专业学位研究生论文开题报告

专业学位研究生论文开题报告

集装箱侧板横轧成形的工艺研究

姓 名： 唐荣健 学 号： 201120206963 学 院： 机械与汽车工程学院 专业类别： □MBA, □EMBA,

□公共管理硕士, □法律硕士 ■工程硕士，□风景园林硕士

工程领域（工程硕士填写）： 机械工程

华南理工大学研究生院 二〇一三年三月

一、 摘要

论文题目 中文 英文 集装箱侧板横轧成形的工艺研究 Research of on process of cross wedge rolling on container side plate 校内导师 校外导师 夏琴香 职称或职务 陈竟华 教授 院长助理 研究方向 学科专长 塑性加工及模具计算机技术 机械专业 论文形式 ꇶ 产品研发 ꇶ 工程设计 ꇶ 应用研究 ꇶ 工程/项目管理 ꇶ 调研报告 工程硕士须填写此栏 课题来源 企业技术研究课题 □ 是，并已办理《华南理工大学学位论文定密审批表》审批手续，复印件已附于论文选题项本报告末页。 目是否涉密 ■ 否，并承诺学位论文将不涉及国家秘密和其他不宜公开的内容。 当前，集装箱侧板为带纵向波纹的钢板（请参阅下图），采用罗拉滚压成型。但受钢卷宽度,侧板无法整体成型,故将侧板设计成多块，先罗拉滚压成形后顺波纹方向焊接拼装而成。目前这种加工工艺，由于存在多条拼接焊缝，导致生产工艺繁琐、效率偏低及质量不稳定等问题。提出采用横轧成形的工艺直接制备出整张摘 800 关键词 英文 侧板实现无须焊接拼装的思路，探索横向连续轧制成形的条件（包括轧板基本形状）并进行实验验证，对横向成形的板材进行结构分析，优化出满足使用要求的横轧成形的单元尺寸和形状，以期为集装箱侧板横轧成形工艺的产业化提供理论和实验数据。 要（不超过字） 中文 集装箱侧板, 横轧, 结构分析, 实验研究 container side plate/ cross wedge rolling/ structural analysis/ experimental research 1、关键词数量不少于三个； 2、关键词之间空一格（英文用/分隔） 1

二、立题依据

1、研究意义 2、国内外研究现状 3、主要参考文献及出处 1、研究意义 随着贸易的增长和集装箱运输的普及，集装箱的需求量超过200万TEU/年，产值高达50亿美元。由于集装箱主体为钢结构，年用钢需求超过300万吨，材质为耐大气腐蚀结构用热连轧钢带(牌号SPA-H)。侧板作为集装箱最大的零件，无论钢材用量和产值都非常巨大。 目前，集装箱侧板采用纵向轧制成形获得横截面为等腰梯形的折弯四波板（行业称罗拉成型），由于轧制的板材宽度只有1185mm，而集装箱侧板的宽度为5580mm和11716mm（分别为20尺和40尺箱），所以只能将罗拉成形后的板材剪裁为符合尺寸的折弯四波板，再通过焊接把多块折弯四波板拼装构成集装箱的侧板。 罗拉滚压成形工艺是根据金属材料性能利用多组辊轮模具上下对压,逐步增加材料塑性变形量的原理 ，所有成形辊轮在成形过程中运行的速度相同,上下旋转方向相反,成形过程中利用挤压力将金属材料滚压成上下模具配合间隙形状,从而成形得到需要的产品形状。 轧制成形工艺将金属坯料通过一对旋转轧辊的间隙（各种形状），因受轧辊的压缩成型轧制使材料截面减小，长度增加的压力加工方法，这是生产钢材最常用的生产方式，主要用来生产型材、板材、管材。 罗拉滚压成形是一种薄板金属高效成形工艺，是通过一定顺序设置的多道次成形辊子，把卷材、带材等金属板带不断地进行横向弯曲，制成所需断面的板弯型材，可认为是一种多道次的轧制成形工艺。目前广泛用于船舶制造、交通运输、建筑型材等众多行业。在滚压成形过程中避免产品表面划伤、截面变形、成形表面起皱等工艺问题有一定难度 ；而成形弯边宽度不均，材料变薄，表面划伤等工艺问题，不仅仅是影响了零件本身的质量和使用强度，同时也会造成与之配合使用其它零件的工艺要求，这也是罗拉滚压成形工艺所存在的主要难点。 可见当前集装箱侧板的生产存在工艺繁琐、效率偏低及质量不稳定等问题，寻求一种工艺简单的集装箱侧板的制备工艺对于提高集装箱生产质量和效率及降低成本具有重要的现实意义。 基于齿轮横轧和楔横轧技术的特点，本课题提出采用横轧工艺制备集装箱侧板的新工艺，其原理示意图如图1所示。该工艺的思路为：两个带有模具的轧辊反向旋转,板材在模具带动下，与轧辊作无滑动的啮合运动,在模具作用下,实现对板材的连续横向弯曲成形，制备出具有一定形状的板材。再根据集装箱侧板的宽度进行裁剪，而不存在着罗拉成形要进行多次裁剪焊接拼装等工艺。 图1 集装箱侧板横轧成形工艺示意图 2

