拉彎矯直工藝參數(shù)對帶鋼瓢曲缺陷的影響分析

李董超，周存龍，郭 瑞，任志斌

(太原科技大學(xué)山西省冶金設(shè)備設(shè)計(jì)理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原，030024)

0 前言

近幾年來，市場上對帶鋼的板形、表面質(zhì)量等要求都有了極大的提高，而諸如邊部浪彎、中間浪、瓢曲等形狀缺陷，制約了板帶材的應(yīng)用［1－3］。拉伸彎曲矯直技術(shù)能夠滿足高端精品帶鋼的生產(chǎn)技術(shù)要求，消除各種三維的形狀缺陷，因此對高品質(zhì)帶鋼的生產(chǎn)具有非常重要的工程實(shí)用價(jià)值［4，5］。

從國內(nèi)外的大量文獻(xiàn)中，可以看到許多的學(xué)者對拉伸彎曲矯直過程進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬，對壓下量、張力等工藝參數(shù)及拉彎變形時(shí)帶鋼曲率、殘余應(yīng)力等都做了大量的研究工作。Morris J、Hoon Huh、Norman Mathieu［6－11］等國外的研究學(xué)者使用ABAQUS 軟件對拉伸彎曲矯直機(jī)進(jìn)行了有限元模擬，分析研究了帶鋼材料模型、壓彎量及殘余應(yīng)力等對矯直的影響。張清東、劉天浩、李勝祗等國內(nèi)的研究學(xué)者，通過MARC 及ANSYS 有限元分析軟件對帶鋼拉伸張力、彎曲輥壓下深度及帶鋼的塑性延伸量之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，對拉彎矯直的工藝參數(shù)優(yōu)化做了一定的工作。但這些研究中多數(shù)都是基于有限元方法的模擬結(jié)果，并未與得到實(shí)際工程應(yīng)用的驗(yàn)證，因此難以較為可靠真實(shí)的說明現(xiàn)場生產(chǎn)矯直過程中出現(xiàn)的問題。因此，本文對某450 mm 拉伸彎曲矯直機(jī)組運(yùn)行過程中產(chǎn)生的瓢曲問題進(jìn)行了相關(guān)的有限元分析及實(shí)驗(yàn)研究。

1 瓢曲現(xiàn)象的描述

板形瓢曲現(xiàn)象可以解釋為帶材在生產(chǎn)過程中由于一系列原因而產(chǎn)生的沿寬度及長度方向的不均勻變形所造成的三維形狀缺陷。帶鋼板形瓢曲現(xiàn)象產(chǎn)生的關(guān)鍵因素是帶鋼在寬度方向上的橫向應(yīng)力分布不均［12］，當(dāng)消除橫向應(yīng)力不均后，便可以僅考慮帶鋼的縱向彎曲問題即可解決板形瓢曲的缺陷。因此，對矯直過程中帶鋼沿寬度方向的應(yīng)力應(yīng)變變化情況進(jìn)行研究具有重要意義。

2 有限元分析

本文依據(jù)某兩彎一矯結(jié)構(gòu)型式的450 mm 拉伸彎曲矯直機(jī)組的設(shè)備參數(shù)，采用ANSYS/LSDYNA 建立了三維拉彎矯直過程的有限元分析模型對該板形瓢曲問題進(jìn)行分析。假設(shè)各彎曲輥為剛性體;帶材的材料模型各向同性，采用雙線性模型;忽略帶材在矯直過程中的慣性力和振動(dòng)等各種生產(chǎn)現(xiàn)場帶來的擾動(dòng)。

2.1 瓢曲帶鋼拉彎矯直模型的建立

建立初始瓢曲帶鋼有限元模型的參數(shù)為:帶鋼規(guī)格為265 mm ×2.2 mm，初始彎曲的拱起高度為16 mm，上矯直輥及導(dǎo)向輥的尺寸為Φ85 mm×450 mm，彎曲輥的參數(shù)為Φ50 mm ×450 mm，建立實(shí)體模型如圖1 所示。

