魏 敏

（廣西機電職業(yè)技術(shù)學院，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)運動，將帶料向前送進的同時順次進行彎曲成形，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計的要求。滾壓成形技術(shù)在工程中得到越來越廣泛的應用。

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)過程中的一個難點，它的成形直接影響密封條的性能指標。本文結(jié)合生產(chǎn)實踐，以某型號汽車前門框外夾條密封條骨架成形輥輪組的設計為例，介紹成形輥輪組的設計要點。

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主要是:（1）骨架結(jié)構(gòu)左右不對稱，彎曲時兩側(cè)受力不均勻，鋼帶容易向受力大的一側(cè)竄動;（2）圖3b中A、B兩處彎鉤是成形難點;（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 滾壓成形輥輪組設計要點

輥輪設計在滾壓成形技術(shù)中是最重要的一個環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到零件滾壓加工的成敗。目前滾壓成形工藝理論還不是很完整，對于密封條骨架的滾壓成形，生產(chǎn)企業(yè)也是以實踐經(jīng)驗和類比推斷來進行設計的。筆者根據(jù)相關(guān)資料并結(jié)合實際生產(chǎn)中的經(jīng)驗，歸納出以下幾個設計要點。

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雜，影響因素較多，因此，實際中一般采用理論計算與實踐驗證相結(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，理論計算可借助于模具彎曲成形時坯料展開的計算方法，即材料彎曲的“中性層”理論來進行計算。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），由于變薄不嚴重，可按中性層展開原理計算，其計算式為

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

同理計算出:

通過理論計算，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，尤其在復雜斷面形狀以及彎曲圓角半徑較小時更明顯。因此，當制品精度要求比較高時，帶料寬度的最終尺寸應以實際試模情況進行修正。

2．2 確定垂直導向基準和水平導向基準

（1）確定垂直導向基準線，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向線兩側(cè)加工變形量相等的一條基準線，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)，在實際生產(chǎn)中通常根據(jù)設計經(jīng)驗來確定。設計輥輪時，以垂直導向基準線為零點，根據(jù)變形要求向兩側(cè)展開變形，同時還要保證每次曲線的展開長度一致。各組輥輪的Y－Y基準線要保證重合，否則在滾壓過程中料帶會發(fā)生扭曲。

（2）確定水平導向基準線，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。如果沒有水平導向基準，在滾壓過程中，各組輥輪工作型面的線速度有波動，會造成生產(chǎn)過程中料帶抖動、歪扭和堆積，影響成形質(zhì)量。

從圖4中可見A點是水平導向線和垂直導向線的交點，此點位置在整個滾壓變形過程中始終沒有變，因此設計時以該點作為輥輪花形展開圖設計基準點。

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，每組輥輪僅進行部分變形。因此，合理分配總變形量和確定每組輥輪應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，同時帶料成形力增大，導致帶料向前行進阻力增大;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。實踐證明，在密封條骨架滾壓成形輥輪設計中，根據(jù)復雜程度一般每次彎曲變形角度取10°～20°。

2．4 花形展開圖設計

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，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，常用于邊緣形狀復雜的斷面及用邊緣成形提高邊緣縱彎強度等情況。

（3）從板料中間和兩邊同時對多個部位成形。先對帶料整體進行緩和的過渡彎曲，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，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種方法進行設計。

2．4．2 花形展開圖設計

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點疊放在一起所構(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計的依據(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點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個工步，設計要點是:

（1）第1工步為平整工步，不參與變形，僅對帶料起送料、導向和校平的作用。

（2）第2～15工步為成形工步，整個成形過程分為3個部分。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置的校正工步，同時消除滾壓過程中產(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，并且避免鋼帶在向上彎折時表面產(chǎn)生明顯的壓痕，將中間部位彎折處設計出R5mm的工藝圓弧，如圖8所示，到第8工步時再回到初始直線狀態(tài)。

（4）在輥輪設計中，工步多少沒有嚴格限定，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，通常下輥輪是主動輪，上輥輪為從動輪，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（輥輪上水平導向XX位置的直徑）的圓周速度V=ω·R，則相鄰兩個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V前＞V后時，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”在兩個工步之間形成皺褶，從而阻礙滾壓成形的正常進行，鋼帶厚度越薄時這種情況越明顯。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，V前一定要小于V后。但是當V前＜V后的差值較大時，后工步輥輪會對鋼帶產(chǎn)生過大的縱向拉應力，使鋼帶產(chǎn)生拉伸變形。因此，在滾壓成形時，相鄰輥輪之間的線速度關(guān)系要掌握恰當。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現(xiàn)的。根據(jù)實際生產(chǎn)中積累的經(jīng)驗，在設計密封條骨架用輥輪時，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而不會造成堆積的現(xiàn)象。

2．6 輥輪結(jié)構(gòu)設計

（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上時，以A面為基準定位輥輪，從輥輪軸向裝入，安裝順序為上輪1→下輪1→上輪2→下輪2→上輪3。根據(jù)圖6工步展開圖，輥輪設計圖如圖10所示，整套輪組由15組輥輪（上、下輪共73個輥輪）組成。

（3）雖然經(jīng)過計算得出了斷面展開寬度尺寸，但由于滾壓變形的復雜性以及存在不確定因素，在滾壓過程中，有可能帶料會產(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)零件達到設計要求，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)進行。

滾壓成形工藝廣泛應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，在實際設計過程中多以實踐經(jīng)驗和類比推斷為主，同時結(jié)合板料變形機理來設計。本文所述的設計過程可為同類復雜輪組的設計提供一定的借鑒。

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

［2］王金龍．冷沖壓工藝與模具設計［M］．北京:清華大學出版社，2007．

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