辊弯生产中的缺陷分析

辊弯生产中的缺陷分析

摘要：辊弯成形工艺是加工连续截面的一种重要工艺，在世界上得到广泛应用。但是，辊弯生产中同样存在很多问题，多种因素的影响使得辊弯产品存在许多缺陷，例如纵向弯曲和扭曲，边波，袋形波，角部褶皱，边角裂纹和撕裂等，这些缺陷主要是由加工产品的冗余应变引起的，因此就需要对冗余应变的产生原因进行分析，进而找出解决或者改进方法。

关键字：辊弯成型，缺陷分析，冗余应变

辊弯成型是带材在辊式成形机上连续弯曲成具有规定形状和尺寸的截形的塑性变形工艺。在实际的辊弯生产中，金属板带受到不同的变形，包括横向变形和冗余变形。其中横向变形是辊弯成形过程中最重要，必不可少的变形。横向变形将加工材料变形为具有所要求的横截面的产品，它通过一系列具有轮廓的轧辊来逐渐成型。而冗余变形则是在加工过程中产生的多余的，不需要的变形。冗余变形包括：纵向弯曲和回复；纵向伸长和收缩；横向伸长和收缩；金属平面的剪切；金属厚度方向的剪切；以及以上各种变形的结合。

在辊弯生产过程中，纵向应变主要产生在边缘处。这是因为金属板带的横向边缘和临近部分通常沿着流线移动，这些边部流线比中心和中间部分更长。由于这个原因，中心部分通常沿着直线运动，边部通常为竖直上升，同时水平移向横截面中心，边部的垂直上升和水平移动使得边部在纵向伸长，而中心和中间部分在纵向收缩。在辊弯生产过程中产生的纵向应变以及剪切应变无法同时得到优化，只能在两者之间取得一个折中的解决办法。如纵向弯曲和扭曲，边波，袋形波，角部褶皱，边角裂纹和撕裂等缺陷问题主要是由这些冗余变形引起的。冗余变形极大地影响着或者所要求产品横截面所需的横向弯曲，也影响着金属板带中的应力应变，成型后的回弹变形，产品中残余应力的分布等。

图1 产品缺陷示意图

纵向弯曲、翘曲、扭曲是辊弯成型产品中最常见的缺陷，这些缺陷是由纵向薄膜应变的横向分布不均造成的，这种非均匀性是辊弯成形中金属板带变形的基本特征之一。纵向薄膜应变的横向不均是不可避免的，然而其应变大小却是可以改变的。它的非均匀性分布可以用适当的条件来抵消，比如说：轧辊数量、轧辊轮廓、轧辊位置、成型线、机架之间的距离等。轧辊是将金属板料加工成所需截面形状的工具，轧辊的设计情况将最终影响到辊弯产品的质量。在轧辊的设计过程中需要考虑很多影响因素，包括：所需的轧辊数量、加工材料宽度、辊花的设计、轧辊设计参数以及轧辊材料等。轧辊数量需要依靠金属板料的材料特性和厚度以及所需加工产品截面的复杂程度来决定。

在辊弯成形生产过程中，材料的边缘部分在通过连续的轧辊时较其他部分运动了更长的距离，这就导致了边缘部分的纵向应变，从而在最终产品上产生残余应力。这类残余应力是不期望它出现的，它直接导致了如弯曲、翘曲、褶皱等的主要缺陷。残余应力越大，则最终产品发生缺陷的可能性以及范围就越大。因此在加工V型产品时需要设定特殊的公差以及质量标准，公差要求越高，所需要的轧辊数量就越高，随之带来更高的加工工具成本，最终影响产品的成本。为了探究残余应力对辊弯成型产品的缺陷影响，许多人进行了研究。研究结果表明，随着产品边缘高度的增加，材料内纵向应变峰值也会增大，且二者呈近似线性关系；随着材料屈服强度的增大，材料的纵向薄膜应变会减小，而变形长度会增加；纵向应变峰值出现在金属板料和轧辊初次接触的时候。其他一些工艺参数，如线速度、轧辊间隙、轧辊直径、摩擦以及道次间距等都会对残余应力的产生造成影响。研究结果表明，辊弯成型道次间距对加工产品的残余变形有最大的影响，如图1所示，增大道次间距，产品的残余纵向应变减小，产品内部材料流动也更均匀。屈服强度和加

