（机械电子工程专业论文）聚氨酯泡沫门片成型机关键技术及成型工艺研究.pdf

摘要 摘要 聚氨酯泡沫门片具有强度高、保温、隔音、节能、美观等优良性能， 市场前景良好。本文对门片成型机的关键技术及成型工艺进行了研究。 主要研究成果及结论如下： 1 提出了聚氨酯泡沫门片双侧同时成型的创新方案，改进了单侧成 型方式的不足。 2 利用修正后的回弹量计算公式计算了大圆弧弯曲的回弹量；采用 自由弯曲成型方式和侧面成型方式实现了大角度翻转；运用动定辊组合 及斜辊完成了上下钩的弯曲；确定了不对称结构大小边弯曲角度之间的 关系：小边弯曲角取决于大边弯曲角及不对称度 = a r c c o s 1 一岛( 1 一c o s 口) 6 2 】；通过d q a f o r m 软件模拟了成型角度对板 料起皱的影响：起皱主要发生在两弯曲角处，随成型角的增大，起皱 趋于明显。成型角度为2 0 0 时，边缘宽度较大一侧的弯曲角处出现起 皱，但起皱区域比成型角为2 5 。时小。模拟结果对工程设计具有一定 的指导意义。 3 在生产线进行了成型工艺试验和稳定性试验。针对生产过程中出 现的跑偏、起皱、纵向弯曲等问题提出了有效的改进措施。最终生产出 满足用户要求的产品。 关键词：聚氨酯泡沫门片，双侧成型方式，辊压成型工艺，跑偏，起皱 武汉【程大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt h ek e yt e c h n o l o 垂e sa n df o r m i n gt e c h n i c so f p o l y u r e t h a n ef o a md o o re q u i p m e n t a b s t r a c t t h ep o l y u r e m a l l ef o 锄d o o rh a saw e l lp m s p e c tf o ri t sh i 曲s t r e n g t l l ， h e a tp r e s e a t i o n ，s o u n di n s u l a t i o n ，e n e r g yc o n s e r v a t i o na 1 1 dp r e s e n t a b i l i 吼 t h ek e yt e c h n o l o g i e sa n df b m i n gt e c l l l l i c so fm e p o l y u r e m a i l ef o a md o o r e q u i p m e n th a v eb e e nr e s e a r c h e di n 协i st 1 1 e s i s t h em a j np f o d u c t i o na s f o l l o w s ： 1 t h eb i l a t e r a lf o r n l i n gm o d e ，w h i c hc a l lm d k e u pt h es h o n a g e so ft l l e o n e s i d e df o 咖i n gm o d e ，i sb m u g h tf o n a r d 2 r e b a u n do fm e g r e a t c i r c l eh a sb e e nc a l c u l 舢e db yu p d a t e df o r m u l a ； aq u a n e rt u mh a sb e e n 西v e nb y 舶ef o 肌i n gm o d ea i l dl a t e r a lf a c ef o m i n g m o d e ；h o o k - f o n l l i n gh a sb e e np mi m oe n e c tb yw e br o l l ；t 量l ea n g u l a r i t i e so f t h ed i s s y m m e t r i c a ls t r u c t u r ea r ea n a l y z e d = a r c c o s 【1 一向( 1 _ c o s 口) 如】；t h e i m p a c to fa n g u l a r i t yo nw r i n k l ei ss i m u l a t e db yd y n a f o i u ：w r i n k l e a c c u r e sb yt h e a 1 1 9 u l a r i t ya n dt h ew r i n g l 【l e a r e ab e c o m e s l a 玛e rw i t h i n c r e a s i n ga 1 1 9 u l a r i t y o ft h e p a n e l _ w h e nt h ea n g u l a r i 锣r e a c h e s2 0 。