中国冷弯型钢协会成立30周年回顾与展望
江岩 上海佳冷型钢有限公司（上海佳艺） 副总经理
摘要
方矩形管是冷弯型钢中产量最大的品种之一，广泛应用于多个工业领域。其成形工艺分为直接成型和圆变方两种。直接成形工艺在我国得到普遍推广和应用，工艺和装备的技术水平不断发展。经历了技术引进、消化吸收、技术创新的几个阶段。实现了由初期全部依赖进口到目前大批量出口的发展蜕变。本文介绍了方矩形管的成形工艺、关键技术以及新技术的发展趋势。
关键词：冷弯型钢 方矩形管 成型工艺 关键技术 装备
1. 方矩形管具有广泛应用
方矩形管是一种用途极广的闭口型钢,与相同截面积的圆管相比, 它具有强度高、抗弯截面模量大、易于装配以及稳固、美观等优点, 广泛用于工程机械、车辆、地铁、造船等行业。尤其在建筑行业, 大规格的方矩形管成为钢结构建筑中的主要承重结构部件。
方矩形管通常采用冷弯成型（rollforming）即辊式连续成型的方式生产。由于冷弯成型的方式生产率高，在焊管生产线上可实现无间断的生产，且成材率高、头部损耗小，在大批量生产中得到广泛的应用。
我国的很多冷弯型钢生产企业都将方矩形管作为主要的产品类型。以上海佳冷公司为例，目前每年的方矩形管的产量占总产量的97%。产品用于建筑、机械、公路、桥梁、船舶、集装箱等行业。上海佳冷公司被评为冷弯协会的优秀企业；上海佳冷公司的“佳艺”商标被评为中国驰名商标。
2. 方矩形管的成形工艺
方矩形管按照成型工艺的不同，可以分为直接成型即俗称的“方变方（直接成方）”和“圆变方（先成圆管再变为方矩形管）”两种。关于这两种工艺的特点，很多文献给出了比较。[1][2]而生产企业也依据设备情况，分别采用了不同的工艺。冷弯型钢协会也曾在2006年7月28-29日在山东泰安召开了“冷弯方矩形钢管直接成形工艺专题研讨会”。[3]
2.1 圆变方和直接成方的比较[4]
关于焊接圆管、方矩形管的设计方法许多书籍和文献中都有介绍，这里主要对辊式连续成型中常用到的方法作以比较。
(1) “圆变方”工艺
用焊管机组将带钢成型、焊接成圆管后, 再通过定型机定型成方矩管。采用“圆变方”工艺, 可以利用圆管成型设备先成形为焊接圆管，然后在定径部分再将圆管变为方矩形管。对于原有的圆管焊接生产线来说，投资小，易于实现。工艺相对直接成方好控制。
图1.先成圆管后变方管的辊花工艺图（采用了重心不变下山法）
(2) “直接成方”工艺
采用将带钢直接弯曲成方矩形管坯,然后进行焊接、整型的工艺。
图2.直接成方管的辊花工艺图（未用下山法）
2.2直接成方工艺的优点
相对于“圆变方”工艺，“直接成方”有下列优点：
(1) 轧辊由辊片组合而成，共用性强，轧辊备件少。
采用由圆成方工艺生产方矩管, 仅成圆阶段的变形就需配置数套成型辊, 辊耗大, 换辊费时, 生产效率低。据统计, 与圆成方工艺相比, 采用直接成方工艺可节约辊片费用50% , 减少换辊时间40% , 提高生产能力15% , 大大降低了生产成本。
(2) 钢带的展开宽度小，节省材料
生产同样规格的方矩管, 采用直接成方工艺, 所用带钢展宽较小, 即可节省带坯用量。根据国外厂家生产80×80mm 方～ 180×180mm 方几种不同壁厚方管所用带坯宽度的统计数据, 采用直接成方工艺比由圆变方工艺节约坯料平均为2.4%。这表明, 直接成方工艺在一定规格产品条件下, 具有更好的经济效益。
(3) 成形力比较小，能耗低
直接成方时机组负荷低, 尤其在定型机组上负荷明显低于圆管定型负荷。直观地看, 两种成形方式初始时带钢形状一致, 成品的最终几何形状也一致。直接成方变形的部位是方管的四个角部, 而由圆成方变形的部位除四个角部外, 还将平直的边部先成形为圆, 又整形为平直, 显然增加了一些不必要的变形过程, 加大了变形能耗。因此, 与由圆成方方式比较, 直接成方的变形功率低。
