淺談鋼板矯直工藝在商用車上的應(yīng)用

文／滕曉華·機(jī)械工業(yè)第九設(shè)計(jì)研究院有限公司

在卡車底盤上，最核心的零件就是左右縱梁及加強(qiáng)梁，它相當(dāng)于整車的“脊梁”，在安全性上起著很重要的作用，因此，對(duì)縱梁及加強(qiáng)梁所使用的鋼板有很嚴(yán)格的要求，包括材質(zhì)、強(qiáng)度、幾何尺寸等，常規(guī)板厚為5 ～8mm，屈服強(qiáng)度為355 ～500N/mm2，腹寬為150 ～320mm，翼高為40～95mm，長(zhǎng)度為4000～12000mm。本文重點(diǎn)介紹縱梁板的側(cè)彎矯直工藝原理及其在商用車上的應(yīng)用情況。

縱梁及加強(qiáng)梁鋼板毛坯加工工藝的發(fā)展

縱梁沖壓成形對(duì)鋼板的直線度要求很高，尤其是寬度方向上的側(cè)彎(俗稱鐮刀彎)，其精度要求在10m 長(zhǎng)度內(nèi)側(cè)彎量要在±4mm 之內(nèi)。側(cè)彎過(guò)大，沖壓出來(lái)的縱梁翼面就會(huì)出現(xiàn)高度差，對(duì)梁的整體強(qiáng)度產(chǎn)生嚴(yán)重影響。然而，鋼板在軋制、冷卻、存儲(chǔ)、運(yùn)輸過(guò)程中，必然產(chǎn)生不同程度的內(nèi)應(yīng)力，這種應(yīng)力在剪切過(guò)程中得到釋放，產(chǎn)生側(cè)向變形。為達(dá)到側(cè)彎精度的要求，傳統(tǒng)工藝方法是采用封閉落料的形式。這種工藝過(guò)程是，首先將鋼板剪切成長(zhǎng)方形毛坯板，其長(zhǎng)寬尺寸比縱梁板凈尺寸均增加60 ～80mm，剪切后鋼板的應(yīng)力得到釋放，呈鐮刀彎形，之后再完成落料，達(dá)到凈尺寸要求，如圖1 所示。這種加工工藝無(wú)疑降低了板材利用率，增加了材料成本。

在汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈的今天，降低成本就是抓住企業(yè)經(jīng)濟(jì)命脈。因此，各車企都采用各種手段節(jié)約挖潛。例如，有的企業(yè)在鋼材選材上使用內(nèi)應(yīng)力較低的鋼材品種，但即使是最好的鋼材熱軋工藝，也無(wú)法確保軋制鋼板各部分內(nèi)應(yīng)力降至可控范圍內(nèi)；有的企業(yè)采用輥?zhàn)幽雺撼C直，即采用類似冷軋的方式，使上下兩個(gè)軋輥形成一定角度，碾壓鋼板凹進(jìn)的一側(cè)，使之彎向另一側(cè)，從而達(dá)到矯直的目的，但這種碾壓方式不但速度慢，而且因每張板應(yīng)力的個(gè)體差異，無(wú)法有效控制回彈，矯直效果并不理想；還有中小企業(yè)甚至采用人工大錘錘擊方式來(lái)矯直鋼板，雖然成本低，但是勞動(dòng)強(qiáng)度、噪聲環(huán)境以及鋼板表面留下的錘痕等，都是無(wú)法解決的難題。由此可見(jiàn)，以上各種方式都無(wú)法在現(xiàn)代化企業(yè)中大范圍推廣。

