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晏培杰
（南京工业大学先进轻质高性能材料研究中心，江苏南京 210037）
辊压成型技术经过40 多年的发展，产品涵盖矿山、建筑、汽车、机械、化工以及电子等众多工业领域。辊压成型行业从钢铁行业的一个小分支，逐步发展为钢铁材料深加工的重要方向。目前，国内辊压型材需求量已经达到1.5 亿吨/年。
随着制造业水平的飞速进步，对辊压型材的外形和性能要求也在不断提升。辊压型材原材料已由单一的普碳钢向高强钢、铝合金、镁合金和钛合金等轻质材料发展。辊压型材的截面形状，也不再局限于传统的圆形和方矩形，而是根据客户需求进行量身定制。轻量化、定制化和精密化，将是未来高端辊压型材的必备特征。然而，国内目前能够生产高端辊压型材的厂家寥寥无几，造成高端辊压型材大多依赖进口的窘迫局面。
高端辊压型材的研发，离不开定制辊压成型技术的发展。定制辊压成型技术通过提高辊压成型产业链上下游之间的协同水平，实现辊压型材的材料和结构轻量化、截面形状定制化、尺寸精度精密化，更好地助力制造业转型升级。以汽车零部件为例，定制辊压成型技术开辟了以优化截面形状为主，而不是单纯通过增加材料用量或者改善材料性能，来提高材料利用率的新途径。
对于发展中国家而言，定制辊压成型技术不但能够节约能源和资源，还有助于辊压型材的进一步推广和应用。定制辊压成型技术正处于快速发展期，对国内辊压成型行业提出更严峻的挑战。本文将从定制辊压成型技术的发展现状、解决方案以及典型应用等方面进行系统性阐述。
1.1 定制辊压成型技术定义
辊压成型，中文名又为冷弯、滚压、滚弯、罗拉等，英文名为roll forming，是一种将金属板材或带材通过连续辊式弯曲方法获得各种开口、闭口、宽幅变形断面金属型材的技术［1］，如图1 所示。
定制辊压成型技术的核心是定制设计和高效制造［2］。其中，定制设计是指为客户提供一揽子解决方案，包括产品设计、材料设计、结构设计、工艺设计、性能设计和成本设计；
而高效制造则是以辊压成型生产线为平台，集成冲压、辊压、焊接、端部处理、切断等工艺，实现高效自动化生产和近成品交付。最终实现产品的“两高一低”，即质量与性能提高、综合成本降低。
如表1 所示，定制辊压技术是对传统辊压成型技术的补充和完善，属于跨学科多工艺的集成应用技术。定制辊压型材与传统辊压型材的主要区别在于，传统辊压型材主要以圆管和方管等标准型材为主，而定制化辊压型材的截面结构取决于客户需求，针对不同的应用场景，每一个截面的定制辊压型材都是一个完整解决方案的载体。典型的定制辊压型材截面如图2 所示，截面具备尺寸精度高、形状复杂以及结构功能一体化等优点。
表1 定制辊压成型技术主要内容
1.2 国内外发展现状对比
（1）定制辊压型材的设计和应用水平。欧洲国家已经形成了定制辊压型材设计和应用的完整体系，主要体现在两个方面：首先，产品设计工程师具备丰富经验，能够高效设计具有复杂截面的定制辊压型材；
其次，型材供应商深入了解定制辊压型材的性能及应用工况，从而指导用户选购和采用。以建筑行业门窗结构为例，著名的欧洲型材供应商RP 和Foster 均有完备的产品系列，能够提供各个系列对应的工况条件。同时，整个门窗系统所需的配件也能够配套供应，为客户提供完整的解决方案。欧洲型材供应商Welser 在官网上提供设计软件，用户可以根据指导自行设计所需型材。
反观国内，供需双方对辊压型材的设计和应用普遍存在认知不足和沟通障碍。供应商主要还在提供简单的圆管［3］、方矩管［4-5］、槽钢等断面形状简单的标准型材，难以满足用户的实际需求；