圖1 拉伸彎曲矯直模型圖Fig.1 The model of tension levelling

本文中采用Solid 164 三維實(shí)體單元對帶鋼進(jìn)行建模，帶鋼的材料參數(shù)見表1 所示，并選擇Sweep 方式劃分網(wǎng)格。帶鋼與軋輥的接觸設(shè)置中，選擇變形體對剛體的ASTS 自動(dòng)面面接觸類型，并考慮接觸表面的靜動(dòng)力摩擦的影響。模型載荷的施加方式為:在帶鋼的出口端施加速度載荷，用于使帶鋼產(chǎn)生向前的運(yùn)動(dòng);在帶鋼的出口端施加張力載荷，用于將帶鋼拉緊，從而產(chǎn)生張力。本模型中各個(gè)位于帶鋼下側(cè)的輥?zhàn)泳O(shè)定為固定不動(dòng)，位于帶鋼上側(cè)的上矯直輥系向下壓下，并以剛接觸到帶鋼時(shí)的位置作為初始位置，壓下到各自設(shè)定的位置處停止。為模擬不同張力工況下的帶鋼變形情況，分別設(shè)置為1/4σs、1/6σs、1/8σs不同張應(yīng)力條件下對應(yīng)的帶鋼張力。

表1 帶鋼的材料性能參數(shù)及尺寸Tab.1 Material Parameters and size of strip steel

2.2 模擬結(jié)果分析

從有限元分析結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)帶鋼在矯直過程中的變化情況。圖2為一定張應(yīng)力下沿帶鋼寬度方向各位置處的節(jié)點(diǎn)位移量變化情況，可以從中得到帶鋼矯直時(shí)的變形過程。隨著矯直輥的壓下，帶鋼兩側(cè)的翹曲部分及中間的突起處首先與輥?zhàn)咏佑|，繼續(xù)增大壓下量時(shí)，帶鋼兩側(cè)產(chǎn)生較大的位移量而中間部分的帶鋼只有極小的位移量;當(dāng)輥?zhàn)訅合逻_(dá)到水平位置時(shí)(上輥與下輥的咬合量為零)，帶鋼的兩側(cè)部分變化程度最大，但帶鋼中間部位出現(xiàn)了一定量的拱起變化，如圖中的“壓下0 mm”曲線所示，在這一過程中，帶鋼邊部及中心部分受應(yīng)力較大。在矯直輥的壓下量達(dá)到一定值后，帶鋼沿寬度方向上的各節(jié)點(diǎn)位移變化量趨于平滑，即沿寬度的各節(jié)點(diǎn)趨于同一水平值，帶鋼在表觀上達(dá)到平直的效果。但是，在卸載帶鋼兩端的張力及輥?zhàn)拥膲合铝亢?，帶鋼發(fā)生彈復(fù)現(xiàn)象。此時(shí)帶鋼的內(nèi)部應(yīng)力釋放，帶鋼上各節(jié)點(diǎn)的位移量發(fā)生一定的彈復(fù)，使表觀平直的帶鋼又恢復(fù)一定的彎曲。經(jīng)過拉彎后的帶鋼板形缺陷得到緩解，帶鋼上各節(jié)點(diǎn)沿厚度方向的坐標(biāo)差值減小。

帶鋼沿寬度方向的應(yīng)力應(yīng)變分布如圖3、4所示，從結(jié)果數(shù)據(jù)中可以得到以下結(jié)論:

在一定張應(yīng)力的工況下，帶鋼的橫向應(yīng)力分布隨矯直輥壓下量的增大而趨于一致，但帶鋼兩側(cè)的邊部位置產(chǎn)生了較大的應(yīng)變量，因此存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象，如圖3a 及4a 所示。在矯直過程中增大輥?zhàn)拥膲合铝坑兄谙龓т摰臋M向應(yīng)力分布不均，從而減輕帶鋼的瓢曲板形缺陷。

圖2 沿帶鋼寬度方向各節(jié)點(diǎn)的位移量變化情況Fig.2 The changement of nodes displacement along the strip width direction

從帶鋼隨拉伸張力的變化情況中，又發(fā)現(xiàn)隨著拉伸張力的增大，帶鋼沿寬度方向的應(yīng)力分布有著從兩側(cè)向中間部位離散化的趨勢，這樣不利于消除帶鋼的橫向應(yīng)力分布不均勻問題，對于矯正帶鋼的瓢曲達(dá)不到預(yù)期的效果。