， w i n k l ea c c u r so nt 1 1 ew i d e re d g eb yt h ea n g u l 撕哆a n a l o gr e s u l t sh a v ea s t r o n gu s ev a l u e 3 f o m l i n ge x p e r i m e n t so ft h ep o l y u r e t l l a i l ef o a md o o rp m d u c t i o nl i i l e a r es t u d i e d e 豌c t i v em e t h o d st oa v o i d o f f 怕c k i n g ，w r i n 鲥e a f l d l o n g i t u d i n a l b e n d h a v e b e e n p u tf o n a r d h i 曲q u a l i t yp r o d u c t s a r e p r o d u c e da tl a s t k e yw o r d s ：m ep o l y u r e t | l a n ef o a md o o r ，b i l a t e r a lf o m l i n gm o d e ，r o l l f b m l i n gt e c h n o i o g yp r o g r a m m e ，o f r t r a c k i n g ，w r i n k l e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，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结果由本人承担。 学位论文作者签名：孝小象 加g 年g 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我院有关保留、使用学位论文的规定， 即：我院有权保留并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。本人授权武汉工程大学研究生处可以将本学位 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 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密0 ， 在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密o 。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：袁小会 力z 年彳月力日 指导教帅签名：蘑i 懂 洲年月j 日 第1 章绪论 1 1 课题的研究目的 第1 章绪论 聚氨酯泡沫门片生产线是武汉工程大学为江阴贝特门业有限公司 研制的。本课题的主要任务是研究聚氨酯泡沫| 、1 片成型机的关键技术及 门片的成型工艺。 聚氨酯泡沫门片采用辊压方式成型，并在空心型腔内填充聚氨酯泡 沫，双层强化结构，安全可靠，并兼具保温、隔音、节省能源等功能， 被广泛用于车库门、民用门窗、商用门窗及工业厂房门。 国外，辊压成型产品的生产和应用已有百余年的历史，大致可分为 三个阶段【l j ： 第一阶段( 1 8 3 8 一1 9 0 9 ) ：探索研制阶段。 此阶段，仅少数几个国家生产辊压产品，产品产量低、品种少、质 量差，仅仅能够满足当时建筑部门与车辆等部门的需求。 第二阶段( 1 9 1 0 1 9 5 9 ) ：辊压成型工艺创立并逐步推广阶段。 1 9 1 0 年，美国首先创立了辊压成型工艺，并建立了第一套专业化 辊压成型机组，辊压成型发展到一个新阶段。但是当时金属板料的生产 技术较落后，所以辊压成型产品的使用和发展受到限制。 第三阶段( 1 9 6 0 年至今) ：辊压产品迅速发展的阶段。 自1 9 6 0 年后，各国金属板料的产量和质量都有了明显的提高，辊 压成型产品得到广泛推广。 尽管辊压成型产品的生产和应用已有百余年的历史，产量和工艺也 达到了一定的水平，但是由于其成型过程的复杂性，仍然被称为“未掌 握的艺术” 2 】，设计常常凭借经验。 国内，辊压成型技术起步较晚，直到现在也未形成完整的辊压成型 理论，甚至连这方面的资料也很缺乏，很多标准也都是借用国外的。目 前国内已投产的辊压生产线大多从国外引进，引进这样的生产线需要上 武汉r 程人学硕士学位论文 千万，投资巨大。而外商主要提供设备，对技术资料严格封锁，一旦该 生产线的某一辊轮因磨损而失效，则整条生产线瘫痪。为尽快缩短与世 界先进水平的差距和满足我国现代化建设的需要，深入研究辊压成型工 艺和成型规律是非常必要的。 本课题的研究内容为聚氨酯泡沫门片生产线。该生产线包括放料装 置、门片成型机、聚氨酯发泡机、门片加温定型部分及跟踪切断部分， 其中主要是门片成型机和聚氨酯发泡机。由于成型过程的复杂性及聚氨 酯发泡剂性质的特殊性，其设备主要从国外进口，价格昂贵。近几年国 内有一些厂家如宜兴市晨阳冶金材料有限公司、江苏无锡市华中冷弯机 械设备有限公司和任丘市顺合门业设备厂等开始研制此生产线，但都不 太成功。武汉工程大学于2 0 0 4 年开始研制，先后已为郑州通宝门业有 限公司、江阴贝特门业有限公司、漳州杰龙机电有限公司成功研制了4 套聚氨酯泡沫门片生产线。 