间隔条滚压成型工艺研究

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第一章 绪论
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第一章 绪论
§1.1 课题来源与目的
本课题来源于中空玻璃生产企业需求，目的是研究某规格中空玻璃间隔条，
为采用辊压成型工艺生产这种产品奠定基础。
中空玻璃是通过使用高强度高气密性复合粘结剂将玻璃片与内含干燥剂的间
隔条粘结为一体的结构件， 内部充满干燥气体，具有隔音保温的效果，是理想的
节省能源建材。图 1.1 为中空玻璃基本结构
图1.1 中空玻璃基本结构
§1.2 间隔条辊压成型工艺研究状况
§1.2.1 间隔条生产现状
间隔条的质量影响中空玻璃的密封效果。目前中空玻璃采用的间隔条包括铝
间隔条，不锈钢间隔条及超级间隔条。其中铝间隔条应用最为广泛。本课题所研
究对象即为铝间隔条，铝间隔条一般采用辊压成型工艺加工。
§1.2.2 辊压成型工艺研究现状
辊压成型法又称为辊弯成型法，它是一种将板材或带材连续通过多对轧辊从
而获得所要求的断面形状及尺寸的成型法。辊压成型是一个连续弯曲成型过程，
成型过程中板料在长度方向上与各道次轧辊相接触，横截面经过相应道次产生不
同的弯曲变形以达到所需形状及尺寸。这种成型方法的优点是：生产成本低，资
源消耗少，产品表面质量高，加工范围广，并且轧件长度不受限制，可生产出用
其它成型方法难以生产甚至不能生产的复杂薄壁型钢。因此，辊弯成型法是一种
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先进的弯曲成型法，在型材加工行业并得到了广泛应用。通常所说的冷弯型钢主
要是通过辊弯成型方法加工的[1-2]。本论文中，间隔条产品采用辊弯成型方法加工
生产。
辊压成型示意图如图 1.2 所示。板材通过各道次轧辊（平辊和立辊）完成弯
曲成型，而对于平辊不能成型的部分采用立辊辅助成型。
图1.2辊压成型示意图
辊压成型特点体现在[3-4]：
1）辊压成型可以按用户要求设计产品断面形状，并能生产出品种多样化、断
面复杂的薄壁冷弯型材。辊压成型生产线与生产同类产品的轧机比较，机器设备
简单、重量轻，占地面积少、相对投资少、生产技术易掌握、工作人员少、生产
效率高、劳动条件得到改善、环境污染程度小等优点。
2）辊压成型以冷、热轧带卷为原料，经过多道次成型辊而弯曲成型，可以较
大的减少机械加工量和金属消耗。生产的产品断面尺寸精度高，表面质量优并且
机械性能良好。
3）辊压成型可根据产品设计需求同其他生产工序相结合组成多功能的连续生
产线，例如辊压成型同点焊、钎焊、自动缝焊、封口、定尺剪、纵剪、切边、成
形前预切口、镀层、涂层、冲压、热处理、酸洗等工序合并，大大提高劳动生产
效率，改进产品质量，减少电力消耗和辅助材料消耗。
4）辊压成型可生产多种材质的型材产品，不仅可以生产一般低合金高强度钢、
碳素钢、不锈钢，并且可以生产各种涂层板(各种有机塑料涂板)、镀层板、多种
有色金属的冷弯型材，满足了市场多方面的需求。
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辊压成型过程中，板材在长度方向上同各道次轧辊相接触，横截面经过相应
道次产生不同的弯曲变形，以达到所需形状及尺寸。辊压成型法的优点在于：加
工范围广，资源消耗少，产品表面质量高，生产成本低，又因轧件长度不受限制，
而且可生产出用其它成型方法难以或甚至不能生产的复杂薄壁型材。因此，辊压
成型法是一种较先进的弯曲成型法，因此在型材加工行业广受欢迎并得到了普遍
应用。一般说的冷弯型材主要是通过辊压成型方法加工的。
世界冷弯型材的生产发展历史至今已有一百七十余年，追溯到十九世纪，可
以大致把它可分为三个时期[5-8]。第一个时期(1838-1909 年)是探索与试验阶段。这
一时期已有美国、俄国与英国等为数不多的一些国家生产冷弯型材，其生产的机
