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货架立柱的辊轧工艺及轧辊参数的研究 摘要 传统的货架立柱通常采用标准型钢通过剪裁、弯曲、焊接等工艺搭建而成，但因标 准型钢不具有针对性，还有自重大、须焊接、不灵活等自身缺陷的存在。使得人们不断 探索新的材料和加工途径。货架型材的辊轧成形是平板金属带材深度加工的一个重要领 域，影响其成形过程的因素很多。目前，仍主要靠经验来确定辊轧成形工艺，依赖试验 的方法来掌握其工艺规律。所以，对辊轧成形工艺进行研究具有重要的理论价值和实际 意义。 在介绍了型材冷辊轧成形的发展历史、现状、发展前景以及型材在物流货架中应用 特点的基础上，对冷辊轧成形法与其他成形方式进行了简要的比较，得到了辊轧成形的 主要特点。还以型材的冷辊轧成形工艺流程为切入点j 介绍了确定辊轧成形平缓过渡区、 最小弯曲半径以及最大弯曲角的相关理论，根据带材在冷辊轧过程中的塑性交形，研究 了冷辊轧成形过程中变形区长度、临界弯曲角、最小弯曲半径和平板带材的确定方法， 然后归纳总结了冷辊轧成形中力、能和功率等参数的计算公式。在得到基本原理和成形 工艺过程的基础上，分析了冷辊轧成形的成形工艺，研究了一些确定成形工艺的原则， 如总体变形区长度、机架的间距和数量、轧辊的轴径和底径、成形力和成形力矩、辊轧 过程中的成形功、辊轧的成形底线以及辊轧的成形速度等，并对轧辊成形时的润滑进行 了简要的阐述。 在成形过程中，板坯不同部位具有不同的受力状态，各个部位的变形方式以及变形 性质具有比较大的差异。对在生产过程中各种影响成形参数如成形角大小、成形道次多 少、板材厚度、成形底线位置、翼缘高度、腹板的宽度进行了详细的研究模拟，并分析 了各个成形参数对板科成形的影响情况，为今后冷弯槽钢的设计和生产提供了参考理论 依据。 最后还对轧辊的设计原理进行了简述。介绍了孔型和辊型设计的基本原理，进行辊 型设计时需要考虑的因素，成形道次的确定，带坯宽度的计算、辊花图的设计、辊型设 计的方法以及成形辊所用的材料等。 该研究主要是根据辊轧成形原理，利用理论分析和试验分析相结合的方式，为物流 工业中货架立柱型材的生产，合理地优化立柱截面形状参数，提供合理的工艺路线，生 产出既符合强度和刚度要求，又节省材料的型材产品 关键词立柱：货架型材；辊轧成形i 辊型设计 i i s t u d yo nb o t ht h er o l l - f o r m i n gr o c e s s e s a n dr o l l sp a r a m e t e r s a b o u tt h es h e l f su p i u g h t a b s t r a c t c o l dr o l l - f o r m i n go fm e t a l5 l t i o i l si sas i g n i f i c a n tf i e l di na d v a n c i n gf o r m i n go fs t r i p m e t a l ，a n dt h ef o r m i n gp r o c e s s e sa r ei n f l u e n c e db ym a n yf a c t o r s s ol 缸，t h ed e t e r m i n a t i o no f t h ef o r m i n gt e c h n i q u e si nc o l dr o l l f o r m i n gs t i l lm a i n l yr e l i e so i lt h ee n g i n e e r se x p e l i e l c 4 e m o r e o v 盯o n l yt h r o u g ht h ew a yo f t r i a lc a n t h er e g u l a r i t yo f t e c h n i q u eb eo b t a i n e d t h e r e f o r e ， i ti so fg r e a ti m p o r t a n c e ，b o t ht h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a l ，t od or e s e a r c hw o r ko nc o l d r o l l f o r m i n go f m e t a ls e c t i o n s t h et h e s i sf o c u s e so ns m a l ls e c t i o n su s e di nt h el o g i s t i c si n d u s t r ya n dt h e i rf o r m i n g p r o c e s s 一- c o l dr o l l f o r m i n g i tn o to n l yb r i e f l yr e v i e w st h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo f r