柔性辊弯成型机的研究与发展 - 文章

柔性辊弯成型机的研究与发展

作者：日本拓殖大学小奈弘李远光译刘继英校

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摘要：大约90年以前，日本的辊弯成型技术仅限运用于电焊管、自行车轮圈和卷帘门板的生产。战争年代，辊弯成型技术被用来生产飞机的结构部件；战后，辊弯成型技术被用于生产建筑用的轻量金属型材。随着汽车工业的发展，以及电气设备和家用电器的普及，辊弯成型技术得到快速的发展。作为一种最高效的钢材成型方法，辊弯成型技术在很多行业的发展中都起到重要作用。辊弯成型技术本身要求设计者在设计用于生产某种产品的轧辊时具有相当高的技术经验水平。大约30年前，日本辊弯成型研究的重点是掌握成型缺陷产生的规律，以提高产品的技术要求。随着计算机技术的发展，辊形的计算机辅助设计、板材在每一道次的变形过程仿真、辊弯成型过程中应力-应变的分析等方面的研究都得到了发展。2003年和2005年，德国和日本的学者提出了具有革命性意义的新型辊弯成型技术[1][2]。本文介绍了新研发的用于生产变截面产品的柔性辊弯成型机。
关键词：柔性辊弯成型机，柔性辊弯成型机加工产品，辊弯成型技术发展史

1 柔性辊弯成型机的需求

1-1 两种弯曲成型方法的比较

用于生产开口和闭口截型产品的弯曲方法主要有两种。一种是通过模具的旋转运动来实现弯曲成型的辊弯成型方法，另一种通过往复的冲压运动来实现成型的冲压成型方法。相对于冲压成型方法，辊弯成型方法具有很多技术、经济和生态等方面的优势：

生产速度高
成型机成本低
可以加工高强度金属板材
可以生产长尺寸产品
噪音低

1-2 汽车业的市场趋势

如今，汽车业所采用的产品要求实现重量轻、质量好、个性化定制、经济效率高以及环境安全。为了较少尾气排放和制造出载荷最优化的汽车，汽车业广泛开展轻型汽车研究。定制的产品通过都是采用非柔性的方法分几步加工出来的，这使得加工的成本较高。因此，成型机和加工技术方面的改进是非常重要的。通过改进之后使得辊弯成型方法比冲压成型方法更适合用于生产某些产品，例如，图1所示的汽车顶部和底部采用的变截面中立柱部件。载荷最优化汽车所采用的是高强度钢，这被视为轻量化生产的一种。图2展示的是一采用高强度钢的样品。

图1 汽车上变截面部件样品

图2 汽车采用的几种材料

1-3 柔性辊弯成型机的发展

由于高强度钢的应用越来越广泛，成型技术的发展已经把速度作为首要考虑的问题。然而，当用压力机对厚高强度钢进行成型加工时，很可能会在弯角处出现裂纹。这就是最近急需开发出一种柔性辊弯成型机的一个主要原因。本文介绍了一柔性辊弯成型机的驱动系统和实验加工出的样品。

2 产品的形状与控制系统的设计

传统辊弯成型机加工出的产品的截型仅限于沿轴线方向保持不变。本实验加工出的产品的界面轮廓则是可变的，如图3所示。用于生产这种变截面的辊弯成型机的控制系统如图4所示。图中，（1）是一块经纵剪机分条的钢板，(2)是一个用于测量钢板进给速度的旋转编码器，(3)是一个用于测量钢板宽度变化量的线性编码器。根据这一编码器的测量值，CPU（4）将生成控制参数。机架的旋转或平移运动可以通过受伺服电机（5）和（6）控制来实现。（7）是一个用来驱动轧辊的感应电机。

图3 实验加工出的样品

图4 柔性辊弯成型的机控制系统

3 单一式和串列式柔性辊弯成型机

3-1 单一式柔性辊弯成型机

如图5所示的单一式柔性辊弯成型机由以下几部分组成：一个装有一对轧辊的成型机架、两个用于实现转动和平移的伺服电机、6个用于检测工作台位置的传感器、以及一执行机构。与基座大约成30度倾斜的成型机架是悬臂式机架。这种倾斜的机架可以很容易地加工出法兰的弯曲角。在设计单一式柔性辊弯成型机的过程中，有两点很重要：一是每一个轧辊的顶部和底部的弯曲角都必须在旋转台的轴线上；二是为了加工出不规则形状的轮廓，成型机架的旋转轴线要与弯曲边垂直。

