汽車縱梁輥壓柔性成形輥子驅(qū)動與調(diào)整方式探討

趙升噸，蔣 紅，葛靈嬌，李 宇，李靖祥

（西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

汽車縱梁均采用鋼板材質(zhì)，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(dāng)，且制造工藝極為復(fù)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(tǒng)沖壓成形）和輥壓成形。

整體折彎成形工藝（傳統(tǒng)沖壓成形）采用大型壓力機(jī)或組合模具進(jìn)行生產(chǎn)。這種工藝采用固定形狀的模具，柔性差，因折彎后彈性回復(fù)量不同造成折彎工藝調(diào)試過程復(fù)雜，且模具修復(fù)、調(diào)整困難。目前，國內(nèi)最大的重載卡車的縱梁成形沖孔折彎設(shè)備噸位高達(dá)66000kN，設(shè)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(xù)成形方式，采用多道次輥彎工藝，使板材逐漸發(fā)生塑性變形，達(dá)到所需要的形狀。輥壓成形生產(chǎn)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(chǎn)品[1]?？v梁輥壓成形過程靈活，能適應(yīng)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(chǎn)線，因此屬于柔性成形工藝[2，3]。

縱梁采用高強(qiáng)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(qiáng)鋼的成形性差，回彈嚴(yán)重，輥壓成形比傳統(tǒng)沖壓成形更容易控制回彈，成形質(zhì)量更優(yōu)，且成本低于傳統(tǒng)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(fā)展，生產(chǎn)車間向數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，使縱梁生產(chǎn)線不斷得到改進(jìn)與優(yōu)化，縱梁輥壓柔性成形工藝應(yīng)運而生?？v梁輥壓柔性成形工藝提高了縱梁的成形質(zhì)量，且能適應(yīng)多規(guī)格、短周期的生產(chǎn)需求。國外一些公司對縱梁輥壓柔性成形生產(chǎn)線已有深入研究，例如意大利Stam公司開發(fā)的生產(chǎn)線，具有柔性化和自動化的優(yōu)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(chǎn)。國內(nèi)對縱梁輥壓柔性成形生產(chǎn)線的研究較少，縱梁輥壓柔性成形生產(chǎn)線上一些關(guān)鍵技術(shù)還沒有完全掌握，正在逐步追趕國外技術(shù)，如東風(fēng)公司引進(jìn)多條Stam公司輥壓線，縱梁成形的質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高[6]；濟(jì)南鑄鍛所研發(fā)出多條汽車縱梁輥壓成形生產(chǎn)線，能夠加工厚度4mm～8mm的高強(qiáng)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(chǎn)線上，輥壓是主要的工藝過程，輥子的驅(qū)動、調(diào)整方式是輥壓過程的核心部分，因此有必要對輥子的驅(qū)動、調(diào)整方式進(jìn)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(jìn)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(chǎn)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(chǎn)線需要適應(yīng)不同規(guī)格的汽車縱梁，輥壓線調(diào)整靈活、性能穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高，滿足柔性化生產(chǎn)需求。

2 輥子的驅(qū)動方式

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

2.1 下輥子的驅(qū)動方式

圖2 標(biāo)準(zhǔn)式機(jī)架

圖3 標(biāo)準(zhǔn)式機(jī)架示意圖

圖4 雙端式機(jī)架示意圖

圖5 雙端式機(jī)架

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

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

圖6 電機(jī)-齒輪箱-萬向聯(lián)軸器

圖7 萬向聯(lián)軸器實現(xiàn)下輥子驅(qū)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(qū)動方式

上輥子采用無驅(qū)動或有驅(qū)動的工作方式。上輥子無驅(qū)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(qū)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(zhuǎn)的方式，通過上輥子與工件的摩擦力帶動上輥子旋轉(zhuǎn)能夠順利完成成形[9]，如圖6、圖7所示。上輥子有驅(qū)動時，上輥軸進(jìn)行主動旋轉(zhuǎn)，其驅(qū)動方式與下輥子的驅(qū)動方式相關(guān)，當(dāng)下輥子為齒輪箱驅(qū)動時，可由齒輪箱輸出軸通過萬向聯(lián)軸器帶動，如圖10所示；當(dāng)下輥子為蝸輪蝸桿減速機(jī)驅(qū)動時，可在上下輥子的轉(zhuǎn)軸上增加一對齒輪進(jìn)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(jī)架提供耦合驅(qū)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(jìn)行嚙合，帶動上輥子47旋轉(zhuǎn)，如圖11所示[10]。公開號為EP0320465A2-A的歐洲專利，設(shè)計了一種由驅(qū)動機(jī)構(gòu)30通過萬向聯(lián)軸器36、37驅(qū)動上輥子12、下輥子13旋轉(zhuǎn)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(jī)直接驅(qū)動，不使用任何減速器，如圖13所示[12]。