o t l f o r m i n g ， i t sc u r r e n td o m e s t i ca n do v e r s e a sr e s e a r c hc o n d i t i o n , t h et r a i t so fr o l l - f o r m i n gs e c t i o n s , i t s a p p l i c a t i o ni nt h ea u t o m o t i v ei n d u s t r ya sw e l la si t sp r o s p e c t , b u ta l s oc o m p a r e st h ep r o c e d u r e o fc o l dr o b - f o r m i n gw i t ht h a to fo t h e rf 0 舡睦i n gm c t h o d s t h ep r o c e s so f r o l l f o r m i n ga 糟 e x p l o r e d ，i n c l u d i n gh o wt od e t e r m i n et h ev a l u e so fd e f o r m a t i o nl e n g t h , t h ec r i t i c a lb e n d i n g a n g l ea n dt h em i n i m u mb e n d i n gr a d i u si ns u c hap r o c e s sa n dt h ep l a s t i cd e f o r m a t i o no fb e l t b a r si nt h ep r o c e s s ，a n db a s e do nw h i c ht h ec a l c u l a t i o ne q u a t i o no fe n e r g e t i cp a r a m e t e ri s d e r i v e d t h et e c h n i q u eo fc o l dr o l l f o r m i n gi sa p p m a c h e di nd e t a i lw i t hi t sc l a s s i f i c a t i o na n d p r i n c i p l e sb e i n gi n t r o d u c e d f u r t h e r m o r e ，t h ed e s i g n so fp a s s e sa n dr o l ls h a p ea n dh o wt o d e s i g nt h ec o l dr o l l - f o r m i n gp r o c e d u r e so fs e c t i o n sa n ds e tt h e i rp a r a m e t e r sa r ea l s o r e s p e c t i v e l ye x p o u n d e d i nr e s p o n s et ot h er e q u i r e m e n t so f t h ec l i e n t s ，t h es e c t i o no f a na c t u a l p r o d u c ti ss t u d i e dw i t ht h ei n c a k so fc o n t i n u o u s - f o r m i n ga n dt h ef i x e d - p o i n tm e t h o do f c o n v e r s i o nr a d i u s ，a n d 舔ar e s u l tt h ed e s i 弘o fp a s s e si sf i g u r e do u t i no r d e rt or e v i s ea n d i m p r o v et h i sd e s i g n , t h ew h o l ep r o c e s so f c o l dr o l l f o r m i n gi ss t i m u l a t e do nc o m p u t e rw i t ht h e i i i h e l po ft h es o f t w a r eo ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s b ya d j u s t i n gt h er e l a t e ds e to fr o l l - f o r m i n g m i l l st h ed e f e c t so ft h ep r o d u c t sa l ef o u n do u t , a n dc o r r e s p o n d i n gm e t h o df o re l i m i n a t i n g t h e ma p r o p o s e d c h a n n e ls c c t i s t e e li sak i n do fe c o n o m i cc r o s ss e c t i o ns t e e l 。