辊压成型工艺概述
1 前言
辊压成型是带材通过多道次不同形状轧辊进行横向弯曲，最终形成特定截面形状的工艺形式，适用于高强度钢材的成型，对于抗拉强度1500 MPa 的马氏体钢已有成熟的产业应用。辊压成型是一种连续轧制逐道次成型的工艺过程，通过修改辊轮型面来获得不同截面形状的产品，在机架上增加独立控制的伺服电机，通过计算机编程实现机架在板材成型过程中的横向移动，形成变截面、柔性化的生产工艺，扩展了原单一截面的产品应用局限性。
2 国内外辊压成型研究现状
2.1 国外辊压成型发展现状
19 世纪，国外辊压成型工艺开始发展，初期并没有足够的理论研究，工艺参数主要来源于实际生产经验。随着辊压成型工艺在各个领域得到广泛应用和推广，各国都认识到辊压成型的发展潜力，所以纷纷投入大量人力、物力开展研究。
1910 年，美国开发了第一套比较专业的辊压成型设备。1939 年，由美国钢铁研究院出资，联合康奈尔大学，乔治·温特教授对辊压成型理论进行了研究。其理论基础为Von Karman 及Bryan 的方程，在研究过程中，仍然参考了大量的经验数据，在实际生产过程中，理论公式并没有对生产起到明显的指导作用。
随着计算机技术的飞速发展，辊压成型理论分析手段日渐成熟，东京大学木内学教授对辊压成型过程中带材变形区域进行分析，提出近似成型理论，对板材的成型轨迹进行模拟，同时，对影响成型的因素进行分析，例如机架间距等。该理论基于成型残余应力及塑性增量理论，该方法能够对成型过程中的材料宽度、残余应力、辊压变形过程缺陷进行预测。
20 世纪中叶，辊压成型装备集成度得到飞速提高，由辊压成型单一工艺方式逐渐集成冲压、焊接等工艺。进入21 世纪，为了满足辊压成型产品高柔性、高精度的需求，在辊压成型单元集成了断面光学测量、对称件产品线上工装快速切换等装置，集成度进一步加强。
2.2 国内辊压成型发展现状
20 世纪末期，我国引入辊压成型工艺，随着我国工业的迅速发展，辊压成型工艺在建筑及汽车等行业得到广泛应用，尤其是单一截面成型的应用，促进了辊压成型理论发展。
由于辊压成型工艺具有生产效率高和工艺简单的特点，能够满足建筑行业对于型材的大量需求。由于汽车安全性越来越受到重视，高强钢板在汽车行业得到了广泛的应用。但是在冲压成型过程中，尤其是在大拉延变形情况下，高强钢板容易产生开裂褶皱等问题，而辊压成型这种逐道次的成型工艺具有容易控制表面精度与光洁度的特点，从而得到推广和应用。为了实现节能减排的目的，高强钢以及超高强钢在汽车上的应用得到了推广，因此推动了辊压成型技术在抗拉强度1300 MPa 以上钢材上的应用。
2.3 与国外辊压成型技术对比
从辊压成型钢的产量上看，尤其在汽车用高强钢、超强钢方面，我国只有宝钢、首钢等几家供应商满足要求。对于抗拉强度1200 MPa 以上的汽车用钢，我国主要依靠SSAB、Arcelor 等欧洲钢厂进口。
从辊压成型设备上来看，国外将辊、冲、焊、切边、整形等工序高度集成，而国内的设备存在自动化程度低、集成度差等缺点。
从成型工艺上来看，国外存在四辊式成型、柔性辊压成型、CTA 成型、“辊冲”等多种辊压成型工艺，而国内的成型工艺主要为单一截面成型、截面与工装对应的生产模式，工艺上相对于国外有很大差距。
3 辊压成型分析的一般方法
