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    冷弯型钢在板材深加工中的应用

    引言冷弯型钢是一种经济断面型材。由于其本身具有断面均匀、产品质量高、能源消耗低和经济效益高等优点,已被广泛应用于汽车、航空、建筑等行业,逐渐成为板材深加工的主要生产方式。冷弯成形泛指将金属板材或带材通...


    引言

    冷弯型钢是一种经济断面型材。由于其本身具有断面均匀、产品质量高、能源消耗低和经济效益高等优点,已被广泛应用于汽车、航空、建筑等行业,逐渐成为板材深加工的主要生产方式。冷弯成形泛指将金属板材或带材通过连续辊式弯曲方法获得各种开口、闭口、宽幅断面金属型材的技术。采用冷弯成形技术生产的冷弯型钢可通过改变型材断面形状的方法,用相对较少的钢材承受更大的外载荷,是一种重要的经济断面高效钢材。冷弯型钢开拓了主要借助优化截面形状,而不单纯依赖增加材料用量及改善材料性能来提高材料利用率的新途径,这对于节约能源和资源具有十分重要的意义,特别是对于我国这样一个发展中国家而言,重视冷弯型钢这种经济断面高效钢材的开发、推广及应用,显得尤为重要。近年来,冷弯型钢行业发展迅速,已从钢铁深加工的一个门类,发展成为钢铁深加工产品升级换代的重要阶梯。中国冷弯型钢产业已经成为一个产值数千亿元、从业人员超百万、产品基本涵盖国民经济各领域的重要行业。

    冷弯型钢的种类和优点

    辊压成形(Roll forming,又称冷弯成形)是通过顺序配置的多道次成形轧辊,把卷材或带材等金属板带不断地进行横向弯曲,制成特定断面的型材,其原理如图1所示。



    图1辊压成形基本原理

    冷弯型钢品种繁多,根据截面结构的不同可以分为开口和闭口两种类型,如图2所示。开口冷弯型钢加工难度比较低,易于成形,其种类主要包括各种角钢、槽钢及Z型钢等。闭口冷弯型钢的加工难度比较大,主要包括各种形状的空心型钢以及焊接管等。根据尺寸规格又可分为大、中、小型以及宽幅冷弯型钢。大型冷弯型钢一般是指板厚4~16mm,带坯宽度为300~1200mm;中型冷弯型钢板厚2~5mm,带坯宽度为100~450mm;小型冷弯型钢板厚0.5~3mm,带坯宽度为30~200mm;宽幅冷弯型钢板厚0.6~12mm,带坯宽度为700~1600mm。

    图2 开口和闭口冷弯型钢

    与传统冲压成形相比,辊压成形工艺具有如下优点:

    1)设备投资少,生产效率高,适合大批量生产,成形速度可达90m/min,制造成本大幅降低;

    2)加工产品的长度基本不受限制,可连续生产;

    3)制件回弹控制方便,产品表面质量好,尺寸精度高,特别适合于高强钢成形;

    4)材料利用率高,与冲压工艺相比,能够节约材料15%~30%。

    冷弯型钢是一种经济断面型材,具有断面形状合理,型钢种类丰富,材质多样化,表面质量好、形位公差低、产品尺寸可灵活调整,与冲孔、焊接等联合起来,进行深加工,使产品实现零件化、结构化,能量消耗低等许多优点,在国民经济的各个行业都得到了广泛的应用,具有广阔的市场发展空间。

    国内外生产现状

    英、日、美、德等发达国家对冷弯型钢的生产与应用都非常重视,冷弯型钢的发展要远早于我国,其生产规模、品种、应用范围、产品质量、尺寸精度都达到了一个很高的水平。目前,国外冷弯型钢生产有以下几个特点:

    ⑴产品生产规模、品种和应用范围日益扩大。

    ⑵大量采用新技术、新工艺。冷弯成形与冲压、压花、轧边等工艺组成的联合生产线,使产品更加接近零部件的要求。

    ⑶冷弯成形设备生产高速化。目前,法国麦克公司已拥有了成形速度高达1.5m/s的机组,并正在制造2m/s的高效机组。

    ⑷以冷弯成形计算机孔型设计技术为中心的研究与开发正在逐步深入和扩大。

    截至目前,我国共有一千多条冷弯型钢生产线,生产能力达到每年1500万吨,产品3000多种,钢种已从单一的普碳钢向不锈钢、高强钢、耐火钢、耐候钢、复合钢发展。近十年来,我国冷弯型钢产量的年增长速度接近30%,冷弯型钢生产企业集中分布在长三角、珠三角和环渤海地区。冷弯型钢产品主要应用于公路建设、钢结构、汽车制造、集装箱、铁道车辆、钢模板与脚手架、桥梁、电器柜、悬挂输送机、电缆桥架、货架、电梯导轨、龙骨钢、蔬菜大棚、农业机械、谷物仓储、家具及防火设备等方面,涉及国民经济95个行业的许多领域。我国的辊压成形技术与世界水平尚存不少差距,美国、日本和德国在辊压成形技术方面走在世界的前列,其在线冲孔、焊接、切割及提出的柔性生产线都具有代表性。我国冷弯装备制造技术需要尽快赶上国际的步伐,以满足冷弯产品生产企业对装备技术的需求。国外的冷弯产品多达近3万种,材质多元化,合金钢种占50%~70%,冷弯型钢产量占钢材总产量的比例一般为10%,产品除民用外,还有军工类产品也有用辊压件。目前我国冷弯型钢品种规格较少,约3000种,材质以普碳钢为主,全部冷弯型钢产量约占钢材总量的4%左右,与世界各国相比差距很大,由此可见,我国冷弯型钢发展仍有很大空间。

    冷弯型钢成形技术

    冷弯型钢因其良好的承载性能、较高的产品质量以及较低的生产成本在国民经济中的绝大多数行业都得到了大量的应用。近年来,项目组与国内外企业合作,在汽车、轨道交通、集装箱和公路桥涵等领域,开发了50余种冷弯型钢产品,建设了25条冷弯型钢生产线,并与多家设备制造企业建立了长期业务关系。项目组与长春轨道客车合作,建立了常用辊压板材性能数据库,该数据库包含SUS301L-ST、SUS301L-HT、SUS301L-DLT、太钢00Cr12Ni、05CuPCrNi、09CuPCrNi、08F、Q235、Q345、DL610等材料各项机械性能,该数据库的建立,为辊压工艺的开发和有限元数值模拟研究奠定了基础。下面简要介绍冷弯型钢在典型行业中的应用。

    冷弯型钢在汽车行业中的应用

    汽车行业是冷弯型钢产品的最主要用户之一。近年来我国汽车产业发展迅猛,尤其是乘用车领域更是直线增长,冷弯型钢的需求量很大。下面就项目组在汽车行业开发的几种典型冷弯型钢产品作以介绍。

    ⑴卡车车架纵梁、车厢边板及车厢附件。

    国外的知名商用车生产厂,如沃尔沃、奔驰、斯堪尼亚等,早在上世纪80年代已广泛采用辊压工艺生产重型商用车车架纵梁及加强梁,东风汽车公司在2000年开始引进此工艺生产重型商用车车架纵梁,是国内第一家采用此工艺的厂家,目前我国多家主机厂从国外引进了生产线。

    项目组与福田汽车合作,为福田长沙厂、诸城厂共建设了4条冷弯型钢生产线,生产车架纵梁和车厢边板。实现了一套模具生产18个品种纵梁(板厚4~8mm,宽度160mm~284mm),一套模具生产8个品种边板(板厚2~6mm,宽度400mm~1410mm),产品材质涉及Q345、510L、590L、610L、750L等及抗拉强度σb≤900MPa的平板/卷料,为企业节省了大量模具投入,节省了模具更换和调试时间,提高了生产效率,产品如图3所示。

    (a)车厢边板

    (b)车架纵梁

    图3 福田汽车冷弯型钢产品

    项目组与力丰集团合作,开发了60吨载重汽车纵梁和山东华泰挂车车厢全系列冷弯型钢产品,板材材质为Q235、Q345、510L、590L、610L、750L等,如图4所示。

    (a)60T载重车纵梁

    (b)车厢附件

    图4 山东华泰冷弯型钢产品

    ⑵轿车高强钢辊压工艺。

    采用高强度钢代替普通强度钢,是汽车轻量化最有效的手段之一。对于汽车安全部件,如保险杠防撞梁、车门防撞梁、前门槛加强板等产品,欧美新型轿车已普遍采用高强度双相钢板制作,但国内汽车还基本上用普碳钢制作。因此,国产轿车在整车质量和安全性能方面还远远落后于国际水平。