t h ep r o d u c t sa 托w i d e l y u s e di na u t o m o b i l e ，a v i a t i o n , l i g h ti n d u s t r y , m a c h i n e r ym a n u f a c t u r ea n dc o n s t r u c t i o na r e a s t h er o l lf o r m i n gi sav e r yc o m p l e xp r o p s s ，i nw h i c ht h ed e f o r m a t i o ni sac o m b i n a t i o no f s e v e r a ld e f o r m a t i o n si n c l u d i n gl a t e r a l b e n d i n g , l o n g i t u d i n a lt e n s i l e a n dl a t e r a ls h e a r d e f o r m a t i o n , e ta 1 i ti n c l u d e sn o to n l yt h ed e f o r m a t i o np r o c e s sw i t hg e o m e t r i cn o n l i n e a r i t y , m a t e r i a ln o n l i n e a r i t ya n dc o n t a c tb o u n d a r yn o n l i n e a r i t y , b u ta l s o8 0m a n ye f f e c t so ni t s f o r m i n gp r o c e s s ，s oi ti saq u i t ed i f f i c u l tt a s kt os i m u l a t et h i sp r o c e s sp r e c i s e l y n o w a d a y s ， n o b o d yh a sp r e s e n t e dak i n do fv e r yp e r f e c ta n dp r e c i s ea n a l y s i sm e t h o di nt h ew o r l d t h e d e s i g no f p a s ss c h e d u l e sa n dr o l lp r o f i l e sm a i n l yr e m a i n sm o r ea na r tt h a nas c i e n c e i nt h eh o p eo fd i r e c t i n gt h ep r o d u c t i o no fs m a l ls e c t i o n si nt h el o g i s t i c si n d u s t r y , t h e s c i e n t i f i cd e s i g no fp a s s e si sw o r k e do u tb yc o m b i n i n gt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sw i t ht h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i si na c c o r d a n c ew i t ht h ep r i n c i p l e so fc o l dr o l l - f o n r a n g ，t h u st h ed e s i r a b l e h i g h - q u a l i t ys e c t i o n sb e i n ga c h i e v e dt h r o u g ht h ec o m b i n a t i o no f t h et h e o r yw i t hp r a c t i c e k e y w o r d s ：u p r i g h t ：s e c t i o n s ；r o l l f o r m i n g ：r o l l e rd e s i g n i n g i v 货架立柱的辊轧工艺及轧辊参数的研究 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：型小葱、 日期：2 q q z 生旦塑 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保凯使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 作者签名：塑：! ：叠导师签名：鎏薹吐一日期：2 鲤! 