引言

冷彎型鋼是一種經(jīng)濟(jì)斷面型材。由于其本身具有斷面均勻、產(chǎn)品質(zhì)量高、能源消耗低和經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于汽車、航空、建筑等行業(yè)，逐漸成為板材深加工的主要生產(chǎn)方式。冷彎成形泛指將金屬板材或帶材通過連續(xù)輥式彎曲方法獲得各種開口、閉口、寬幅斷面金屬型材的技術(shù)。采用冷彎成形技術(shù)生產(chǎn)的冷彎型鋼可通過改變型材斷面形狀的方法，用相對較少的鋼材承受更大的外載荷，是一種重要的經(jīng)濟(jì)斷面高效鋼材。冷彎型鋼開拓了主要借助優(yōu)化截面形狀，而不單純依賴增加材料用量及改善材料性能來提高材料利用率的新途徑，這對于節(jié)約能源和資源具有十分重要的意義，特別是對于我國這樣一個發(fā)展中國家而言，重視冷彎型鋼這種經(jīng)濟(jì)斷面高效鋼材的開發(fā)、推廣及應(yīng)用，顯得尤為重要。近年來，冷彎型鋼行業(yè)發(fā)展迅速，已從鋼鐵深加工的一個門類，發(fā)展成為鋼鐵深加工產(chǎn)品升級換代的重要階梯。中國冷彎型鋼產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為一個產(chǎn)值數(shù)千億元、從業(yè)人員超百萬、產(chǎn)品基本涵蓋國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域的重要行業(yè)。

冷彎型鋼的種類和優(yōu)點

輥壓成形（Roll forming，又稱冷彎成形）是通過順序配置的多道次成形軋輥，把卷材或帶材等金屬板帶不斷地進(jìn)行橫向彎曲，制成特定斷面的型材，其原理如圖1所示。

圖1輥壓成形基本原理

冷彎型鋼品種繁多，根據(jù)截面結(jié)構(gòu)的不同可以分為開口和閉口兩種類型，如圖2所示。開口冷彎型鋼加工難度比較低，易于成形，其種類主要包括各種角鋼、槽鋼及Z型鋼等。閉口冷彎型鋼的加工難度比較大，主要包括各種形狀的空心型鋼以及焊接管等。根據(jù)尺寸規(guī)格又可分為大、中、小型以及寬幅冷彎型鋼。大型冷彎型鋼一般是指板厚4～16mm，帶坯寬度為300～1200mm；中型冷彎型鋼板厚2～5mm，帶坯寬度為100～450mm；小型冷彎型鋼板厚0.5～3mm，帶坯寬度為30～200mm；寬幅冷彎型鋼板厚0.6～12mm，帶坯寬度為700～1600mm。

圖2 開口和閉口冷彎型鋼

與傳統(tǒng)沖壓成形相比，輥壓成形工藝具有如下優(yōu)點：

1)設(shè)備投資少，生產(chǎn)效率高，適合大批量生產(chǎn)，成形速度可達(dá)90m/min，制造成本大幅降低；

2)加工產(chǎn)品的長度基本不受限制，可連續(xù)生產(chǎn)；

3)制件回彈控制方便，產(chǎn)品表面質(zhì)量好，尺寸精度高，特別適合于高強(qiáng)鋼成形；

4)材料利用率高，與沖壓工藝相比，能夠節(jié)約材料15%～30%。

冷彎型鋼是一種經(jīng)濟(jì)斷面型材，具有斷面形狀合理，型鋼種類豐富，材質(zhì)多樣化，表面質(zhì)量好、形位公差低、產(chǎn)品尺寸可靈活調(diào)整，與沖孔、焊接等聯(lián)合起來，進(jìn)行深加工，使產(chǎn)品實現(xiàn)零件化、結(jié)構(gòu)化，能量消耗低等許多優(yōu)點，在國民經(jīng)濟(jì)的各個行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用，具有廣闊的市場發(fā)展空間。

國內(nèi)外生產(chǎn)現(xiàn)狀

英、日、美、德等發(fā)達(dá)國家對冷彎型鋼的生產(chǎn)與應(yīng)用都非常重視，冷彎型鋼的發(fā)展要遠(yuǎn)早于我國，其生產(chǎn)規(guī)模、品種、應(yīng)用范圍、產(chǎn)品質(zhì)量、尺寸精度都達(dá)到了一個很高的水平。目前，國外冷彎型鋼生產(chǎn)有以下幾個特點：