德國(guó)山德維克公司研制的“鋼板矯直機(jī)”是該公司的專有技術(shù)，具有世界一流水平，目前世界僅三家企業(yè)在使用，分別為德國(guó)MAN 工廠、印度TATA 工廠及一汽鞍鋼加工配送有限公司。該設(shè)備能夠解決縱梁、加強(qiáng)板單倍尺毛坯的側(cè)彎問(wèn)題，可與開(kāi)卷橫切線聯(lián)線生產(chǎn)(圖2)，最高線速度可達(dá)40m/min，矯直后產(chǎn)品側(cè)彎達(dá)到了每10m 低于±4mm 的標(biāo)準(zhǔn)，從而改進(jìn)了商用車縱梁生產(chǎn)工藝(圖3)，取消縱梁及加強(qiáng)梁的封閉落料，能夠節(jié)約大量原材料，節(jié)約價(jià)值非?？捎^。

鋼板矯直

金屬力學(xué)特性

我們知道，卡車縱梁及副梁的材料都屬于低碳鋼，其拉伸曲線圖見(jiàn)圖4，曲線的縱坐標(biāo)為載荷(P)，橫坐標(biāo)是絕對(duì)伸長(zhǎng)量(△L)，由圖4 可見(jiàn)，載荷比較小時(shí)，試樣伸長(zhǎng)量隨載荷增加成正比例增加。載荷超過(guò)Pe后，拉伸曲線開(kāi)始偏離直線。載荷在Pe以后階段，試樣在加載時(shí)發(fā)生變形，卸載后在內(nèi)應(yīng)力的作用下，變形能完全恢復(fù)，該階段為彈性變形階段。當(dāng)載荷超過(guò)Pe后，試樣在繼續(xù)產(chǎn)生彈性變形的同時(shí)，將開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形，進(jìn)入彈塑性變形階段。此時(shí)，若在載荷Pp作用下試樣變形后卸載，彈性變形將恢復(fù)，塑性變形被保留，試樣的伸長(zhǎng)只能部分地恢復(fù)，而保留一部分殘余變形。當(dāng)載荷達(dá)到Ps時(shí)，在拉伸曲線上出現(xiàn)鋸齒或平臺(tái)，即載荷雖然保持不變或發(fā)生波動(dòng)，而試樣繼續(xù)伸長(zhǎng)(變形量繼續(xù)增加)，這種現(xiàn)象稱為屈服，由此看出，作用力必須大于屈服點(diǎn)時(shí)才能有效地校平、矯直鋼板。德國(guó)山德維克公司研制的“鋼板矯直機(jī)”，就是利用金屬這一特性通過(guò)校平輥去應(yīng)力，然后通過(guò)施加側(cè)向作用力來(lái)實(shí)現(xiàn)鋼板矯直的。

常用縱梁及加強(qiáng)梁鋼板材質(zhì)及屈服強(qiáng)度如表1所示。

表1 常用縱梁及加強(qiáng)梁鋼板材質(zhì)及屈服強(qiáng)度

矯直機(jī)的機(jī)構(gòu)組成及原理

按照工件行走順序，矯直機(jī)的結(jié)構(gòu)(圖5、圖6)依次為：

⑴入口測(cè)量裝置，測(cè)量鋼板矯直前的側(cè)彎數(shù)據(jù)。

⑵入口送料輥，使鋼板進(jìn)入矯直機(jī)獲得足夠的動(dòng)力。

⑶壓緊輥，由相距一米的兩組輥?zhàn)咏M成，可根據(jù)鋼板工件的厚度，將其沿Z 軸方向夾持住，同時(shí)每組輥?zhàn)咏钥蓪?shí)現(xiàn)沿X 軸方向的對(duì)中位移，實(shí)現(xiàn)夾緊。