圭鱼旦! z 旦 货架立柱的辊轧工艺及轧辊参数的研究 1 绪论 1 1 概述 辊轧成形，又称作辊压成形、辊形等，是将卷材、型材等金属板带通过顺序配置的 多道次的成形轧辊，随着轧辊辊轮的回转，在将金属平板带材向前送进的同时，对金属 平板带材进行连续的横向弯曲，以制成特定断面的型材的加工方法。简言之，辊轧成形 是平板状带材经一系列串列布置的轧辊进行的连续弯曲变形。辊轧成形是一种节材、节 能、高效的板金属成形新工艺、新技术。 辊轧成形产品有着广泛的应用，如汽车上的风窗玻璃框、铁制车厢的底板及边板、 自行车的轮圈及挡泥板、建筑工业中的无腻天窗构件、橱窗构件和窗扇构件等，都是用 这种加工方法加工的。 关于。c o l dr o l lf o r m i n g ”这一工艺名称的术语，目前我国有多种叫法，如： l 、冷弯成形、冷弯型钢等，这种普遍认为是从俄文翻译过来的，在冶金行业此种说 法居多； 2 、辊轧成形、滚轧成形、辊弯成形、辊压成形、滚压成形等，这种一般认为是从英 文翻译过来的： 3 、滚轮成形、冷轧成形等，这种多数是中国台湾地区的叫法。英文名称比较确定， 虽有变化，但大同小异，有r o l lf o r m i n g 、l b l l f o r m i n g 、r o l lf o r m i n g 等 1 1 。 1 1 1 辊轧成形的发展简述 一般地，型材是指可以截取任意长度做成各种结构件的异型断面材料。型材产品则 是以热轧或冷轧平板带材为原料，在常温下采用冲压、弯折、拉拔和辊轧成形等工艺生 产出来的 1 9 世纪中期已经采用冲压法生产型材，但劳动强度大，生产效率低，产品的长度受 到冲压机械的限制。另外，钢带生产设备落后，原料供应量少，而且成本较高，这些都 限制了型材的发展。 直到上世纪初，美国首先采用辊轧成形机组生产型材，使生产连续化，大大提高了 生产效率。在此之后，许多国家也先后采用了这种生产工艺。近年随着型材生产的发展， 国外已经有了分别采用高频电流计或红外线来预热高强度钢板和塑料涂层板然后进行弯 陕西科技大学硕士学位论文 曲成形的工艺。但这类产品与传统的产品不同，已不是在常温下辊轧成形，而是加热弯 曲成形。 自1 8 3 8 年俄国采用压力成形生产型材以来，国外型材生产的历史已有一百多年，大 致分为三个阶段： 第一个阶段探索和试制阶段( 1 8 3 8 1 9 0 9 年) 。 这一阶段仅俄国、美国和英国等少数几个国家采用冷拔机或弯曲压力机单件生产型 材，产品质量低，产量和品种少，生产设备分散在一些建筑工业和车辆制造业的附属工 厂内，产品仅满足本部门的需要。型材的成形理论和生产的研究工作进展缓慢。随着工 业和建筑业的迅速发展，压力成形工艺生产的型材己不能满足用户的要求。 第二个阶段创立和逐步推广辊轧成形工艺的阶段( 1 9 1 0 1 9 5 9 年) 。 1 9 1 0 年美国首先创造了辊轧成形工艺，并建立第一套专业化辊轧成形机组，开始生 产商品辊轧型材，使型材的生产发展到一个新阶段。随后英国( 1 9 2 5 年) 、德国( 1 9 2 5 年) 、法国( 1 9 2 5 年) 、捷克斯洛伐克( 1 9 2 6 年) 等国相继建立专业化生产的辊轧成形机 组，使辊轧成形工艺在欧洲得到逐步推广和应用。 但是，由于冷热轧薄板和带钢的生产落后，不能满足辊轧型材生产的需要，加之这 一时期对辊轧型材的特点和技术经济效果的研究和宣传不够，许多用户缺乏这方面的认 识，辊轧型材未能得到推广使用，所以严重影响了辊轧型材生产的进一步发展。 第三个阶段辊轧型材生产迅速发展的阶段( 1 9 6 0 年到现在) 。 1 9 6 0 年以后，特别是1 9 6 5 年以来，国外大量建设了宽带冷、热轧机，使各主要产 钢国的钢材品种发生重大变化，带钢和薄板的比重显著增大。这就为辊轧型材的生产开 辟了原料来源。 通过对辊轧型材的四十多年来的实际应用，其成形工艺的经济效果逐渐为人们所认 识，引起各方面的重视，使辊轧型材得到推广使用，促进了其生产的发展。现在，所有 工业发达国家和许多发展中国家都生产辊轧型材，特别是英国、美国、俄罗斯、法国、 德国、日本、波兰和罗马尼亚等国十分重视辊轧型材的生产和应用口l 。 i i 2 国内外辊轧成形现状 上世纪初，辊轧成形技术已在世界各国获得长足发展。 到了上世纪8 0 年代，仅美国已有1 8 0 0 0 余条辊轧成形生产线，年产辊轧型材3 5 0 余万吨。目前，各国辊轧型材的年产量已突破1 0 0 0 万吨，各主要工业国的辊轧型材一般 约占轧制钢材总量的2 4 左右。1 9 8 5 年，美国辊轧型材年产量约3 0 0 万吨，前苏联为 2 货架立柱的辊轧工艺及轧辊参数的研究 1 8 0 万吨，日本约1 5 0 万吨。预计近年内，美、俄等国的辊轧型材生产仍将有所增长 辊轧型材产品的规格品种已途1 1 0 0 0 种。坯料厚度约为0 1 3 2 m m ，幅宽为2 0 2 0 0 0 r a m 除了常用的槽钢、卷边槽钢、z 形钢、闭日方( 矩形) 管、圆管等外，还生产 各种幅宽、不同波形的压型钢板、宽幅钢板桩和多种异形专用型材。 近年，各类热处理强化型材、刚性重型型材、夹芯压型钢板和周期性截面型材的生 产有了较大发展。上世纪7 0 年代前，辊轧型材产品主要采用碳素结构钢；其后，高强度 低合金钢、合金钢乃至不锈钢等均有不同程度的应用并正继续得到推广。 