中國冷彎型鋼協會成立30周年回顧與展望

               江巖  上海佳冷型鋼有限公司（上海佳藝） 副總經理

摘要

      方矩形管是冷彎型鋼中產量最大的品種之一，廣泛應用于多個工業領域。其成形工藝分為直接成型和圓變方兩種。直接成形工藝在我國得到普遍推廣和應用，工藝和裝備的技術水平不斷發展。經歷了技術引進、消化吸收、技術創新的幾個階段。實現了由初期全部依賴進口到目前大批量出口的發展蛻變。本文介紹了方矩形管的成形工藝、關鍵技術以及新技術的發展趨勢。

關鍵詞：冷彎型鋼 方矩形管 成型工藝 關鍵技術 裝備

1. 方矩形管具有廣泛應用

 方矩形管是一種用途極廣的閉口型鋼,與相同截面積的圓管相比, 它具有強度高、抗彎截面模量大、易于裝配以及穩固、美觀等優點, 廣泛用于工程機械、車輛、地鐵、造船等行業。尤其在建筑行業, 大規格的方矩形管成為鋼結構建筑中的主要承重結構部件。

方矩形管通常采用冷彎成型（rollforming）即輥式連續成型的方式生產。由于冷彎成型的方式生產率高，在焊管生產線上可實現無間斷的生產，且成材率高、頭部損耗小，在大批量生產中得到廣泛的應用。

我國的很多冷彎型鋼生產企業都將方矩形管作為主要的產品類型。以上海佳冷公司為例，目前每年的方矩形管的產量占總產量的97%。產品用于建筑、機械、公路、橋梁、船舶、集裝箱等行業。上海佳冷公司被評為冷彎協會的優秀企業；上海佳冷公司的“佳藝”商標被評為中國馳名商標。  

2. 方矩形管的成形工藝

方矩形管按照成型工藝的不同，可以分為直接成型即俗稱的“方變方（直接成方）”和“圓變方（先成圓管再變為方矩形管）”兩種。關于這兩種工藝的特點，很多文獻給出了比較。[1][2]而生產企業也依據設備情況，分別采用了不同的工藝。冷彎型鋼協會也曾在2006年7月28-29日在山東泰安召開了“冷彎方矩形鋼管直接成形工藝專題研討會”。[3]

2.1 圓變方和直接成方的比較[4]

關于焊接圓管、方矩形管的設計方法許多書籍和文獻中都有介紹，這里主要對輥式連續成型中常用到的方法作以比較。

 (1) “圓變方”工藝

用焊管機組將帶鋼成型、焊接成圓管后, 再通過定型機定型成方矩管。采用“圓變方”工藝, 可以利用圓管成型設備先成形為焊接圓管，然后在定徑部分再將圓管變為方矩形管。對于原有的圓管焊接生產線來說，投資小，易于實現。工藝相對直接成方好控制。

 圖1.先成圓管后變方管的輥花工藝圖（采用了重心不變下山法）

(2) “直接成方”工藝

采用將帶鋼直接彎曲成方矩形管坯,然后進行焊接、整型的工藝。

                                           圖2.直接成方管的輥花工藝圖（未用下山法）

2.2直接成方工藝的優點

  相對于“圓變方”工藝，“直接成方”有下列優點：

 (1) 軋輥由輥片組合而成，共用性強，軋輥備件少。

采用由圓成方工藝生產方矩管, 僅成圓階段的變形就需配置數套成型輥, 輥耗大, 換輥費時, 生產效率低。據統計, 與圓成方工藝相比, 采用直接成方工藝可節約輥片費用50% , 減少換輥時間40% , 提高生產能力15% , 大大降低了生產成本。

(2) 鋼帶的展開寬度小，節省材料

生產同樣規格的方矩管, 采用直接成方工藝, 所用帶鋼展寬較小, 即可節省帶坯用量。根據國外廠家生產80×80mm 方～ 180×180mm 方幾種不同壁厚方管所用帶坯寬度的統計數據, 采用直接成方工藝比由圓變方工藝節約坯料平均為2.4%。這表明, 直接成方工藝在一定規格產品條件下, 具有更好的經濟效益。

(3) 成形力比較小，能耗低

直接成方時機組負荷低, 尤其在定型機組上負荷明顯低于圓管定型負荷。直觀地看, 兩種成形方式初始時帶鋼形狀一致, 成品的最終幾何形狀也一致。直接成方變形的部位是方管的四個角部, 而由圓成方變形的部位除四個角部外, 還將平直的邊部先成形為圓, 又整形為平直, 顯然增加了一些不必要的變形過程, 加大了變形能耗。因此, 與由圓成方方式比較, 直接成方的變形功率低。