⑴產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模、品種和應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。

⑵大量采用新技術(shù)、新工藝。冷彎成形與沖壓、壓花、軋邊等工藝組成的聯(lián)合生產(chǎn)線，使產(chǎn)品更加接近零部件的要求。

⑶冷彎成形設(shè)備生產(chǎn)高速化。目前，法國麥克公司已擁有了成形速度高達(dá)1.5m/s的機(jī)組，并正在制造2m/s的高效機(jī)組。

⑷以冷彎成形計算機(jī)孔型設(shè)計技術(shù)為中心的研究與開發(fā)正在逐步深入和擴(kuò)大。

截至目前，我國共有一千多條冷彎型鋼生產(chǎn)線，生產(chǎn)能力達(dá)到每年1500萬噸，產(chǎn)品3000多種，鋼種已從單一的普碳鋼向不銹鋼、高強(qiáng)鋼、耐火鋼、耐候鋼、復(fù)合鋼發(fā)展。近十年來，我國冷彎型鋼產(chǎn)量的年增長速度接近30%，冷彎型鋼生產(chǎn)企業(yè)集中分布在長三角、珠三角和環(huán)渤海地區(qū)。冷彎型鋼產(chǎn)品主要應(yīng)用于公路建設(shè)、鋼結(jié)構(gòu)、汽車制造、集裝箱、鐵道車輛、鋼模板與腳手架、橋梁、電器柜、懸掛輸送機(jī)、電纜橋架、貨架、電梯導(dǎo)軌、龍骨鋼、蔬菜大棚、農(nóng)業(yè)機(jī)械、谷物倉儲、家具及防火設(shè)備等方面，涉及國民經(jīng)濟(jì)95個行業(yè)的許多領(lǐng)域。我國的輥壓成形技術(shù)與世界水平尚存不少差距，美國、日本和德國在輥壓成形技術(shù)方面走在世界的前列，其在線沖孔、焊接、切割及提出的柔性生產(chǎn)線都具有代表性。我國冷彎裝備制造技術(shù)需要盡快趕上國際的步伐，以滿足冷彎產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)對裝備技術(shù)的需求。國外的冷彎產(chǎn)品多達(dá)近3萬種，材質(zhì)多元化，合金鋼種占50%～70%，冷彎型鋼產(chǎn)量占鋼材總產(chǎn)量的比例一般為10%，產(chǎn)品除民用外，還有軍工類產(chǎn)品也有用輥壓件。目前我國冷彎型鋼品種規(guī)格較少，約3000種，材質(zhì)以普碳鋼為主，全部冷彎型鋼產(chǎn)量約占鋼材總量的4%左右，與世界各國相比差距很大，由此可見，我國冷彎型鋼發(fā)展仍有很大空間。

冷彎型鋼成形技術(shù)

冷彎型鋼因其良好的承載性能、較高的產(chǎn)品質(zhì)量以及較低的生產(chǎn)成本在國民經(jīng)濟(jì)中的絕大多數(shù)行業(yè)都得到了大量的應(yīng)用。近年來，項目組與國內(nèi)外企業(yè)合作，在汽車、軌道交通、集裝箱和公路橋涵等領(lǐng)域，開發(fā)了50余種冷彎型鋼產(chǎn)品，建設(shè)了25條冷彎型鋼生產(chǎn)線，并與多家設(shè)備制造企業(yè)建立了長期業(yè)務(wù)關(guān)系。項目組與長春軌道客車合作，建立了常用輥壓板材性能數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫包含SUS301L-ST、SUS301L-HT、SUS301L-DLT、太鋼00Cr12Ni、05CuPCrNi、09CuPCrNi、08F、Q235、Q345、DL610等材料各項機(jī)械性能，該數(shù)據(jù)庫的建立，為輥壓工藝的開發(fā)和有限元數(shù)值模擬研究奠定了基礎(chǔ)。下面簡要介紹冷彎型鋼在典型行業(yè)中的應(yīng)用。

冷彎型鋼在汽車行業(yè)中的應(yīng)用

汽車行業(yè)是冷彎型鋼產(chǎn)品的最主要用戶之一。近年來我國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，尤其是乘用車領(lǐng)域更是直線增長，冷彎型鋼的需求量很大。下面就項目組在汽車行業(yè)開發(fā)的幾種典型冷彎型鋼產(chǎn)品作以介紹。