在我国，从上世纪5 0 年代末开始建设辊轧成形机组以来，经历了发展、调整的曲折 过程。改革开放后，国民经济建设对钢材品种和质量提出了新的要求，辊轧型材的优点 逐步为人们所认识和接受，辊轧型材生产取得了较大的发展。我国辊轧型材生产发展的 初期( 5 0 年代末) ，冶金行业内只有4 套机组，8 0 年代初约有1 0 套机组，且多是一些中 小型机组。1 9 9 3 年产量已突破7 0 万吨，共1 0 0 0 余个品种规格。如今国内已拥有各类大 中小型辊轧成形及宽幅波纹板成形机组，基本规格配套，还有一些带有多种辅助工序( 如 冲孔、压痕、冲切等工序) 复合功能的辊轧成形机组，总数达1 0 0 0 套以上，设备的综合 年生产能力超过了1 5 0 0 万i r 屯1 3 , 4 1 。 全世界辊轧型材的品种目前已超过1 万种，并有进一步增加的趋势。全世界辊轧型 材的总产量超过1 0 0 0 万吨，占全世界钢材总产量的3 4 。然而，我国的辊轧型材产 品无论从产量、质量、品种、消耗和应用领域方面，还是从装备水平、工艺水平方面， 都处于较低档次，与国外发达国家相比差距还很大【2 7 1 。 1 1 3 辊轧成形的发展前景 作为一种重要的经济性断面型材，辊轧型材被广泛用于国民经济各个部门，如：农 机制造业、交通运输业、汽车制造业、轻工业、电力工业、造船业及物流业。 谈及采用辊轧型材所得到的经济效果，不仅仅在于用辊轧型材简单地代替一个或几 个部件，而是辊轧型材能在结构方案上全面考虑以改进全部制品的工艺性、降低部件的 金属用量和改善其外观形状，后者是相对有意义的。比如辊轧型材的屋盖结构较热轧型 材降低用钢量4 0 0 a 左右，辊轧型材厂房结构约可降低用钢量2 5 左右。 然而，目前就全国范围而言，辊轧型材的应用技术与规模的发展是十分滞后的。据 统计，1 9 9 8 年辊轧型材总产量不到4 0 万吨，还不到钢材总产量的0 4 ，而且，1 9 9 9 年上半年产量还比1 9 9 8 年同期减少了1 5 ，是国内成品钢材惟一减产的品种。 应用滞后的原因是多方面的，但辊轧型材产品规格不全、材料供应不稳定且价格偏 3 陕西科技大学硕士学位论文 高及设计人员不了解辊轧型材应是主要原因。 近几年来，在辊轧型材的产品及市场上有两点对应用十分有利的可喜变化。 一是品种规格多样化，特别是增加了大型c 型钢、z 型钢以及管材供应，改变了小 规格一统市场的局面。例如：武汉薄板厂引进生产线可生产带钢宽度为1 1 2 0 m m 的大型 冷轧高频焊管材( 2 8 0 x 2 8 0 方管、2 0 0 x 3 6 0 矩管) 其厚度可达1 2 7 m m ，此尺寸已远远 超出了薄壁的概念。 另一个重要变化是工厂主导市场的变化，如，天津、南京、厦门等一批地方冷轧企 业的出现大大改变了由传统国营辊轧型材厂主导市场的呆滞局面。他们不仅为市场提供 多规格、低价位的辊轧型材，还可提供良好的售前、后服务，如可定尺、弯曲、钻孔、 镀锌、涂装、送货到现场，甚至可深加工直接提供成形工件等，而价格却明显低于加工 工件的价格，为轻钢结构的配套应用提供了十分方便的条件口o l 。 辊轧成形的发展方向是： ( 1 ) 采用组合技术等方式提高成形辊的利用率，减少工具备品备件； ( 2 ) 更多的辅助工序并入辊轧成形生产线，实现生产线的自动控制： ( 3 ) 广泛采用计算机辅助设计和制造，如c a d c a m 等# ( 4 ) 专门设计更多的产品以适合辊轧成形的特长； ( 5 ) 产品和成形设备的标准化 9 1 。 1 2 辊轧成形及其它工艺异同 辊轧成形时，坯料型材通过一系列相对旋转的成对水平辊和或立辊，在常温下或有 时需要经局部加热，逐步弯曲成形。成形过程不仅发生于每对成形辊中，而且还发生在 两对成形辊之间的平缓过程段上。在变形过程中，坯料型材断面厚度和面积在理论上是 不变的。 1 2 1 与冷轧工艺的异同之处 辊轧成形工艺和冷轧工艺有不少的共同点： ( 1 ) 连续运行相同 坯料在加工过程中连续运行； ( 2 ) 变形区域相同 在加工过程中，在坯料的整个宽度上变形只产生在坯料与工作辊的接触区； ( 3 ) 恒定受力相同 4 货架立柱的辊轧工艺及轧辊参数的研究 在已确定的辊轧成形工艺和冷轧工艺中，所需能量，轧机及辊轧成形机组各机构和 工作辊中产生的作用力及作用方向都是不变的。 与冷轧工艺相比，辊轧成形工艺有如下不同： ( 1 ) 形状变化不同 在辊轧成形过程中，型材断面厚度和面积保持不变，而断面形状发生显著变化：高 度增大，宽度减小。型材长度实际上不变。在冷轧过程中，坯料通过相对旋转的轧辊时 厚度减薄，断面积减小，长度因延伸而显著增大，断面形状可以不变( 如冷轧型材) 。 ( 2 ) 速度变化不同 在辊轧成形过程中，由于成形工件相对于成形辊产生后滑，成形机架出口处成形工 件的运行速度往往略低于成形辊的圆周速度。在几对成形辊中对工件进行连续辊轧成形 时，各对成形辊中工件的后滑速度可通过改变成形辊中心距和装设专用辊来调节。冷轧 过程中轧件则相对于轧辊产生前滑和后滑。 ( 3 ) 长度变化不同 辊轧成形时坯料型材的变形区较长，型材早在与成形辊接触之前就已开始变形。