缺陷，加大了羅拉滾壓成形件質(zhì)量控制的難度。本文分析了在羅拉滾壓成形過程中材料性能的變化，同時研究了模具間隙對材料變薄的影響。

2 材料特性及零件參數(shù)

地板梁材料采用HR700+Z，鋅層重量為140/140g/m2，屈服強(qiáng)度≥700MPa，延伸率≥8%。其鍍層特性如表1所示。

表1 鍍鋅合金鋼板鍍層特性表

對成形前的鋼板和經(jīng)歷20%羅拉滾壓預(yù)變形后的鋼板，其表面紋理差異輕微可辨。成形前的鍍鋅鋼板表面光滑，紋理細(xì)膩；預(yù)成型后的鍍鋅板表面紋理粗糙，由此可見，在羅拉滾壓成形過程中，對金屬的金相組織產(chǎn)生了變化。

而采用該材料的地板梁需要冷壓成形至如下形狀，如圖1。

圖1 地板梁截面尺寸

3 羅拉滾壓成形工藝概述

羅拉滾壓成形是一種薄板金屬高效擠壓成形工藝，是通過一定順序設(shè)置的多道次成形輥?zhàn)?，把卷材、帶材等金屬板帶不斷地進(jìn)行橫向彎曲，制成所需斷面的板彎型材。目前廣泛用于船舶制造、交通運(yùn)輸、建筑型材等眾多行業(yè)。在滾壓成形過程中避免產(chǎn)品表面劃傷、截面變形、成形表面起皺等工藝問題有一定難度；而成形彎邊寬度不均；材料變??；表面劃傷等工藝問題，不僅僅是影響了零件本身的質(zhì)量和使用強(qiáng)度，同時也會造成與之配合使用其它零件的工藝要求；這也是羅拉滾壓成形工藝所存在的主要難點(diǎn)。

4 影響羅拉滾壓成形工藝的要素

羅拉滾壓成形工藝是根據(jù)金屬材料性能利用多組輥輪模具上下對壓，逐步增加材料塑性變形量的原理，所有成形輥輪在成形過程中運(yùn)行的速度相同，上下旋轉(zhuǎn)方向相反；成形過程中利用擠壓力將金屬材料滾壓成上下模具配合間隙形狀，從而成形得到需要的產(chǎn)品形狀。羅拉速度因材料性能、零件成形的復(fù)雜性和設(shè)備自身允許的條件而定，不同的產(chǎn)品形狀、金屬材料和設(shè)備設(shè)計(jì)的額定運(yùn)行速度，其羅拉滾壓時的速度不等，快者可達(dá)50m/min。不同的零件材料屈服強(qiáng)度及組成晶格對其羅拉滾壓時工藝性和成形技術(shù)要求也很大，因此羅拉模具的材料、成形輥?zhàn)訑?shù)量和安裝調(diào)試是成形合格產(chǎn)品的重要因素。

5 地板梁成形工藝分析

5.1 成形彎邊尺寸不均分析

在羅拉滾壓成形工藝中，彎邊寬度尺寸要求較高的成形很多，如圖1所示的集裝箱地板梁便是帶彎邊的高強(qiáng)度鋼零件。

圖2 帶彎邊鋼截面尺寸

圖3 變形量控制

上述零件左右側(cè)均為25mm的彎邊且圓角均為尺3mm，材料厚度為2.25mm。要保證零件兩側(cè)25mm彎邊均等、平整且無褶皺鼓包等現(xiàn)象，在成形內(nèi)圓角保證為R3是不容易做到的。通過零件材料性能、使用規(guī)格和設(shè)計(jì)尺寸的分析可將零件逆時針旋轉(zhuǎn)180°后成形得到如圖2所示。

先保證羅拉滾子模具中線上下同面，然后羅拉滾壓成形72mm寬度尺寸截面，然后再將零件兩側(cè)彎邊同時擠壓成形，在整個成形過程中要合理調(diào)整每組滾輪的變形量，這也是保證彎邊寬度均等的基礎(chǔ)。

在滾壓成形過程中每組輥?zhàn)拥淖冃瘟勘仨毟鶕?jù)材料性能做適當(dāng)調(diào)整，變形量太小將會增加輥?zhàn)訑?shù)量，使羅拉滾壓工序加長，浪費(fèi)資源和空間；成形量過大會造成零件演變?yōu)槔罟に?，成形過程易變成冷作硬化，出現(xiàn)起皺、拉傷等質(zhì)量，造成零件報廢，羅拉滾壓成形如圖4（a）、圖4（b）所示。

