文／滕曉華·機械工業(yè)第九設計研究院有限公司

在卡車底盤上，最核心的零件就是左右縱梁及加強梁，它相當于整車的“脊梁”，在安全性上起著很重要的作用，因此，對縱梁及加強梁所使用的鋼板有很嚴格的要求，包括材質、強度、幾何尺寸等，常規(guī)板厚為5 ～8mm，屈服強度為355 ～500N/mm2，腹寬為150 ～320mm，翼高為40～95mm，長度為4000～12000mm。本文重點介紹縱梁板的側彎矯直工藝原理及其在商用車上的應用情況。

縱梁及加強梁鋼板毛坯加工工藝的發(fā)展

縱梁沖壓成形對鋼板的直線度要求很高，尤其是寬度方向上的側彎(俗稱鐮刀彎)，其精度要求在10m 長度內側彎量要在±4mm 之內。側彎過大，沖壓出來的縱梁翼面就會出現(xiàn)高度差，對梁的整體強度產生嚴重影響。然而，鋼板在軋制、冷卻、存儲、運輸過程中，必然產生不同程度的內應力，這種應力在剪切過程中得到釋放，產生側向變形。為達到側彎精度的要求，傳統(tǒng)工藝方法是采用封閉落料的形式。這種工藝過程是，首先將鋼板剪切成長方形毛坯板，其長寬尺寸比縱梁板凈尺寸均增加60 ～80mm，剪切后鋼板的應力得到釋放，呈鐮刀彎形，之后再完成落料，達到凈尺寸要求，如圖1 所示。這種加工工藝無疑降低了板材利用率，增加了材料成本。

在汽車市場競爭激烈的今天，降低成本就是抓住企業(yè)經(jīng)濟命脈。因此，各車企都采用各種手段節(jié)約挖潛。例如，有的企業(yè)在鋼材選材上使用內應力較低的鋼材品種，但即使是最好的鋼材熱軋工藝，也無法確保軋制鋼板各部分內應力降至可控范圍內；有的企業(yè)采用輥子碾壓矯直，即采用類似冷軋的方式，使上下兩個軋輥形成一定角度，碾壓鋼板凹進的一側，使之彎向另一側，從而達到矯直的目的，但這種碾壓方式不但速度慢，而且因每張板應力的個體差異，無法有效控制回彈，矯直效果并不理想；還有中小企業(yè)甚至采用人工大錘錘擊方式來矯直鋼板，雖然成本低，但是勞動強度、噪聲環(huán)境以及鋼板表面留下的錘痕等，都是無法解決的難題。由此可見，以上各種方式都無法在現(xiàn)代化企業(yè)中大范圍推廣。

德國山德維克公司研制的“鋼板矯直機”是該公司的專有技術，具有世界一流水平，目前世界僅三家企業(yè)在使用，分別為德國MAN 工廠、印度TATA 工廠及一汽鞍鋼加工配送有限公司。該設備能夠解決縱梁、加強板單倍尺毛坯的側彎問題，可與開卷橫切線聯(lián)線生產(圖2)，最高線速度可達40m/min，矯直后產品側彎達到了每10m 低于±4mm 的標準，從而改進了商用車縱梁生產工藝(圖3)，取消縱梁及加強梁的封閉落料，能夠節(jié)約大量原材料，節(jié)約價值非?？捎^。

鋼板矯直

金屬力學特性

我們知道，卡車縱梁及副梁的材料都屬于低碳鋼，其拉伸曲線圖見圖4，曲線的縱坐標為載荷(P)，橫坐標是絕對伸長量(△L)，由圖4 可見，載荷比較小時，試樣伸長量隨載荷增加成正比例增加。載荷超過Pe后，拉伸曲線開始偏離直線。載荷在Pe以后階段，試樣在加載時發(fā)生變形，卸載后在內應力的作用下，變形能完全恢復，該階段為彈性變形階段。當載荷超過Pe后，試樣在繼續(xù)產生彈性變形的同時，將開始產生塑性變形，進入彈塑性變形階段。此時，若在載荷Pp作用下試樣變形后卸載，彈性變形將恢復，塑性變形被保留，試樣的伸長只能部分地恢復，而保留一部分殘余變形。當載荷達到Ps時，在拉伸曲線上出現(xiàn)鋸齒或平臺，即載荷雖然保持不變或發(fā)生波動，而試樣繼續(xù)伸長(變形量繼續(xù)增加)，這種現(xiàn)象稱為屈服，由此看出，作用力必須大于屈服點時才能有效地校平、矯直鋼板。德國山德維克公司研制的“鋼板矯直機”，就是利用金屬這一特性通過校平輥去應力，然后通過施加側向作用力來實現(xiàn)鋼板矯直的。

常用縱梁及加強梁鋼板材質及屈服強度如表1所示。

表1 常用縱梁及加強梁鋼板材質及屈服強度

矯直機的機構組成及原理

按照工件行走順序，矯直機的結構(圖5、圖6)依次為：

⑴入口測量裝置，測量鋼板矯直前的側彎數(shù)據(jù)。

⑵入口送料輥，使鋼板進入矯直機獲得足夠的動力。

⑶壓緊輥，由相距一米的兩組輥子組成，可根據(jù)鋼板工件的厚度，將其沿Z 軸方向夾持住，同時每組輥子皆可實現(xiàn)沿X 軸方向的對中位移，實現(xiàn)夾緊。