另一方面，用户对辊压成型技术的认知还停留在上述简单型材，并不清楚定制辊压成型技术能够给自身创造的潜在价值。
（2）以辊压成型生产线为平台的多工艺集成技术。基于辊压成型生产线，可以集成各种不同工艺，以满足生产需要。鉴于国外制造业发展水平高，生产设备供应商之间具有不同的核心技术，特点鲜明，多工艺集成方式灵活多变。同时，根据不同产品的制造要求，国外供应商除了提供不同类型的辊压成型生产线，还可以提供单独的柔性成型设备。
由于国内定制辊压成型技术发展滞后，设备供应商缺乏对技术集成化的理论基础和实践经验，提供的生产线结构简单，功能单一，仅能加工简单的标准型材。部分为整车厂供应的辊压成型生产线，针对常见的几种汽车零部件，集成了部分工艺，但适用面窄，难以应用到其他领域。
（3）轻质材料辊压成型技术。国外辊压成型技术已经广泛采用各种新材料，包括铝、镁合金，碳纤维，复合材料，高强钢［6］等。高校和研究院不断进行辊压成型技术的深入研究［7-12］，企业则在工业化生产中积累问题和经验，与高校研究院深入交流，开展产学研合作。反观国内辊压型材仍然主要以200～400 MPa 强度级别的普碳钢和低合金钢为原材料，产品厚度一般在4 mm 以上，与轻量化大趋势背道而驰。主要原因是国内生产厂家对轻质材料的加工性能并不了解，难以解决辊压成型过程中出现的质量问题以及型材服役过程中出现的使用问题。
1.3 对我国制造业发展的意义
（1）引领国内辊压行业全面升级。目前国内辊压成型技术较国外落后，不仅体现在型材截面形状简单，更体现在型材的应用受到局限，缺乏理论体系支撑和广泛共识。定制辊压成型技术对辊压型材进行从应用、开发到制造的系统性研究，引领国内辊压行业全面升级。
（2）轻质材料辊压成型技术的系统开发。目前国内尚未出现将辊压成型技术应用于铝、镁合金，碳纤维等轻质材料的系统性研究，更没有工业化生产的案例。定制辊压成型技术可以根据不同轻质材料的力学性能，制定相应的辊压成型解决方案，进一步推动轻质材料的应用和发展。
（3）先进型材对智能制造的推动。现代化工厂在智能制造过程中，往往需要上游企业高品质原材料的支撑。以辊压型材为例，企业在采购标准化的带材后，后续需要进行多道后处理工艺，如激光下料、拼焊、整形、钻孔、激光切割等，才能进行组装。工艺链的大幅延长，一方面对自动化生产技术可行性提出了更高的要求，另一方面会增加企业信息搜集和配置设备的成本。定制辊压成型技术不仅可以增加截面结构性或功能性特征，实现一体化成型，减少或消除下游的焊接工序，还可以在型材上加工通孔、沉头孔、压花、翻边、切边等特征，实现近成品交付。更简化的工序以及更低廉的成本，将有助于智能制造技术在辊压行业的普及和应用。
（4）推动产业链上下游协同发展。由原材料-定制辊压型材-最终产品构成的产业链上下游关系中，定制辊压型材充当从原材料到最终产品的桥梁作用。工程师充分理解用户的使用需求，然后对型材截面进行结构优化，选择超高强钢等合适的轻质材料，采用定制辊压成型技术，最终得到满足客户需求的定制辊压型材。定制辊压成型技术是目前国内外1800 MPa 级超高强钢的主要成型方式，帮助产业链上游解决产能过剩，促进产业链下游实现绿色制造。
2.1 国内发展滞后的原因
由于下游用户对辊压成型技术及其产品特性认知不足，同时粗放式的工业发展模式使得更多的用户选用热轧型材。与发达国家相比，定制辊压成型技术在国内发展严重滞后，究其原因，主要包括以下几点：