冷 轧时金属的变形区则主要随轧辊规格而变化，一般略大于型材上轧辊咬入弧的长度。 ( 4 ) 变形类型不同 辊轧成形时型材通过冷弯变形被加工成所需的断面形状。轧制时坯料则通过压缩和 拉伸加工成所需的断面。 1 2 2 与冲压工艺的不同之处 与冲压成形工艺相比，辊轧成形工艺存在如下不同之处： ( 1 ) 连续运行与否 辊轧成形过程中坯料型材连续运行，而冲压成形时坯料固定不动； ( 2 ) 速度变化与否 辊轧成形过程中，成形辊旋转，其上各点的线速度不同，而冲压成形时成形工具( 阴 阳模) 作直线运动，其上各点的线速度相同； ( 3 ) 长度受限与否 辊轧成形过程中坯料的长度不限，而冲压成形过程中坯料长度受到冲模长度的限制； ( 4 ) 接触全面与否 辊轧成形过程中，成形辊只与坯料局部接触；而冲压成形时冲模与坯料的全长同时 接触； 5 陕西科技大学硕士学位论文 ( 5 ) 受力变化与否 当辊轧成形过程的各项参数已调定时，成形辊不同点上的作用力和作用方向以及能 耗都是不变的；而冲压成形时，这些都是周期变化； ( 6 ) 纵向应力与否 辊轧成形过程中，坯料型材内产生纵向应力，而冲压成形时坯料不承受任何纵向应 力； ( 7 ) 应力应变同否 辊轧成形和冲压成形时所产生的应力应变不同； ( 8 ) 过渡存在与否 辊轧成形过程中，坯料上出现平缓过渡段，坯料边缘拉应力最小，而冲压成形过程 中同时在全长上对坯料进行成形，不出现平缓过渡段豫儿】。 1 3 辊轧成形的主要特点 如上所述，辊轧成形是将卷材、型材等金属板带通过顺序配置的多道次的成形轧辊， 随着轧辊辊轮的回转，在将金属平板带材向前送进的同时，对金属平板带材进行连续的 横向弯曲，以制成特定断面的型材的加工方法。 通过与冲压成形工艺和轧制成形工艺的比较，不难总结出辊轧成形工艺的主要特征。 这些特征有： ( 1 ) 辊轧成形的生产效率很高，所需设备和人力很少。 ( 2 ) 辊轧成形可以得到表面加工质量很高的各种形状的制件，即保持着平板带材 的表面质量。 ( 3 ) 辊轧成形可以制造出断面形状十分复杂的构件，可以最大限度地满足结构设 计的要求。 ( 4 ) 辊轧成形可以与其它工艺过程结合，形成连续的加工过程：与焊接结合，如 焊接管及自行车轮圈生产；与低温焊接结合，如散热管生产：与弯曲结合；与穿孔结合； 与打印结合；与定尺剪切结合；与卷入铁丝及纸板结合等。 ( 5 ) 成形辊作为辊轧成形的主要变形工具，具有使用寿命长的特点，且制造较简 单、成本低。 ( 6 ) 辊轧成形可以加工各种材料：软带钢、有色金属及其合金、不锈钢及其他许 多材料。 ( 7 ) 辊轧成形用平板带材的尺寸限制少：厚度可以由o 1m i l l 到2 0m i l l ，宽度可 6 货架立柱的辊轧工艺及轧辊参数的研究 达2 0 0 0 m m ，长度从理论上讲可以是任意的，几乎不受设备的限制。 ( 8 )由于具有均匀的加工硬化性，因而制件的刚度和强度都有显著的提高。 ( 9 ) 材料利用率高1 2 8 ，9 】。 总之，辊轧成形工艺特别适用于生产批量大的等截面长工件，并可与多种工艺过程 结合( 如冲孔、起伏焊接、定尺剪切等) ，组成连续化的生产线。辊轧成形生产率高， 能够生产出截面形状十分复杂且厚度均匀、表面光洁的工件。 1 4 本文研究内容和意义 本文选择对物流工业的立体仓库中所需要的货架立柱型材的辊轧成形工艺和参数的 优化进行研究。 传统的货架立柱通常采用标准型钢通过剪裁、弯曲、焊接等工艺搭建而成，但因标 准型钢不具有针对性，还有自重大、须焊接、不灵活等自身缺陷的存在，使得人们不断 探索新的材料和加工途径。而辊轧型材的特点是截面不大，形状复杂，尺寸精度、形位 公差、表面光洁度等要求较高。由于辊轧成形工艺的上述特点，辊轧成形产品被广泛的 应用于国民经济各个部门，近年来，辊轧成形生产的高效率化、高附加值化、多品种化 推动了一系列辊轧成形新技术的发展，包括过程模拟技术、优化设计和c a e 技术、高精 度加工技术、柔性生产技术、复合加工与深度加工技术等，逐步使辊轧成形由工艺技术 向工程科学过渡，向过程综合、技术综合和材料综合的方向发展。成形工艺参数的选择 和成形辊的设计在辊轧成形过程中具有相当重要的作用，然而，由于辊轧成形本身具有 的特点和规律尚未被人们完全掌握和认识【”，辊轧成形工艺仍被普遍认为是一种。未掌 握的艺术”，还未上升为科学。 本文采用理论分析和模拟实验分析相结合的方法进行研究，首先对截面型材进行辊 轧成形原理和辊轧工艺分析，然后利用分析软件进行模拟，并将二者进行比较，最终得 出合理的工艺设计方案。 研究辊轧成形技术，掌握其主要缺陷的形成和影响因素，探寻消除缺陷的方法，优 化工艺参数，逐步形成工艺控制理论，对弯曲加工技术的进一步发展有重要意义由于 技术等的原因，我国现在对这类型材的辊轧成形生产与国外差距还很大，有些还不能实 现国产化，因此研究此种成形工艺对于物流工业或建筑业中辊轧型材的发展有着重要的 意义。 7 货架立柱的辊轧工艺及轧辊参数的研究 2 辊轧成形的基本原理 2 1 辊轧成形过程 近年来，生产型材的方法基本上有两种，即拔制法和辊轧法。