2.3直接成方工藝的普遍問題及解決對策

(1) 生產壁厚10mm以上的鋼管時焊接質量難以控制，焊接速度低。

設備要滿足直接成方工藝的要求，鋼帶對接，活套，銑邊，切斷等工序要適應生產速度的要求。焊接速度慢時，焊接質量難以保證。對于厚度大于12毫米的產品，成形過程對鋼帶的端部形狀也要保證端面平行，如果端部形狀呈V形，下角溫度高，毛刺是水滴狀，焊縫過熱晶粒長大；上角溫度低焊不透。高頻焊機的選擇推薦采用固態高頻。對于厚規格產品前部的銑（刨）邊工序也是不可缺少的。

(2) 生產高強度的方矩形鋼管時角部開裂。

采用直接成方工藝生產的方矩管, 其斷面各個角部的成型如果大致看成是板的純彎曲時，中性層的外側板帶受到拉伸，最外側的拉伸應變如果不超材料的延伸率，則不會產生裂紋。一般的材料隨著強度的提高，其延伸率顯著下降。對于高強度的鋼管，是否能采用直接成方工藝，需要先根據材料的延伸率和彎角外側材料的最大拉伸應變決定。

采用由圓變方的工藝，方矩形鋼管角部是在封閉的型腔中由圓管的對應的圓弧體形成的，孔型設計時可以給這一實體分配一定的壓縮量，因而可以顯著地減少圓角外側的拉伸，減少高強度管的角部外裂紋。

(3) 四個圓角不均勻

造成這一問題的主要原因是：a、成型過程分料不合理；b、擠壓側孔型設計有缺陷；c、空彎（即變形盲角）。優化兩個彎角的成形角度和順序，合理配輥最大限度減少空彎角，利用反彎方式減少盲角，側立輥的應用，斜輥及芯子的應用，以及選用合適的彎曲成形方法都可以有效地減少圓角不均勻問題。

 (4) 鋼管表面容易產生擦傷

機組的結構參數是否合理，上下輥的齒輪傳動速比，軋輥的結構及參數設計是否合理以及軋輥的材料和熱處理硬度以及潤滑與冷卻都會影響到表面擦傷。

機組的結構參數應能滿足按照最小邊部應變的要求提供足夠的下山調整量。軋輥的設計要按照系統的線速度考慮解決不同直徑造成的速差問題。必要時采用游動輥。

3. 直接成形工藝技術及其發展

我國企業采用“圓變方”的工藝早于“直接成方”。我國從20世紀50、60年代開始采用高頻焊管生產線的定徑矯直部分實現方矩形管的生產。20世紀80年代,廣州異型鋼材廠引進的PR700/8冷彎型鋼機組,在當時是國內最大的冷彎型鋼機組設備。1992年,武鋼集團漢口軋鋼廠引進了PR1100/12.7冷彎型鋼機組,也是當時國內最大的冷彎型鋼機組。這兩條生產線都來自于奧鋼聯。該機組采用直接成方的工藝生產閉口方矩形管。

   我國的直接成方技術源于引進的奧鋼聯這兩條生產線。姜復生、王大齊等人對引進機組的主要技術性能以及新技術作了深入的研究。[5] [6]廣州和漢口的工程技術人員在引進機組的基礎上不斷完善和改進，從成型彎曲方法到具體的工藝參數都做了細致的分析。進一步完善了直接成形工藝，并經過技術改造擴大了產品范圍和機組性能。[7]

 天津淮海冷彎吸收奧鋼聯直接成方技術后，于1997年對老機組進行改造，將石軸的 φ165*4.5機組水平機架由原來前7后5改成前10后4，并根據工藝需要增加側輥和吊輥，同時把軋制速度從原來的65米/分降低到43米/分。改造后的直接成方機組產品最大規格由原來的F140*4.5提升到F200*8[8]。

由于直接成方工藝的優越性，在我國方矩形管的生產企業中得到廣泛應用。先后有石家莊軸承設備廠、石家莊富瑞沃、南京中輕、大連三高等設備制造廠研制開發了多規格的直接成方機組。最大規格可以生產500X500的方矩形管。