1 2 课题研究的意义 辊压成型时，金属板料通过串列布置的一系列旋转的辊轮组，逐 步形成具有一定截面形状的产品。成型区域不仅发生在每组辊轮中，而 且还发生在辊轮组间的平缓过渡区。金属板料截面的厚度和面积理论上 保持不变。辊压成型产品具有以下特点【3 。】： ( 1 ) 产品表面质量好：辊压成型产品经数组辊轮逐步弯曲成型， 每组辊轮的变形量小，产品表面治疗好。 ( 2 ) 生产效率高：辊压成型产品所用材料是卷料，成型过程、切 断等环节均连续，相对冲压成型而言，不存在手工装卸、工件定位、夹 紧等中间环节，生产效率高。 ( 3 ) 受产品截面形状限制少，可以生产各种复杂截面的产品。 ( 4 ) 不受产品长度的限制：辊压成型的板料供应及成型过程均连 续，产品长度可以根据需要任意选择。 - 。 第l 章绪论 ( 5 ) 辊压产品的材质多样化：一般碳素钢、各种镀层板( 如镀锌、 镀锡、镀铝等) 、彩钢板及多种有色金属( 如铜、铝、钛等) 均适合采用 辊压方式成型。 ( 6 ) 断面上金属分布合理，厚度均匀，在结构上使用，可增强刚 度，提高承载能力，节约金属材料。 辊压成型产品具有以上诸多优势，所以被广泛用于汽车、建筑、交 通、农业等行业。目前国内外关于辊压成型理论方面的研究及报道非常 有限，很多参数在设计过程中不得不依据经验和试验来确定。另外，随 着汽车工业的发展和生活水平的提高，轿车开始进入家庭，车库门的需 求量日益增加；进入2 l 世纪，我国房地产市场每年以2 0 以上的速度 增长。其中，城镇住宅6 亿平方米，农村住宅7 亿平方米，公共和工业 建筑7 亿平方米。在总共2 0 多亿平方米的建筑中，门窗的需求量高达5 亿平方米；2 0 0 5 年国家开始强制执行住宅建筑三步节能设计标准，聚氨 酯泡沫作为世界上最好的保温材料，开始浮出水面。随着汽车工业、房 地产业的发展和住宅节能设计标准的推广实行，聚氨酯泡沫门的应用前 景将十分广阔。所以，本课题的研究具有较强的理论价值和工程实用价 值。 1 3 辊压成型技术的发展状况【8 1 1 】 辊压成型过程是一个非常复杂的弹塑性大变形过程。早在1 9 世纪， 国外学者已经开始辊压成型技术的研究。但是，由于成型过程的复杂性 及影响因素的众多性，研究未能深入。直到7 0 年代，计算机的应用才 促使辊压成型技术有了新的发展。国内于8 0 年代初开始研究辊压成型 技术。下面具体介绍辊压成型技术的研究情况及成果。 武汉l 程人学硕士学位论文 1 3 1 辊压成型技术的试验研究 试验研究是辊压成型研究的一个重要组成部分，其主要有两种形式： 真实成型试验和模拟试验。真实试验研究能反映实际生产情况，直观、 可靠、针对性强，但试验设备规模大、投资大；模拟试验研究投资小、 研究具有普遍性，但不能全面地反映变形的真实情况，只能侧重某一方 面的研究。 目前，国内外的研究主要集中在真实成型试验上。研究对象通常为 槽钢、焊管、宽幅断面型钢等。研究的内容涉及型钢变形过程的曲面形 状、纵横向变形、弯曲回弹、成型力等等。 模拟试验尚处于起步阶段。加拿大t e n y r l w a l k e r 等人对电焊管成型 过程的轴向应变分布进行了研究；b y a h u m a n y u n 采用单拉和张力弯曲实 验研究了辊压成型对镀锌板镀层破裂的影响。 1 3 2 辊压成型技术的有限元方法研究 有限元法是解决工程技术问题的可靠工具。目前辊压成型技术有限 元法研究有两大趋势：开发专门的辊压成型有限元分析软件和使用大型 商用有限元软件包。 日本东京大学木内学教授采用形状函数法研究了焊管辊型、轧辊 数、轧辊间距等的影响因素；宽幅断面型钢、c 型钢、v 型钢辊压成型 技术及直缝焊管残余应力。 美国r o l l k r a f t 公司的h a r s t a i n 利用商用有限元软件分析了钢管定 径成型时的应力应变分布、管壁的厚度变化及回弹。 加拿大w 乱e r l o o 大学的w a l k e r 等人采用非线性有限元软件 a b a q u s 分析直缝焊管成型过程的应力、应变，建立了预报焊管成型 边缘失稳模型。 国内，蔡松庆首次采用有限元方法研究复杂焊管成型过程，但是除 第1 章绪论 了强制位移外，计算结果与实际相差很大；燕山大学轧钢研究所利用 m a r c 软件包研究辊压成型，在管成型和热轧h 型钢领域取得了成果。 1 3 3 辊压成型技术的计算丰几辅助辊型设计( c 朋d ) 系统研究 计算机辅助辊型设计是解决孔型设计复杂、辊轮图绘制繁琐的有效 途径。下面介绍几种具有代表性的辊压成型计算机辅助设计软件。 c o p r a 软件：该软件是德国d a t a m 公司开发的。具有辊花设计、 轧辊设计、计算、成型工艺模拟、毛坯管理、计算机数控制造及工艺优 化等功能，目前是应用最广的辊压成型专业软件。 0 r t i c 软件：该软件是英国r o l l s e cd e s i g i l 有限公司开发研制的。 该软件采用塑性理论和残余应力理论，可以从数学上确定成型过程中的 各种参数和力学信息。其最大特点是在设计方法上强调经验与理论的结 合，不仅能对任意断面形状的产品进行设计，而且能对整条辊压成型生 产线的设备进行设计。 