王健 王順紅

[摘? ? 要 ] 本文簡(jiǎn)要介紹了滾彎成形的定義、成形原理、工藝特點(diǎn)、缺陷及設(shè)備情況，著重說明了滾彎工藝參數(shù)ρ min影響因素和參考數(shù)值，同時(shí)闡釋了缺陷產(chǎn)生機(jī)理，為擠壓型材類零件滾彎成形提供借鑒。

[關(guān)鍵詞]滾彎;工藝特點(diǎn);缺陷

[中圖分類號(hào)]TG306 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2020）09–00–03

[Abstract]This paper briefly introduces the definition， forming principle， process characteristics， defects and equipment of roll bending forming. It focuses on the influencing factors and reference values of roll bending process parameter ρ min， and explains the mechanism of defects， which provides reference for roll bending of extruded profile parts.

[Keywords]roll bending; process characteristics; defects

1 定義

滾彎成形即擠壓型材在滾軸的作用力和摩擦力的作用下，向前推進(jìn)并產(chǎn)生彎曲變形的成形過程。滾彎是成型等截面型材的通用方法，在型材的成型中被廣泛采用。本文通過對(duì)滾彎成形原理和成形設(shè)備的分析，研究擠壓型材滾彎成形工藝方法和工藝參數(shù)，為型材滾彎加工提供借鑒。

2 滾彎成形原理

2.1 彎曲變形

塑性變形模型：滾彎的實(shí)質(zhì)就是連續(xù)不斷的壓彎，即通過旋轉(zhuǎn)的滾輪，使型材在滾輪的作用力和摩擦力的作用下，自動(dòng)向前推進(jìn)并產(chǎn)生彎曲。

2.2 三點(diǎn)定圓

型材經(jīng)滾彎后所得的曲度取決于滾輪的相對(duì)位置、型材的截面和力學(xué)性能。型材毛料與滾輪相對(duì)位置如圖1所示，接觸點(diǎn)分別為a、b、c三點(diǎn)，滾輪之間的相對(duì)距離H和B都是變數(shù)，可以任意調(diào)整，以適應(yīng)零件曲度的需要。由于型材的回彈量事先難于計(jì)算確定，實(shí)際生產(chǎn)中，大都采取試滾的方法，即憑經(jīng)驗(yàn)大體調(diào)好滾輪的位置后，逐漸增加直到合乎要求的曲度為止。

3 滾彎成形工藝特點(diǎn)分析

（1）不同種類，不同規(guī)格的型材物性參數(shù)不同，成形性分析困難。

（2）變形特點(diǎn)復(fù)雜：坯料為型材，截面為空間狀態(tài)，不同于板料的平面狀態(tài)。目前成形理論均是針對(duì)平面板料的成形變形研究建立。

（3）滾彎成形關(guān)鍵工藝參數(shù)：ρmin。

影響因素：

①材料類別——機(jī)械性能不同：鋼，鋁。

②型材截面特性——抗彎模量，失穩(wěn)特性不同：Z型材，工字型材，角材，T形型材，方型材等。

③截面幾何尺寸——ρmin。

經(jīng)過查閱相關(guān)資料，并參考比較成熟的型材拉彎技術(shù)數(shù)據(jù)（ρmin=4～6倍H），按經(jīng)驗(yàn)，其關(guān)系為一分段函數(shù)：

4 工裝設(shè)計(jì)——滾輪

通常滾輪分為片式和整體式兩種，如圖2所示。

滾輪是與零件直接接觸的成形工具，其結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到最終零件成形質(zhì)量。其設(shè)計(jì)原則如下：

①滾輪的截面形狀必須符合型材截面且表面要光滑。型材內(nèi)邊緣與滾輪之間合理間隙值選取范圍為0.1～0.2 mm。

②應(yīng)適當(dāng)增大上、下導(dǎo)輪的直徑，以使型材和導(dǎo)輪間具有較長(zhǎng)的接觸面積，改善型材在導(dǎo)輪間的支持狀況。