可见，该课题的开展可解决当前集装箱侧板加工存在的问题，生产效率和质量可得到明显提高，对于促进我国集装箱侧板加工工艺的发展具有重要的意义，同时也丰富了板材加工的理论体系。 2、国内外研究现状 板材成形是现代制造业中一个重要的分支，被广泛应用在汽车、造船、航空航天、化工、城市建筑等诸多行业。 当前，集装箱用的侧板成形加工主要使用基于轧制技术的罗拉滚压成形方法，是多道次轧制渐进成形方法。 轧制过程是靠旋转的轧辊与轧件之间形成的摩擦力将轧件拖进辊缝之间并使之受到压缩产生塑性变形的过程。轧制过程除使轧件获得一定的形状和尺寸外，还能使其组织和性能得到一定程度的改善。 轧制方式按轧件运动分有：纵轧、横轧、斜轧。纵轧过程就是金属在两个旋转方向相反的轧辊之间通过，并在其间产生塑性变形的过程。横轧：轧件变形后运动方向与轧辊轴线方向一致。斜轧：轧件作螺旋运动，轧件与轧辊轴线非特角。 最初的轧制方法只能成形如板材、管材、圆材、方材等等截面的型材，随着楔横轧、辊锻、旋压和摆辗等轧制技术的出现，零件轧制也可以生产变截面的产品[1]。零件轧制属于连续局部塑性成形技术，成形过程中无冲击与噪音，是清洁型生产技术；由于是静压成形，故工作载荷小、设备重量轻、模具寿命高；而且节省材料，生产效率高。由于零件轧制技术具有高效、低耗、清等这些优点，所以受到国内外广泛的重视与应用。零件轧制主要分为辊锻、横轧、斜轧、辗环和摆辗等，其中横轧又分为齿轮横轧、螺旋横轧和楔横轧。 楔横轧是一种高效的轴类零件成形新工艺和新技术，其原理为带模具的两个轧辊以相同方向旋转(或是两个平板相向运动)，带动处于两个模具之间的轧件旋转，轧制出所需形状的零件。按照轧机的构造分类，楔横轧机主要有双辊、板式和单辊弧式和三辊式等。其中双辊和板式应用最为广泛，图2所示为双辊式和板式楔横轧原理示意图 [2]。 图2 横轧原理示意图 楔横轧既是冶金轧制技术的发展，又是机械锻造技术的发展，其工艺具有生产效率大幅度提3

[2]