c a i o f 软件：该软件是澳大利亚j o h nl y s a 曲t 公司开发的。采 用由实验测定的材料特性、辊型、纵向拉应力与回弹的相互关联的数学 模型，进行弹塑性理论计算。 国内，辊压成型计算机辅助设计工作起步较晚。 北京科技大学：1 9 8 3 年，北京科技大学与南京轧钢厂合作，开发了 一个方矩管设计计算程序，能对不同规格方管进行辊型参数计算，但程 序比较简单；1 9 8 5 年，与广州异型钢材厂合作，开发了角钢、槽钢、方 管及电焊管的辊型设计系统；此后，又相继与上海宝钢集团、太原钢铁 公司、武钢汉口轧钢厂、山东烟台福山钢窗厂等单位合作开发了辊压 c a d 软件系统。但这些软件都只能设计一个类型的产品，软件的应用 因此受到限制。 北京市门窗公司：9 0 年代末，北京市门窗公司与原冶金部北京设 备研究所合作，开发了辊压成型轧辊辊片计算机辅助设计软件包。但该 i i 科_ _ 露了一 媸。+ 珏 武汉工程大学硕士学位论文 软件不能自动确定工艺参数，需要软件操作者凭经验输入。 北方工业大学：北方工业大学刘继英等与德国d a 诅m 公司合作， 引进并消化c o p r a 软件，开发了相应的汉字化环境，在理论和应用上 取得了一定的成果。但是，该软件仅能设计圆管和槽钢。 燕山大学：自1 9 8 8 年起，刘才教授等与长春冷弯型钢厂合作，先 后为长春冷弯型钢厂、南京轧钢总厂开发了方矩管c a d 系统、小型型 钢孔型设计系统。这些软件在孔型设计和理论计算上取得了突破，有些 已经投入使用，效果良好。但商品化程度和智能化程度不高，设计过程 繁琐、运行不够稳定、孔型设计后处理不够完善。 自1 9 世纪以来，国内外学者在辊压成型技术领域进行了大量的研 究，并取得了一些成果。但是，研究仅局限在简单截面型钢如：焊管、 槽钢、宽幅断面、环形件、c 型钢、v 型钢、方矩形焊管等，像聚氨酯 泡沫门片等复杂截面异型材的研究尚未涉及。因此，对复杂断面异型材 的辊压成型技术进行理论和试验研究是非常必要的。 1 4 聚氨酯泡沫门片生产线的发展 聚氨酯泡沫门片生产线最初在国外研制成功。2 0 0 1 年大连舒心科技 建材有限公司从德国引进该生产线，并开始生产产品。聚氨酯泡沫门凭 借强大的功能( 安全、保温、隔音、节能等) 和漂亮的外观，迅速被广 泛用于车库门、民用门窗、商用门窗及工业厂房门。此后，国内一些厂 家：宜兴市晨阳冶金材料有限公司、江苏无锡市华中冷弯机械设备有限 公司、任丘市顺合门业设备厂等开始研制该生产线，但都不太成功，还 有一些难题( 跑偏、发泡机混合头堵塞等) 尚未解决。下面是宜兴市晨 阳冶金材料有限公司、江苏无锡市华中冷弯机械设备有限公司和任丘市 顺合门业设备厂开发的设备照片。从照片可以清楚地看出：三公司研制 的设备存在一共同点金属板料单侧成型，门片平着出来。单侧成型 方式存在以下不足：板料成型过程中受力不平衡，板料在成型过程中容 、；： 第l 章绪论 易跑偏；板料需旋转1 8 0 。，辅助成型辊多，整条生产线较长，浪费资源； 门片平着出来，增加了聚氨酯发泡剂的注入的难度。武汉工程大学于 2 0 0 4 年开始研制此生产线，在分析他人设备不足的基础上，提出了双侧 成型的方式，先后已为郑州通宝门业有限公司、江阴贝特门业有限公司、 漳州杰龙机电有限公司成功开发了4 套不同型号的聚氨酯泡沫门片生产 线，形成了系列产品。 图1 1 宜兴市晨阳冶金材料有限公司设备图 图1 2 江苏无锡市华中冷弯机械设备 有限公司设备图 1 5 关键技术分析 图1 3 任丘市顺合门业设备厂 设备图 ( 1 ) 成型方式 成型方式的选择与门片的截面形状密切相关，它直接关系门片质量 的好坏。宜兴市晨阳冶金材料有限公司、江苏无锡市华中冷弯机械设备 有限公司、任丘市顺合门业设备厂等开发聚氨酯泡沫门生产线失败的一 武汉工程大学硕士学位论文 个很重要的原因就是成型方式不合理。本文在分析总结他人失败经验的 基础上，提出双侧成型方式。 ( 2 ) 回弹 回弹是板料弯曲成型时常见的现象，相对弯曲半径大的情况下尤为 明显。回弹使产品的形状与要求的不一致，严重影响产品质量。自上个 世纪初以来，国内外学者对塑性弯曲成型回弹问题进行了大量的研究， 研究方法包括理论解析法、数值模拟法、实验研究法等瞰】。本文将先根 据回弹量的计算公式进行辊轮设计，然后再结合试验，确定轧辊的最终 尺寸。 ( 3 ) 起皱 起皱是薄板成型过程中常见的缺陷。本文拟采用专业材料成型有限 元分析模拟软件d y n a f o i t m ，研究成型角度对辊压成型起皱的影响， 为轧辊的设计及成型工艺的优化提供理论指导。到目前为止，作者还未 曾见过采用有限元分析软件d y n a f o r m 研究辊压成型起皱影响因素 的文章。 ( 4 ) 不对称结构的成型 不对称结构成型时，板料往往会因受力不平衡而跑偏。所以设计门 片孔型时，必须考虑不对称结构的不对称度和变形特点。本文拟从力学 的角度出发，对不对称结构大小边弯曲角的关系进行简单的分析。 ( 5 ) 聚氨酯发泡机混合器 聚氨酯发泡机混合器作为聚氨酯发泡机的核心部件，其混合方式、 结构尺寸及混合器内物料的流场，将直接影响物料的混合效果和发泡质 量。其技术难点为物料混合不均匀、混合头堵塞等。