圖10 齒輪箱-萬向聯(lián)軸器

圖11 上下齒輪嚙合驅(qū)動上輥軸

圖12 電機(jī)-萬向聯(lián)軸器

圖13 電機(jī)直驅(qū)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(jī)傳動，均能將電機(jī)扭矩、轉(zhuǎn)速傳遞到各道次輥子，實現(xiàn)動力分配。主要區(qū)別在于，蝸輪蝸桿減速機(jī)的傳動比大、傳動平穩(wěn)，但效率低；齒輪箱傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，但振動、噪聲較大。

3 輥子的調(diào)整方式

輥壓線的核心工序是輥壓成形，輥子的驅(qū)動方式影響成形效率、速度，調(diào)整方式影響成形精度、產(chǎn)品規(guī)格變換的調(diào)整周期。在輥子、機(jī)架安裝及更換不同縱梁規(guī)格時，需要對輥子進(jìn)行調(diào)整，以獲得合理的加工精度和更短的設(shè)備安裝、更換或調(diào)整時間。

3.1 輥子、機(jī)架安裝時調(diào)整方式

輥壓線機(jī)架的底座與安裝基座上有對應(yīng)的定位裝置，能將機(jī)架準(zhǔn)確定位在安裝基座上；調(diào)整機(jī)架的方式依據(jù)輥壓線結(jié)構(gòu)而異，有的在機(jī)架底部安裝調(diào)整條、沿安裝基座縱向有定位槽，可用于安裝時調(diào)整機(jī)架位置，如圖14、圖15所示。

輥子安裝在機(jī)架上，需要調(diào)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(jī)架上方有可以進(jìn)行手動調(diào)節(jié)的絲桿螺母副，用于調(diào)節(jié)輥子的高度及上下輥子的中心距，調(diào)整機(jī)架下方的調(diào)整條能改變輥子的橫向位置，影響每道次機(jī)架的橫向尺寸，如圖14所示。

圖14 機(jī)架底座調(diào)整條

圖15 輥壓線機(jī)架縱向定位槽

3.2 更換縱梁生產(chǎn)規(guī)格時輥子的調(diào)整方式

一條輥壓線，要求能夠適應(yīng)多種規(guī)格的縱梁成形生產(chǎn)，當(dāng)更換縱梁規(guī)格（包括高度、寬度、板厚、圓角半徑）時，能夠調(diào)整輥壓線，實現(xiàn)柔性成形。

對于標(biāo)準(zhǔn)式機(jī)架，下輥子位置固定，機(jī)架上安裝有絲桿螺母副，輥子中間有軸向?qū)Ψ指羝糜诟鼡Q縱梁規(guī)格時進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)改變縱梁板厚時，需調(diào)整絲杠螺母副改變上輥子位置（電機(jī)驅(qū)動或手動調(diào)節(jié)），從而改變上下輥軸的中心距，一般標(biāo)準(zhǔn)式機(jī)架還有顯示上輥軸位置的垂直刻度尺和測微刻度環(huán)，如圖16[9]所示；當(dāng)改變縱梁寬度時，需要停機(jī)調(diào)整每個輥子間的軸向?qū)Ψ指羝?，改變輥子的長度。當(dāng)改變成形圓角時，需停機(jī)安裝對分式新圓角輥子[8]。

