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文/刘洋·北京奔驰汽车有限公司
随着机械自动化的快速发展，自动化在冲压行业运用的越来越多，而冲压行业对于板料的平整度要求也越来越高。为了节约成本，很多汽车主机厂都开设了开卷落料线，那么如何在开卷落料线上将卷料矫直成一个高标准的板料就成了一个亟待解决的问题。本文根据矫直机的矫直原理进行理论分析和实际试验，最后给出内应力不均和线长度不均导致的各种卷料的调试方法。
生产中常见的钢卷翘曲形式主要分为4种，如图1所示。第1种和第2种主要是因为钢卷上下表面所受的拉应力和压应力不同所导致，第3种和第4种主要是边部和中间区域线长度不一致导致。而在实际生产中所用的钢卷产生的翘曲往往是复合型的翘曲，并不完全是任何一种的单一翘曲。
第1种翘曲是卷料在轧制方向上的上表面受到了拉应力，但是下表面受到了一定的压应力；第2种翘曲是因为在垂直于轧制方向上的上表面受到了拉应力，但是下表面受到了一定的压应力。而且这两种翘曲方式是可以互相转换的，即当翘曲方向两端得到足够的拉拽力，第1种形式的翘曲会转换成第2种形式，如图2所示。
图1 翘曲形式
第3种翘曲是因为卷料边部的线长度要大于中间区域的线长度；第4种翘曲是因为中间区域的线长度要大于边部的线长度。这两种成因主要来源于卷料轧制过程辊缝的不均匀，虽然这两种翘曲的形式不一样，但是解决思路是一样的。
矫直机具体的结构多种多样，按矫直辊的数量、辊径、辊距等在不同的设备上均有不同。但是从矫直功能的角度上分类，则可分为不带背托辊矫直机和带背托辊矫直机。
不带背托辊矫直机，主体的工作结构就是数根矫直辊，分上下两排，某一排矫直辊固定不动，通过调整进口高度和出口高度，来控制另外一排整体的斜度，最终保证卷料以从小到大的曲率，反复弯曲直至最终的曲率达到无限大，即平直状态为止。但是这种矫直机只能调整卷料轧制方向的上下排辊缝间隙，如图3所示。
图2 翘曲转换
图3 不带背托辊矫直机
带背托辊矫直机，是在不带背托辊矫直机的基础结构上进行了功能上的优化。在卷宽方向上布置了数量不等的缸体，通过这种缸体改变卷宽方向的上下排辊缝间隙。缸体的行程是可以单独调节的，即可以在有需要时，单独调整卷宽方向任何一处的上下排辊缝。
矫直机原理细分有两种，而针对因内应力引起的翘曲或因线长度引起的翘曲所使用的方法也是不一样的。
⑴因内应力引起的翘曲，通过轧制方向的反复弯曲可以消除。在进口处的第一道矫直辊，需要对卷料产生塑性变形。
⑵因线长度不均引起的翘曲，需要通过调整参数让线长度长的区域，减小拉伸；让线长度短的区域，加大拉伸，最终在矫直后，保证线长度是均匀的。
针对两种原因造成的翘曲形式，分别做了两组调试试验。
以某合资品牌门内板为例，料厚为0.8mm，在没有背托辊的矫直机上进行矫直，将进口高度设置为-0.3mm，出口高度设置为0.5mm时，部分卷料出现了极大的翘曲，最大量高度达80mm，如图4所示。
然后将进口高度设置为-0.5mm，出口高度设置为0.8mm，板料的翘曲量急剧下降为4mm。
参数本身因为各个矫直机的辊距、辊径大小各不一样，所以参考性并不大，但是通过减小进口高度，即变相加大在进口处矫直辊作用在卷料上的力，让卷料进行深度的塑性变形。可以有效的缓解板料的翘曲程度。
经过反复试验，当板料处于上翘状态时，少量的抬高出口高度，减小进口高度，可以一定程度上缓解上翘情况；当板料下翘时，少量减小出口高度，减小进口高度，可以一定程度上缓解下翘情况。
图4 内应力翘曲
以某合资品牌机盖外板为例，料厚0.75mm，在没有背托辊的矫直机上进行矫直。检测矫直前的卷料，单边波浪11mm，通过不断测试不同的进口高度和出口高度组合，板料的翘曲量最小为7mm，且最终翘曲形状呈典型的边部波浪形，如图5所示。
将同样的卷料在拥有背托辊的矫直机上进行矫直。在不使用背托辊的情况下，板料的最小翘曲量为7mm。在使用背托辊后，反复试验，最终将板料翘曲度控制在2mm，具体背托辊参数如图6所示。
图5 边部波浪形
图6 背托辊参数
板料边浪区域在9号背托辊处，通过9号背托辊将此处的辊缝调大，减少重合量；通过其他八个背托辊，将其他区域的辊缝调小，增大重合量。人为的增加其他区域的线长度。
板料的翘曲往往都不是因为某一个单因子造成的，而矫直机也仅仅只是用于修正轧制方向和卷宽方向的缺陷。当其他方向也存在相应缺陷，而出现板料扭曲翘曲时，矫直机是无法彻底消除这种扭曲翘曲的。
在试验过程中，矫直调试很难一步到位得到最优的参数，需要经过多次试验，对生产时间的占用是巨大的。而现在市面上的矫直机几乎没有在线检查板料过矫直机后的翘曲数值功能，所以在生产过程中修正矫直参数是有一定天然的滞后性，当生产发现翘曲量超标后，已经生产出一定量的不合格板料了。并且矫直参数跟卷料自身的屈服强度和料厚均有关系，每一组参数从理论上来说是无法完全适应每一卷从头到尾的状态，更无法完全适应不同卷料的状态，所以对于翘曲量的标准是需要每一个企业根据自己生产的需要及设备的能力去制定的。过严的标准会导致矫直参数调整的时间过长，过松的标准会导致后序生产的不稳定性。一个合适的标准能够引导出一个合格的稳定的矫直参数，适用于绝大部分卷料。
卷料在矫直的反复弯折过程中，会产生一定的塑性变形和加工硬化，材料的屈服强度会出现一定的变化。随着进口高度、出口高度或者背托辊的深度的增加，这种变化会越来越大。
由于每种矫直机的细微结构数据是不一样的，例如辊径、辊距、辊数，所以具体的矫直参数在不同的厂家之间，借鉴对比的意义并不大。
经过反复试验发现，同一组参数对于同一牌号的卷料所产生的性能变化差值是趋近于一致的，但是不同的模具对于材料性能波动的允许范围是不一样的。因此各个厂家可以根据自身的矫直机，反复试验出不同的零件，可以达到的极限矫直参数。
⑴内应力不均造成的板料翘曲，可通过减小矫直辊进口高度，增加卷料的塑性变形量，来得到大幅度缓解。若板料上翘，可再通过加大出口高度微调翘曲程度；若板料下翘，可通过减小出口高度微调翘曲程度。
⑵因轧制方向上线长度不均造成的板料翘曲，需要通过背托辊的调整，减小正常区域的辊缝，增大翘曲区域的辊缝，最终靠拉长线长度短的区域大幅度缓解翘曲问题。
作者简介
刘洋，冲压工艺工程师，主要从事冲压工厂落料线整线问题分析和解决，曾主导编制了北京奔驰开卷线的工艺规范及参数，新E级落料模具验收、新C级落料模具设计会签及验收等项目。