目前，用于聚氨酯 泡沫门片的发泡机混合器在我国尚属空白。该难题将通过合理的结构设 计、材料的选择、发泡料的选择及反应条件的控制来解决。 ( 6 ) 自动切断装置 第l 章绪论 自动切断装置用于实现门片的自动跟踪、定尺切断。此难题可通过 在市面上购买的设备的基础上，再根据聚氨酯泡沫生产线的具体要求， 重新加工制造来解决。 ( 7 ) 聚氨酯泡沫门片生产线试验 聚氨酯泡沫门片生产线作为一个产品，必须接受实践的检验。试验 是产品投入实际生产的前提，也为以后的设计积累了经验。 其中成型方式的确定、回弹量的计算、成型角度对起皱的影响、不 对称结构大小边成型角度的确定及聚氨酯泡沫门片生产线的调试试验 是本论文的研究内容。 1 6 难点分析 本文研究的聚氨酯泡沫门片成型机用于成型门片型腔，其技术难点 包括： ( 1 ) 门片成型工艺及孔型设计 尽管辊压成型产品的生产和应用已有百余年的历史，产量和工艺都 达到了一定的水平，但由于其成型过程和受力状态非常复杂，仍然被称 为一门“未掌握的艺术”。目前，国内外的设计工作以经验设计为主， 缺乏完善的成型理论作指导。试验前，常常无法判断金属变形是否合理， 辊轮设计是否合理。另外，滚压成型工艺还存在一些忌区【l2 】：弯边太 短，工件的起翘成形面窄，板料在很大力的作用下才能弯曲至目标位置， 成型较困难；弯陆的平面过宽，平面段易形成畸形边( 所谓的“荷叶 边”) ；弯曲半径过大，材料不易进入屈服成形状态，回弹量较大， 产品尺寸往往与辊轮尺寸不一致；孔与槽接近弯曲部位，板料弯曲成 型时，孔与槽极易变形；回字形弯曲，板料翻转角度很大，成型空间 小，成型较困难；弯曲窄槽过深，辊轮很薄，强度难以保证等。弄清 辊压成型的基本理论，合理设计成型工艺是辊压成型设备设计开发的主 要理论难题。 武汉l ，程大学硕： ：学位论文 k 一 。，v 巴扩 图1 4 辊压成型工艺忌区 ( a ) 成形边太窄( b ) 边缘太宽( c ) 弯曲半径过大 ( d ) 孔、辊花离成形线太近 ( e ) 回字形弯曲( f ) 深窄槽 图1 5 产品断面形状 本课题研制的聚氨酯泡沫门片的截面形状及部分尺寸如图1 5 所 示。从图1 5 可以看出门片的截面形状比较复杂，属异形件成型。经分 析可知，其难点主要表现为： 聚氨酯泡沫门片存在两个大圆弧的成型，圆弧半径分别为 r 1 6 0 m m 和r 9 0 m m ，板料厚度为o 4 m m 。相对弯曲半径非常大，成型 过程中，材料不易达到屈服状态，回弹量大。本文拟通过减小辊轮半径 补偿回弹。 门片两边均需翻转9 0 0 ，成型高度达7 7 m m ，各变形点离基准直 线很远，成型过程中容易伤油漆。本文拟通过自由弯曲成型和侧面成型 来解决。 左右钩弯边短，成型空间小，板料在很大力的作用下才能弯曲至 第1 章绪论 预期的位置，而这力可能超过油漆的附着力，导致门片表面被划伤；门 片属空心结构，刚度小，易失稳；成型空间小，辊轮布置较困难。本文 拟通过斜辊和动定组合辊来解决。 门片存在不对称结构，板料在成型过程中容易跑偏，影响门片的 外形和尺寸的精确度。本文拟通过合理确定不对称结构大小边的成型角 来解决。 聚氨酯泡沫门片的成型难点占了辊压成型忌区中的4 点，可见其成 型难度系数很高。 ( 2 ) 聚氨酯泡沫门片生产线的安装调试。 辊压成型是金属带材经过顺序多架辊式成型机，逐渐弯曲加工而得 到所需的几何断面型材的加工过程。成型辊轮数量多，而且互相约束， 影响产品质量的因素众多。虽然，国内外的学者和一些研究机构对辊压 生产线在调试过程中易出现的问题和解决方案多有提及，但都是泛泛而 谈，针对性不强。另外，由于辊压成型件的品种繁多，所以辊压成型线 调试的随机性很大，往往只能依靠调试人员的工作经验和大量的高成本 的成形试验来对设计的合理性加以佐证。可见，安装调试是开发聚氨酯 泡沫门片生产线的另一个难点。 1 7 本文的研究内容 针对聚氨酯泡沫门片生产线面临的关键技术及技术难点，本文的主 要研究内容如下： ( 1 ) 针对聚氨酯泡沫门片的截面形状，参考前人的设计理论和经 验，确定聚氨酯泡沫门片的成型方案。 ( 2 ) 对聚氨酯泡沫门片辊压成型机的关键技术及门片成型难点一 一大圆弧成型、大角度翻转、不对称结构成型、上下钩弯曲及成型角度 对起皱的影响进行研究。 ( 3 ) 在综合考虑辊压成型理论、聚氨酯泡沫门片截面形状及成型 武汉【一程大学硕十学位论文 难点的基础上确定门片的成型工艺方案，并进行辊轮设计。 ( 4 ) 对研制的聚氨酯泡沫门片生产线进行成型试验和稳定性试验 研究，验证聚氨酯泡沫门片成型工艺、孔型设计及辊轮设计的合理性。 根据现场试验出现的问题，分析原因，改进轧辊，以提高生产线的工作 性能，为该技术在工程中的应用提供理论基础和经验积累。 第2 章关键技术及成型难点研究 第2 章关键技术及成型难点研究 本文研究的聚氨酯泡沫门片生产线的关键技术及成型难点大 圆弧成型、大角度翻转、不对称结构成型、上下钩弯曲及起皱在第1 章 进行了简单的分析介绍，本章将对这些问题进行详细分析。 2 1 大圆弧弯曲成型 回弹是金属板料弯曲成型时常见的现象，相对弯曲半径大的时候尤 为明显。回弹的结果，使得弯曲半径和弯曲角发生变化，与模具的尺寸 不一致，达不到设计的要求。 