（1）辊压成型技术理论研究水平低。国内从事辊压成型技术研究的专业人员较少，仅有北京科技大学［13-17］、上海交通大学［18-21］以及北方工业大学［22-23］等高校，进行了少量应用性研究。与国外研究机构相比，国内缺乏对辊压成型技术理论的系统性研究。以辊压成型质量控制为例，如图3 所示，德国达姆施塔特工业大学将板材的三维辊压成型过程细分为不同阶段，直观解释残余应力的产生机理，以及它对端部扩口等冗杂变形缺陷的影响，值得国内研究人员借鉴。此外，高强钢、铝合金和镁合金等轻质材料在辊压成型过程中的流动行为以及辊压成型工艺与其他工艺之间的耦合技术也需要更多的理论支撑。
（2）产品研发能力不足。现阶段，国内生产厂家缺乏与客户的全方位对接，同时缺少提供一揽子解决方案的制造服务业精神，导致产品品种与市场脱节；
另一方面，当生产厂家研发出高盈利产品，其他厂家跟风抄袭现象十分严重，并通过价格战等方式开展恶性竞争，严重扰乱了辊压行业的研发氛围，不利于辊压行业的可持续健康发展。
（3）产品标准的缺失。欧美等辊压成型技术相对发达的国家都具有完善的辊压型钢产品标准，同时技术指标也相对先进，能有效激励行业内制造企业对产品进行优化。虽然辊压型材在我国已经广泛应用，但是产品标准并不完善，技术指标也比较落后，已经无法真实反映出整个行业现有的技术水平和市场需求，也导致了行业内存在相当一部分的低端技术产能。
2.2 定制辊压成型技术的解决方案
面对汽车制造业升级带来的新需求，定制辊压型材通过材料和结构优化设计，完成产品升级，达到轻量化目的。此外，应用多工艺集成的辊压成型生产线，进行辊压型材模块化、近成品化制造，实现综合制造成本的降低。
（1）材料优化设计。材料优化设计是指通过分析现有产品的安全特性，选用合适的高强钢、铝合金、镁合金等轻质材料代替传统普碳钢，实现产品减重和碰撞安全性能提升的双重目标。以高强钢/超高强钢材料为例，其在欧美部分车型车身上的应用比例已经超过60 %，是车身结构件中最常用的轻质材料。
（2）结构优化设计。定制辊压成型技术通过对产品截面结构进行优化设计，在降低型材重量的同时，增强截面力学性能。凭借有限元仿真等辅助分析手段，对产品在实际服役过程中的关键承载点进行优化，有效解决高强钢轻量化引起的刚度不足等问题。图4 为P 字型（上）和日字型（下）定制辊压型材的结构优化示意图。如图4 所示，通过传统辊压成型技术生产两种型材时，都需要对两个零件进行拼焊，而应用定制辊压成型技术后，成功打破传统辊压成型技术和用户实际需求之间的“阻碍”，实现型材的一体化成型，大幅提升生产效率。
（3）产品模块化、近成品化制造。以往的主机厂设计中，通常按照结构件、功能件等单一功能进行零件设计，再在装配车间对多种功能单一的型材零件进行后续的冲孔和焊接。定制辊压成型技术根据零件使用特点，进行重新整合以及功能化设计，将多个具有单一功能的零件整合成一个多功能化型材产品。依托多工艺集成的辊压成型生产线，应用激光焊接、离线弯弧等延伸加工工艺，实现定制辊压型材的模块化和近成品化制造。
2.3 定制辊压成型技术的高效制造
定制辊压成型技术可以根据用户实际需求，设计不同复杂截面形状的辊压型材，如图5 所示。但是，定制化产品往往存在生产效率低的难题，更换模具需要花费的时长，是衡量定制化技术水平的重要标准。为了提高生产效率，需要在前期保持与客户的设计沟通以及成型设备的柔性化设计。要想实现标准化的高效定制辊压成型，需要做好“三柔”，即“一机多产品”、“一机多工艺”、“一模具多截面”。