辊轧成形的基本情况 及其特点己在上章作了介绍，尽管辊轧成形法并不能完全代替拔制法，但其发展速度和 规模都远远超过拔指法，所以，在这里主要研究型材的辊轧成形。 2 1 1 辊轧成形过程 图2 - 1 型材的辊轧成形 f i g 2 - 1c o l dr o l l f o r m i n gp r o c e s so f s e c t i o n s 简言之，型材的辊轧成形过程，就是用一套辊轧机组将型材逐渐压弯成所需的断面 型材的过程，参见图2 1 。 图2 - l 是江苏南京六维有限公司的某辊轧成形机组的实物照片( 上) 和由4 个机架 9 陕西科技大学硕士学位论文 组成的简化辊轧机组( 下) ，第一机架( i ) 主要完成卷形带材的平整和校直工作，从第 二机架( ) 开始的后续机架( i i i 、i v ) 均各承担一定的压弯成形任务，从而使型材通 过后被压成所需断面的型材。 在辊轧成形机组中，每个成形机架所分担的弯曲量决定了该机架孔型设计的基本尺 寸。不过目前的孔型设计主要还是依靠经验的积累，尚缺乏理论解析方法。从生产的感 性认识中人们已经总结出不少规律性知识。 如果就某一组辊轮来看，其成形的工作过程如图2 - 2 所示那样：平板带材从辊轮的 入口处向前运动的同时，受到上下两辊轮的限制而逐渐发生弯曲( 其过程如断面i i i v 所示) ，直至完全通过两辊轮的中心连线( 断面) 处，如果不考虑金属的回弹等情况， 成形即告完毕，并从辊轮中传出，向下一组辊轮传送 9 1 6 1 。 我们可将连续成形的辊轧分为几个成形区，在两机架之间的变形带材可认为是一个 成形区。通常选取研究对象即为一个成形区中的金属带材。 v ， i i l，7冬 i i i j 、渺， 卜 一一 一 j k， 凡。 j 一 f 洲 、卜 、 图2 2 一组辊轮中的成形过程 f i g 2 - 2c o l dr o l l - f o r m i n g mas e to f r o l l e r 在型材的辊轧成形过程中比较重要的是型材边缘在折弯时的伸长量，这个伸长量不 应超过该种材料达到弹性极限时的延伸量。这个伸长量在机架间距一定的条件下也可用 角度变化量来表示。 角型材成形时的边缘伸长，表示某一道机架与其相邻的下一道机架间成形过程。在 此过程中角度变化量为口，设两机架间成形过渡区长度为三，型材边缘在水平面上投影 长度为a b ，在垂直面上投影长度为觚。这两个投影都是曲线形，为了计算上方便可以 l o 划嗣 一 货架立柱的辊轧工艺及轧辊参数的研究 把它们都看成是直线。参照投影几何学中用两个相关投影求其空间线段实长的方法，实 长4 置的近似计算式为： _ 一r 彳e = 4 8 2 + 2 渴2 = r + ( 嬲) 2 式中： a 型材弯曲的臂长 口相邻机架间成形角的变化量 于是边缘的延伸量岛为： 岛= ( z 丽一三) ， 由于上式是以把彳蜀作为直线为条件写出的，而实际的延伸率要大于计算值，所以 要使边缘不产生塑性拉伸必须保持岛小于材料的弹性极限延伸率乓，即 岛= ( + ( 皑) 2 一l ) l 6 t 或+ ( 詈) 2 + 掘+ 彳 若设t = a l l ，则整理后得： 死 顾五万 ( 2 1 ) 对于一定的材料来说为常数，故7 - 与口的乘积只要小于该常数即可。7 - 被称为长 宽比。型材弯曲臂长越大或机架间距越小，口越要减小；反之口可增大【9 1 2 1 2 过渡区的长度 实际的辊轧成形中的变形过程是比较复杂的。为了确定所成形金属的受力状态及产 生型材变形的边界条件，在实际成形时利用了成形过渡区的计算图。通过它可用解析法 计算变形区的长度、临界弯曲角及成形辊孔型内金属压力分布。 不失一般性，坐标轴原点通常选择在成形辊轴平面内弯曲部位曲线段的相邻直线部 分的过渡点上在制作随后的道次图时，使两个方向的坐标轴旋转一个等于上一机架中 翼缘弯曲角的角度，以便使横轴同被弯曲翼缘的原始位置平行。这时，在第二道次中成 形过渡区的后端具有从上一机架出来的带钢断面形状。 关于具体的过渡区计算图以及过渡区长度的计算，文献【2 】和文献 9 】中有详尽的叙 述。这里从略。 陕西科技大学硕士学位论文 2 1 3 最小弯曲半径 最小弯曲半径是在辊轧成形过程中的一个重要条件，最小弯曲半径的选择必须合理 以保证材料的连续性。 般金属材料常具有一定的强化性质，即在屈服限以后随着加工变形程度的增大， 不仅在超过屈服平台区之后强度会增加，而且屈服平台区也将因弯曲道次的增加而缩短， 使变形阻力随之增大。现在结合图2 3 来分析弯曲变形的情况。 设成形处的弯曲半径为r ，型材厚度为，图上的影线部分代表变形沿厚度的分布状 态。可知各层纤维沿纵向的变形量与其距中性层的距离成正比，与弯曲半径成反比。最 外层纤维变形占的计算公式为： t | 2 t 占2 丽2 2 r + t 图2 - 3 弯曲半径与变形 f i g 2 3r a d i u sa n dd i s t o r t i o ni nb e n d ( 2 2 ) 辊轧成形时材料的弯曲变形要受材料极限变形率的限制，否则弯曲处将出现裂纹和 折断。设材料的极限应变为毛，根据式( 2 - 2 ) 可求出最小弯曲半径足。