冷軋帶鋼軋制力及影響因素有限元仿真

吳志光

摘 要：隨著我過經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，汽車，航空航天，電子電器等工業(yè)對帶鋼的規(guī)格、型號、品種、表面質(zhì)量和性能不斷提出更高的要求。熱軋帶鋼表面質(zhì)量差，尺寸超差，不能滿足市場對于帶鋼的需求。 而冷軋帶鋼表面質(zhì)量好，尺寸精度高得到了廣泛的應(yīng)用。本文首先是通過建立軋制過程中的軋輥實(shí)體模型，利用有限元分析軟件，對軋制過程中的軋制力進(jìn)行分析計(jì)算，通過計(jì)算分析軋制力影響因素摩擦系數(shù)、壓下率的仿真，使得軋制力模型能精確的反映實(shí)際情況。對實(shí)際冷軋帶鋼的軋制過程有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：冷軋；帶鋼 ；軋制力；有限元仿真

冷軋帶鋼產(chǎn)品表面質(zhì)量好，尺寸精度高。然而軋制過程中，軋制力不均勻會導(dǎo)致帶鋼產(chǎn)生很大的表面質(zhì)量問題。與輥凸度、軋輥的彈性變形、輥的磨損等因素共同影響帶鋼的表面質(zhì)量。導(dǎo)致帶鋼表面出現(xiàn)雙邊浪、單邊浪、中間浪、翹曲、等質(zhì)量問題。嚴(yán)重制約了帶鋼的生產(chǎn)率。與歐美日國家比較，我國的冷軋帶鋼，鍍鋅層板的產(chǎn)量偏低，提高熱軋帶材轉(zhuǎn)化為冷軋帶鋼對于我過的鋼材市場有很大的意義。

1 軋輥實(shí)體模型建立

軋制過程中，帶鋼在接觸區(qū)不僅有線性的變形也有非線性的變形。工作輥與帶鋼之間接觸應(yīng)力比較大，有些研究以軋輥為剛體，不產(chǎn)生彈性變形，采取此模型計(jì)算軋制力精度不高。軋制力的精確計(jì)算不僅會影響到軋機(jī)零部件的強(qiáng)度計(jì)算，而且還會影響到對半板形的控制精度。因此研究精度高的軋制力計(jì)算模型意義重大。

以四輥軋機(jī)冷軋為例，在工作輥旋轉(zhuǎn)帶動下，帶鋼咬入后，帶鋼在摩擦力和前張力的帶動下完成軋制。圖1所示。

圖1 四輥軋機(jī)軋制帶鋼示意圖

四輥軋機(jī)主要有機(jī)架、工作輥、支承輥、軸承等零件組成，為減少工程設(shè)計(jì)和計(jì)算時(shí)間，以工作輥、支承輥和帶鋼為主要對象建立三維模型，如圖2所示。

2 四輥軋機(jī)軋輥有限元模型建立

2.1 三維模型建立

軋輥軋制過程中軋制變形區(qū)形變十分復(fù)雜，金屬流動情況涉及到金屬材料線性與的非線性，混合邊界條件難于處理復(fù)雜，普通理論計(jì)算難于滿足精度要求。

圖2 四輥軋機(jī)實(shí)體模型

MARC是功能齊全的高級非線性有限元軟件，具有極強(qiáng)的結(jié)構(gòu)分析能力。為滿足工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的各種需求，MARC提供了層次豐富、適應(yīng)性強(qiáng)、能夠在多種硬件平臺上運(yùn)行系列產(chǎn)品。 MARC體現(xiàn)了有限元理論方法與軟件的完美結(jié)合，具有極強(qiáng)的結(jié)構(gòu)分析能力?？梢蕴幚砀鞣N線性與非線性結(jié)構(gòu)分析，線性/非線性靜力分析、莫泰分析、簡諧響應(yīng)分析、頻譜分析、隨機(jī)振動分析、動力響應(yīng)分析等；MARC為基于位移法的有限元程序，，程序按模塊化編程，在非線性方面具有強(qiáng)大的功能，工作數(shù)組可根據(jù)計(jì)算機(jī)內(nèi)存大小進(jìn)行調(diào)整，如對精度要求較高可用雙精度進(jìn)行運(yùn)算。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)、單元數(shù)太多，內(nèi)存不能滿足需要時(shí)可以利用外存進(jìn)行分析。在分析過程中，可以變更單元的劃分和節(jié)點(diǎn)數(shù)目。MARC對于非線性問題采用增量解法，在各增量步內(nèi)對非線性代數(shù)方程組進(jìn)行迭代以滿足收斂判定條件。根據(jù)具體分析的問題可采用不同的分析方法，如對于彈塑性分析和大位移分析可采用切線剛度法，對于蠕變分析或熱應(yīng)力分析可采用初應(yīng)變法。

輸入數(shù)據(jù)可由用戶生成，分析功能指示由參數(shù)選項(xiàng)確定，分析模型的內(nèi)容由模型定義選項(xiàng)組確定，增量步數(shù)由歷程定義選項(xiàng)組確定，圖形輸出由繪圖定義選項(xiàng)組確定。

軋輥在軋制過程中，由于軋制力大、軋輥發(fā)生彎曲及壓扁。所以把軋輥中心考慮成剛體，軋輥為彈性體，模擬計(jì)算精度不高。所以，本文三維軋輥模型分析過程中軋輥為彈性體，軋制過程既有軋輥的彎曲變形也包括軋輥的壓扁，對于軋輥軋制力模擬精度比較前者精度更高。軋制過程中由于軋件上下左右對稱分布，為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算精度，故取其1/2部分計(jì)算，橫向以板寬中心為對稱面取1/2，厚向以板厚中心為對稱面，取上半部。選用具有良好的計(jì)算精度和變形性能的八節(jié)點(diǎn)六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立的有限元模型如圖3所示。

2.2 四輥軋機(jī)冷軋帶鋼過程軋有限元仿真

四輥軋機(jī)軋制帶鋼過程中，帶鋼與軋輥接觸中間部分軋制壓力最大，隨著遠(yuǎn)離軋制接觸區(qū)，軋制力逐漸下降。在接觸區(qū)內(nèi)，軋輥承受較大的變形抗力，隨著遠(yuǎn)離接觸區(qū)，軋輥內(nèi)部應(yīng)力逐步下降。

圖3 三維有限元模型

3 軋輥軋制力影響因素分析

3.1 摩擦系數(shù)對于軋制力的影響

軋制區(qū)內(nèi)接觸弧上的摩擦情況較為復(fù)雜，包括干摩擦，邊界摩擦和流體摩擦。通常用精確的數(shù)學(xué)模型模擬較為困難，不精確。該模型采用庫倫摩擦計(jì)算公式。不同摩擦率對于軋制力的影響是不一樣的。圖4為不同摩擦系數(shù)下軋制力的縱向分布。隨著摩擦系數(shù)的增加，軋制力逐漸增加。

圖4摩擦系數(shù)對軋制力的影響

3.2 壓下率對于軋制力的影響

冷軋過程中，金屬的軋制溫度低于再結(jié)晶溫度。隨著壓下率的增加，軋制力逐漸增加，主要原因是金屬的加工硬化所引起。圖5為不同壓下率對于軋制力的影響。

4 結(jié)語

四輥軋機(jī)冷軋過程中，隨著摩擦力的增加，軋制力逐漸增加；降低摩擦力可以降低軋制力；隨著壓下率的增加，軋制力逐漸增加，減小壓下率可以降低軋制力。

圖5 壓下率對于軋制力的影響

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