2.3直接成方工艺的普遍问题及解决对策
(1) 生产壁厚10mm以上的钢管时焊接质量难以控制，焊接速度低。
设备要满足直接成方工艺的要求，钢带对接，活套，铣边，切断等工序要适应生产速度的要求。焊接速度慢时，焊接质量难以保证。对于厚度大于12毫米的产品，成形过程对钢带的端部形状也要保证端面平行，如果端部形状呈V形，下角温度高，毛刺是水滴状，焊缝过热晶粒长大；上角温度低焊不透。高频焊机的选择推荐采用固态高频。对于厚规格产品前部的铣（刨）边工序也是不可缺少的。
(2) 生产高强度的方矩形钢管时角部开裂。
采用直接成方工艺生产的方矩管, 其断面各个角部的成型如果大致看成是板的纯弯曲时，中性层的外侧板带受到拉伸，最外侧的拉伸应变如果不超材料的延伸率，则不会产生裂纹。一般的材料随着强度的提高，其延伸率显著下降。对于高强度的钢管，是否能采用直接成方工艺，需要先根据材料的延伸率和弯角外侧材料的最大拉伸应变决定。
采用由圆变方的工艺，方矩形钢管角部是在封闭的型腔中由圆管的对应的圆弧体形成的，孔型设计时可以给这一实体分配一定的压缩量，因而可以显著地减少圆角外侧的拉伸，减少高强度管的角部外裂纹。
(3) 四个圆角不均匀
造成这一问题的主要原因是：a、成型过程分料不合理；b、挤压侧孔型设计有缺陷；c、空弯（即变形盲角）。优化两个弯角的成形角度和顺序，合理配辊最大限度减少空弯角，利用反弯方式减少盲角，侧立辊的应用，斜辊及芯子的应用，以及选用合适的弯曲成形方法都可以有效地减少圆角不均匀问题。
(4) 钢管表面容易产生擦伤
机组的结构参数是否合理，上下辊的齿轮传动速比，轧辊的结构及参数设计是否合理以及轧辊的材料和热处理硬度以及润滑与冷却都会影响到表面擦伤。
机组的结构参数应能满足按照最小边部应变的要求提供足够的下山调整量。轧辊的设计要按照系统的线速度考虑解决不同直径造成的速差问题。必要时采用游动辊。
3. 直接成形工艺技术及其发展
我国企业采用“圆变方”的工艺早于“直接成方”。我国从20世纪50、60年代开始采用高频焊管生产线的定径矫直部分实现方矩形管的生产。20世纪80年代,广州异型钢材厂引进的PR700/8冷弯型钢机组,在当时是国内最大的冷弯型钢机组设备。1992年,武钢集团汉口轧钢厂引进了PR1100/12.7冷弯型钢机组,也是当时国内最大的冷弯型钢机组。这两条生产线都来自于奥钢联。该机组采用直接成方的工艺生产闭口方矩形管。
我国的直接成方技术源于引进的奥钢联这两条生产线。姜复生、王大齐等人对引进机组的主要技术性能以及新技术作了深入的研究。[5] [6]广州和汉口的工程技术人员在引进机组的基础上不断完善和改进，从成型弯曲方法到具体的工艺参数都做了细致的分析。进一步完善了直接成形工艺，并经过技术改造扩大了产品范围和机组性能。[7]
天津淮海冷弯吸收奥钢联直接成方技术后，于1997年对老机组进行改造，将石轴的 φ165*4.5机组水平机架由原来前7后5改成前10后4，并根据工艺需要增加侧辊和吊辊，同时把轧制速度从原来的65米/分降低到43米/分。改造后的直接成方机组产品最大规格由原来的F140*4.5提升到F200*8[8]。
由于直接成方工艺的优越性，在我国方矩形管的生产企业中得到广泛应用。先后有石家庄轴承设备厂、石家庄富瑞沃、南京中轻、大连三高等设备制造厂研制开发了多规格的直接成方机组。最大规格可以生产500X500的方矩形管。
主要的方矩形管生产厂包括上海佳艺、汉口轧钢厂、上海钢铁工艺研究所、天津淮海、泰安科诺等。其中上海佳艺、汉口轧钢厂、天津淮海、广州钢管被冷弯协会评选为优秀冷弯企业。很多企业的方矩形管大量出口，形成很强的国际竞争力。