高、产品精度高、质量好、所需变形力小及模具寿命高等优点。在楔横轧应用于生产的同时，各国学者对楔横轧工艺进行了大量的理论研究，成为推动楔横轧工艺发展的重要因素，尤其是前苏联和日本，在楔横轧工艺特点、变形规律、轧制力和轧制力矩、楔横轧缺陷、轧制区域等方面进行了较为系统的研究，得到了许多重要结论。 早在 20 世纪 60 年代，苏联就出现了楔横轧方面的专著，之后又出版了《机器制造中的楔横轧》等有关楔横轧方面的书籍。对轧制时金属的变形形式、接触面和自由面之间的几何关系，以及轧制过程中的稳定条件，力能、效率的计算，工艺过程的计算方法及产生的缺陷等做了一系列的论述 [3]。 在日本，60 年代末 70 年代初，粟野泰吉、团野敦、叶山益次郎、加藤健三等人对楔横轧理论做了较为系统的研究和探讨，取得了很好的成绩，为楔横轧的应用和发展开创了新局面。 粟野泰吉、团野敦在阶梯轴热楔横轧的研究中，用蜡泥塑料做成坯料，研究了用两个轧辊横轧时的成形过程，坯料的变形状态以及轧辊凸起形状的影响。通过对轧辊凸起与坯料间接触面积的计算，以及轧制力与接触面积的关系，利用实际轧制时所测定的轧制力与轧制力矩的数据，求出了在计算中所需的系数，从而推导出了轧制时作用于轧辊上的力与力矩的半经验公式。他们还研究了轧件的金属流动规律以及为避免内部孔隙出现而确定适宜的成形角α 、展宽角β 的范围。他们在轧件内部沿径向的二次拉应力以及轧件内部重复产生的剪应力和剪应变作为楔横轧产生裂纹的主要原因的前提下，以实验为基础，明确指出为了使孔隙尽可能小，成形角α 应在 10°～30°范围内尽可能取大值，而展宽角β 则应在 6°～8°的范围内为宜。 叶山益次郎也对阶梯轴楔横轧工艺加工进行了理论分析，并出版了《回转塑性加工学》，指出楔横轧的变形机理以及径向力、切向力、扭矩等与轧辊的成形角、展宽角、毛坯直径、材质、温度及断面收缩率等参数的关系。他还从避免曼氏效应、保证轧件质量的角度分析了阶梯轴楔横轧的最佳条件，指出在以拉应力为破坏条件的假定下，应该采用的最佳断面收缩率，也论述了成形角α 、展宽角β 的确定方法，从表面缺陷及旋转条件方面研究阶梯轴楔横轧的加工界限。 北京钢铁学院(现北京科技大学)胡正寰教授等对楔横轧进行了较为深入的研究，著有《斜轧与楔横轧——原理、工艺及设备》、《楔横轧理论与应用》、《楔横轧零件成形技术与模拟仿真》，对楔横轧工艺及轧件变形规律进行了详细的论述，还研究了各种工艺对轧制力、轧制力矩的影响；空心件轧制；冷楔横轧技术；心部疏松及产生机理；旋转条件以及孔型设计和计算机辅助设计等，为我国的楔横轧工艺的推广做出了很大的贡献 [1,4]。 吉林工业大学辊锻工艺研究所张承鉴教授也对楔横轧的加工界限进行了实验研究，修正了叶山益次郎提出的加工界限，扩大了加工范围，实践证明效果较好。吉林工业大学还研究了楔横轧变形载荷的计算，多楔同步楔横轧理论及工艺，偏心阶梯轴的楔横轧理论及工艺，计算轧齐曲线的公式，空心件楔横轧的旋转条件、压扁失稳条件和壁厚变化规律等 [5]。 北京机电研究所也在以下方面也取得了较大的进展：应用光塑性物理模拟方法研究了楔横轧三维变形规律；偏心阶梯轴成形技术；空心件楔横轧技术等 [6,7]。 20 世纪 90 年代以来，计算机的运算速度和存储量都得到了飞速的提高，大量的高性能的超级计算机已投入了工程应用。飞速发展的计算机图形处理技术，使得 CAD/CAM/CAE 技术在各类工程问题的应用中取得了巨大的成功。其中，模具CAD/CAM/CAE技术已成为改造金属塑性成形传统工艺的重要工具，尤其是计算机图形学与有限元法和成形工艺学的有机结合，开创了金属塑性成形过程仿真的新途径。 成形过程仿真已成为虚拟制造技术的核心之一，也是实现新产品开发短周期、高质量、低成本目标的重要手段，这一技术已经逐渐更新了人们对金属塑性成形过程的传统认识。 4