主要的方矩形管生產廠包括上海佳藝、漢口軋鋼廠、上海鋼鐵工藝研究所、天津淮海、泰安科諾等。其中上海佳藝、漢口軋鋼廠、天津淮海、廣州鋼管被冷彎協會評選為優秀冷彎企業。很多企業的方矩形管大量出口，形成很強的國際競爭力。

     我國工程技術人員在總結引進設備的經驗基礎上提出了一整套輥型設計方法：直接成方工藝的主要特點分析；輥型設計的基本條件；坯料寬度的計算方法；成形道次的確定；各成形道次變形量的確定；變形輥花圖；各道裝輥圖的設計；焊接部分：導向輥，擠壓輥和導出輥的設計；整形輥與整形立輥的設計等。提出了采用彎曲直線段預彎的方法改善直接成方工藝空彎角的問題。

     方矩形管的生產企業與設備制造廠共同合作，先后攻克了螺旋活套、自動剪切對焊、四輥成型機架、高頻焊接、內外焊瘤毛刺去除、銑切跟蹤鋸、自動碼垛等一些列技術。應用于生產實際，極大地提高了我國生產方矩形管的能力和技術水平。

在方矩形管的品種方面，分別實現了厚徑小口徑方管、薄壁和厚壁大尺寸方矩形管的生產。以上海佳冷型鋼為例，目前已經可以生產25X25~300X300 、30X20~400X200 上千個規格。

上海佳冷型鋼在方矩形管的技術開發上形成了系列的專利技術：厚壁小口徑方管，實現了壁厚與邊長之比t/h >10%厚壁管的生產[9]；空腹尖角菱形管的加工方法[10]；靈活應用方變方和圓變方復合工藝實現異型管的開發[11]。在設備方面有4輥萬能機架[12]、分離式軋機[13]等。

4. 方矩形管成形的關鍵技術與新技術展望

4.1 方矩形管成形的 CAD/CAE技術

方矩形管冷彎成型工藝的軋輥設計是生產中的關鍵技術之一。采用計算機輔助設計技術，可以實現高精度、復雜輪廓的軋輥的優化設計?？s短軋輥設計周期，降低制造調試成本，使得方矩形管的成型設計不再是主要依賴設計者的經驗以及依靠調試修正的試錯法。

COPRA RF是專業的冷彎成型設計軟件，佳冷公司采購了2套COPRA RF，實現了方矩形管設計的計算機化。從工藝設計到軋輥配置以及成本核算和自動出圖各個設計環節都可以用軟件實現。不但提高了設計效率，還能實現很多人工無法實現的功能。圖3是200X200方管的設計實例。

傳統的方矩形管新產品的開發需要依賴工程師的設計經驗，產品調試過程必不可少。很多問題需要在調試中發現和修正。采用有限元仿真技術（例如COPRA FEA RF），可以為產品的開發提供快速、經濟的手段。設計的軋輥和板帶材料可以快速地導入有限元模型，依據機組實際參數能夠計算出機組載荷，并對成型結果給出形象的仿真結果。在軋輥投入制造之前，在計算機中實現優化，解決設計中可能出現的問題。這樣就可以將調試過程在“計算機上完成”。特別是一些難度較大的截面設計和新材料等都可以通過有限元仿真得到分析結果。圖4是方矩形管的FEA仿真圖。國外著名冷彎企業的公司都基本上實現了CAD/CAE技術的廣泛應用。

圖3.直接成方管的CAD設計

                                                                 圖4. 方管的COPRA FEA RF仿真分析

4.2    高精度方矩形管成形技術

我國方矩形管的生產經歷了從無到有，產品質量不斷提高的過程。隨著客戶對產品質量的不斷提高的要求，促使生產廠不斷改善產品精度。滿足國家和行業技術標準已成為最低的門檻。上海佳冷公司制定了更加嚴格的企業標準，滿足各類客戶的各種要求。

高精度方矩形管產品涉及到原料、設備、成型工藝、軋輥模具、生產控制等整個環節。為滿足高端客戶需求，上海佳冷公司在北方工業大學與大連三高公司的協助下實現了國內目前最高精度的復雜截面冷彎成型生產線。該生產線的產品尺寸精度可以穩定達到±0.05mm以內。

該生產線的技術特點包括：導柱式高剛度機架、插入式4輥機架、成組快換、快速換輥裝置等。圖5 是該生產線的照片。

圖5.上海佳冷公司的高精度冷彎成型機組

4.3   方矩形管柔性成形技術

采用直接成形方矩形管的工藝，便于實現軋輥的公用，靈活地實現不同規格產品的調整。在直接成形工藝的基礎上，大連富地等設備制造企業研發了適用于方矩形管直接的成形工藝的新型機組。