3-2 串列式柔性辊弯成型机

图6所示的是三机架串列式柔性辊弯成型机，它可以加工出变截面而法兰高度不变的产品。三个机架的轧辊倾斜的角度依次是20、40、60。这些轧辊是受感应电机驱动的。三个
串列机架前的常规机架是用来进给板材的。侧导向杆则是用来避免板材在加工过程中出现横向偏移。这一系统使得三个串列机架的旋转或平移运动具有相同的行为和时间延迟。

图5 单一式柔性辊弯成型机

图6 三机架串列式柔性辊弯成型机

3-3 触发式控制板操作

三机架串联型柔性辊弯成型机是由一触发式控制板驱动控制的，这一控制板控制着线性编码器到每一机架的距离、法兰宽度、板材初始宽度、以及感应电机的驱动速度。

4 实验结果的获取与分析

4-1 串列式柔性辊弯成型机的加工样品

样品如图3所示，其中，板材厚度是0.5mm，法兰高度是10mm，最大宽度是140mm，最小宽度是90mm。产品的长度是1820mm。从实验的结果可以看到，样品在腹板处有轻微的变形和扭曲，而在法兰处则没有出现边浪现象。当把样品放到平台进行去除扭曲处理时，凸形样品的法兰处出现边界边浪现象，而凹形样品的法兰处则不会出现边浪现象。法兰高度为17mm的产品在成型过程中出现的边浪和平整问题更为明显。

如果成型机架的旋转和平移运动与板材的进给运动不同步，或者导向杆的间隙过大，则无法加工出法兰高度不变的产品。表1显示的是将导向杆间隙调节为1.5mm时，样品不同部位的法兰高度。

4-2 形状缺陷分析

图7所示的是描述边浪发生的机理的纸模型。从图中可以看到，产品凸起部位的法兰会出现重叠，而凹陷部位则会出现开口。从纸模型可以看出，重叠是由压力引起的。压力引起边浪，这使得产品凹陷部位与纸模型相一致。另一方面，张力会在开口部位起作用。产品的扭曲被认为是由于张力和压力这一对反向力共同作用而产生的。

表1 改进前后变截面产品的法兰宽度

图7 用于描述形状缺陷发生的机理的纸模型

5 柔性辊弯成型机的展望

辊弯成型的特点是高生产率，并能提供适当的技术上和经济上的好处。因此，很多土木工程和建筑行业上使用的材料都采用这种成型方法进行加工。尤其值得关注的是轻质材料的加工，越来越多的汽车上的高强度材料部件由于很难采用压力机进行加工而需要采用辊弯成型技术进行加工。

图9显示的是由下一代部件组成的新型辊弯成型机。首先，传统的机架被用来确定带材边界其中一边的形状，以及保证进给速度。其次，法兰是通过采用受控的气体等离子切割器对带材的另一边进行切割而加工出来的。再次，法兰的边是采用串列式柔性辊弯成型机进行弯曲加工的，其中，用于控制串列机架的信号与用于控制空气等离子切割机的信号是同一个信号。这一系统可以连续的将带材加工成变截面产品。

图9 新型辊弯成型机生产线

6 致谢

本文得到Grant-in–Aid for Scientific Research by Amada Foundation for Metal Work Technology的支持。作者在此要对Oota Seisakusho公司表示感谢。

7 参考文献
[1] H.Ona：“Study on Development of Intelligent Roll Forming Machine”, Proceeding of 8th International Conference on Technology of Plasticity, October, 2005.
[2] P.Groche, G.von Breitenbach, M.Jockel, A.zettler：“New Tooling Concepts for Future Roll Forming Applications”, 4th International Conference on Industrial Tools, April, 2003(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (6/2/2008)


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