由于金属塑性成形过程是一个影响因素复杂的非线性变形过程，有限元数值仿真技术本身还有待进一步完善与研究，如考虑金属材料微观、亚微观结构对成形的影响极其本构方程的研究，三维网格系统重构技术的研究，成形过程摩擦与润滑机理及其理论模型的研究，成形过程缺陷分析技术的研究以及可视化技术的研究，都有待展开 [8-11]。 要想更加全面、更加深入地解释金属塑性成形过程的特性和行为，就必须将宏观数学一力学理论同金属的微观、亚微观理论联系起来，同计算机图形技术结合起来，同金属塑性成形工艺学有机地结合起来。只有依靠各个学科的相互交又渗透，才能使金属成形过程仿真技术进入一个 随着计算机技术和有限元模拟技术的发展，美国董耀明、李强尝试用有限元对楔横轧轧制铝棒进行分析，重点研究铝件心部产生缺陷的原因和影响因素，闫华军等也用有限元初步计算了楔横轧的轧制过程[12]。但都没有对三辊的轧制进行全面的动态模拟，所以有必要利用三维的有限元对其进行分析，找出轧件中心质量问题的主要影响因素。 由于横轧技术涉及金属三维热变形理论、机械设计理论、特种模具设计理论等，属于多学科交叉问题，虽然本课题的思路与楔横轧技术成形相似，但目前楔横轧技术主要用于一些轴类零件的加工，而且轴类零件与板材楔横轧成形在尺寸、材料和形状等方面存在着明显差异，板材的加工应用的相关报道甚少，集装箱侧板的成形工艺尚未形成系统的理论科学，反复试制所造成的时间和费用消耗巨大。所以，开展零件精确轧制成形机理与相关学科仿真研究，解决板材横轧成形过程影响产品质量的关键问题，在此基础上开展板材的横向轧制成形实验验证仿真结果，对建立板材横轧成形工艺系统科学的理论研究和应用具有重要意义。 3、主要参考文献及出处 (1)胡正寰,张康生,王宝雨.楔横轧零件成形技术与模拟仿真.北京:冶金工业出版社,2004:4-5,65-108,124,180-184 (2)杨翠苹.楔横轧展宽过程的三维有限元分析.[北京科技大学硕士学位论文].2001:5-7 (3)张庆勇.楔横轧变形载荷上限分析及中心开裂机理研究.[吉林工业大学硕士学位论文].1990:3-20 (4) 胡正寰, 张 康生, 王宝 雨. 楔横轧理论与应用 . 北 京 : 冶金工 业 出版社,1996:4-5,65-107,139-150 (5) 郭长武, 栾瑰馥.三辊楔横轧阶梯轴类件的研究 [J].钢铁,1997,32(5):34-38 (6) SHU Xue-dao, LI Chuan-min, HU Zheng-huan. Theoretical and experimental study of varying rule of rolling-moment about cross-wedge rolling [J]. Journal of Materials Processing Technology, 2007, 187: 752-756. (7) S.H. Sun, Y. Xiong, J. Zhao, Z.Q. Lv, Y. Li, D.L. Zhao, W.T. Fu. Microstructure characteristics in high carbon steel rod after warm cross-wedge rolling [J]. Scripta Materialia，2005,53（1）:137-140 (8) 王忠雷， 袁文生， 程 钢， 宗士帅. 楔横轧模具三维计算机辅助设计系统 [J].热加工工艺，2010,39（21）：176-180 (9)何涛； 王宝雨； 胡正寰. 横轧非回转体轴类件辊型曲线方程 [J]. 机 械 工 程 学 报，2011,14（7）：39-43. (10) 束学道， 魏新红， 胡正寰. 楔横轧非对称轴类件切向力影响规律 [J]. 中南大学学报(自然科学版)，2012,43（1）：172-176 (11) Zbigniew Pater, Janusz Tomczak, Jarosław Bartnicki, Michael R. Lovell, Pradeep L. Menezes. Experimental and numerical analysis of helical-wedge rolling process for producing steel balls [J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture,2013,67:1-7 (12) 闫华军， 刘晋平， 胡正寰， 刘玉忠， 王丽娟. 楔横轧梯形螺纹轴成形机理 [J]. 北京科技大学学报，2012,34（6）：701-706 5

三、研究方案及工作基础

1、研究目标、研究内容及拟解决的关键问题 2、拟采取的研究方法及技术路线 3、研究工作基础 1、研究目标、研究内容及拟解决的关键问题 1.1研究目标 探索出集装箱侧板横轧连续成形的条件，模拟和实验验证优化出满足使用要求的横轧成形集装箱侧板尺寸和形状，得到耐候钢横轧连续成形的工艺条件，为集装箱侧板横轧成形工艺的产业化提供理论和实验数据。 1.2研究内容 1.2.1板材横轧连续成形的条件 通过3D及有限元软件建模和模拟分析轧件的应力应变等场变量场分布，以及金属流动规律，并进行实验验证，探讨满足横轧连续成形的条件，得到实现横轧连续成形的板材形状和尺寸及范围，获得成形机理。 1.2.2横轧制成形板材的结构分析 改变横轧制成形板材的尺寸和材料类型，采用计算机模拟的方式分析探索不同尺寸参数和材质下所轧制板材的应力分布及侧墙气袋实验的影响及规律，并进行实验验证，优化出满足集装箱侧板使用要求的轧制板材形状和尺寸及材料力学性能的要求，从而形成集装箱侧板横轧成形工艺的工艺体系。 1.3拟解决的关键问题 目前侧板的横截面基本形状是梯形，探讨出板材横轧连续成形所能获得的板材横截面形状、尺寸及工艺条件，是将横轧技术应用到集装箱侧板成形的基础，也是本课题拟解决的关键问题。 2、拟采取的研究方法及技术路线 本课题拟采用有限元模拟和实验相结合的方法来开展研究，其技术路线图如图3所示。 集装箱侧板结构分析及其横轧工艺研究 图3 技术路线图 使用三维CAD软件solidworks建立轧辊及模具、板材三维模型； 使用CAE软件DEFORM-3D模拟板材横向轧制成形过程，分析轧制工艺对板材成形的应力、应变和变形规律，得到板材横轧成形所能获得的板材横截面形状、尺寸及工艺条件； 在模拟仿真分析的基础上，缩小比例加工轧辊，试验板材横轧成形，与模拟的结果进行对比6 建立模具、板材三维模型 改变尺寸、形状 改变工艺参数 模拟板材横轧成形工艺 板材应力、应变和变形规律 实验验证 建立板材横轧工艺和理论体系

