汽車縱梁輥壓柔性成形輥子驅動與調整方式探討

趙升噸，蔣 紅，葛靈嬌，李 宇，李靖祥

（西安交通大學 機械工程學院，陜西 西安 710049）

汽車縱梁均采用鋼板材質，板材厚度3mm～12mm，縱梁的橫截面為U形，縱梁的尺寸較長，幾乎與整車長度相當，且制造工藝極為復雜、制造成本較高。目前，載貨汽車縱梁制造工藝方法主要有整體折彎成形（傳統沖壓成形）和輥壓成形。

整體折彎成形工藝（傳統沖壓成形）采用大型壓力機或組合模具進行生產。這種工藝采用固定形狀的模具，柔性差，因折彎后彈性回復量不同造成折彎工藝調試過程復雜，且模具修復、調整困難。目前，國內最大的重載卡車的縱梁成形沖孔折彎設備噸位高達66000kN，設備造價高、模具費用大，維修使用成本高。

輥壓成形是一種連續成形方式，采用多道次輥彎工藝，使板材逐漸發生塑性變形，達到所需要的形狀。輥壓成形生產速度為10～30m/min，適用板材厚度為0.1mm～10mm，能成形直截面、變截面的產品[1]。縱梁輥壓成形過程靈活，能適應各種長度、多種板材，且能夠集成開槽、沖孔、壓花、折彎等多種工藝于一條生產線，因此屬于柔性成形工藝[2，3]。

縱梁采用高強鋼為原材料，符合汽車輕量化的原則，且能提高燃料利用率。高強鋼的成形性差，回彈嚴重，輥壓成形比傳統沖壓成形更容易控制回彈，成形質量更優，且成本低于傳統工藝[3，4，5]。

近年來，汽車市場需求量不斷增加，車型向多元化方向發展，生產車間向數字化和網絡化方向發展，使縱梁生產線不斷得到改進與優化，縱梁輥壓柔性成形工藝應運而生?？v梁輥壓柔性成形工藝提高了縱梁的成形質量，且能適應多規格、短周期的生產需求。國外一些公司對縱梁輥壓柔性成形生產線已有深入研究，例如意大利Stam公司開發的生產線，具有柔性化和自動化的優勢，已在美國的Metalsa、墨西哥的Metalsa以及比利時的Sadef等公司投入生產。國內對縱梁輥壓柔性成形生產線的研究較少，縱梁輥壓柔性成形生產線上一些關鍵技術還沒有完全掌握，正在逐步追趕國外技術，如東風公司引進多條Stam公司輥壓線，縱梁成形的質量穩定，生產效率高[6]；濟南鑄鍛所研發出多條汽車縱梁輥壓成形生產線，能夠加工厚度4mm～8mm的高強鋼板，可成形寬度220mm～320mm、高度45mm～100mm的U形梁。

在縱梁輥壓柔性成形生產線上，輥壓是主要的工藝過程，輥子的驅動、調整方式是輥壓過程的核心部分，因此有必要對輥子的驅動、調整方式進行探討。

1 輥壓線工藝過程

1.1 輥壓成形的原理和過程

輥壓成形（roll forming，又稱冷彎成形、輥彎成形），是通過順序配置的多道次具有特定輪廓型面的成型輥子,把卷材或單張板材逐漸地進行橫向彎曲,以制成特定斷面的金屬型材,成形原理圖如圖1所示[7]。

圖1 輥壓成形基本原理

1.2 輥壓線工藝

縱梁輥壓線生產工藝常包括：上料→開卷→校平（去毛刺）→去端頭→輥壓成形→定尺寸隨動切斷→自動下料。輥壓柔性成形生產線需要適應不同規格的汽車縱梁，輥壓線調整靈活、性能穩定、生產效率高，滿足柔性化生產需求。