⑴卡車車架縱梁、車廂邊板及車廂附件。

國外的知名商用車生產(chǎn)廠，如沃爾沃、奔馳、斯堪尼亞等，早在上世紀(jì)80年代已廣泛采用輥壓工藝生產(chǎn)重型商用車車架縱梁及加強(qiáng)梁，東風(fēng)汽車公司在2000年開始引進(jìn)此工藝生產(chǎn)重型商用車車架縱梁，是國內(nèi)第一家采用此工藝的廠家，目前我國多家主機(jī)廠從國外引進(jìn)了生產(chǎn)線。

項目組與福田汽車合作，為福田長沙廠、諸城廠共建設(shè)了4條冷彎型鋼生產(chǎn)線，生產(chǎn)車架縱梁和車廂邊板。實現(xiàn)了一套模具生產(chǎn)18個品種縱梁（板厚4～8mm，寬度160mm～284mm），一套模具生產(chǎn)8個品種邊板（板厚2～6mm，寬度400mm～1410mm），產(chǎn)品材質(zhì)涉及Q345、510L、590L、610L、750L等及抗拉強(qiáng)度σb≤900MPa的平板/卷料，為企業(yè)節(jié)省了大量模具投入，節(jié)省了模具更換和調(diào)試時間，提高了生產(chǎn)效率，產(chǎn)品如圖3所示。

(a)車廂邊板

(b)車架縱梁

圖3 福田汽車?yán)鋸澬弯摦a(chǎn)品

項目組與力豐集團(tuán)合作，開發(fā)了60噸載重汽車縱梁和山東華泰掛車車廂全系列冷彎型鋼產(chǎn)品，板材材質(zhì)為Q235、Q345、510L、590L、610L、750L等，如圖4所示。

(a)60T載重車縱梁

(b)車廂附件

圖4 山東華泰冷彎型鋼產(chǎn)品

⑵轎車高強(qiáng)鋼輥壓工藝。

采用高強(qiáng)度鋼代替普通強(qiáng)度鋼，是汽車輕量化最有效的手段之一。對于汽車安全部件，如保險杠防撞梁、車門防撞梁、前門檻加強(qiáng)板等產(chǎn)品，歐美新型轎車已普遍采用高強(qiáng)度雙相鋼板制作，但國內(nèi)汽車還基本上用普碳鋼制作。因此，國產(chǎn)轎車在整車質(zhì)量和安全性能方面還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國際水平。

高強(qiáng)鋼的應(yīng)用是汽車輕量化發(fā)展趨勢。通過相變強(qiáng)化組織結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的超高強(qiáng)度（500～1500MPa）鋼，雖然化學(xué)成分與普碳鋼類似，但卻具有數(shù)倍于普碳鋼的強(qiáng)度、良好的碰撞吸收性能。高強(qiáng)度鋼輥壓成形的核心技術(shù)為回彈的預(yù)測與控制。眾所周知，高強(qiáng)度鋼在室溫下變形能力很差，回彈嚴(yán)重，材料塑性降低，冷沖壓成形技術(shù)難以加工高強(qiáng)度鋼。由于輥壓成形的漸進(jìn)變形特點，輥壓成形技術(shù)可以解決高強(qiáng)度鋼成形后易出現(xiàn)裂紋的難題。本文利用MARC有限元模擬分析了超高強(qiáng)度鋼DP1180HY回彈變形規(guī)律，如圖5所示。對比分析了Q235與DP1180HY的回彈量值，如圖6所示。

圖5 相對彎曲半徑對回彈的影響

圖6 Q235與DP1180HY的回彈量值

項目組與企業(yè)合作，開發(fā)了榮威轎車前后防撞梁，該生產(chǎn)線集成了沖孔、冷彎成形、在線焊接、在線彎曲和定尺切斷功能，屬國內(nèi)冷彎行業(yè)自動化程度較高的生產(chǎn)線之一。其中榮威550采用了寶鋼產(chǎn)的B500LA材料，榮威750采用了DP860材料，如圖7所示。

(a)550前防撞梁

(b)750防撞梁

圖7 榮威轎車防撞梁

項目組與企業(yè)合作，開發(fā)了標(biāo)志B81轎車門檻加強(qiáng)板和車門防撞梁產(chǎn)品，采用超高強(qiáng)度鋼DP1180HY為原料，產(chǎn)品如圖8所示。