为： p 三( 割 1 2 货架立柱的辊轧工艺及轧辊参数的研究 从材料手册上可查到的极限延伸率用正表示，则上式可改写为： tr1、 s 曲= j l 一l i ( 2 3 ) q 最小弯曲半径还与弯曲角大小有关。在弯曲半径相同的条件下锐角弯曲比钝角弯曲 的破裂可能性要大。由深入的分析可知，金属在弯曲过程中相邻截面的变形是不均匀的， 弯曲部位的各个截面不可能同时达到一个相同的曲率值，哪一个截面先与辊的圆角接触， 它便先开始弯曲，从而先达到塑性变形程度。凡已达到塑性弯曲的部位就会在中性层外 侧产生拉伸变薄，而在内侧由于凸辊的压力而不可能产生增厚现象，结果必然形成全厚 度的减薄。随着变形部位的扩展，变形将出现应变集中现象，已经减薄的部位作为薄弱 环节将更加迅速减薄，直到该处因强化作用而增大变形阻力之后才有可能迫使其余的弯 曲部位接连发生塑性弯曲。既然变形有先有后，那么裂纹的发生也将有先有后，先减薄 的部位发生破裂的可能性大。为了避免这种破裂的发生，在弯曲角不能改变的条件下只 能加大弯曲半径。 不过有些型材不仅要求有锐角弯曲，而且要求有小的弯曲半径，此时可以采取的措 施是将弯曲角分成几步来压成。分步压弯又可分为多段压弯和多次压弯。采用多段压弯 和多次压弯都更有利于减小圆角半径。 辊轧成形时轧制板型材的纤维方向对弯曲圆角的选定也有一定的影响，当弯曲应力 方向与纤维方向垂直时容易产生裂纹。而实际生产中恰恰辊轧用型材的轧制方向都与其 弯曲应力方向相垂直，故要求其弯曲圆角半径不得过小。 经过退火处理的型材，其屈服平台得到延长，其纤维方向性作用得以消除，故其弯 曲半径可明显减小。 型材表面质量在弯曲过程中也起重要作用，粗糙表面易于产生裂纹，故圆角半径很 小的辊轧型材要求型材表面具有较高的光滑程度。辊轧成形各机架中线高度的调整对成 形质量有重要作用。成形后的弯曲翼缘内产生纵向拉力可使型材的底板向翼缘侧翘曲。 为了顺应这种趋势，在多机架的辊轧机组中各中线高度可以调成凹曲线分布状态，使轧 制线与成形中线相一致。 为了不产生堆钢及首尾搭接现象，各机架的平均辊径要做成向出口侧逐渐增大的趋 势，即口稍大于d f ，一般取值为： 日= ( 1 0 0 5 1 0 1 ) d j i 由于轧制线高度q = q 2 ，所以局也将随着d 的增大而抬高。人为的使只的升高 率大于口的增大率便可形成凹曲形的中线高度；反之将形成凸曲形的中线高度，易使边 部受塑性拉伸。各机架辊子上下中心距4 的变化同平均直径的变化一致。 陕西科技大学硕士学位论文 2 1 4 临界弯曲角度 选择每一道次中断面各部分的弯曲角，对于型材的质量、成形机架数量及成形过程 的力能参数的影响很大。 生产辊轧型材时最常遇到的缺陷是纵向弯曲、边缘皱纹及纵向扭转。在大多数情况 下，这些缺陷是由于每一道次中型材变形部分弯曲角过大，其周边区出现残余变形而产 生的。在实践中，人们总是希望尽可能地加大每一道次的弯曲角，以减少道次数和降低 成形辊的消耗量。 ( 1 ) b h 达维多夫曾提出决定最大弯曲角的关系式。如图2 4 所示，相邻两道臂 长为a 的部位从妒角弯至q ，+ c t 角。边部彳b 发生延伸，因为边缘上b 点在到达骂时并不 离开与坯料移动方向垂直的平面。 图2 - 4 型材边缘弯曲示意图 f i g 2 - 4s k e t c hm a po f b e n d i n g i nt h ee d g eo f s e c t i o n s 假设边缘爿且是直线，且臂长口不变，则可求出4 b 边的延伸率为： 4 旦一爿口厶一三 f = _ l 一= l 一 彳曰三 其中厶可用解析几何方法求出： 厶= 瓜丽五了而i 1 4 ( 2 川 货架立柱的辊轧工艺及轧辊参数的研究 对于彳点坐标为： x = a c o s r p , y 2 三：= a s i n 矿 对于b l 点坐标为： 而= a c o s ( 伊+ a ) ，m = o 毛= a s i n ( 矿+ a ) 将上述坐标值代入式( 2 4 ) 得： 厶- - # c o s 妒一口c o s ( 伊+ 口) ) 2 + ( 工一o ) 2 + ( a s i n 矿一口s i n ( 9 + 口) ) 2 整理得： 厶= 寥+ 2 a 2 ( 1 一c o s a ) 这时边缘延伸率值等于： ：、 l 2 + 2 a 2 ( ：1 - c o s a ) - 一l ( 2 - 5 ) 解方程式( 2 5 ) ，并利用倍角公式 l c o s 口= 2 s i n 2 兰， z 则得出： 2 s m 争去瓜丽 这时可求出不超过该种材料所允许最大延伸率值时的最大许用弯曲角口一为： s 2 a r c 咖 寺f 而 q 甸 从上式可以得出最大许用弯曲角与该材料最大许用延伸率及平缓过渡区长度成正 比，而与弯曲部分臂长成反比。 但是因为平缓过渡区长度并不知道，实际上并不可能利用上式求最大许用弯曲角， 且导出式( 2 6 ) 时假设边部为直线与真实弯曲变形时边部为一空间曲线不相符，实际边部 存在明显的横向变形。所以，上式定性地表明了影响最大弯曲角的诸因素。 ( 2 ) rt 安格尔根据多年工作经验指出：将平缓过渡区长度三视为机架间距长， 而带钢边部视为直线段，认为成形纵方向的边部升角口为一常数，p = 1 2 5 ，以此来确