專利[14]公布了一種型材成型機，包括有機架、軋輥和調整機構，機架呈立式，調整機構為兩絲杠橫向活動安裝于機架的上下兩端，絲桿的一端分別裝有電機，上下軋輥依次布置、活動安裝在機架上，呈兩絲桿的中間，軋輥的兩端頭分別安裝有滑座，上下軋輥分別與上下絲桿固定連接。軋輥兩段輥面的滑鍵軸外套接有連接套，輥面鑲嵌在連接套內，在輥面的外側的連接套內，固定有軸承和軸承螺帽，軸承外套是連接體固定軋輥和絲桿連接，連接體用螺套固定，螺套套在正、反扣絲桿上。電機帶動絲桿旋轉、螺套水平行進，調整軋輥間距滿足不同厚度板材以及不同規格尺寸方矩形管的成型。該機組在武鋼漢口軋鋼廠得到應用。方矩形管的尺寸發生變化時，調整十分方便。圖6是這一專利的結構描述。

  圖6.可調軋輥寬度的冷彎成型機組

 通過進一步的發展，專利[15]公布了新興的軋機結構：特別涉及適用于加工軋件寬度變化較大的一種浮動牌坊軋機。與軋件位置相對應的兩固定牌坊之間的上下輥軸上裝設上下軋輥浮動牌坊裝置，上下軋輥浮動牌坊裝置由兩半上下軋輥浮動機構組成，每半上下軋輥浮動機構由浮動牌坊、偏心套、調整輥軸中心距齒輪、下輥套、調整下輥軸向齒輪和寬度調整組件組成。既適用軋件寬度變化較大的軋制，又適用于軋制小規格大壁厚的方矩形管生產。這一專利的結構圖為圖7。

圖7.新型可調軋輥寬度的冷彎成型機組

現有的冷彎成型的幾種設計方法包括定長度法（彎曲中心上移法）、定半徑法（變點定徑法、彎曲中心移動）等，已不能滿足方矩形管在變厚度時精確彎曲的要求。軋機結構的創新以及可以分別滿足不同規格方矩形管的尺寸調整要求和適應板厚變化的上下輥間隙調整的要求。如何從設計方法上同時滿足和實現不同尺寸貴和和不同壁厚產品的調整需求，成為一個迫切需要解決的問題。劉繼英教授給出了以外直線輪廓為固定交匯點的彎曲設計方法，該方法能滿足輥型完全共用且高精度、是便于伺服調整的柔性輥型系統的設計方法[16]。

圖8.以外輪廓直線為交匯點的彎曲方法

采用這一設計方法，當板厚發生變化時，輥型的板厚方向直接按板厚差值調整，而軸向方向可以按照對應的幾何關系調整。調整的孔型可以實現板料的精確彎曲成形，而理論上無任何誤差。當產品的板厚發生變化時，孔型的垂直方向按照板厚的差值調整，而水平橫向按照彎曲角度和厚度差的幾何關系調整。意大利STAM公司的設備上可以實現0.3-13mm不同板厚的成形，解決了不同板厚下軋輥公用的精確成型問題。[17]

4.4    高精度方矩形管檢測技術

      目前生產過程中方矩形管的檢測，采用的是普通的量具卡尺、千分尺和角度尺。對于圓角部分的測量，需要做剖面投影。對于冷彎型鋼產品，特別是復雜截型的產品，桌面式輪廓掃描儀是一個方便快捷的檢測工具。COPRA? 桌面截型掃描儀利用傳感器和旋轉臺實現型材截面的無接觸測量，并將可見截面圖形化。系統具有很高的精度和靈活性。測量型材時，只需要將用手將旋轉型材臺面旋轉360°就可以得出整個型面的掃描輪廓。利用軟件可以將整個掃描截面校準到一個輪廓上，并與理想的設計斷面作對比，快速準確地得到型面的偏差分布，以及判定是否超差。

圖10. COPRA? 桌面截型掃描儀

4.5    方矩形管新技術的發展展望

我國作為制造大國，快速發展的汽車產業、建筑產業、工程機械等行業對型材的需求越來越大，品種規格越來越多，產品質量越來越高。這對于冷彎型鋼提出了更高的要求。我國冷彎型鋼行業面臨著的巨大的挑戰與機遇。如何為我國的工業發展提供性能更好的型材，以實現行業的技術升級和轉型是我們面臨的迫切任務。以高強鋼材料代替普碳鋼、高精度型材代替粗放型材、復雜型材代替簡單型材以滿足客戶下一代產品的需求是冷彎行業發展的方向。