器采用的是冷拔机或弯曲压力机，由于当时理论研究和技术条件限制，生产出来
的产品质量差，并且数量产量及品种都较少，因生产设备分散在一些车辆制造业
和建筑工业的附属工厂内，产品也仅满足本部门的需求。随着工业和建筑业的迅
速发展，用户对压力成型工艺生产的冷弯型材的需求量越来越大，这就导致对这
种型材的理论研究和生产研发起到积极推进作用。第二个时期(1910-1959 年)是辊
式辊压成型工艺创立和逐步推广的阶段。特别是在 1910 年，美国首先创立了辊式
辊压成型工艺，第一套专业化的辊式冷弯成形机组投入生产，冷弯型材的生产发
展进入到一个新的时期。1925 和1926 年先后德国，英国，法国，捷克和斯洛伐克
等一些国家也开始建成专业化生产的冷弯成形机组，辊式辊压成型工艺得到逐步
发展，推广和应用。可是，由于带钢和冷热轧薄板的生产落后，无法达到冷弯型
材生产需求，并且在这一时期人们对冷弯型钢的特点及技术的经济效应的认识和
宣传不够，大都用户缺乏这方面的认识，冷弯型材的推广应用及它的发展受到严
重影响。第三个时期 (1960 年到现在)是冷弯型材生产迅速发展的阶段。1960 年以
后尤其是 1965 年以来，国外建设了大量的宽带材冷热轧机，使各主要产钢国的钢
材品种发生了重大变化，带钢和薄板数量与质量明显增大，这为冷弯型材的生产
提供了充足的原料来源。几十年的实际应用，冷弯型钢的技术经济效果已逐渐为
人们所重视，其影响范围和生产规模不断扩大和发展，特别是 1990 以来辊压成型
理论研究和计算机辅助设计，数控辊压成型机等的开发，辊压成型技术迈向智能
化成型技术。现在，世界上工业发达国家和不少发展中国家都生产冷弯型材。
国外辊压成型工艺的特点有：广泛使用新工艺，冷弯型材的产量不断增加，
产品品种不断增多、产品结构不断更新，以辊压成型 CAD 为中心的研究与开发工
作正在日趋深入和扩大。同样我国冷弯型材的生产厂由当时冶金行业的 5 家，发
展到汽车、建筑、机电、轻工、交通运输、家电等许多行业，包括大量的乡镇企
业和一些个体经营的企业，合计约有 200 个冷弯型钢生产厂，遍布全国绝大多数
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省、市、自治区。冷弯型材的年生产量得到较大提高，由 80 年代初的 1 万余吨至
今已增加到 100 万吨以上（不包括圆管），占全国钢材产量的 0.6%左右。冷弯型材
生产品种，已由原来的一些简单断面的开口型钢，发展到包括各类开口和闭口断
面的一般结构用型钢，宽幅波纹板型钢、多种异型复杂端面型钢，带孔型钢等，
品种数量显著增加。据估计，目前国内生产的冷弯型材的品种中，规格约有 2000
余个。制造冷弯型材的坯料，已由原来的单一的普通碳素钢，发展到优质碳素结
构钢、高耐候性结构钢、不锈钢、低合金结构钢、涂镀层板带如镀锌板，有机涂
层板等，以及一些有色金属材料，例如铜、铝合金等。随着产品需求范围及数量
的扩大，冷弯型材机组为适应复杂断面产品及多品种的加工要求，在设备配套中
成型机架的结构形式、机架数量的设置、辅助设备配套、产品切断方式以及长度
精度的控制的方面，都作了很大的改进和提高[9-10]。近 20 年来，我国使用冷弯型
材用户，已由原来仅限于一般农用拖车及普通结构件等小范围内使用，现今已逐
步发展到机车车辆、建筑结构、汽车、起重机械、轻工机械、电气、装饰、集装
箱、交通设施，电梯、家电、家具等行业，冷弯型钢标准的基本体系已经基本形
成。我国冷弯型材目前存在的主要问题有：冷弯型材的质量有待进一步提高，品
种及数量还不能适应市场需求，冷弯型材国家标准有待进一步修改完善，对冷弯
型材产品深加工的重视不够。
辊压成型工艺过程复杂，涉及到动力学、运动学、几何学等很多方面的知识。
辊压成型过程在力学上表现为带材的横向弯曲变形和纵向的拉伸变形，在带材弯
曲变形的同时，还引起了横向的扭转和大位移。因此，辊压成型本质上就是带材
的纵横向的弹塑性变形与横向的扭转大位移的复杂过程，正是由于辊压成型过程