回弹主要是由金属板料弹性变形引起的。金属板料弯曲时，外层受 拉应力，内层受压应力。弹塑性弯曲时，这两种应力尽管超过屈服应力 盯。，但实际上从拉应力过渡到压应力时，中问总会有一段应力小于屈服 应力疗。的弹性变形区。由于弹性区的存在，卸载后成型件必然会产生回 弹。相对弯曲半径较大时，弹性变形区占的比例更大，回弹更为明显。 另外，金属板料弯曲时，塑性变形的同时总会存在弹性变形。因此，卸 载后总变形中必然有一部分变形发生回弹。 本论文研究的聚氨酯泡沫门片两大圆弧中性层的曲率半径分别为 岛= 1 6 0 m m 和岛：= 9 0 m m ，板料厚度为o 4 m m 。相对弯曲半径非常大， 回弹量大。本文将采用模具补偿的方法和预先在板料上压出两道筋来保 证门片的几何精度。 马扶南在文献口3 中对目前常用的回弹量计算公式进行修正，得到 大圆弧弯曲成型回弹量的计算公式： 胪毒弘。，efl z l j ，一金属板料厚度，p 一回弹前圆弧中性层曲率半径，e 一弹性模量，岛 一回弹后圆弧中性层曲率半径，盯。材料的屈服强度 i 。 o 武汉上程人学硕士学位论文 聚氨酯泡沫门片两大圆弧回弹后的中性层的曲率半彳仝分别为 岛。= 1 6 0 m m 和岛：= 9 0 m m ，金属板料厚度为f = 0 4 m m ，弹性模量 e = 2 0 6 g p a ，屈服极限以= 2 3 5 m p a ，代入大圆弧成型回弹量计算公式( 2 1 ) 得： p t2 盘2 i ：j j i ! 垫2 6 。5 州聊 占f 2 0 6 1 0 o 4 旷盎2 矗亟羞巫叫6 8 m 止r 2 0 6 1 0 o 4 n 、见分别为回弹前两大圆弧中性层曲率半径 回弹后两大圆弧圆心角分别为：吼。= 2 7 。，岛：= 4 1 7 。，根据回弹前后 应变中性层长度不变求回弹前两大圆弧的圆心角。 日b = 风l 岛， 暑 以：盟l ：些尝芒：8 0 2 。 口， 4 6 8 ” 粥铂：j 岛= 警= 警7 1 _ 4 0 鼠、院分别为回弹前两大圆弧圆心角 图2 1 大圆弧回弹前尺寸 设计过程中，通过减小辊轮的圆弧半径和成型大圆弧前在板料上压 出两道筋来补偿和减小回弹量，使板料回弹后能与用户的要求相符。试 验过程中，若发现回弹后两大圆弧的尺寸与设计要求存在少许差别，可 以通过改变第9 组辊轮上下辊之间的间隙实现微调。 第2 章关键技术及成型难点研究 2 2 大角度翻转 本课题研究的聚氨酯泡沫门片采用双侧成型方式成型。板料通过 5 - 8 组辊轮时被分为左右两侧；通过1 0 1 4 组辊轮时，左右两侧板料翻 转9 0 0 ，从水平状态变为垂直状态，成型高度7 7 m m 。由于各辊轮的角 速度相同，而各变形点的旋转半径不同，所以门片各变形点的线速度不 等。随成型角度的增加，各变形点的线速度差越来越大，大到一定程度 时，门片表面油漆被擦伤；门片右侧弯曲处空间小，成型高度大，对辊 轮的强度要求较高。本文采用自由弯曲成型方式和侧面成型方式来解决 此难题，如图2 2 所示。板料在第1 0 一1 3 组辊轮中仅在弯曲处与上下辊 轮同时紧密接触，其它位置仅与下辊轮紧密接触，板料处于被放松状态， 实现自由弯曲，避免门片表面被划伤，如图2 2 ( a ) 所示；第1 3 组辊轮的 下辊立式安装，实现侧面辅助成型，减小各变形点的速度差，解决成型 高度大、门片表面易被划伤的难题，如图2 2 ( b ) 所示。 函一一 2 3 不对称结构成型 2 3 1 不对称结构概述 图2 2 大角度翻转 不对称结构成型时，若设计不合理，将会产生不对称变形力，从而 导致成型件出现扭曲、侧向弯和长度方向横截面形状尺寸变化等缺陷。 武汉 程大学硕士学位论文 所以，设计不对称结构不成型工艺时，必须充分考虑变形金属的不对称 度和变形特点。否则，难以生产出合格的产品。 乌克兰金属研究所通过大量实验研究得出结论：不对称结构对扭转 等的影响可用其不对称度来衡量 9 】。不对称度用下式表示： 凹= 2 ( a 一6 2 ) ( 6 l + 6 2 )( 2 2 ) 式中6 l 、分别为断面受弯最大、最小边的宽度 金属板料在辊压成型过程，受弯单元体从一组辊轮移到另一组辊轮 产生连续弯曲变形。对于不对称结构，大边弯曲需付出大的弯矩，大小 边所受弯曲力矩不等，金属板料偏向力矩大的一侧。因此不对称结构成 型时，在计算孔型和配辊时，应力求变形轴线两边弯矩相等。 2 3 2 不对称结构成型受力分析 文献 1 4 提出用以下方法解决不对称结构产生的偏扭： ( 1 调节上下辊间的间隙及导致板料偏扭辊轮组的相对位置，使不 对称结构两侧所受力矩相等，消除偏扭。 ( 2 ) 在辊轮动力输送段先成型两个或更多台阶，使其有足够的限位， 克服因变形而左右窜动的力。 以上方法对消除偏扭确实可行，但存在随机性和不稳定性，需要大 量试验才能确定上下辊间的间隙和辊轮的相对位置，试验费用高、设备 适应性差。本文将从力学的角度来分析不对称结构成型，希望通过设计 来避免不对称结构产生的偏扭。 图2 3 为成型受力图。大小边上弯曲力分别为只、只，其方向垂直于 下辊辊面。力只作用于上辊弯曲角处，由于两边受力不平衡，所以其方 向尚不能确定。不对称结构成型，左右边力不等，弯矩不平衡，存在扭 矩。