⑷夾緊缸，根據(jù)鋼板工件的寬度，推動(dòng)夾緊輥到適合位置。

⑸校平機(jī)，由上10 輥、下11 輥組成，對(duì)鋼板工件實(shí)施碾壓，達(dá)到去應(yīng)力及塑變的目的。

⑹矯直輥，與壓緊輥結(jié)構(gòu)相同，對(duì)被夾持住且已塑變的鋼板工件施加合理的側(cè)向作用力，達(dá)到矯直的目的。

⑺矯直缸，推動(dòng)矯直輥，實(shí)現(xiàn)相對(duì)或同向位移。

⑻出口測(cè)量裝置，測(cè)量鋼板矯直后的側(cè)彎數(shù)據(jù)。

從矯直機(jī)原理圖看出，仍有兩個(gè)矯直盲區(qū)，第一，矯直缸由長(zhǎng)度方向兩組輥?zhàn)咏M成，兩組輥?zhàn)酉嗑?00mm，這段距離在鋼板的矯直過(guò)程中，無(wú)法對(duì)鋼板頭尾各500mm 內(nèi)的板料矯直。第二，矯直缸與夾緊缸相距3m，對(duì)長(zhǎng)度小于3m 的鋼板不能矯直，但這些問(wèn)題對(duì)于卡車絕大多數(shù)縱梁板都屬于可以接受的范圍。

矯直機(jī)的加工范圍：長(zhǎng)度3 ～12m，矯直精度±4mm/10m，寬度200～580mm，厚度5～10mm，運(yùn)行速度10 ～40m/min 可調(diào)，對(duì)于縱梁板來(lái)說(shuō)，這臺(tái)矯直機(jī)的矯直能力足以覆蓋當(dāng)前所有產(chǎn)品的需求。

側(cè)彎的測(cè)量裝置及原理

通常來(lái)講，最直觀的測(cè)量是在鋼板邊緣拉一條直線，然后測(cè)量直線上若干點(diǎn)與鋼板邊緣的垂直距離，其中最大值即是側(cè)彎極值。鋼板矯直機(jī)測(cè)量方式，是“連續(xù)平均值”的測(cè)試方法。

在鋼板運(yùn)行軌道上，幾個(gè)對(duì)中單元成一排設(shè)置在測(cè)量裝置前面的傳送輥道上，從而保證工件通過(guò)傳送輥道中心線。測(cè)量裝置由三個(gè)測(cè)量頭構(gòu)成，在鋼板運(yùn)行方向上相隔一米布置。測(cè)量頭都安裝在同一塊基板上，通過(guò)兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可沿著與鋼板運(yùn)行方向垂直的方向向上移動(dòng)。每一個(gè)測(cè)量頭都是激光探測(cè)方式，測(cè)量寬度為30mm。

在每一個(gè)測(cè)量頭的出口，安裝一個(gè)光柵，這些光柵控制導(dǎo)向輥的開(kāi)合。當(dāng)鋼板工件通過(guò)第一個(gè)測(cè)量頭的激光光束后，就會(huì)分析測(cè)量頭是否正好位于工件邊緣上方的中間位置。如果不在該位置，定位電機(jī)就會(huì)糾正測(cè)量單元的位置，直到傳感器上的測(cè)量點(diǎn)正好移動(dòng)到板料邊緣上方為止，從而保證測(cè)量裝置始終定位在待測(cè)量工件上方。工件前端通過(guò)第三個(gè)測(cè)量頭時(shí)測(cè)量開(kāi)始，并以每秒10 次的頻次連續(xù)讀數(shù)。

單個(gè)單元的曲率，即三個(gè)測(cè)量頭之間的側(cè)彎度是這樣計(jì)算的，設(shè)三個(gè)測(cè)量頭的讀數(shù)值依次為a、b、c，單元曲率s=b-（a+c）/2-δ，其中δ 為修正系數(shù)，與被加工板材的材質(zhì)、強(qiáng)度、厚度、寬度有關(guān)，是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值。