工硬化指数对成型产品的质量同样有很大的影响，而成型速度和摩擦对产品质量的影响就不是很大，如图2所示。

图1 道次间距对纵向应变的影响

图2 成型速度对纵向应变的影响

辊弯生产过程中影响产品质量的还有其他因素，研究发现，随着成型材料的弯角、板料厚度、材料屈服极限等的增大，产品的纵向应变也会增大。轧辊间隙同样是影响产品质量的一个因素，一项研究表明，对于两种不同大小的轧辊间隙，在应变峰值以及残余纵向应变上存在差异。不同的轧辊间隙也影响产品最终截面的横向应变和纵向应变的分布，它们的区别在于弯曲开始部分的横向应变。如图3、4所示。

图3 不同轧辊间隙的纵向应变

图4 最终产品截面在不同轧辊间隙下的纵向应变和横向应变

轧辊直径的选择受多种因素影响，包括辊弯机组的尺寸、所要加工的材料、弯角高度以及轧辊的表面速度等。轧辊直径在板料边缘纵向弹性应变的累积起到重要的作用，道次间的速差使得轧辊间的板料有一定的拉力，有效防止了道次间板料进给过多。研究两种不同轧辊直径，结果显示，残余应力残留在板料上，在辊弯加工过后，表现为残余应变。随着轧辊直径的增大，残余纵向应变减小，而且最终产品截面横向应变和纵向应变的分布也受到轧辊直径的影响。

图5 不同轧辊直径对板料边缘纵向应变的影响

图6 最终产品截面在不同轧辊直径下的纵向应变和横向应变

除了以上各种因素的影响之外，板料材料同样会影响辊弯产品的质量。传统的高强度钢多是通过固溶、析出和细化晶粒作为主要强化手段，而先进高强度钢（AHSS ）是指通过相变进行强化的钢种，组织中含有马氏体、贝氏体和（或）残余奥氏体，主要包括双相(DP) 钢、相变诱导塑性(TRIP) 钢、马氏体(M) 钢、复相(CP) 钢、热成形(HF) 钢和孪晶诱导塑性(TWIP) 钢。

先进高强度钢的强度和塑性配合优于普通高强钢，兼具高强度和较好的成形性，特别是加工硬化指数高，有利于提高冲撞过程中的能量吸收，这对减重的同时保证安全性十分有利。AHSS 的强度在500MPa到1500MPa之间，具有很好吸能性，在汽车轻量化和提高安全性方面起着非常

重要的作用，已经广泛应用于汽车工业，主要应用于汽车结构件、安全件和加强件如A/B/C柱、车门槛、前后保险杠、车门防撞梁、横梁、纵梁、座椅滑轨等零件。

先进高强度钢有很多优点，使用先进高强度钢能够在有效的减少产品质量的同时，提高产品的抗撞击能力，以及产品的安全性能。然而在辊弯生产中使用先进高强度钢则出现了很多新的问题，面临一些挑战。由于先进高强度钢的多相结构以及它复杂的制造工艺，对于先进高强度钢材料特性的检测就需要新的技术，同一批生产出来的先进高强度钢也有很大的不协调性；由于先进高强度钢较高的强度和较低的成形性，在早期的辊弯生产中出现了很多断裂，需要对断裂进行分析；在成型过程中需要更大的压力，加工工具磨损很快，因此就需要考虑润滑剂，工具材料以及涂层的选择也需要慎重考虑。

先进高强度钢在辊弯生产中的问题给产品带来了很多缺陷，例如产品表面质量以及产品尺寸精确度的降低。先进高强度钢和普通高强度钢的根本区别在于它们的微观结构，这种结构使得先进高强度钢具有很高的强度，但是延展性却很低。这就需要在辊弯生产中对轧辊施加更大的压力，以及对于产品缺陷和回弹问题需要更多地关注解决。先进高强度钢在辊弯生产中的缺陷问题主要包括纵向弯曲和扭曲，边波，袋形波，角部褶皱，边角裂纹和撕裂，波纹板的非均匀回弹变形，以及切断后的张口。这些缺陷和质量问题主要受各种类型的变形影响，主要的变形有横向的拉伸以及弯曲，纵向的拉伸以及弯曲，沿着板材平面和厚度方向的剪切。在理想的辊弯生产中，能用到的变形仅有横向拉伸以及弯曲，因此就需要考虑对这些冗余应变的分析处理。