为防止成型过程中板料偏扭，必须使扭矩为零。然而，不对称结构 的形状、大小边的宽度都已确定，所以最积极的因素就是调整弯曲角。 r 第2 章关键技术及成型难点研究 图2 3 不对称结构受力分析图 对无加工硬化的板料纯弯曲，变形区内的切应力形成的力矩为： m ：三堕 4 三一成型前板料宽度；r 一板料厚度；盯。板料屈服极限 从内外弯矩相等出发，则可求出e 和只为： 只：三丛 4 岛 只：型 。 4 如 厶、上2 一成型前大边、小边宽度；6 1 、6 2 一成型后大边、小边宽度 根据垂直方向合力为零可知： 异h + 只r 一只c o s y = 0 则 只：墨! 墨 。 c o s y 根据水平方向上合力为零可知： 只，一最，+ bs i n ，= o 将( 2 3 ) 代入( 2 4 ) 得： 妒糕= 篙笔啬 口、口分别为不对称结构大边、小边成型角度 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 1 。，。，- 一 武汉r 程大学硕十学位论文 将( 2 5 ) 代入( 2 3 ) 得： 弓= ( 鼻c o s 口+ bc o s ) 1 + ( 足s i n 一鼻s i n 口) ( 只c o s 口+ 最c o s ) 】2 截面上所有扭矩均相对作用于截面扭转中心，对于薄壁型钢就是断 面重心，对于不对称结构其重心坐标可表示为： t = ( 鲜c o s d 一彰c o s 卢) ， 2 ( 6 l + 6 2 ) 】 y 。= ( 鲜s i n 口一鬈s i n ) 【2 ( 6 l + 岛) 】 相对于重心的扭矩为： ， ，= 只，( 詈阢s i n 口一y 。) + e b ( 詈6 lc o s 口一x 。) 一只，( 詈6 2s i n 一_ y 。) 一只e ( 亏6 ：c o s + t ) + 只。t + 只，儿( 2 6 ) 要想不对称结构成型时不发生偏扭，须使相对于截面扭转中心的扭 矩为零，即 m ：o( 2 7 ) 将( 2 7 ) 代入( 2 6 ) 整理得： 。眦。8 厶7 厶。螂 1 从式( 2 - 8 ) 可以得出以下结论：不对称结构成型时，小边的弯曲角取 决于变形区的相对长度及大边的弯曲角度。也就是说小边的弯曲角取决 于不对称结构的不对称度及大边的弯曲角。但是，公式( 2 8 ) 仅在不对称 度较小( 衄o 5 ) 的情况下使用【9 1 。因为，若在不对称度较大的情况下使用 的话，小边弯曲角就会很大，有可能出现起皱等缺陷。 弯曲变形时，截面每一点从一位置移至另一位置，发生位移，且最 大位移在边部。对称结构边部水平收缩量相等，不存在偏转扭矩；不对 称结构成型时，若大小边成型角度相等，边部水平收缩量就会不等，偏 转扭矩也不等。所以我们可以根据边部水平位移相等，即6 l = 6 ，来确定 变形角度。 第2 章关键技术及成型难点研究 图2 4 水平位移分科r 图 6 l2 6 2 j 6 i 一6 lc o s 口= 6 2 6 2c o s 所以 = 撤。3 一蚩1 圳8 口) 】( 2 9 ) 从式( 2 9 ) 可以看出：不对称结构成型时，小边的弯曲角取决于不对 称结构的不对称度及大边的弯曲角。公式( 2 9 ) 在不对称度较大( 曲o 5 ) 的情况下使用旧1 。 2 3 3 不对称结构大小边弯曲角的确定 本小结将根据上面的分析，对聚氨酯泡沫门片中的不对称结构进行 设计。 已知聚氨酯泡沫门片不对称结构大边长度6 l = 8 3 m m ，小边长度 6 ，= 3 4 m m ，根据公式( 2 2 ) 计算不对称结构不对称度： 占= 2 ( 6 i 一6 2 ) ( 6 1 + 6 2 ) = 2 ( 8 3 3 4 ) ，( 8 3 + 3 4 ) = o 8 4 不对称结构的不对称度衄= o 8 4 o 5 ，所以根据式( 2 9 ) 来确定不对 称结构大小边的成型角度。 注意：利用式( 2 8 ) 和( 2 - 9 ) 确定小边成型角时，应综合考虑大边的成 型次数和小边的成型极限。表2 1 “2 1 是弯曲角、辊轮形式、板料厚度间的 关系。 武汉工程大学硕十学位论文 综合考虑大边的成型次数和小边的成型极限，设大边的弯曲角分 别为1 5 。、3 0 。、5 5 。、9 0 。，分别代入式( 2 9 ) 可求得小边的成型角分别为： 2 3 5 0 、4 7 7 0 、9 2 - 3 0 ，分别取2 5 0 、5 0 0 、9 0 0 。 表2 _ 2 不对称结构大、小边弯曲角 2 4 上下钩弯曲 聚氨酯泡沫门片下钩长度为5 m m ，上钩两段长度分别为4 m m 和 5 m m ，成型边长度短，而且金属坯料是双层的。所以，金属板料弯曲至 预期的位置需很大的作用力，该力很可能超过油漆的附着力，导致门片 表面划伤；聚氨酯泡沫门片是空心结构，成型上下钩时，聚氨酯泡沫尚 未固化，刚度小，成型力较大的情况下门片很容易失稳，产品质量不能 满足用户要求；成型空间小，辊轮布置较困难。 本文最初采用图2 5 所示的弯曲方式成型上下钩。上下钩首先由 2 5 ( a ) 所示的整体式辊轮同时成型，再由图2 5 ( b ) 所示的小辊成型。