我国工程技术人员在总结引进设备的经验基础上提出了一整套辊型设计方法：直接成方工艺的主要特点分析；辊型设计的基本条件；坯料宽度的计算方法；成形道次的确定；各成形道次变形量的确定；变形辊花图；各道装辊图的设计；焊接部分：导向辊，挤压辊和导出辊的设计；整形辊与整形立辊的设计等。提出了采用弯曲直线段预弯的方法改善直接成方工艺空弯角的问题。
方矩形管的生产企业与设备制造厂共同合作，先后攻克了螺旋活套、自动剪切对焊、四辊成型机架、高频焊接、内外焊瘤毛刺去除、铣切跟踪锯、自动码垛等一些列技术。应用于生产实际，极大地提高了我国生产方矩形管的能力和技术水平。
在方矩形管的品种方面，分别实现了厚径小口径方管、薄壁和厚壁大尺寸方矩形管的生产。以上海佳冷型钢为例，目前已经可以生产25X25~300X300 、30X20~400X200 上千个规格。
上海佳冷型钢在方矩形管的技术开发上形成了系列的专利技术：厚壁小口径方管，实现了壁厚与边长之比t/h >10%厚壁管的生产[9]；空腹尖角菱形管的加工方法[10]；灵活应用方变方和圆变方复合工艺实现异型管的开发[11]。在设备方面有4辊万能机架[12]、分离式轧机[13]等。
4. 方矩形管成形的关键技术与新技术展望
4.1 方矩形管成形的 CAD/CAE技术
方矩形管冷弯成型工艺的轧辊设计是生产中的关键技术之一。采用计算机辅助设计技术，可以实现高精度、复杂轮廓的轧辊的优化设计。缩短轧辊设计周期，降低制造调试成本，使得方矩形管的成型设计不再是主要依赖设计者的经验以及依靠调试修正的试错法。
COPRA RF是专业的冷弯成型设计软件，佳冷公司采购了2套COPRA RF，实现了方矩形管设计的计算机化。从工艺设计到轧辊配置以及成本核算和自动出图各个设计环节都可以用软件实现。不但提高了设计效率，还能实现很多人工无法实现的功能。图3是200X200方管的设计实例。
传统的方矩形管新产品的开发需要依赖工程师的设计经验，产品调试过程必不可少。很多问题需要在调试中发现和修正。采用有限元仿真技术（例如COPRA FEA RF），可以为产品的开发提供快速、经济的手段。设计的轧辊和板带材料可以快速地导入有限元模型，依据机组实际参数能够计算出机组载荷，并对成型结果给出形象的仿真结果。在轧辊投入制造之前，在计算机中实现优化，解决设计中可能出现的问题。这样就可以将调试过程在“计算机上完成”。特别是一些难度较大的截面设计和新材料等都可以通过有限元仿真得到分析结果。图4是方矩形管的FEA仿真图。国外著名冷弯企业的公司都基本上实现了CAD/CAE技术的广泛应用。
图3.直接成方管的CAD设计
图4. 方管的COPRA FEA RF仿真分析
4.2 高精度方矩形管成形技术
我国方矩形管的生产经历了从无到有，产品质量不断提高的过程。随着客户对产品质量的不断提高的要求，促使生产厂不断改善产品精度。满足国家和行业技术标准已成为最低的门槛。上海佳冷公司制定了更加严格的企业标准，满足各类客户的各种要求。
高精度方矩形管产品涉及到原料、设备、成型工艺、轧辊模具、生产控制等整个环节。为满足高端客户需求，上海佳冷公司在北方工业大学与大连三高公司的协助下实现了国内目前最高精度的复杂截面冷弯成型生产线。该生产线的产品尺寸精度可以稳定达到±0.05mm以内。
该生产线的技术特点包括：导柱式高刚度机架、插入式4辊机架、成组快换、快速换辊装置等。图5 是该生产线的照片。
图5.上海佳冷公司的高精度冷弯成型机组
4.3 方矩形管柔性成形技术
采用直接成形方矩形管的工艺，便于实现轧辊的公用，灵活地实现不同规格产品的调整。在直接成形工艺的基础上，大连富地等设备制造企业研发了适用于方矩形管直接的成形工艺的新型机组。