中，板料与轧辊是一个不断地接触分离的过程，因此坯料与成型辊的接触边界非
常复杂。有关辊压成型的原理，国内外许多学者做了大量的工作，成型理论的研
究已有很大进展，有很多算法被用来求解辊压成型问题，通过近似计算分析，已
经弄清了一些简单断面型材的成型机理。尽管辊压成型研究已有不小的进步，但
仍未找到一种方法能精确的分析辊压成型过程。目前的分析方法大致分为简化分
析法，综合分析法，有限样条法，有限元法四种方法。
简化分析法的基本依据是将板材的横向弯曲变形和纵向变形分别进行考虑。
将横向的弯曲变形采用纯弯曲理论进行分析，引入平缓过渡段的概念，平缓过渡
段划分为平缓过渡Ⅰ区和Ⅱ区（平缓过渡Ⅰ区的特点是弯曲角均匀增大，平缓过
渡Ⅱ区的特点是弯曲角减少），把变形过程分为弹性变形区、弹塑性变形区、塑性
变形区，给出了弹性变形区、塑性区横向应力和应变的表达式，并考虑了弹性回
复后的残余应力表达式。以低碳钢为例，该分析法认为相对弯曲半径值为 250 时，
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位于弯曲部分中心角等分线上断面内坯料表面上的金属首先处于塑性状态，而当
相对弯曲半径值等于 5 时，塑性变形区实际上扩展到弯曲部位的整个断面。随着
成型道次的增加，弹性区逐渐减少，塑性区逐渐增大，在后道次中，带材各直线
部分之间连接段全部处于塑性弯曲状态。简化分析法，只能作为成型初步分析[11]。
综合分析法，简化解析法不能解决带材的三维变形问题，对辊压成型变形后
的形状、横向与纵向应力、应变进行综合分析成为研究的重点。伴随计算机运算
能力的提高和数值计算方法的不断改进，基于能量法的综合分析法有了深入的发
展。其中，日本东京大学的木内学教授的研究颇具代表性，他引入用来描述接触
变形区和非接触变形区中的板带变形表面的形状函数代表成型过程中的金属流
线，该形函数包括参数 n，该参数随着最小总变形能的变化而变化，利用该形状函
数近似地描述带材成型的空间轨迹和变形曲面。这种分析方法以相邻两机架间的
坯料为研究对象，以坯料与轧辊间的接触作为线接触处理。目前这种研究方法已
经形成了一个较为完整的系统，但由于变形曲面取决于待定系数 n，这就形成了真
实曲面与构造曲面之间的误差，从而影响了综合分析法在应变、应力分析过程的
计算精度[12,13] 。
由 Y.K.Cheung 教授在六十年代创立的有限样条法是一种结构分析的方法，应
用于结构分析领域。早期的有限条法的研究范围仅限于弹性结构问题，随着有限
样条理论的研究的不断深入与完善，此法适用范围由简单弯曲问题和平面应力弹
塑性问题的推广到弹塑性大变形问题研究。目前国内对于辊压成型的有限样条法
分析已取得一定成果，尤其是以燕山大学刘才教授为首的课题组 [14-19]，在使用有
限样条法在辊压成型计算过程中，采用了一些假设，包括将坯料作为线性强化的
弹塑性模型，单元的板壳结构划分，忽略坯料剪应变、忽略接触区以外的变形和
中性面的移动、忽略坯料沿轧制方向的运动，把冷弯过程简化为成型辊将坯料压
下过程等。虽然有限条法能比较好的模拟板料的变形，但使用了过多的假设，特
别是忽略了中性面的移动以及接触区以外的变形[20,21]。因此，有限条法也仅能近似
模拟整个变形过程，依旧不能反映板料的辊压成型真实过程。
有限元分析法（FEA，Finite Element Analysis），是一种高效能、常用的数值
计算方法。最早可追溯到 20 世纪 40 年代，当时由于计算条件的限制并未被人们
重视。Courant 第一次应用定义在三角区域上的分片连续函数和最小势能原理来求
解St.Venant 扭转问题。1956 年，Turner、Clough 等人在分析飞机结构时，将钢架
位移法推广应用于弹性力学平面问题，给出了用三角形单元求得平面应力问题的
正确答案，这是现代有限元法的第一个成功的尝试。1960 年，Clough 更进一步处
理了平面弹性问题，并首次提出了“有限单元法”的概念，逐步人们认识到它的