辊压成型过程弹塑性结合变形的过程，很难用单一理论学科进行分析，同时，在变形过程中，辊压产品在成型的过程还存在横向扭转及位移变形。国内外大量专家、学者对于成型理论的探索，辊压成型技术的研究取得了较大进展，但由于成型过程复杂，影响因素相互作用，到目前为止，没有一种理论能够对辊压成型进行精确的模拟分析。
3.1 简化解析法
简化解析法使用弯曲理论分析横向及纵向弯曲，然后独立使用塑性理论进行相同内容的分析，沿成型方向变形分析时，一般将辊压产品作为弹塑性壳。简化解析法不能求解辊压成型过程中的复杂问题，只能解决一些简单的问题，因此并不是一种帮助研究人员探索辊压成型问题实质的办法。
解析法通过某种函数的定义分析辊压成型，这种计算方式可以通过塑性变形功的最小理论值来确定，进而计算辊压成型过程中的塑性及弹性形变。
3.2 能量分析法
从原材料带材到制成产品，是一种非线性的结合弹塑性的成型方式。仅通过简化解析法无法对辊压成型完成系统性分析，需要对带材在辊压形变中的应力、应变过程进行综合分析，同时考虑变形过程中的最小能量。
3.3 有限条法
有限条法是解决壳类变形的有限元分析法。其通过对各方向的位移进行分析，获得成型过程中的应力分布。
3.4 有限元法
有限元分析方法对有限区域进行连续的形变分析，由于该方式计算量大，大多依靠高性能计算机辅助完成，在1943 年被提出后没有得到广泛应用，但随着计算机技术的飞速发展，有限元分析方法逐渐成为成型分析的主流方式。
4 当前辊压成型连续设备的一般组成
4.1 开卷机
如图1 所示，开卷机一般是单机头结构形式，采用悬臂构造，采用四连杆式悬臂涨缩结构将钢卷的内孔涨紧，将其安装在开卷机上，电、液压自动松开及涨紧（蓄能器保压，保证在动作过程中不松卷）。为方便操作和送料速度的自动控制，需采用变频控制、采用气动刹车机构，启停用光电开关控制。
图1 开卷机
机座为板焊机构，一般有2 套压料装置，保证正、反卷料使用，不松卷。
单头开卷机配上料小车，缩短两卷对接时间，提高生产效率，对于窄料卷设计上应有防倾倒装置。
4.2 引料、送料机
主要用于板料料头在剪切、焊接中的夹紧、焊接时料尾的调整以及开卷机在主动放料方式下牵引钢带前进，主要由引料装置、夹送辊、电机减速器及传动机座等组成。
4.3 剪切对焊装置
如图2 所示，剪切对焊采用半自动，即切头（尾），压料对中定位为手动。该装置主要功用是将开卷后的钢带导入和将钢带料头、料尾剪切去除，将板料料头、料尾合缝对齐压紧，焊接过程中一般采用氩气进行保护。
图2 剪切对焊装置
4.4 压机
如图3 所示，一般根据冲裁力确定压机吨位，压机往往配备伺服送料系统，满足单元产品长度的送料精度，一般精度控制在每件0.5 mm。
图3 压机
4.5 成型机组
如图4 所示，成型主机组部分一般使用伺服电机提供动力，以保证成型精度，伺服电机与蜗轮蜗杆减速机串联，电机的转速与蜗轮蜗杆的减速比依成型速度而定。液压气动系统可满足快换工装时的定位夹紧需要。急停装置可在调试人员操作失误时拉线急停设备。测长装置用于测量送料长度，作为切断的粗定位方式。冷却系统可对成型过程中发热的辊轮及钢带进行冷却。光纤检测装置一般作为定尺寸切断的依据。成型模具可实现辊压。
4.6 成弧装置（选配）
如图5 所示，对于需要形成等曲率或不等曲率弧度的产品条形，需要成弧装置成型。成弧部分包括成弧辊轮装置和成弧动力装置。成弧辊轮装置包括三点压弯成型、回转轮抹弯成型、变曲率成弧装置等成弧方式。成弧动力装置为成弧提供动力辅助。
图4 成型机组
图5 成弧装置
4.7 后整形部分