专利[14]公布了一种型材成型机，包括有机架、轧辊和调整机构，机架呈立式，调整机构为两丝杠横向活动安装于机架的上下两端，丝杆的一端分别装有电机，上下轧辊依次布置、活动安装在机架上，呈两丝杆的中间，轧辊的两端头分别安装有滑座，上下轧辊分别与上下丝杆固定连接。轧辊两段辊面的滑键轴外套接有连接套，辊面镶嵌在连接套内，在辊面的外侧的连接套内，固定有轴承和轴承螺帽，轴承外套是连接体固定轧辊和丝杆连接，连接体用螺套固定，螺套套在正、反扣丝杆上。电机带动丝杆旋转、螺套水平行进，调整轧辊间距满足不同厚度板材以及不同规格尺寸方矩形管的成型。该机组在武钢汉口轧钢厂得到应用。方矩形管的尺寸发生变化时，调整十分方便。图6是这一专利的结构描述。
图6.可调轧辊宽度的冷弯成型机组
通过进一步的发展，专利[15]公布了新兴的轧机结构：特别涉及适用于加工轧件宽度变化较大的一种浮动牌坊轧机。与轧件位置相对应的两固定牌坊之间的上下辊轴上装设上下轧辊浮动牌坊装置，上下轧辊浮动牌坊装置由两半上下轧辊浮动机构组成，每半上下轧辊浮动机构由浮动牌坊、偏心套、调整辊轴中心距齿轮、下辊套、调整下辊轴向齿轮和宽度调整组件组成。既适用轧件宽度变化较大的轧制，又适用于轧制小规格大壁厚的方矩形管生产。这一专利的结构图为图7。
图7.新型可调轧辊宽度的冷弯成型机组
现有的冷弯成型的几种设计方法包括定长度法（弯曲中心上移法）、定半径法（变点定径法、弯曲中心移动）等，已不能满足方矩形管在变厚度时精确弯曲的要求。轧机结构的创新以及可以分别满足不同规格方矩形管的尺寸调整要求和适应板厚变化的上下辊间隙调整的要求。如何从设计方法上同时满足和实现不同尺寸贵和和不同壁厚产品的调整需求，成为一个迫切需要解决的问题。刘继英教授给出了以外直线轮廓为固定交汇点的弯曲设计方法，该方法能满足辊型完全共用且高精度、是便于伺服调整的柔性辊型系统的设计方法[16]。
图8.以外轮廓直线为交汇点的弯曲方法
采用这一设计方法，当板厚发生变化时，辊型的板厚方向直接按板厚差值调整，而轴向方向可以按照对应的几何关系调整。调整的孔型可以实现板料的精确弯曲成形，而理论上无任何误差。当产品的板厚发生变化时，孔型的垂直方向按照板厚的差值调整，而水平横向按照弯曲角度和厚度差的几何关系调整。意大利STAM公司的设备上可以实现0.3-13mm不同板厚的成形，解决了不同板厚下轧辊公用的精确成型问题。[17]
4.4 高精度方矩形管检测技术
目前生产过程中方矩形管的检测，采用的是普通的量具卡尺、千分尺和角度尺。对于圆角部分的测量，需要做剖面投影。对于冷弯型钢产品，特别是复杂截型的产品，桌面式轮廓扫描仪是一个方便快捷的检测工具。COPRA® 桌面截型扫描仪利用传感器和旋转台实现型材截面的无接触测量，并将可见截面图形化。系统具有很高的精度和灵活性。测量型材时，只需要将用手将旋转型材台面旋转360°就可以得出整个型面的扫描轮廓。利用软件可以将整个扫描截面校准到一个轮廓上，并与理想的设计断面作对比，快速准确地得到型面的偏差分布，以及判定是否超差。
图10. COPRA® 桌面截型扫描仪
4.5 方矩形管新技术的发展展望
我国作为制造大国，快速发展的汽车产业、建筑产业、工程机械等行业对型材的需求越来越大，品种规格越来越多，产品质量越来越高。这对于冷弯型钢提出了更高的要求。我国冷弯型钢行业面临着的巨大的挑战与机遇。如何为我国的工业发展提供性能更好的型材，以实现行业的技术升级和转型是我们面临的迫切任务。以高强钢材料代替普碳钢、高精度型材代替粗放型材、复杂型材代替简单型材以满足客户下一代产品的需求是冷弯行业发展的方向。