如图6 所示，定制辊压成型生产线通过模块化设计，实现不同集成化工艺的任意排布。根据产品的不同需求，在生产线上柔性切换成型机架、冲孔以及焊接工装。
利用模具柔性设计技术，能够解决型材开发周期长的难题。应用传统辊压成型技术开发新产品时，需要重新开发一整套模具。而定制辊压成型技术拥有整套轧辊数据库，在开发新产品时，可以最大程度实现模具共享，从而极大地降低模具设计和制造时间，提高生产效率。图7 为不同截面物流货架用立柱产品的模块化模具设计方案，成功实现了“一模四用”，即一套模具可以满足四种定制化辊压型材的制造。
2.4 定制辊压成型企业的共享属性
辊压成型企业类型可分为标准型和定制型，其中，定制型又可细分为共享型和自用型。标准型辊压成型企业以生产传统圆管、方管和其他标准型材为主，如原上海宝钢型钢和武汉汉口轧钢厂等大型企业。共享型辊压成型企业，如奥地利的威尔森等，生产的辊压型材属于最终成品，为各行各业提供不同的定制化辊压型材。自用型辊压成型企业，如安道拓Hichenbach 工厂、美国顺普以及国内的凌云和敏实，聚焦于某一类产品，生产的辊压型材属于半成品。自用型辊压成型企业由于产品类型单一，需求变化点减少后，企业容易进入红海市场，丧失竞争力。如原有做辊压成型保险杠和门框的自用型辊压企业，面临激烈竞争的市场，开始研发铝制型材和热成型型材的生产，用来保持其在该领域的竞争力。所以，自用型辊压企业向标准型辊压企业的发展倾向较高。
以奥地利的威尔森和奥钢联为例，共享型辊压企业的“共享”特点非常显著。主要表现以下三个方面：
（1）人才共享。定制辊压成型技术相关人才的培养中，扎实的知识储备和丰富的实践经验是两个最重要的因素。首先，定制辊压成型技术涉及到材料、冶金、机械以及自动化等多学科的交叉应用，对工程师的知识储备提出更高的要求。其次，定制辊压成型技术制造的产品类型更加宽泛，应用场景更加丰富。由于定制化辊压企业需要服务制造业多个领域，这决定了人才必须是高质量“歌唱家”而不是单一“流行歌手”。
（2）技术共享。定制辊压企业的每个项目来自制造业不同领域。项目前期的定制化设计，就是与用户彼此交换“idea”，最终形成创新解决方案的过程。如乘用车电池包技术中的轻量化连接解决方案，可以从环保污水处理的框架设计中借鉴。共享型辊压企业能够集合各个行业的众多解决方案，分享成功经验，降低新产品的开发风险。
（3）产线共享。辊压成型产线的速度范围为10～30 m/min，年产能在几百万米左右，产量能达到几千吨甚至上万吨。单一领域产品的生产需求不足以充分利用产能，侧面说明国内辊压企业的产线闲置率较高。共享型辊压企业可以实现产线共享，实现产能的合理配置。
定制辊压企业的共享属性优化了人才、技术、产线产能的配置，在项目开发成功率、成本和生产效率方面有较强的竞争力。
（1）客车车身骨架［25］。目前国内客车行业多采用简单的方矩型管、U 型槽和角钢等简单型材拼接成骨架系统，如图8 所示。型材功能单一，拼装过程耗时耗力。苏州亿创特智能制造有限公司与郑州宇通客车协同开发客车骨架用异型材产品，将原有的方矩管+角钢，现场冲孔+手工拼焊工艺进行优化，实现了单一零件47.5 %的减重效果，同时消除人工拼焊引发的质量隐患，大幅节省综合成本。定制辊压型材在戴姆勒奔驰车身的应用已超过1/3，推算得出，国内客车的定制辊压型材市场规模将达到25亿元以上。