 (a)轎車車門防撞梁

(b)門檻加強(qiáng)板

圖8 標(biāo)志B81轎車高強(qiáng)度鋼輥壓產(chǎn)品

冷彎型鋼在集裝箱行業(yè)的應(yīng)用

集裝箱行業(yè)是冷彎型鋼產(chǎn)品的最主要用戶之一，也是板材消耗量最大的行業(yè)之一。目前世界上80～90%的海運集裝箱在我國生產(chǎn)，僅中集集團(tuán)2013年產(chǎn)量達(dá)到了10272.5萬立方米。世界海運巨頭馬士基集團(tuán)也在我國建立了兩家集裝箱生產(chǎn)基地。國內(nèi)鐵路集裝箱行業(yè)剛剛起步，產(chǎn)量較低，還沒有形成規(guī)模化生產(chǎn)，但具有很好的發(fā)展前景。

項目組與力豐集團(tuán)合作，為青島馬士基和智利馬士基共建設(shè)了8條專業(yè)全自動生產(chǎn)線，生產(chǎn)線集沖孔、焊接、去毛刺、冷彎成形、噴砂、切斷和自動堆料于一體，生產(chǎn)速度為18m/min，24h不間斷生產(chǎn)，產(chǎn)品更換時間為30min。生產(chǎn)線如圖9所示。

項目組與力豐集團(tuán)合作，為中集集團(tuán)開發(fā)了熱箱側(cè)板專業(yè)生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線運行速度為36m/min，產(chǎn)品如圖10所示。

 圖9 馬士基冷彎成形生產(chǎn)線

圖10 中集熱箱側(cè)板

冷彎型鋼在波紋鋼板管涵行業(yè)的應(yīng)用

在國外發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，金屬波紋鋼板管涵廣泛應(yīng)用在鐵路、公路、港口、機(jī)場、礦山、城市給排水、水利、農(nóng)田、倉儲等建設(shè)領(lǐng)域。百年的生產(chǎn)和使用經(jīng)驗表明，金屬波紋鋼板管涵是一種經(jīng)濟(jì)適用、高效節(jié)能、環(huán)境友好的新型建筑材料，是混凝土管、鑄鐵管、PE管的替代品，它的使用不僅可以降低建設(shè)和施工成本，而且可以提高工程抗震、抗地形壓力能力，提高建筑物的使用壽命，目前在世界上其他國家獲得廣泛應(yīng)用。我國金屬波紋鋼板管涵的使用在早期也有涉及，但是由于各種原因，現(xiàn)在還處于起步階段，目前只是在公路工程中應(yīng)用較廣。實踐證明，金屬波紋鋼板管涵在我國的市政、交通、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等諸多領(lǐng)域還將有較大的應(yīng)用空間，為此，冷彎型鋼協(xié)會成立了“波紋鋼板管涵專業(yè)委員會”，大力促進(jìn)該行業(yè)的健康發(fā)展。目前我國鋼鐵工業(yè)產(chǎn)能嚴(yán)重過剩，尤其是板卷材，該行業(yè)的大力發(fā)展必將成為解決產(chǎn)能過剩的有效途徑。

項目組與企業(yè)合作，先后開發(fā)了55mm、110mm和140mm深金屬波紋鋼板管涵，利用一套模具，分別成形了3～5種不同板厚金屬波紋鋼板產(chǎn)品，如圖11所示。目前該項研究處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。

圖11 金屬波紋鋼板管涵

結(jié)束語

冷彎型鋼作為一種經(jīng)濟(jì)斷面型材，具有重量輕、強(qiáng)度高、鋼材利用率高及綠色環(huán)保等優(yōu)點，是國家大力推廣應(yīng)用的新型高效經(jīng)濟(jì)材料?！笆濉睍r期，是國家加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的重要時期。冷彎型鋼行業(yè)將著重突出鋼材深加工功能，重點發(fā)展產(chǎn)量、產(chǎn)值和比重在行業(yè)中地位突出的鋼結(jié)構(gòu)、汽車工業(yè)、金屬波紋鋼等的潛在市場和自主創(chuàng)新技術(shù)，使我國冷彎型鋼產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)外占據(jù)重要地位，真正成為戰(zhàn)略型新興產(chǎn)業(yè)。從國外對冷彎型鋼的應(yīng)用程度來看，冷彎型鋼在我國擁有廣闊的發(fā)展空間，冷彎型鋼行業(yè)必將走向快速發(fā)展的戰(zhàn)略機(jī)遇時期。