從以上的分析中可以得到矯平帶鋼的瓢曲板形缺陷，需要增大矯直輥的壓下量，同時(shí)必須控制矯直過程的拉伸張應(yīng)力在一定的范圍內(nèi)，這樣才能夠達(dá)到消除帶鋼瓢曲現(xiàn)象中的橫向彎曲。

圖3 沿帶鋼寬度方向各單元的應(yīng)力分布Fig.3 the stress distribution of units along the width direction

圖4 沿帶鋼寬度方向各單元的應(yīng)變分布Fig.4 the distribution of each unit strain along the width direction

3 實(shí)驗(yàn)研究分析

針對帶鋼生產(chǎn)中的瓢曲現(xiàn)象及上文中的有限元分析結(jié)果，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案為:設(shè)定延伸率為1.5%，以出口處卷取機(jī)的卷取線速度為固定值0.5 m/s，控制矯直工藝段的張應(yīng)力分別為1/4σs、1/6σs、1/8σs，以出口處帶鋼達(dá)到平直(不平度為≤4I)為檢測標(biāo)準(zhǔn)，在帶鋼矯直過程中控制調(diào)節(jié)矯直輥的壓下量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖5所示。

從圖5 可以看出，出現(xiàn)板面瓢曲缺陷時(shí)，帶鋼橫向不平度隨著矯直輥的壓下量的增大，板形瓢曲可以得到消除。在不同的彎曲輥壓下量的條件下，彎曲輥的壓下值的增大，板材瓢曲缺陷的不平度相應(yīng)的增大。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到，矯直輥在壓下量為15～25 mm 的范圍內(nèi)的抗瓢曲效果較好，且在彎曲輥的壓下變化時(shí)，為消除相同的瓢曲不平度，需要相應(yīng)的調(diào)節(jié)矯直輥的壓下量。

圖5 板面橫向不平度隨矯直輥壓下量的變化趨勢Fig.5 surface transverse roughness along with the change of anti-crossbow roller reduction

在帶材的拉彎過程中，各個(gè)彎曲輥與帶材之間由于接觸處的沿寬度方向的邊部減薄效應(yīng)，彎曲輥在與帶材兩側(cè)接觸的位置首先受到磨損，使得彎曲輥的輥型發(fā)生變化，在較大的壓下量情況下，帶材中間位置的纖維產(chǎn)生較大的延伸量，因此矯直后的帶材在沿寬度方向依然存在一定量的殘余應(yīng)力。在經(jīng)過矯直輥組下方的小輥徑矯直輥時(shí)，由于在通過之后相鄰的大輥徑矯直輥時(shí)的壓下量偏小，使得帶材內(nèi)部殘余應(yīng)力釋放，從而產(chǎn)生了瓢曲板形缺陷。因此，在出現(xiàn)出口帶鋼產(chǎn)生板形瓢曲缺陷時(shí)，調(diào)節(jié)矯直輥的壓下時(shí)可以解決該問題。

4 結(jié)論

針對拉伸彎曲矯直過程中的出現(xiàn)的板形瓢曲現(xiàn)象進(jìn)行了有限元分析并結(jié)合現(xiàn)場拉彎矯設(shè)備的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)論:

(1)在一定的拉伸張力條件下，增大矯直輥的壓下量有利于消除帶鋼的瓢曲現(xiàn)象，但是實(shí)際生產(chǎn)中過大的輥?zhàn)訅合铝恳自斐奢佔(zhàn)幽p嚴(yán)重問題，應(yīng)當(dāng)根據(jù)需要合理調(diào)整。

(2)在矯直輥的壓下量一定條件下，拉伸張力的增大不利于消除帶鋼的瓢曲三維缺陷。現(xiàn)場生產(chǎn)中總是降低拉伸彎曲矯直機(jī)組各工藝段的拉伸張力并相應(yīng)增大各輥?zhàn)訅合铝康姆绞絹沓C直帶鋼，以此減少設(shè)備機(jī)組的功率損耗，這樣同樣有利于消除帶鋼的瓢曲等橫向問題的發(fā)生。

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