“先期介入”是一个先进的战略理念，要求企业不再是被动地满足上游客户的需求，而是主动介入上游客户新产品开发过程，为客户提供所需要的产品工艺制造技术的支撑，实现更高层次上的合作与战略共赢。
追求技术进步是不断提高企业核心竞争力的措施之一。企业应该成为技术创新的主体。采用先进适用的技术，可以减少企业的投资风险，获得好的技术经济效益。
我国目前方矩形管的产品普遍面临的问题以及今后发展的几个问题包括：
（1） 方矩形管的内在质量检测与控制
方矩形管依据用途不同需要满足不同的质量指标。对于受力的重要部件，不但要求外在质量（尺寸等）也要满足内在质量（残余应变控制等）。目前关于残余应变的控制，一些专家学者利用冷弯成型工艺过程的仿真，做了优化成型工艺参数的研究，减少了残余应变，满足产品后续加工的需要。一些专家学者也对残余应变的检测与控制进行了研究，发表过一些论文。但目前行业内仍缺乏有效实用的工程检测控制方法。
（2） 高精度产品及稳定的质量控制
目前我国的方矩形管的产品还很难满足机械行业高精度部件的需要。对于一些有配合要求的型材，如何在生产条件下稳定地达到高精度的需要是我们面临的一个难题。这需要从装备、轧辊模具、原料控制、生产过程控制等多个环节入手，系统地解决涉及的问题。国外已经实现了75X75方管100X50矩形管的稳定公差+-0.1mm,板厚控制公差+-0.02mm的水平。
（3） 高强度钢及新材料的开发与应用
高强钢的应用越来越广泛，且钢材的屈服强度越来越高，这对冷弯行业既是机遇也是挑战。目前的冷弯型材已不局限于强度在500MPa以下的钢材。在汽车领域冷弯（辊压）型材的屈服强度已实现了1300MPa级别的批量生产。高强度钢回弹大，塑性延伸率低、变形抗力大是共性技术问题。借鉴汽车行业的已有辊压技术可以加快冷弯行业的发展步伐。
新材料的不断出现也是冷弯型钢发展的机遇与挑战。军工行业和新兴产业是我们需要加以关注和介入的领域。
参考文献
1. 高光祖 方矩形管直接成方工艺 焊管 1997年第4期
2. 郑文彪 PR700/8 冷弯型钢机组直接成型工艺 焊管 1997年第1期
3. 冷弯方矩形钢管直接成形工艺专题研讨会 http://www.itacn.org/1157508247.html
4. 小奈弘 刘继英 冷弯成型技术 化工出版社 2007.10
5. 姜复生 现代辊式冷弯成型技术的发展特点 轧钢 1994.8
6. 王大齐 辊弯成形新工艺 上海金属 1996.1
7. 李烨 大型冷弯方、矩形管的生产与研究 焊管 2003.11
8. 江岩 张长发 关世杰 一种制造尖角矩形钢管的方法 专利号ZL02103603.9
9. 姜春民 张静 江岩 厚壁小口径方管 专利号: CN201220171550
10. 姜春民 张静 江岩 空腹尖角菱形管的加工方法 专利号: CN200910201329
11. 张静 姜春民 梯形截面冷弯焊接异形管的成形工艺 专利号: CN201010275501
12. 姜春民 四辊万能机架 专利号: CN201220172533
13. 姜春民 江岩 分离式轧机 专利号：CN93221018
14 高国武 型材成型机 专利号: CN 02280745
15. 高国武 姜志雄 浮动牌坊轧机 专利号: CN201320365426
16. 刘继英 汽车用焊管产品的开发与关键技术 中国第五届轧辊模具行业技术交流会 2013.10.22 常州
17. Rollforming lines and FMS http://www.stam.it/rollforming-lines-machines.php
作者：江岩 上海佳冷型钢有限公司（上海佳艺） 副总经理。曾供职长春冷弯型钢总厂任研究所所长；天津淮海冷弯型钢有限公司任总工程师。
