先进高强度钢的辊压成形

世界钢铁协会下属汽车用钢项目世界汽车用钢联盟于2018年1月10日发起了 “解析先进高强度钢”宣传活动，本活动通过短篇文章为汽车设计工程师全面解析如何利用先进高强钢实现汽车轻量化，内容主要摘自先进高强度钢应用指南6.0的精华内容及邀请专家嘉宾撰写。本篇介绍先进高强度钢的辊压成形。

辊压成形是采用连续弯曲的方式将平的带钢加工成想要的形状。每次弯曲操作被分解到多套辊压模具中。以使得局部应变最小化，并补偿回弹。因此，辊压成形比较适合先进高强度钢的复杂变形，尤其是总伸长率较低的钢种，如马氏体钢。图1显示了辊弯成型生产线的示例。

图1：辊弯成型生产线的示例

轧辊对的数量取决于钢板的等级、成品零件的复杂程度以及轧机的设计。用于保险杠的辊弯成型机最多可在独立驱动的水平轴上安装多达30对辊模。

轧辊模具的数量取决于钢板的等级、成品零件的复杂程度以及轧机的设计。用于保险杠的辊压成形机，最多可在独立驱动的水平轴上安装多达30套辊压模具。

辊压成形是为数不多的只需一种主要变形模式的钣金成型工艺之一。大多数成形操作都具有多种不同的变形模式，但是与大多数成形操作不同的是，辊压成形过程是一系列通过精心设计的弯曲板材的过程。在辊压成形过程中，除了弯曲半径处有轻微变薄之外，板材厚度没有明显变化。

辊压成形适用于要求大批量生产、具有严格尺寸公差、长度较长的复杂型材的应用。工艺包括送卷、辊压成形和定尺切割。并且需要开槽、送料、冲孔、压制、弯曲与轮廓辊压成形等工艺相结合，从而在辊压成形出口端生产成品零件。实际上，公司直接将汽车车门防撞梁轧制到适当的位置，并且只需要在装运至车辆装配线之前焊接安装支架即可。图2显示了适用于此过程的汽车应用示例。

图2：适用于辊压成形的车身部件

辊压成形的优点如下：

可以成形不同力学性能级别与不同组织结构的钢种。
根据钢的厚度和力学性能，可以成形更小的弯曲半径零件。
与传统的冲压成形相比可以减少成形工序。

然而，辊压机与模具上的力是比较大的。一般来说，受力大小与强度和厚度呈线性关系的。因此，成形设备的结构强度等级必须检查，以避免轴的弯曲。辊压成形零部件的最小弯曲半径值主要与钢的厚度和抗拉强度有关（图3）。

图3：不同强度级别、不同类型钢种可获得的最小r / t值。

如图3所示，辊压成形的半径要比常规弯曲变形的小。图4比较了采用自由弯曲和辊压成形的CR1150/1400-MS。自由弯曲最小半径为3T，但辊压成形可实现1T的弯曲。

图4：CR1150 / 1400-MS（2毫米厚）的最小弯曲半径为3T，但可以辊压轧制成1T半径。

影响回弹的主要参数是零部件的弯曲半径、板材厚度和强度。正如预期那样，随着抗拉强度和弯曲半径的增加，角度变化增加（图5）。

图5：随着拉伸强度和弯曲半径的增加，角度变化增加。

图6展示了三种不同钢材、相同厚度、相同成形模具加工成的截面，虽然强度级别不同，但回弹情况一样

图6：从下到上分别为CR700/1000-DP, CR950/1200-MS, CR1150/1400-MS。

汽车与钢铁伙伴关系联盟出版的《乘用车和轻型卡车的保险杠系统》（第六版）中对轧制先进高强度钢提供了准则：

为需要成型的材料选择合适的轧机机架数量。请记住，钢强度越高，辊压成形机所需的机架数量就越大。
使用材料最小允许弯曲的半径，从而最大程度地减小回弹。
将定位孔放置在远离弯曲半径的位置，从而有助于达到所需的公差。
建立机械和尺寸公差，从而成功生产出零件。
使用适当的润滑油。
对辊压成形线采取适当的维护计划。
预期端部扩口（回弹的一种形式）。端部扩口是由辊压成形过程中产生的应力引起的。
应该意识到当零件被冲压（或在辊压成形后进行改造）时，金属的压缩会导致侧壁屈曲，从而导致装配问题。
不要使用磨损的工具进行辊压成形，它会增加屈曲的严重性。
不要期望屈服强度相同的不同钢种变形行为相似。
不要指定过高精度的公差。

专门针对最高强度钢的指南：

根据等级，最小弯曲半径应为钢材厚度的三到四倍，从而避免断裂。
对于120X钢（120 ksi或830 MPa最小屈服强度，860MPa最小抗拉强度），回弹幅度为10度；对于M220HT（CR1200/1500-MS）钢，回弹幅度为30度；而低碳钢的回弹幅度为1到3度。当设计成形工艺时必须考虑到回弹。
由于回弹较大，因此很难在半径较大（半径大于钢厚度的20倍）的截面上获得合理的公差。
轧辊应设计成具有恒定的半径以及在各道次间均匀分布的过弯曲。
轧制超高强度钢时，轧制道次（与低碳钢相比）增加约50％。所需的通过次数受构件弯曲次数、钢的机械性能、构件深度与钢的厚度比、公差要求、预冲孔和缺口的影响。
由于道次增加并且材料强度更高，因此成型所需的马力增加。
由于材料强度较高，成形压力也较高。因此考虑增加辊径。应避免使用细长的辊子。
在辊压成形过程中，应避免在冲压过程中，被压缩的横截面部分出现不适当的永久性伸长。

辊压成形适用于除细长零件以外的形状。例如，一个汽车制造厂商的辊压成形系统能制成他们需要的卡车底盘，从而能够使减薄最小化并提高了耐用性（图7）。更小的变形压力是影响一个公司采用辊压而不是冲压工艺生产卡车底盘的因素。

图7：在某些应用中，辊压成形可以代替冲压。

传统的二维辊压成形使用连续轧机机架将平板逐渐改变成目标形状，并在长度方向上具有一致的形状。先进的动态辊压成形系统结合了计算机控制的多自由度轧机机架，允许成品型材沿着长度变化，从而制造三维型材。同一套工具通过改变各个轧机支架的位置和移动来制造不同的型材。在线3D形状分析扩展了辊压成形是可行的零件生产应用。