2 輥子的驅動方式

縱梁輥壓線成形道次多，一般有十幾個機架，常用輥壓線機架的結構形式有兩種：標準式和雙端式。標準式機架的上下兩根輥軸采用雙端支撐，輥軸上安裝有輥子，由機架一側提供動力，如圖2[8]、圖3[9]所示；雙端式機架在左右兩側機架的上下懸臂軸上分別安裝輥子，雙端式機架具有共同的基礎和驅動，整體為對稱形式，雙端式機架可以一端固定，一端能移動調節，或兩端均可移動，如圖4[9]、圖5[8]所示。歸納而言，輥子驅動方式有以下幾種。

2.1 下輥子的驅動方式

圖2 標準式機架

圖3 標準式機架示意圖

圖4 雙端式機架示意圖

圖5 雙端式機架

輥壓線每道次機架均有上下輥軸，輥軸上均安裝有輥子，下輥子的驅動方式有齒輪箱和蝸輪蝸桿減速機兩種。以電機作為動力源，齒輪箱縱向通過聯軸器沿工件移動方向進行串聯，實現電機動力的傳遞。電機輸出軸通過聯軸器與齒輪箱輸入軸連接，齒輪箱橫向輸出軸通過萬向聯軸器與下輥子的輥軸相連，齒輪箱內部為錐齒輪傳動，通過電機帶動齒輪箱輸入軸旋轉，從而使下輥軸旋轉，即帶動下輥子旋轉，如圖6、圖7所示。

以蝸輪蝸桿減速機作為傳動元件時，蝸輪蝸桿減速機代替齒輪箱位置，蝸輪蝸桿減速機的蝸桿輸出軸通過聯軸器沿工件移動方向進行串聯，實現電機動力的傳遞。電機輸出軸通過聯軸器與蝸輪蝸桿減速機的蝸桿輸入軸連接，蝸輪蝸桿減速機的蝸輪輸出軸通過萬向聯軸器與下輥子的輥軸相連，通過電機帶動蝸輪蝸桿減速機工作，從而使下輥軸旋轉，即帶動下輥子旋轉，如圖8、圖9所示。

圖6 電機-齒輪箱-萬向聯軸器

圖7 萬向聯軸器實現下輥子驅動

圖8 蝸輪蝸桿傳動

圖9 蝸輪蝸桿-齒輪傳動

2.2 上輥子的驅動方式

上輥子采用無驅動或有驅動的工作方式。上輥子無驅動指的是上輥軸不采用外加動力源。在成形過程，如果上下軸均驅動且上下輥子具有大的圓周速度差時會使影響成形效果，此時選擇上輥子被動旋轉的方式，通過上輥子與工件的摩擦力帶動上輥子旋轉能夠順利完成成形[9]，如圖6、圖7所示。上輥子有驅動時，上輥軸進行主動旋轉，其驅動方式與下輥子的驅動方式相關，當下輥子為齒輪箱驅動時，可由齒輪箱輸出軸通過萬向聯軸器帶動，如圖10所示；當下輥子為蝸輪蝸桿減速機驅動時，可在上下輥子的轉軸上增加一對齒輪進行嚙合，由輥軸上的齒輪帶動，如圖9所示。公開號為US3251210的美國專利提到，利用齒輪減速器為兩個機架提供耦合驅動，由安裝在上輥軸46上的齒輪51與下輥軸23上的齒輪27進行嚙合，帶動上輥子47旋轉，如圖11所示[10]。公開號為EP0320465A2-A的歐洲專利，設計了一種由驅動機構30通過萬向聯軸器36、37驅動上輥子12、下輥子13旋轉的輥壓線，如圖12所示[11]。公開號為US14/438215的美國專利提到，上輥子還可由電機直接驅動，不使用任何減速器，如圖13所示[12]。

圖10 齒輪箱-萬向聯軸器

圖11 上下齒輪嚙合驅動上輥軸

圖12 電機-萬向聯軸器

圖13 電機直驅上輥子

2.3 兩種傳動方式的對比

齒輪箱與蝸輪蝸桿減速機傳動，均能將電機扭矩、轉速傳遞到各道次輥子，實現動力分配。主要區別在于，蝸輪蝸桿減速機的傳動比大、傳動平穩，但效率低；齒輪箱傳動效率高，結構緊湊，但振動、噪聲較大。