“先期介入”是一個先進的戰略理念，要求企業不再是被動地滿足上游客戶的需求，而是主動介入上游客戶新產品開發過程，為客戶提供所需要的產品工藝制造技術的支撐，實現更高層次上的合作與戰略共贏。

追求技術進步是不斷提高企業核心競爭力的措施之一。企業應該成為技術創新的主體。采用先進適用的技術，可以減少企業的投資風險，獲得好的技術經濟效益。

我國目前方矩形管的產品普遍面臨的問題以及今后發展的幾個問題包括：

（1）       方矩形管的內在質量檢測與控制

方矩形管依據用途不同需要滿足不同的質量指標。對于受力的重要部件，不但要求外在質量（尺寸等）也要滿足內在質量（殘余應變控制等）。目前關于殘余應變的控制，一些專家學者利用冷彎成型工藝過程的仿真，做了優化成型工藝參數的研究，減少了殘余應變，滿足產品后續加工的需要。一些專家學者也對殘余應變的檢測與控制進行了研究，發表過一些論文。但目前行業內仍缺乏有效實用的工程檢測控制方法。

（2）       高精度產品及穩定的質量控制

目前我國的方矩形管的產品還很難滿足機械行業高精度部件的需要。對于一些有配合要求的型材，如何在生產條件下穩定地達到高精度的需要是我們面臨的一個難題。這需要從裝備、軋輥模具、原料控制、生產過程控制等多個環節入手，系統地解決涉及的問題。國外已經實現了75X75方管100X50矩形管的穩定公差+-0.1mm,板厚控制公差+-0.02mm的水平。

（3）       高強度鋼及新材料的開發與應用

高強鋼的應用越來越廣泛，且鋼材的屈服強度越來越高，這對冷彎行業既是機遇也是挑戰。目前的冷彎型材已不局限于強度在500MPa以下的鋼材。在汽車領域冷彎（輥壓）型材的屈服強度已實現了1300MPa級別的批量生產。高強度鋼回彈大，塑性延伸率低、變形抗力大是共性技術問題。借鑒汽車行業的已有輥壓技術可以加快冷彎行業的發展步伐。

新材料的不斷出現也是冷彎型鋼發展的機遇與挑戰。軍工行業和新興產業是我們需要加以關注和介入的領域。

參考文獻

1.  高光祖 方矩形管直接成方工藝 焊管 1997年第4期

2. 鄭文彪 PR700/8 冷彎型鋼機組直接成型工藝 焊管 1997年第1期

3.  冷彎方矩形鋼管直接成形工藝專題研討會   http://www.itacn.org/1157508247.html

4.  小奈弘 劉繼英 冷彎成型技術 化工出版社 2007.10

5.  姜復生 現代輥式冷彎成型技術的發展特點 軋鋼 1994.8

6.  王大齊 輥彎成形新工藝 上海金屬 1996.1

7.  李燁 大型冷彎方、矩形管的生產與研究 焊管 2003.11

8.  江巖 張長發 關世杰 一種制造尖角矩形鋼管的方法 專利號ZL02103603.9

9.  姜春民 張靜 江巖 厚壁小口徑方管 專利號-: CN201220171550

10.  姜春民 張靜 江巖 空腹尖角菱形管的加工方法 專利號-: CN200910201329

11.  張靜 姜春民 梯形截面冷彎焊接異形管的成形工藝 專利號-: CN201010275501

12.  姜春民 四輥萬能機架 專利號-: CN201220172533

13.  姜春民 江巖 分離式軋機 專利號：CN93221018

14   高國武  型材成型機 專利號:  CN 02280745

15.  高國武 姜志雄 浮動牌坊軋機 專利號:  CN201320365426

16.  劉繼英 汽車用焊管產品的開發與關鍵技術 中國第五屆軋輥模具行業技術交流會     2013.10.22 常州

17.  Rollforming lines and FMS  http://www.stam.it/rollforming-lines-machines.php

作者：江巖  上海佳冷型鋼有限公司（上海佳藝） 副總經理。曾供職長春冷彎型鋼總廠任研究所所長；天津淮海冷彎型鋼有限公司任總工程師。