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功效作用。我国著名教育家，力学家徐芝纶院士首次把有限元法引入我国，并对
它的应用作了很大的推进作用。
随着计算机技术和数值分析技术的发展以及商业化有限元软件的日趋成熟和
完善，基于有限元理论的数值模拟技术越来越多的被应用到分析研究中，在应用
有限元研究辊压成型这一领域中，研究方向有两种，一种是利用现有的有限元软
件并同时结合计算机辅助设计软件来进行辊压成型理论研究及成型工艺的设计，
目前已开发的商业化的有限元软件有很多，在此基础上采用有限元法研究辊压成
型能有助于取得实际应用成果，以此解决实际工程问题。如加拿大 Watertloo 大
学的 Walke 等人使用 ABAQUS 对直缝焊管的成形过程的应力应变进行了分析，英国
Aston 大学的 Milner 等利用商用有限元软件包 PAFEC，使用八节点半壳体单元对
简单断面冷弯型材进行了分析计算。美国 Ohio 州立大学的 Frank Heislitza 等应
用三维有限元 FEM 软件 PAM-STAMP 进行相关研究，他们用八节点方形单元来为长
板带产生网格，而用四节点板壳单元来模拟轧辊表面，结果表明采用有限元软件
PAM-STAMP 可以获得应变分布已回弹后的几何形状[22,23]，Harstain 利用商用有限元
软件分析了钢管定径成形时的应力应变分布规律，管壁的厚度变化，回弹控制
[24,25]。新加坡的 Senanayake 等人用成型角法设计了一个 U 形断面并道出了用 FEM
包 MARC/MENTA 的仿真结果，他们在厚度方向用了七积分点，节点位移上用了双线
性插补的四节点板壳单元。瑞典的 M.Lindgren 利用商业化软件 MARC 对比研究了
一般钢材和高强钢材的成型参数，通过分别成型 U 型截面的计算机仿真，对成型
参数进行了对比分析，还利用有限元分析结果修正了 U 型截面的成型长度公式和
纵向应变峰值公式[26-28] 。另外 M.Tajdari 用有限元法预测了辊弯成型发生屈曲时
极限应变值，通过对极限应变的预测来设计辊花图，进而进行轧辊的设计[29-31]。
另一种是侧重于基础理论的原始研发开发专用的辊压成型有限元软件。具有代表
性的是 Nitin.Duggal 等基于变形力学开发的计算机辅助系统(RFPASS)，日本学者
木内学等人开发了用于焊管以及异形管分析的专用软件，用于 FFX 成型等的研究。
日本学者小野田义富等人采用刚塑性有限元法对点焊管进行研究，解决了 W 弯曲
法中管坯边部的减薄或增厚现象。法国的 M.Brunent 等人利用弹塑性有限元法分
析了板料的辊压成型，用二维的有限元法对横截面进行了分析，再用三维的有限
元法对两个或四个连续断面间的板带进行分析，并开发了有限元 PROFIL 来分析完
整的材料应变历史，而且具有优化轧辊断面设计的功能 [32-35]。我国的燕山大学等
单位以有限元在辊式成型领域的研究为题，一度开发需要辊压成型相关理论的深
入研究以及大量的技术资源[36-38]。虽然现在有一部分轧辊设计软件已具有仿真功
能，但由于模型过于简化等原因，与实际结果之间尚有一定差距。北方工业大学
摘要：

第一章绪论1第一章绪论§1.1课题来源与目的本课题来源于中空玻璃生产企业需求，目的是研究某规格中空玻璃间隔条，为采用辊压成型工艺生产这种产品奠定基础。中空玻璃是通过使用高强度高气密性复合粘结剂将玻璃片与内含干燥剂的间隔条粘结为一体的结构件，内部充满干燥气体，具有隔音保温的效果，是理想的节省能源建材。图1.1为中空玻璃基本结构图1.1中空玻璃基本结构§1.2间隔条辊压成型工艺研究状况§1.2.1间隔条生产现状间隔条的质量影响中空玻璃的密封效果。目前中空玻璃采用的间隔条包括铝间隔条，不锈钢间隔条及超级间隔条。其中铝间隔条应用最为广泛。本课题所研究对象即为铝间隔条，铝间隔条一般采用辊压成型工艺加工。...

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