3 輥子的調整方式

輥壓線的核心工序是輥壓成形，輥子的驅動方式影響成形效率、速度，調整方式影響成形精度、產品規格變換的調整周期。在輥子、機架安裝及更換不同縱梁規格時，需要對輥子進行調整，以獲得合理的加工精度和更短的設備安裝、更換或調整時間。

3.1 輥子、機架安裝時調整方式

輥壓線機架的底座與安裝基座上有對應的定位裝置，能將機架準確定位在安裝基座上；調整機架的方式依據輥壓線結構而異，有的在機架底部安裝調整條、沿安裝基座縱向有定位槽，可用于安裝時調整機架位置，如圖14、圖15所示。

輥子安裝在機架上，需要調整輥子安裝位置，包括輥子的高度、水平位置、上下輥子的中心距，每個機架上方有可以進行手動調節的絲桿螺母副，用于調節輥子的高度及上下輥子的中心距，調整機架下方的調整條能改變輥子的橫向位置，影響每道次機架的橫向尺寸，如圖14所示。

圖14 機架底座調整條

圖15 輥壓線機架縱向定位槽

3.2 更換縱梁生產規格時輥子的調整方式

一條輥壓線，要求能夠適應多種規格的縱梁成形生產，當更換縱梁規格（包括高度、寬度、板厚、圓角半徑）時，能夠調整輥壓線，實現柔性成形。

對于標準式機架，下輥子位置固定，機架上安裝有絲桿螺母副，輥子中間有軸向對分隔片，用于更換縱梁規格時進行調整。當改變縱梁板厚時，需調整絲杠螺母副改變上輥子位置（電機驅動或手動調節），從而改變上下輥軸的中心距，一般標準式機架還有顯示上輥軸位置的垂直刻度尺和測微刻度環，如圖16[9]所示；當改變縱梁寬度時，需要停機調整每個輥子間的軸向對分隔片，改變輥子的長度。當改變成形圓角時，需停機安裝對分式新圓角輥子[8]。

圖16 標準式機架上測量上輥軸位置的儀表

如圖17所示，采用電機或者手動驅動蝸桿18，進而驅動蝸輪17，帶動調節螺母15旋轉，實現螺絲21升降，即可實現上下輥軸的中心距調整；輥子調整時用專用扳手手動旋轉機架操作端輥軸上的鎖緊調節螺母12，螺母12軸向移動推動隔套10、軸承9內圈、隔套8軸向移動，使輥軸上的輥片及定位套5等向定位面24移動，從而達到輥子軸向夾緊與調節的目的；通過改變分離定位套4的數目，實現對不同縱梁寬度的成形，通過以上各調節裝置實現縱梁生產品種的更換[13]。

圖17 標準式機架結構

標準式機架結構簡單、經濟實用，適合單一規格批量生產，通過調換輥模的軸向隔片，可少量適應縱梁腹寬的變化要求，但調換時間較長，會降低生產率，設備總體柔性化程度低[8]。

對于雙端式機架，下輥子的高度固定，用齒輪箱、絲桿、螺母實現更換縱梁規格時的調整。當改變縱梁的寬度時，通過調節左右機架電機，帶動齒輪箱，驅動絲杠螺母副，調整機架的橫向位置（整體橫向開度），且左右機架安裝有同步裝置，能夠保證對中調整；當改變縱梁板厚時，調節機架上方的電機，帶動齒輪箱，驅動絲杠螺母副，調整上輥子的高度，進而改變上下懸臂輥軸的中心距[14]，如圖5、圖18所示。

圖18 雙端式機架生產線俯視圖

另外，也可以使用蝸輪蝸桿進行調節。當縱梁寬度變化時，利用直流調速電動機驅動蝸輪、蝸桿，來調節機架的橫向開度，改變兩端機架相對懸臂輥子的距離，采用蝸輪副自鎖、電動機抱閘和液壓進行鎖緊；兩組機座上對稱安裝的減速箱，由多組花鍵軸套橫向聯接，實現了全部懸臂輥軸的同步轉動；當縱梁板厚發生變化時，通過調節上下懸臂輥軸上的變位齒輪來改變上下懸臂輥軸的中心距，以生產不同厚度的縱梁[8]。