平均測(cè)量值在測(cè)量裝置的電腦中形成，可以連續(xù)讀出工件的平均曲度。工件末端離開(kāi)第一個(gè)測(cè)量頭時(shí)，測(cè)量停止，測(cè)量數(shù)據(jù)則傳送給校平機(jī)。測(cè)量過(guò)程結(jié)束之后，測(cè)量裝置準(zhǔn)備進(jìn)行下一個(gè)過(guò)程時(shí)，測(cè)量裝置的定位電機(jī)返回到其基本位置（裝置檢測(cè)工件一側(cè)的曲度，工件另一側(cè)忽略不測(cè)，不檢測(cè)工件寬度公差）。可以看出，側(cè)彎的測(cè)量實(shí)際上并非整體的側(cè)彎，而是連續(xù)曲率的平均值，這個(gè)值通過(guò)進(jìn)一步運(yùn)算，轉(zhuǎn)化為下一步碾壓校平的輸入?yún)?shù)。需要說(shuō)明的是，測(cè)量頭為全長(zhǎng)連續(xù)多點(diǎn)測(cè)量，取最后結(jié)果的平均值作為計(jì)算參數(shù)（測(cè)量最小單元為2m），此外，不能矯直帶有“S”形側(cè)彎的鋼板。

矯直控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)相當(dāng)于設(shè)備的大腦和神經(jīng)中樞，它需要根據(jù)被加工鋼板的外部特性，通過(guò)運(yùn)算得出內(nèi)部控制數(shù)據(jù)，分別傳送到設(shè)備的各個(gè)控制部件，對(duì)鋼板實(shí)施相應(yīng)的作用。經(jīng)過(guò)論證和選擇，采用圖7 所示控制方式。其中，關(guān)鍵部件是中央控制器，采用德國(guó)開(kāi)發(fā)的WINPEDI 控制軟件，完成對(duì)設(shè)備各個(gè)終端的控制、調(diào)配、保護(hù)以及故障初級(jí)診斷。

矯直機(jī)的設(shè)備能力及精度穩(wěn)定性

采用國(guó)際通用的設(shè)備能力指數(shù)(machine capability index，簡(jiǎn)稱CMK)評(píng)定方式，對(duì)設(shè)備能力加以評(píng)定。采取“拉線測(cè)量法”對(duì)50件矯直完成的產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過(guò)評(píng)定，設(shè)備CMK 指數(shù)為1.45，大于1.33 的設(shè)計(jì)預(yù)期。為確保精度的長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠，設(shè)備配有“檢測(cè)頭校準(zhǔn)儀”，每月對(duì)檢測(cè)頭進(jìn)行校準(zhǔn)，保證測(cè)量精度和產(chǎn)品質(zhì)量。

經(jīng)濟(jì)效益

降低材料成本

目前，設(shè)備投產(chǎn)以來(lái)運(yùn)行穩(wěn)定，使用單位除部分縱梁(不足10%)因結(jié)構(gòu)原因無(wú)法實(shí)現(xiàn)凈尺外，全部實(shí)現(xiàn)了凈尺供貨?？v梁凈尺寸毛坯按10m 長(zhǎng)、425mm 寬、8mm 厚計(jì)算，落料的廢料邊重8×10 ×40×7.85=25kg，每輛車所浪費(fèi)的料邊重量約50kg，材料單價(jià)按4 ￥/kg 計(jì)算，則每輛車節(jié)約價(jià)值約200 元。

簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)、降低模具成本

由于縱梁在寬度上實(shí)現(xiàn)了凈尺，不需要切邊，因此落料模具鑲塊減少，僅對(duì)端部異形進(jìn)行落料，既簡(jiǎn)化了模具結(jié)構(gòu)，又降低了模具成本。

節(jié)省作業(yè)面積、減少物流壓力

由于封閉落料產(chǎn)生大量形狀不規(guī)則的廢料余料，既占用寶貴的作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)面積，又因廢料余料的頻繁排出給物流運(yùn)輸造成極大不便，采用凈尺毛坯有效解決了這一問(wèn)題。

結(jié)束語(yǔ)

該矯直機(jī)是針對(duì)商用車車架縱梁及加強(qiáng)梁鋼板毛坯矯直的專用設(shè)備，國(guó)內(nèi)僅此一臺(tái)。除汽車行業(yè)外，同樣也可應(yīng)用于其他行業(yè)當(dāng)中，相信其前景非常廣闊。