连续变截面板轧制关键技术研究

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中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ...................................................... 1

§1.1 课题研究背景 ................................................1

§1.2 国内外的发展现状 .......................................... 2

§1.2.1 国外的发展现状 ......................................... 2

§1.2.2 国内的发展现状 ......................................... 5

§1.3 本文的研究目的和主要研究内容 ............................ 7

第二章连续变截面成型的基本理论 ................................... 9

§2.1 变截面轧制基本过程 ........................................ 9

§2.1.1 变形区的基本参数 ...................................... 10

§2.1.2 咬入条件 .............................................. 12

§2.1.3 咬入条件与接触角 ...................................... 14

§2.2 变形区金属的运动 ......................................... 15

§2.2.1 变形区金属的运动形式 .................................. 15

§2.2.2 变形区金属的速度关系 .................................. 16

§2.2.3 变形速度的计算 ........................................ 17

§2.3 工件的轧透性与影响因素分析 ................................ 20

§2.3.1 塑性轧透性的模型和轧透条件 ............................ 20

§2.3.2 影响塑性轧透性因素分析 ................................ 22

§2.4 本章小结 ................................................. 23

第三章变形区金属滑动规律的研究 .................................. 24

§3.1 轧制成形中的滑动 ......................................... 24

§3.1.1 前滑 .................................................. 24

§3.1.2 后滑 .................................................. 25

§3.1.3 断面变化系数 .......................................... 26

§3.2 滑动数值的计算 ........................................... 27

§3.3 接触面上的摩擦 ........................................... 29

§3.3.1 变截面成形时的摩擦机理 ................................ 30

§3.3.2 变截面成形时的摩擦规律 ................................ 31

§3.4 前后滑分界点的确定 ....................................... 38

§3.5 影响金属滑动的因素分析 ................................... 39

§3.6 本章小结 ................................................. 40

第四章连续变截面轧制控制模型的建立 .............................. 42

§4.1 控制系统数学模型建立 ..................................... 43

§4.1.1 TRB 板厚方程的建立 .....................................43

§4.1.2 TRB 轧制力方程的建立 ...................................45

§4.2 TRB 的厚度控制系统 ........................................46

§4.2.1 控制系统数据流程的建立 ................................ 46

§4.2.2 TRB 轧制厚度控制系统的建立 .............................47