⑷夾緊缸，根據(jù)鋼板工件的寬度，推動夾緊輥到適合位置。

⑸校平機，由上10 輥、下11 輥組成，對鋼板工件實施碾壓，達到去應力及塑變的目的。

⑹矯直輥，與壓緊輥結構相同，對被夾持住且已塑變的鋼板工件施加合理的側向作用力，達到矯直的目的。

⑺矯直缸，推動矯直輥，實現(xiàn)相對或同向位移。

⑻出口測量裝置，測量鋼板矯直后的側彎數(shù)據(jù)。

從矯直機原理圖看出，仍有兩個矯直盲區(qū)，第一，矯直缸由長度方向兩組輥子組成，兩組輥子相距500mm，這段距離在鋼板的矯直過程中，無法對鋼板頭尾各500mm 內的板料矯直。第二，矯直缸與夾緊缸相距3m，對長度小于3m 的鋼板不能矯直，但這些問題對于卡車絕大多數(shù)縱梁板都屬于可以接受的范圍。

矯直機的加工范圍：長度3 ～12m，矯直精度±4mm/10m，寬度200～580mm，厚度5～10mm，運行速度10 ～40m/min 可調，對于縱梁板來說，這臺矯直機的矯直能力足以覆蓋當前所有產品的需求。

側彎的測量裝置及原理

通常來講，最直觀的測量是在鋼板邊緣拉一條直線，然后測量直線上若干點與鋼板邊緣的垂直距離，其中最大值即是側彎極值。鋼板矯直機測量方式，是“連續(xù)平均值”的測試方法。

在鋼板運行軌道上，幾個對中單元成一排設置在測量裝置前面的傳送輥道上，從而保證工件通過傳送輥道中心線。測量裝置由三個測量頭構成，在鋼板運行方向上相隔一米布置。測量頭都安裝在同一塊基板上，通過兩個電機驅動，可沿著與鋼板運行方向垂直的方向向上移動。每一個測量頭都是激光探測方式，測量寬度為30mm。

在每一個測量頭的出口，安裝一個光柵，這些光柵控制導向輥的開合。當鋼板工件通過第一個測量頭的激光光束后，就會分析測量頭是否正好位于工件邊緣上方的中間位置。如果不在該位置，定位電機就會糾正測量單元的位置，直到傳感器上的測量點正好移動到板料邊緣上方為止，從而保證測量裝置始終定位在待測量工件上方。工件前端通過第三個測量頭時測量開始，并以每秒10 次的頻次連續(xù)讀數(shù)。

單個單元的曲率，即三個測量頭之間的側彎度是這樣計算的，設三個測量頭的讀數(shù)值依次為a、b、c，單元曲率s=b-（a+c）/2-δ，其中δ 為修正系數(shù)，與被加工板材的材質、強度、厚度、寬度有關，是一個經(jīng)驗值。

平均測量值在測量裝置的電腦中形成，可以連續(xù)讀出工件的平均曲度。工件末端離開第一個測量頭時，測量停止，測量數(shù)據(jù)則傳送給校平機。測量過程結束之后，測量裝置準備進行下一個過程時，測量裝置的定位電機返回到其基本位置（裝置檢測工件一側的曲度，工件另一側忽略不測，不檢測工件寬度公差）?？梢钥闯?，側彎的測量實際上并非整體的側彎，而是連續(xù)曲率的平均值，這個值通過進一步運算，轉化為下一步碾壓校平的輸入?yún)?shù)。需要說明的是，測量頭為全長連續(xù)多點測量，取最后結果的平均值作為計算參數(shù)（測量最小單元為2m），此外，不能矯直帶有“S”形側彎的鋼板。

矯直控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)相當于設備的大腦和神經(jīng)中樞，它需要根據(jù)被加工鋼板的外部特性，通過運算得出內部控制數(shù)據(jù)，分別傳送到設備的各個控制部件，對鋼板實施相應的作用。經(jīng)過論證和選擇，采用圖7 所示控制方式。其中，關鍵部件是中央控制器，采用德國開發(fā)的WINPEDI 控制軟件，完成對設備各個終端的控制、調配、保護以及故障初級診斷。

矯直機的設備能力及精度穩(wěn)定性

采用國際通用的設備能力指數(shù)(machine capability index，簡稱CMK)評定方式，對設備能力加以評定。采取“拉線測量法”對50件矯直完成的產品進行檢測，經(jīng)過評定，設備CMK 指數(shù)為1.45，大于1.33 的設計預期。為確保精度的長期穩(wěn)定可靠，設備配有“檢測頭校準儀”，每月對檢測頭進行校準，保證測量精度和產品質量。

經(jīng)濟效益

降低材料成本

目前，設備投產以來運行穩(wěn)定，使用單位除部分縱梁(不足10%)因結構原因無法實現(xiàn)凈尺外，全部實現(xiàn)了凈尺供貨?？v梁凈尺寸毛坯按10m 長、425mm 寬、8mm 厚計算，落料的廢料邊重8×10 ×40×7.85=25kg，每輛車所浪費的料邊重量約50kg，材料單價按4 ￥/kg 計算，則每輛車節(jié)約價值約200 元。

簡化模具結構、降低模具成本

由于縱梁在寬度上實現(xiàn)了凈尺，不需要切邊，因此落料模具鑲塊減少，僅對端部異形進行落料，既簡化了模具結構，又降低了模具成本。

節(jié)省作業(yè)面積、減少物流壓力

由于封閉落料產生大量形狀不規(guī)則的廢料余料，既占用寶貴的作業(yè)現(xiàn)場面積，又因廢料余料的頻繁排出給物流運輸造成極大不便，采用凈尺毛坯有效解決了這一問題。

結束語

該矯直機是針對商用車車架縱梁及加強梁鋼板毛坯矯直的專用設備，國內僅此一臺。除汽車行業(yè)外，同樣也可應用于其他行業(yè)當中，相信其前景非常廣闊。