雙端式機架應對縱梁腹寬、板厚的變化，能實現快速調整，自動化程度高，較標準式機架顯著提高了生產效率和使用柔性。

3.3 校正裝置輥子的調整方式

校正裝置由機架、兩組上下平輥（水平放置）、兩組左右立輥（豎直放置）、兩組偏轉調整機構組成，用來調整縱梁腹面、翼面的直線度和整根縱梁的扭曲度[8]，可由電機（液壓缸或氣缸）、齒輪箱、絲杠螺母副進行驅動、調節其位置。

4 結論

對于輥子的驅動、調整方式有以下結論：

（1）輥子驅動方式一般為通過電機驅動減速器（齒輪箱或者蝸輪蝸桿減速機），進而通過萬向聯軸器等連接裝置驅動上下輥子旋轉，有的輥壓線對上輥子采用不驅動的方式；

（2）安裝輥子時的調整方式，通過調整條、定位槽等結構定位機架的位置，輥子可通過機架上的絲杠螺母副調整輥子的位置；

（3）更換縱梁尺寸規格時，標準式機架的輥子調整通過軸向對分隔片（或其他分隔裝置）、絲杠螺母副等裝置；雙端式機架的輥子調整通過齒輪箱、絲杠螺母副或者蝸輪蝸桿、變位齒輪等裝置；

（4）校正裝置輥子的調整方式通過電機（液壓缸或氣缸）、齒輪箱、絲杠螺母副進行調節。

縱梁輥壓線正在大量投入生產應用。其中，輥子的驅動、調整方式是縱梁輥壓線的核心技術之一，對生產效率及成形質量影響極大，縱梁的輥壓柔性成形工藝將在汽車縱梁的生產車間發揮巨大的作用。為了增強企業競爭力，這一新的成形方式將成為國內縱梁生產工藝的發展趨勢。因此，對輥子的驅動、調整方式進行更深入的研究很有必要。

[1]Lindgren M，Edberg J，Lindgren L E.Roll Forming[M]//Handbook of Manufacturing Engineering and Technology.Springer London，2015：286.

[2] Kacar I，Ozturk F.Roll forming applications for automotive industry[C]//OTEKON，the 7th Automotive Technologies Congress.2014：26-27.

[3] Sweeney K，Grunewald U.The application of roll forming for automotive structural parts[J].Journal of Materials Processing Technology，2003，132（1）：9-15.

[4]Kim D，Cha M H，Kang Y S.Development of the Bus Frame by Flexible Roll Forming[J].Procedia Engineering，2017，183：11-16.

[5] Samek L，Krizan D.Steel-material of choice for automotive lightweight applications[J].Metal Review，2012：1-6.

[6] 李紹民，刁照云.基于重型汽車車架制造技術的研究[J].重型汽車，2014，（3）：12-14.

[7] 王雙枝，楊誼麗，朱梅云.輥壓成形工藝研究及在汽車行業中的應用[J].金屬加工（熱加工）：2016，（17）：10-13.

[8] 宋擁政.載貨汽車縱梁新型沖壓生產線[J].金屬加工（熱加工），2011，（7）：6-11.

[9] George T.Halmos.Roll forming handbook [M].CRC Press，2005：P2-5，P2-10，P2-27.

[10] Werntz CW，Ferguson，Mo et al.Roll forming machines：U.S.Patent 3，251，210[P].1966-5-17.

[11] Chezzi， Aleardo.A roll forming machine： European Patent Application 0，320，465A2[P].1989-06-14.

[12] Li Q，Yang Z，Guan Y，et al.Flexible roll-die forming machine for variable cross-section parts：U.S.Patent Application 14/438，215[P].2014-5-19.

[13] 楊毅勇，蘇相三，劉玉章.高強度汽車縱梁冷彎成形工藝及模具的柔性化研制[J]. 鍛壓裝備與制造技術，2010，45（3）：43-45.

[14] 祁三中.重型車車架縱梁加工工藝技術研究與應用[J].裝備維修技術，2010，（3）：47-53.