§4.3 本章小结 ................................................. 49

第五章液压伺服系统建模及仿真 .................................... 51

§5.1 液伺服系统建模方法简介 ................................... 51

§5.2 确立系统建模方案 ......................................... 52

§5.3 液压控制系统数学模型的建立 ................................ 52

§5.3.1 PID 控制调节器模型 .....................................53

§5.3.2 伺服放大器模型 ........................................ 53

§5.3.3 伺服阀流量模型 ........................................ 53

§5.3.4 液压缸流量模型 ........................................ 54

§5.3.5 液压缸与负载的力平衡模型 .............................. 54

§5.3.6 位移传感器 ............................................ 55

§5.4 系统仿真 .................................................. 55

§5.4.1 液压系统仿真概述 ...................................... 55

§5.4.2 系统仿真分析 .......................................... 57

§5.5 本章小结 .................................................. 59

第六章结论及展望 ................................................ 60

§6.1 结论 ...................................................... 60

§6.2 展望 ...................................................... 60

参考文献 .......................................................... 62

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................... 65

致谢 ............................................................ 66

第一章绪论

§1.1 课题研究背景

汽车工业是我国近年来发展最快的行业之一，但汽车在给人民带来便利的同

时，也带来了交通拥挤、环境污染等诸多问题。因此，开发油耗低和排放少为特

征的“环境友好型汽车”成为将来发展的趋势。有关机构的研究表明，汽车轻量

化是实现这一目标的主要措施[1]。但是，在过去的1O多年当中，由于舒适、安全性

要求的提高，同时混合动力和替代能源的推出都会给汽车带来额外的质量，汽车

的质量在逐年增大，这显然与当前的石油危机相背驰，不是人们所期望的。

现代汽车结构、性能和技术的重要发展方向是节能、减重、降低废气排放和

提高安全性，而实现这一目标的重要手段之一是车身轻量化。目前车身轻量化的

主要途径有：（1）使用密度小、强度高的轻质材料；（2）使用同密度、同弹性

模量而且工业性能好的较薄的高强度钢；（3）使用基于新材料加工技术的轻化结

构用材，如连续辊轧变截面板、拼焊板等。其中前两种途径均能使汽车轻量化，

但制造总成本是普通钢板的2．5倍[2]。相比之下，钢的综合性能使其仍然是汽车车

身制造用材的最佳选择，这主要因为钢材不仅有优异的性价比，还有长期以来所

积累成熟的冶金技术和成型加工经验。基于轻量化结构用材，本文提出了一种显

著减轻车身质量的新薄板——连续变截面板(Tailor Rolling Blanks，TRB)，并讨论

了其在车身制造中需要解决的关键技术，见图1-1。

用于车身轻量化制造的变截面薄板有两种，一种是拼焊板(Tailor Welded

Blanks，TWB)，是将2块或2块以上平板料焊接在一起进行冲压，以满足不同部位

零件的性能要求，减轻车身质量。但TWB在拼接处存在板料厚度的突变、母材承载

能力差异和焊缝及其热影响区的硬化作用，因而在拉延时会产生下列问题：板料

厚度突变的存在可使压边力大小不一致，容易引起薄料流入过程中压应力过大而

皱曲；焊缝两侧材料承载能力不一致，使材料流入和变形不均匀，引起焊缝移动，

加剧应变集中，降低整块板的成形性能；焊缝及其热影响区的硬化作用导致整块

板拉延性能降低，成形困难[3]。另一种是通过柔性轧制工艺生产的连续变截面板，

是一种新的轧制技术生产的板。变截面薄板经加工后制成的汽车零部件将具有更

好的承载能力，且明显地减轻了质量。

由于传统常规的轧制工艺主要用于大截面材料变为小截面材料的型材加工，

如生产各种型材、板材、管材等，在轧制工艺过程中，辊缝保持恒定，是一种等

值轧制，使材料变形成为具有等厚度的等截面结构。在等截面轧制时，轧机的辊