如图6 所示，后整形一般包括两套冲床，其送料动力由成型机组提供，完成辊压成型后的冲孔、切边、压型等工艺，可实现自动化与工序的集成。
图6 后整形工序
4.8 切断机构
切断机构完成产品条形的切断工作，一般切断精度需要达到±0.5 mm，毛刺高度应小于要求值，如图7 所示。
4.9 码料装置
如图8所示，码料装置一般包括1个输送带、机器人手臂及储料仓。切断机构切断后，产品落在输送带上，由机器人手臂将产品码放至储料仓中。
4.1 0 其他
辊压成型连续生产单元一般由前述部分组成，能够实现自动化程度较高，工艺连续的生产方式。部分闭口截面辊压产品需要增加激光焊机或直流滚点焊机对闭口区域进行焊接作业。非标冲孔装置可对部分小区域结构，在辊压成型过程中集成冲孔、压型、切边等工艺。
图7 切断机构
图8 码料装置
5 辊压成型的新兴技术分析
5.1 变截面技术
变截面技术通过在部分机架上增加独立的伺服电机驱动，通过计算机控制电机驱动辊轮进行纵向及横向移动实现截面变化，形成产品生产过程中的位移−时间曲线，通过工艺参数的输入完成产品的变截面生产。
5.2 柔性辊压成型技术
柔性辊压成型技术能使辊压设备快速适应内、外部环境的变化，从而提高生产率与设备利用率。
在柔性辊压生产线中，通过计算机控制安装在机架上的移动单元完成机架的横移，改变纵向的压合位置，从而在一套系统中生产出截面成型类似的产品，减少了设备投资种类。
5.3 局部加热技术
通过局部加热来减少高强钢经过辊压成型造成的回弹，能较好地控制截面精度，此种方法用于控制回弹量较大的板材成型。
5.4 人工智能技术
通过辊压成型分析软件与设计软件的结合，引入参数化设计概念，在设计初期对产品的材料、形状进行定位，通过软件分析及拓扑优化，确定最佳成型方式，可减少后期调整量。
在调试过程中，增加截面成型在线监测装置，对成型截面与理论截面进行对比，成型道次可调结构进行自动调整，达到满足精度要求的目的。
6 辊压成型技术当前的问题
我国辊压成型技术在最近十几年得到了较快的发展，但是还存在以下主要问题：
a.我国关于辊压成型的标准较少，无法满足当前发展趋势下的应用要求，对一些新工艺的使用与推广起到了限制作用。
b.我国辊压型钢的生产厂家较少，尤其是高强钢及超强钢的生产基本依赖进口，其材料参数依靠向国外咨询，辊压型钢使用企业与国内开发企业很难形成合作的研发机制。
c.辊压成型精度控制较差，国外辊压成型大多依靠先进的开发及仿真分析软件，我国在软件开发方面一直处于劣势，而国外先进成型软件很难流入中国，造成我国设计技术的相对落后。
d.先进辊压成型技术发展较慢，多数辊压成型厂家还局限于单一截面的生产模式，对于柔性制造与变截面技术应用研究较少，此类研究大多还停留在高校理论阶段。
e.虽然外购较多的先进设备，但往往由于企业设备水平低，配套不完善，难以适应多品种高质量的生产运营模式。
f.辊压成型后产生的袋形波、边部波浪、错线、纵向扭曲等工艺问题解决方法不够完善。
7 结束语
辊压成型工艺拓展了板材的传统成型工艺，通过优化截面形状提高了材料利用率，是一种高效节能的生产工艺。尤其是高强钢辊压成型技术的应用有助于汽车的轻量化工作，对降低环境污染有直接意义。
辊压成型是复杂的成型过程，目前对于辊压成型的基础理论研究依然不足，仍需继续开展研究。
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