圖16 標(biāo)準(zhǔn)式機(jī)架上測量上輥軸位置的儀表

如圖17所示，采用電機(jī)或者手動驅(qū)動蝸桿18，進(jìn)而驅(qū)動蝸輪17，帶動調(diào)節(jié)螺母15旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)螺絲21升降，即可實現(xiàn)上下輥軸的中心距調(diào)整；輥子調(diào)整時用專用扳手手動旋轉(zhuǎn)機(jī)架操作端輥軸上的鎖緊調(diào)節(jié)螺母12，螺母12軸向移動推動隔套10、軸承9內(nèi)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(dá)到輥子軸向夾緊與調(diào)節(jié)的目的；通過改變分離定位套4的數(shù)目，實現(xiàn)對不同縱梁寬度的成形，通過以上各調(diào)節(jié)裝置實現(xiàn)縱梁生產(chǎn)品種的更換[13]。

圖17 標(biāo)準(zhǔn)式機(jī)架結(jié)構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)式機(jī)架結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)實用，適合單一規(guī)格批量生產(chǎn)，通過調(diào)換輥模的軸向隔片，可少量適應(yīng)縱梁腹寬的變化要求，但調(diào)換時間較長，會降低生產(chǎn)率，設(shè)備總體柔性化程度低[8]。

對于雙端式機(jī)架，下輥子的高度固定，用齒輪箱、絲桿、螺母實現(xiàn)更換縱梁規(guī)格時的調(diào)整。當(dāng)改變縱梁的寬度時，通過調(diào)節(jié)左右機(jī)架電機(jī)，帶動齒輪箱，驅(qū)動絲杠螺母副，調(diào)整機(jī)架的橫向位置（整體橫向開度），且左右機(jī)架安裝有同步裝置，能夠保證對中調(diào)整；當(dāng)改變縱梁板厚時，調(diào)節(jié)機(jī)架上方的電機(jī)，帶動齒輪箱，驅(qū)動絲杠螺母副，調(diào)整上輥子的高度，進(jìn)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(jī)架生產(chǎn)線俯視圖

另外，也可以使用蝸輪蝸桿進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)縱梁寬度變化時，利用直流調(diào)速電動機(jī)驅(qū)動蝸輪、蝸桿，來調(diào)節(jié)機(jī)架的橫向開度，改變兩端機(jī)架相對懸臂輥子的距離，采用蝸輪副自鎖、電動機(jī)抱閘和液壓進(jìn)行鎖緊；兩組機(jī)座上對稱安裝的減速箱，由多組花鍵軸套橫向聯(lián)接，實現(xiàn)了全部懸臂輥軸的同步轉(zhuǎn)動；當(dāng)縱梁板厚發(fā)生變化時，通過調(diào)節(jié)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(chǎn)不同厚度的縱梁[8]。

雙端式機(jī)架應(yīng)對縱梁腹寬、板厚的變化，能實現(xiàn)快速調(diào)整，自動化程度高，較標(biāo)準(zhǔn)式機(jī)架顯著提高了生產(chǎn)效率和使用柔性。

3.3 校正裝置輥子的調(diào)整方式

校正裝置由機(jī)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(zhuǎn)調(diào)整機(jī)構(gòu)組成，用來調(diào)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(jī)（液壓缸或氣缸）、齒輪箱、絲杠螺母副進(jìn)行驅(qū)動、調(diào)節(jié)其位置。

4 結(jié)論

對于輥子的驅(qū)動、調(diào)整方式有以下結(jié)論：

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

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

（3）更換縱梁尺寸規(guī)格時，標(biāo)準(zhǔn)式機(jī)架的輥子調(diào)整通過軸向?qū)Ψ指羝ɑ蚱渌指粞b置）、絲杠螺母副等裝置；雙端式機(jī)架的輥子調(diào)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(diào)整方式通過電機(jī)（液壓缸或氣缸）、齒輪箱、絲杠螺母副進(jìn)行調(diào)節(jié)。

縱梁輥壓線正在大量投入生產(chǎn)應(yīng)用。其中，輥子的驅(qū)動、調(diào)整方式是縱梁輥壓線的核心技術(shù)之一，對生產(chǎn)效率及成形質(zhì)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(chǎn)車間發(fā)揮巨大的作用。為了增強(qiáng)企業(yè)競爭力，這一新的成形方式將成為國內(nèi)縱梁生產(chǎn)工藝的發(fā)展趨勢。因此，對輥子的驅(qū)動、調(diào)整方式進(jìn)行更深入的研究很有必要。

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