连续变截面板轧制关键技术研究

缝总是试图保持恒定，如果忽略坯料厚度误差、材料性能和轧制温度等因素的影

响，轧制力可以认为是近似恒定的，而形状各异的机器零件主要靠切削加工获得。

相对于传统的轧制方式而言，在变截面轧制过程中，轧机的辊缝是随时间或轧件

的纵向尺寸变化的，所以TRB板轧制是一种变辊缝轧制方式。在轧制工艺过程中，

基本上没有金属废屑的产生，材料利用率高，节约金属，并且具有工艺过程简单、

成本低、生产率高、适合大规模生产的特点。TRB轧制工艺可以解决或缓解了TWB

存在的问题，并为汽车轻量化开创一个行之有效的途径。

由于采用连续变截面轧制的工艺方式可以直接获得零件或高精度的零件毛

坯，具有简化生产工艺过程、节约材料、提高生产率、降低生产成本和改善产品

机械性能等特点，所以在实际制造生产中的应用愈来愈广。连续变截面轧制既是

机械设计和制造领域内新技术和新工艺的发展，又是传统机械科学技术的延伸和

扩展，也是冶金轧制技术的新发展。对变截面轧制成形理论和应用进行深入和广

泛的研究，是零件轧制创新领域的进一步拓展，有着重要的社会意义和显著的经

济意义。

图1-1 TRB板结构示意图

§1.2 国内外的发展现状

§1.2.1 国外的发展现状

随着全球生态环境的恶化和能源的日益紧缺，欧、美、日等国家开始重视能

源及环保的议题，并制定了相关法令，其中以欧洲最为严格。轻量化、环保回收、

节约能源已是全球汽车产业发展趋势[4]。

在环境污染和能源短缺成为当今社会越来越严重的问题，为了应对日益严格

的环保挑战，世界汽车业正积极行动起来，大力研制环境友好型的汽车，例如欧

第一章绪论

洲的EUCAR，美国的PNGV项目等就是具体的例证。环境友好型汽车的重要标志

是油耗低、排放少，而降低油耗、减少排放的重要措施就是减轻车体的重量[5]。有

关机构的研究表明:若汽车质量减轻10%，则油耗减少4%～5%。目前实现汽车轻量

化主要有三种途径：一是对汽车底盘、发动机等零部件进行结构优化，在结构设

计上主要采用前轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等方法；二是在使用材料方

面通过材料替代或采用新材料来使汽车轻量化。在替代材料方面，可使用铝镁轻

合金等有色金属材料、塑料聚合物材料、陶瓷材料等密度小、强度高的轻质材料，

或者使用同密度、同弹性模量而且工艺性能好的截面厚度较薄的高强度钢；三是

采用先进的制造工艺，使用基于新材料加工技术而成的轻量化结构用材，如连续

挤压变截面型材、金属基复合材料板、激光焊接板材等，也可以达到轻量化目的。

图1-2为当前汽车车身结构发展趋势。然而相比之下，钢的综合性能使其仍然是汽

车车身制造用材的最佳选择。

图1-2 汽车车身结构发展趋势

用于车身轻量化制造的变截面薄板分为两种，一种是拼焊板[6](Tailor Welded

Blanks，TWB)，是将 2 块或 2 块以上不同厚度或不同材质的板料焊接在一起，然

后进行冲压成形，以满足不同的性能要求，减轻车身质量。但是，TWB 在拼接处存

在板料厚度的突变、母材承载能力差异和焊缝及其热影响区的硬化等，因而在成

形过程中会诱发下列问题：（1）板料厚度的突变使压边力大小不一致，容易引起

薄料流入过程中压应变过大而皱曲；（2）焊缝两侧材料承载能力不一致，使材料

流入和变形不均匀，引起焊缝移动，加剧应变集中，降低整块板的成形性能；（3）

连续变截面板轧制关键技术研究

焊缝及其热影响区的硬化作用导致整块板成形性能降低，成形困难。另一种是通

过柔性轧制工艺生产的连续变截面板(Tailor Rolling Blanks，TRB)，是一种新的轧

制技术生产的板。变截面薄板经加工后制成的汽车零部件将具有更好的承载能力，

且明显地减轻了质量。

拼焊板技术是按照车身零件不同的性能要求，分别使用不同的材料，将其焊

接在一起，然后进行冲压成形获得所需零件形状的一种成形方法。这些板料可具

有不同的厚度，材质或表面涂层。拼焊板的使用可减少零件的数量，减轻零件的

质量，降低生产成本，并且增加结构的整体性和尺寸精度。因此拼焊板在汽车和

航空航天制造业中得到了广泛应用。日本本田汽车公司最早将拼焊板应用于汽车

行业，继本田之后，美国，欧洲的汽车制造商也逐渐采用拼焊板成形技术，其中

美国通用，福特，克莱斯勒3大汽车公司在1994～1997年生产的一部分门内板，侧

围板，立柱，门框，横梁等都已采用了拼焊板成形[7]，并且门内板采用拼焊板成形

的占40%。然而拼焊板由于焊接的存在，降低了整体的成形极限，引起一些研究机

构对拼焊板成形存在的问题进行研究，如德国的斯图加特大学，美国的俄亥俄州

州立大学，ULSAB等，他们在实验和数值模拟方面取得了一系列的研究成果。

目前对拼焊板的焊接工艺的研究已比较成熟，通过滚压焊和激光获得的拼焊

板成形性较好，在国内外得到了广泛的应用。在拼焊板成形工艺方面，由于焊缝

的移动使拼焊板过早产生裂纹。TRB板的提出，能有效的弥补TWB板在成形过程中

的缺陷。现在，对TRB板的研究还处于初级阶段。TRB板的整体成形设备还处于研

究中，TRB板的成形过程中对轧机的控制是重点。

图1-3 变截面板坯的结构

变截面汽车钢板弹簧是采用变截面轧制工艺生产的典型产品，也是交通运输

器械、工程机械、农业运输工具、种植和收获机械以及其他运输移动设备悬架系

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