    高强钢的应用是汽车轻量化发展趋势。通过相变强化组织结构生产的超高强度(500~1500MPa)钢,虽然化学成分与普碳钢类似,但却具有数倍于普碳钢的强度、良好的碰撞吸收性能。高强度钢辊压成形的核心技术为回弹的预测与控制。众所周知,高强度钢在室温下变形能力很差,回弹严重,材料塑性降低,冷冲压成形技术难以加工高强度钢。由于辊压成形的渐进变形特点,辊压成形技术可以解决高强度钢成形后易出现裂纹的难题。本文利用MARC有限元模拟分析了超高强度钢DP1180HY回弹变形规律,如图5所示。对比分析了Q235与DP1180HY的回弹量值,如图6所示。

    图5 相对弯曲半径对回弹的影响

    图6 Q235与DP1180HY的回弹量值

    项目组与企业合作,开发了荣威轿车前后防撞梁,该生产线集成了冲孔、冷弯成形、在线焊接、在线弯曲和定尺切断功能,属国内冷弯行业自动化程度较高的生产线之一。其中荣威550采用了宝钢产的B500LA材料,荣威750采用了DP860材料,如图7所示。

    (a)550前防撞梁

    (b)750防撞梁

    图7 荣威轿车防撞梁

    项目组与企业合作,开发了标志B81轿车门槛加强板和车门防撞梁产品,采用超高强度钢DP1180HY为原料,产品如图8所示。

     (a)轿车车门防撞梁

    (b)门槛加强板

    图8 标志B81轿车高强度钢辊压产品

    冷弯型钢在集装箱行业的应用

    集装箱行业是冷弯型钢产品的最主要用户之一,也是板材消耗量最大的行业之一。目前世界上80~90%的海运集装箱在我国生产,仅中集集团2013年产量达到了10272.5万立方米。世界海运巨头马士基集团也在我国建立了两家集装箱生产基地。国内铁路集装箱行业刚刚起步,产量较低,还没有形成规模化生产,但具有很好的发展前景。

    项目组与力丰集团合作,为青岛马士基和智利马士基共建设了8条专业全自动生产线,生产线集冲孔、焊接、去毛刺、冷弯成形、喷砂、切断和自动堆料于一体,生产速度为18m/min,24h不间断生产,产品更换时间为30min。生产线如图9所示。

    项目组与力丰集团合作,为中集集团开发了热箱侧板专业生产线,该生产线运行速度为36m/min,产品如图10所示。

     图9 马士基冷弯成形生产线

    图10 中集热箱侧板

    冷弯型钢在波纹钢板管涵行业的应用

    在国外发达国家和地区,金属波纹钢板管涵广泛应用在铁路、公路、港口、机场、矿山、城市给排水、水利、农田、仓储等建设领域。百年的生产和使用经验表明,金属波纹钢板管涵是一种经济适用、高效节能、环境友好的新型建筑材料,是混凝土管、铸铁管、PE管的替代品,它的使用不仅可以降低建设和施工成本,而且可以提高工程抗震、抗地形压力能力,提高建筑物的使用寿命,目前在世界上其他国家获得广泛应用。我国金属波纹钢板管涵的使用在早期也有涉及,但是由于各种原因,现在还处于起步阶段,目前只是在公路工程中应用较广。实践证明,金属波纹钢板管涵在我国的市政、交通、农业、环保等诸多领域还将有较大的应用空间,为此,冷弯型钢协会成立了“波纹钢板管涵专业委员会”,大力促进该行业的健康发展。目前我国钢铁工业产能严重过剩,尤其是板卷材,该行业的大力发展必将成为解决产能过剩的有效途径。

    项目组与企业合作,先后开发了55mm、110mm和140mm深金属波纹钢板管涵,利用一套模具,分别成形了3~5种不同板厚金属波纹钢板产品,如图11所示。目前该项研究处于国内领先水平。

    图11 金属波纹钢板管涵

    结束语

    冷弯型钢作为一种经济断面型材,具有重量轻、强度高、钢材利用率高及绿色环保等优点,是国家大力推广应用的新型高效经济材料。“十二五”时期,是国家加快转变经济发展方式,调整产业结构的重要时期。冷弯型钢行业将着重突出钢材深加工功能,重点发展产量、产值和比重在行业中地位突出的钢结构、汽车工业、金属波纹钢等的潜在市场和自主创新技术,使我国冷弯型钢产业在国内外占据重要地位,真正成为战略型新兴产业。从国外对冷弯型钢的应用程度来看,冷弯型钢在我国拥有广阔的发展空间,冷弯型钢行业必将走向快速发展的战略机遇时期。



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