（2）航空领域。钛合金、碳纤维等材质的高端定制辊压型材，在航空航天领域有着广泛应用。典型应用场景包括机身框架、机翼、机舱座椅等关键零部件，如图9 所示。国产飞机机体成本约占总成本的40 %，其中辊压型材成本占到机体成本的10 %，即辊压型材成本占总成本的4 %。截至2019 年底，C919 国产客机订单已达800 余架［26］，然而，C919 国产客机材料国产化率不足一成［27］。逐步推进定制辊压型材的国产化，将助力国内航空产业的飞速发展。
（3）汽车领域。定制辊压型材在乘用车上的应用几乎遍布每个结构件［28］。如要求较高的底盘扭力梁、座椅精密滑轨［29］、电池盒框架等。在商用车中，定制辊压型材则广泛应用于底盘和车身框架［30］中。苏州亿创特智能制造有限公司采用定制辊压成型技术，生产的日字型防撞梁系列产品如图10 所示。
定制辊压型材在汽车市场的应用规模极其庞大，每年市场规模保守估计800 亿元。例如新能源电池盒框架的年需求量约为1000 万套，年销售额可达100 亿元，而保险杠年需求量约为4000 万支，年销售额约为40 亿元。
（4）建筑领域。定制辊压型材在建筑领域中的典型应用是门窗和玻璃幕墙框架，如图11 所示。目前，多数建筑采用挤压成型的铝型材作为框架，只有少数高端建筑采用进口的钢制型材［31-32］。
相较于铝制型材，钢制型材具有高强度、高刚度和高熔点的特性，可满足建筑设计大跨度、大分割、极纤细、抗震、防火耐高温的诸多特殊要求。随着国家建筑防火耐高温要求的逐步提高，钢制型材必将得到更广泛的应用。中国每年7000 亿元门窗幕墙市场，防火类门窗幕墙预计将达到市场总额的30%，规模在2000 亿元以上。
（5）物流领域。随着电子商务的普及，物流行业飞速发展，仓储货架系统的需求量也在急速增加。近十年来，自动化立体仓库（如图12 所示）的市场规模保持了平均每年20 %左右的增长速度，在2020年达到325 亿元。立体仓库主体的货架系统由型材拼接而成，该市场年需求量为49 亿元，2020 年的用钢量为61 万吨。目前，国内货架上应用的一些高品质辊压型材仍然依靠进口，每年的市场规模约20亿元。
另一方面，随着中国制造2025 的推进，国内智能工厂将快速兴起，智能立体库更加普及，对定制化辊压型材的需求也会大幅上涨。
定制辊压成型技术是多学科多工艺集合的先进成型工艺，通过上下游联合创新解决方案的研发，制造满足我国钢铁延伸制造业高质量发展的基础材料。本文围绕定制辊压成型技术发展的背景、发展、方案和市场进行了系统性综述。
定制辊压成型技术未来发展的关键点在于：
（1）辊压成型理论研究和应用水平的提升。加快传统辊压成型技术以及分支成型、三维变截面辊压成型、热辊压成型等新型辊压成型技术的理论研究。应用辊压成型新技术，实现定制辊压型材从建筑和汽车行业，向航天、航空、船舶、兵器等军工行业的迈进，将定制辊压型材的应用水平推向新高度。
（2）定制辊压成型技术的社会支持。定制辊压成型技术的精髓是从用户需求出发的多学科与多工艺集成，需要更多的高校等研究机构培养复合型技术人才。单靠一家企业或者机构的实力，不足以支撑定制辊压成型技术的快速发展。社会和政府部门需要对定制辊压成型技术有更加深入的认知，鼓励和支持技术研发与产业化。
（3）产业链上下游共同价值链的形成。在原材料、定制辊压成型、产品组成的上中下游产业链中，辊压成型技术读取产品应用的需求目标，选用合适的原材料，制定合理的成型工艺，打通了上下游企业供给侧困难。产业链上下游之间应建立起共同的价值链，聚焦定制辊压型材的适用性和可靠性，实现从选材到应用的全方位提升和发展。
鸣谢：感谢苏州亿创特智能制造有限公司为本文提供部分信息。
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