因此必須控制上下羅拉滾子的配合間隙以及相鄰輥輪組間距和變形量，如圖3所示。根據(jù)多種類似零件的成形案例，相鄰輥輪組的中心距為L，比值為H/L=tan a，只要確定兩項(xiàng)中一項(xiàng)便可計(jì)算出來。a為控制角度2°～3.5°左右即可。這樣不但保證了兩邊角度的要求還可保證R3的圓角尺寸，同時也避免了成形圓角時的盲區(qū)成形。

圖4 （a）羅拉滾壓成形初始圖4 （b）羅拉滾壓成形完

5.2 成形零件材料變薄分析

圖5 羅拉模具間隙不均

圖6 扭曲地板梁

零件在羅拉滾壓成形過程中彎曲半徑處經(jīng)常出現(xiàn)或多或少的材料變薄及表面劃傷，甚至鍍鋅層脫落等，一般是模具滾子間隙配合不合理造成。

在羅拉成形工藝中，加工9m長的零件至少需要10組滾輪組合擠壓成形，每對滾輪的配合間隙必須滿足成形的材料厚度；配合間隙過大不易使材料達(dá)到屈服狀態(tài)，極易回彈，導(dǎo)致零件尺寸難以控制且出現(xiàn)褶皺、鼓包等現(xiàn)象，如圖5是地板梁羅拉滾壓成形調(diào)試過程中出現(xiàn)的報廢件截圖。工件左右均存在半徑處材料變薄，但其它成形面出現(xiàn)褶皺和波浪紋現(xiàn)象，導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因即為成形過程中模具間隙調(diào)整不合理。在間隙較大處使羅拉滾壓成形的零件型面出現(xiàn)松動，造成波浪紋；間隙較小處，接觸處不走料，使得該處材料刮薄。

5.3 成形零件扭曲分析

在實(shí)際地板梁的羅拉成形試制過程中，出現(xiàn)了大量的扭曲零件，如圖6所示；抽樣50件中，合格率為0%，針對該零件的特殊性，對其成形工藝重新分析并歸納以下可能引起的原因：

1）由于零件長度比較長，接近9m，材料比較薄，剛性大，在成形過程中可能出現(xiàn)回彈；

2）可能由于羅拉成形滾子安裝過程中，滾子軸線不共面造成；

3）羅拉滾子連接軸座，左右調(diào)節(jié)高度不一致，致使成形滾子左右高度不等，多組滾子軸線出現(xiàn)偏角所致。針對上述所述原因，首先對成形材料組成和力學(xué)性能進(jìn)行分析、試驗(yàn)，以及對羅拉成形工藝設(shè)備及工藝方法進(jìn)行進(jìn)一步檢驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果該地板梁扭曲與該因素?zé)o關(guān)。然后分別用精密水平儀對羅拉成形的10多組滾子連接軸進(jìn)行水平測量，并且矯正后進(jìn)行成形試制，結(jié)果在試制成形中的50件地板梁中，合格率為100%。由上述可知，在滾壓成形中，多組滾子安裝與調(diào)試，對羅拉合格零件時至關(guān)重要的，如果模具安裝出現(xiàn)不同軸或面的偏差，會造成該零件出現(xiàn)扭曲。

6 結(jié)論

結(jié)果表明地板梁在滾壓過程中模具軸線平面度和直線度偏差較大時產(chǎn)生地板梁扭曲的因素；成形滾子配合間隙過小是導(dǎo)致鋅層脫落、材料變薄的根本原因。

經(jīng)以集裝箱地板梁滾壓成形工藝分析后，類似羅拉滾壓工藝中出現(xiàn)扭曲、鋅層脫落、表面劃傷及材料變薄等質(zhì)量缺陷問題不再是困擾生產(chǎn)中的難題。

在對該工件成形中采取的工藝的難點(diǎn)分析、處理，經(jīng)多次試模及生產(chǎn)后效率大大提高；除了對羅拉輥輪模具的材質(zhì)、加工精度和熱處理方面要求合格外，在安裝、調(diào)試和保存方面均需安全有效，以確保生產(chǎn)合格產(chǎn)品。

[1]蔣浩民，陳新平，吳華，馮維軍.鋅層對鍍鋅鋼板力學(xué)性能指標(biāo)的影響.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2005，40(3)：65-67.

[2]沖模設(shè)計(jì)手冊編寫組.沖模沒計(jì)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

[3]R.A.c.斯幕特著.工程塑性理論及其在金屬虛形中的應(yīng)用[M].王仲仁，囊祖培，等譯.北京：機(jī)槭工業(yè)出版社，1985.

[4]J L Duncan. Measurement of Strain Hardening in Sheet Metals.Sheet Metal Industries，1967.