③應(yīng)盡量減少彎曲輪和導(dǎo)向輪之間的中心距，以便縮短型材在其間的懸空段長(zhǎng)度。

④對(duì)于一些薄板制型材R部分容易產(chǎn)生塌陷的零件，曲率較大已產(chǎn)生扭翹的零件滾輪宜采用整體結(jié)構(gòu)。

5 成形設(shè)備

VPR-9-spec-CNC-4數(shù)控四軸滾彎?rùn)C(jī)（圖3）是由瑞典制造的適用于多種等截面薄壁型材滾彎成形的設(shè)備，其主輪的的運(yùn)動(dòng)由液壓馬達(dá)提供，比較平穩(wěn)，側(cè)輪動(dòng)力由兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)提供，定位準(zhǔn)確。它可以切換成兩種不同的模式，在機(jī)床1模式下，可以成形一些雙曲度帶扭轉(zhuǎn)的三維零件。在機(jī)床2模式下與XG-4型材滾彎?rùn)C(jī)相似。該滾彎?rùn)C(jī)可以手工控制滾彎，也可以通過編程的方式控制滾彎。無論在那種情況下，機(jī)器都要進(jìn)行自檢復(fù)位。

VPR-9-spec-CNC-4滾彎?rùn)C(jī)采用片狀組合滾輪，在加工某種截面的型材時(shí)，可根據(jù)型材的截面組合成型用滾輪，這不但提高滾輪的利用率，還可以大大降低滾輪的加工難度，縮短滾輪的制造周期。不過，對(duì)于槽形很深的板制型材零件或者截面半徑較大的零件，由于零件的R根部懸空，R處得不到支持，因而會(huì)產(chǎn)生R根部塌陷，

對(duì)于半徑大或截面簡(jiǎn)單的板制型材零件可根據(jù)斷面尺寸做好滾輪，可由平板料直接滾成。對(duì)斷面轉(zhuǎn)角半徑很小或槽形很深的零件，直接用滾壓的方法很難滾成，可先在折彎?rùn)C(jī)上用彎曲模壓出斷面形狀，然后再滾制出曲度。

由于側(cè)輪的動(dòng)力由步進(jìn)電機(jī)通過蝸輪、蝸桿提供，動(dòng)力較小，不能成形較大較厚的型材。

6 滾彎成形的主要缺陷

經(jīng)滾彎成形的型材零件，質(zhì)量問題較多，例如回彈、扭翹、剖面畸變、邊面不平和塌角等，此外，型材兩端的直線段還需用其它補(bǔ)充方法進(jìn)行彎曲。因此，滾彎后的零件還需要作進(jìn)一步的修整才能達(dá)到最終要求。其主要問題如下：

6.1 扭翹

扭翹是滾輪作用力未能通過形心所引起的。例如，滾彎等邊角材，將作用在型材底邊上的力P沿x、y主慣性軸分解為Px與Py，因等邊角材的主慣性軸與底面呈45°，所以Px=Py，但是型材剖面的慣性力矩Ix不等于Iy，兩個(gè)方向上產(chǎn)生的撓度就不可能相等。由于彎曲后形心C點(diǎn)向最小慣性軸側(cè)轉(zhuǎn)移至C'點(diǎn)，于是P與C'點(diǎn)間產(chǎn)生力矩，型材必然出現(xiàn)扭翹。此時(shí)，內(nèi)彎型材與外彎型材的扭翹方向正好相反。為克服此缺點(diǎn)，對(duì)可焊金屬常用暫焊點(diǎn)將左右兩角材背靠背的合為一體，同時(shí)進(jìn)行滾彎。對(duì)不可焊金屬，也可以利用弓形夾將兩角材夾在一起進(jìn)行滾彎。有些板制型材，其截面不對(duì)稱，可考慮閘制型材時(shí)將左右件連在一起，成型完后由中間分開。或者利用VPR-9-spec-CNC-4滾彎?rùn)C(jī)的扭曲及側(cè)彎的功能給其使以反方向的扭矩和推力。