试验 发现：上下钩的长度不能同时满足要求、下钩与左侧大圆弧的距离时大 时小、门片右侧的大圆弧失稳，与成型辊轮不能紧密结合。分析试验现 象，对成型上下钩的辊轮进行改进，改进后的辊轮结构如图2 6 所示。 上下钩第一次弯曲采用图2 6 ( a ) 所示的辅助斜辊成型，以解决成型空间 第2 章关键技术及成型难点研究 小、门片上下钩油漆易损伤的难题；上钩第二次弯曲成型空间小，模具 强度难保证，加工困难，为此，采用动、定辊轮组合，如图2 6 ( b ) 所示。 注意试验过程中辊轮间隙最好比板料的厚度稍大，避免模具被损坏；图 2 6 ( c ) 所示的小辊用于上下钩的最后一次成型，下辊在图2 5 ( b ) 的基础上 稍加改进：肋伸入下钩与左侧大圆弧之间的空隙，强行使左侧大圆弧与 下钩之间的距离保持一致。试验证明图2 6 所示的成型方式及辊轮结构 合理。 甏恭 ( a ) 图2 5 上下钩改进前弯曲方式 翼可山 图2 6 上下钩改进后弯曲方式 、 武汉工程大学硕士学忙论文 2 5 起皱 2 5 1 起皱机理分析 起皱是辊压成型中一种常见的缺陷，要消除起皱首要任务是弄清起 皱的机理。起皱主要有两个原因，下面具体介绍。 ( 1 ) 辊压成型中，板料是在旋转轧辊摩擦力的作用下前进的，所以 板料在纵向( 板料进给方向) 产生拉伸变形，并且边缘所受拉伸变形最 大。当拉伸变形达到一定值时，产生拉伸失稳，出现边缘皱纹。力学分 析如下： 乒 图2 7 起皱分析图 成型边长为a 的金属板料经相邻两组辊轮从妒角弯至妒+ c c 角，边缘 a b 被拉伸，变为a b l ，如图2 7 所示。 假设边缘a b 是直线，成型边长a 不变，则a b 边的延伸率为： e = ( 4 马一彳曰) 爿口= ( 厶一三) 三 f 2 1 0 1 l 。可以用解析几何方法求出： 厶：厄丽五了百可 ( 2 _ 1 1 ) a 点坐标： b 。点坐标： x = 口c o s 矿 y = z = 口s 访妒 _ = 口c o s ( 妒+ 口)m = o 毛= d s i n ( 妒+ 口) 2 2 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 整理得： 厶：扛瓦币= ；而 ( 2 _ 1 5 ) l = 上2 + 2 日。( 1 一c o s 口) 、7 将( 2 1 5 ) 式带入( 2 1 0 ) 式求得边缘延伸率值为： s = ( r + 2 d 2 ( 1 一c 。s 口) 一三) 7 三 ( 2 1 6 ) 每一种材料都有其允许的最大延伸率，实际延伸率大于允许的最大 延伸率时，金属板料就会出现起皱现象。从式( 2 1 6 ) 可以看出：金属板 料的实际延伸率与相邻两组辊轮问的距离l 、成型角度口以及臂长口有 关。也可以利用式( 2 1 6 ) 来验算设计的合理性。 ( 2 ) 板料在弯曲过程中，外侧受横向拉伸应力，产生横向拉伸应变， 而厚度方向的应变相对较小，根据泊松关系，必然会在变形比较集中的 部位沿纵向出现收缩变形。纵向收缩的部分对中部的板施加压应力，当 压力达到一定的值时，产生压缩失稳，出现皱纹。 2 5 2 成型角对起皱的影响 起皱是金属板料成型中常见的缺陷。其影响因素很多，如：成型角 度、金属板料厚度、成型边宽度、材料属性等。然而，产品一旦确定， 板料厚度、成型边宽度、材料属性等都已大致确定，最积极的因素就是 调整成型角度。该缺陷一旦产生，就会残留在产品上，影响产品的表面 质量，严重时，甚至导致产品报废。因此，研究成型角度对防止和消除 皱纹，获得高质量的产品至关重要。本文针对聚氨酯泡沫门片生产线在 调试过程中出现皱纹的位置，采用有限元分析软件d 町a f o r m 研究了 成型角度对起皱的影响，为辊压成型工艺的确定和优化提供了可靠的理 论依据。 武汉工程人学硕士学位论文 2 5 2 1d y n a f 0 洲软件的介绍 d 町a f o 则是由美国e t a 公司和l s t c 公司联合开发的用于金属 板料成形过程仿真模拟的专用软件，不但具有良好的易用性，而且包括 大量的智能化自动工具，可方便地求解各类板料成形问题。作为一款专 用的板料成型软件，d q a f o r m 可以较好地预测成形过程中板料的破 裂、起皱、减薄、划痕、回弹，评估板料的成形性能，为板料成形工艺 及模具设计提供帮助，帮助模具设计人员显著减少模具开发设计时间及 试模周期。它集成了d y n a f o i 蝴本身功能强大的前处理功能和 e t a p o s t 后处理软件以及l s t c 公司开发的有限元动力显式求解器9 6 0 和9 7 0 。可以运行于各种操作系统上。 目前，e t a d 町a f o r m 已在世界各大汽车、航空、钢铁公司，以 及众多的大学和科研单位得到了广泛的应用，自进入中国以来， d y n a f o r m 已在长安汽车、南京汽车、上海宝钢、中国一汽、上海汇 众汽车公司、洛阳一拖等知名企业得到成功应用。 该软件具有以下特色： ( 1 ) 集成操作环境，无需数据转换，完备的前后处理功能，实现 无文本编辑操作，所有操作在同一界面下进行。 ( 2 ) 求解器：采用业界著名、功能最强的l s d 、j a ，是动态非线 性显示分析技术的创始