分析，以此来验证数值模拟的正确性，并对模拟进行修正； 在模拟和实验的基础上总结板材横轧工艺和理论体系，改变横轧制成形板材的尺寸和材料类型，采用CAE软件solidworks软件的Flow Simulation模拟分析探索不同尺寸参数和材质下所轧制板材的应力分布及侧墙气袋实验的影响及规律，并进行实验验证，优化出满足集装箱侧板使用要求的轧制板材形状和尺寸及材料力学性能的要求。 3、研究工作基础 华南理工大学和中集公司均能提供本课题开展的软硬件条件，本人长期在集装箱加工成形一线工作,熟悉集装箱侧板的加工工艺和要求，导师在模具设计及材料成形具有丰富的经验，相信在导师的指导下本课题能够顺利完成。 7

四、论文工作计划及预期成果

论文工作进度安排 起止时间 2012.9-2013.3 2013.4-2013.8 2013.9-2013.12 2014.1-2014.6 预期成果 1.形成板材横轧成形工艺报告一份； 2.发表相关论文1-3篇； 3.争取申请专利1项。 工作内容 搜集文献资料，确定研究课题和研究内容 建模模拟分析，得到板材横轧成形的应力、应变和变形规律 搭建试验平台，进行实验验证，初步优化得到板材横轧成形条件和工艺 集装箱侧板结构分析及其横轧工艺研究 备注 五、开题报告作者承诺及导师意见

我保证上述填报内容的真实性，并将在导师指导下，严格遵守学校的有关规定，按计划认真开展硕士学位论文研究工作。 研究生（签名）：手签扫描件截图粘贴 201 年 3 月 15 日 我已审阅过开题报告的全部内容，同意举行开题报告会。 校内指导教师（签名）：手签扫描件截图粘贴 校外指导教师（签名）：手签扫描件截图粘贴 201 年3月 15 日

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六、评审专家组对开题报告进行审核

职 务 评 审 专 家 组 成 员 成 员 成 员 报告日期 具体意见： 专 家 组 审 核 意 审核结果：（ ）通过 （ ）不通过 组长（签名）： 手签扫描件截图粘贴 成员（签名）： 、手签扫描件截图粘贴、手签扫描件截图粘贴、手签扫描件截校内专家 校外导师 校外导师 201 .3.15 报告地点 组 长 成 员 姓 名 校内专家 校内专家 职 称 工 作 单 位 华南理工大学 华南理工大学 华南理工大学 见 图粘贴 201 年 3月15 日 学 院 意 见 主管领导(签名)： （公章） 同意专家组审核意见。 201 年4月 15 日 注：1、工程硕士和风景园林硕士需要校内指导教师和校外指导教师共同指导并签名，其余专业学位硕士只需校内指导教师指导并签名。

2、开题报告结束后，本表交至各学院负责专业学位硕士研究生的研究生工作秘书。

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华南理工大学 学位论文定密审批表 研究生姓名 专业 研究生学位论文题目 论文选题来源项目名称 论文选题来源及性质 （打“√”） □ 国家各部委、省市下达的国家秘密项目（备注：非在此列的不能申请定密） □ 企事业单位委托的国家秘密项目 □秘密 □机密 学位论文保密期限 年 导师姓名 是否在职人员 □否 论文印制份数 所在学院 □是，工作单位： 学位论文密级 学位论文 定密依据 论文作者签字： 导师签字： 项目负责人签字： 年 月 日 在职人员所在单 位意见 (非在职人员不需填写此栏) 所在学院 意见 单位负责人签字： 年 月 日（公章） 保密工作主管领导签字： 年 月 日（公章） 科学技术处 （军工项目管理办公室） 意见 研究生院 （学位办公室） 意见 主管领导签字： 年 月 日（公章） 主管领导签字： 年 月 日（公章） 学校保密委员会 办公室意见 负责人签字： 年 月 日（公章） 备注 注：此表一式两份，由学校保密委员会办公室审批通过后留存一份，送学位办公室（提交学位论文送审前）留存一份，否则按公开论文处理。

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