6.2 夾角改變與邊面不平

仍以滾彎角材為例，如圖4所示，當(dāng)滾輪作用在型材底邊上的力不通過形心時(shí)，必然出現(xiàn)一個(gè)力矩P，對(duì)內(nèi)彎型材，此力矩使夾角減小，外彎型材時(shí)則增大。在型材垂直邊無支撐情況下，即型材脫離滾輪之后，直邊為了減小其承受的拉應(yīng)力，會(huì)向外側(cè)傾倒，以減少其最外層纖維的長(zhǎng)度，這樣，也將引起夾角改變。對(duì)于彎角處剛度較大的擠壓型材，夾角的改變還會(huì)引起邊面的不平?？朔霓k法是設(shè)法將左右兩件角材合并成一體，以改變形心的位置和加強(qiáng)直邊的穩(wěn)定性。

6.3 塌角及塌陷

滾彎曲率半徑較小的擠壓型材時(shí)，型材的底邊受有較大的摩擦力，阻止了邊緣向?qū)捪蚴湛s（泊松比效應(yīng)），只好從摩擦力較小的角處拉走材料，于是出現(xiàn)了塌角現(xiàn)象（如圖5c所示）。解決的辦法是采用高效潤(rùn)滑劑以減小摩擦力，使邊緣材料能自由收縮;或在滾輪槽間加墊板，迫使壓縮區(qū)多余的材料向下流動(dòng)，以補(bǔ)充拉伸區(qū)所缺的材料。

對(duì)于工字及中空型材，由于材料懸空，零件的外部材料要拉伸變長(zhǎng)，為抗此變形，外部材料會(huì)在無支撐的地方變小彎曲半徑形成塌陷;而內(nèi)部材料要收縮變形，多余的料會(huì)形成波形塌陷（如圖5a、5b所示）。解決辦法就是對(duì)材料懸空部分進(jìn)行填充，通常對(duì)于封閉截面可以填充沙子、芯棒、低熔點(diǎn)合金等，對(duì)于非封閉截面零件可用鋁條，橡膠條等。

6.4 回彈

滾彎成型的零件回彈較大，而影響回彈的因素很多，所以很難通過計(jì)算補(bǔ)償量來補(bǔ)償，一般可以根據(jù)一些塑性理論及經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行初步計(jì)算，然后通過試滾來獲得最終的補(bǔ)償量。因此滾彎的生產(chǎn)率較低，一般須經(jīng)過反復(fù)滾彎才能獲得所需的曲度。

7 結(jié)束語

經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)證明，滾彎零件與樣板外形仍有一定誤差。按試驗(yàn)的情況看，變弧度數(shù)控滾彎技術(shù)異常復(fù)雜，其滾彎調(diào)試過程受制于機(jī)床控制系統(tǒng)的陳舊變得十分繁瑣而漫長(zhǎng)，一項(xiàng)零件的試驗(yàn)完成需要程序人員和工人累月的參數(shù)匹配，定制程序需要相當(dāng)?shù)臅r(shí)間和試驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李瀧杲.金屬板料成形有限元模擬基礎(chǔ)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[2] 《航空制造工程手冊(cè)》總編委會(huì).飛機(jī)鈑金工藝[M].北京：航空工業(yè)出版社，1992.

[3] 唐鼎，張卿卿，方文利，等.基于空洞演化理論的擠壓焊合描述模型[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014（22）：34-41.

[4] 趙國群，陳良，喻俊荃.鋁合金型材分流模擠壓過程焊合行為的研究進(jìn)展[J].鍛壓技術(shù)，2018（7）：49-55.

[5] 曾文浩，魏剛，鄧小亮，等.焊合角和焊合室深度對(duì)復(fù)雜懸臂空心鋁型材擠壓成形質(zhì)量的影響[J].鍛壓技術(shù)，2017（6）：92-100.