高精度銅板冷軋機壓扁變形的有限元分析

許建新，楊 帆，劉 昕

（1.江西銅業(yè)集團銅板帶有限公司，江西 南昌 330096；2.江西省鷹潭市貴溪冶煉廠，江西 鷹潭 335400）

近年來技術(shù)的飛速進(jìn)步，市場對于銅板板材的要求更高，更薄、厚度更均一的板材生產(chǎn)成為了趨勢，于是，更高精度的冷軋機得到了重視。普通四、六輥冷軋機在實際軋制過程中容易出現(xiàn)應(yīng)力不均勻，軋制時軋輥本身產(chǎn)生的彈性壓偏值可能比所要軋制的帶材厚度還要大[1]。從而導(dǎo)致所壓板材無法達(dá)到較高的均勻性和薄度。高精度冷軋設(shè)備的軋輥通常呈塔狀。

圖1 多軋輥高精度冷軋機示意圖

雖然高精度多軋輥的冷軋機能夠壓制更薄的板材，但是冷軋機設(shè)備本身在軋制過程中由于機械結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，其彈性形變也更復(fù)雜，相對于的板材壓扁時形成的形變也會復(fù)雜化。壓扁變形的復(fù)雜對于機械設(shè)備的調(diào)控要求要更高。因此，建立高精度冷軋機在軋制過程中的應(yīng)力形變模型用于分析板材的彈塑性成形過程是十分有必要的，通過有限元方法來進(jìn)行建模研究，其結(jié)果會更為準(zhǔn)確。

1 有限元方法分析

1.1 有限元法在冷軋機應(yīng)力分析中的應(yīng)用

高精度的20輥冷軋機的模型示意圖如圖2所示。

在對冷軋機的壓扁變形分析問題中，通過對輥及軋件進(jìn)行建模，使用結(jié)構(gòu)力學(xué)瞬態(tài)算法來對該結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)進(jìn)行模擬計算，并且對該計算過程進(jìn)行詳細(xì)的分析，從而確定模型的幾何位置。后將所得冷軋機有限元模型及軋制模型得有限元方程組進(jìn)行求解，得到模擬結(jié)構(gòu)后，分析軋制過程中銅板得受力曲線。

圖2 高精度冷軋機模型示意圖

1.2 板形得定量表示

常用板形通過平直度來進(jìn)行描述。將軋制后存在翹曲的板材分為若干條進(jìn)行平鋪，如圖3所示。

圖3 相對長度差法

不同條帶間的相對長度差△L同總長L的比值即為平直度。

ρ=△L/L

式中ρ為平直度。

2 冷軋機工作輥有限元分析

2.1 工作輥軋參數(shù)

軋件使用銅板來進(jìn)行模擬，尺寸參數(shù)及其性能表如表1所示：

表1 軋件尺寸性能表

模擬的工作輥材質(zhì)參數(shù)如表2所示：

表2 輥身材料參數(shù)

2.2 工作輥軋建模

圖4 輥軋模型

建模模型如圖4所示，為了節(jié)約計算時間及減少計算量網(wǎng)格劃分形式采用方形網(wǎng)格。

圖5 模型網(wǎng)格剖分圖

模型中構(gòu)件得單元類型選擇設(shè)定為SOILD186，接觸面得單元類型選擇CONTA175。

模型加載時，對輥施加張力，下降量、速度等各項參數(shù)即可對模型有限元進(jìn)行求解分析。

2.3 結(jié)果分析

分解算法采用瞬態(tài)動力學(xué)時，需要重點關(guān)注板材模擬的收斂性。

當(dāng)收斂達(dá)到精度要求時，系統(tǒng)會自動停止運算。弱陷入循環(huán)則會報錯。

2.3.1 軋制過程變化分析

通過調(diào)整參數(shù)后運行程序得到有限元仿真結(jié)果，圖6為各時刻的軋輥、件應(yīng)力分布圖。

圖6 等效應(yīng)力云圖

由圖中可得，不同時刻冷軋機輥軋的應(yīng)力分布是不同的，機器運作時應(yīng)力達(dá)到最大，此時應(yīng)力超過被軋銅板的屈服強度。當(dāng)軋制結(jié)束后，應(yīng)力則會釋放，并且應(yīng)力值此時要低于材料的屈服強度。

2.3.2 軋制結(jié)束后軋件板形分析

軋制過程結(jié)束后，軋件會形成參與應(yīng)變，結(jié)果如圖7所示。

圖7 軋件得殘余應(yīng)變

其整體顏色較為均勻，變形量約為0.71。模擬軋制壓下量17%，設(shè)定為20%。主要原因在于材料為彈塑性材料，壓縮后會存在一定程度上的回彈。軋件兩端應(yīng)變相對中間部位要大，變形程度更深。

2.3.3 軋件受力分析

圖8為軋制過程中沿軋件寬度方向上所受軋制力最大值所繪制的曲線。

圖8 軋制力曲線

0s～1s的時間內(nèi)，主要為壓縮形變，軋輥處于下壓狀態(tài)，故此時應(yīng)力逐漸上升。1s～2s為旋轉(zhuǎn)過程，此時應(yīng)力在區(qū)間內(nèi)波動變化。當(dāng)軋件離開工作區(qū)域時，即1.9s位置，此時軋制力會急速下降。

3 結(jié)語

本文在對高精度冷軋機的研究基礎(chǔ)上建立了軋輥、軋件的有限元模型，由于高精度冷軋機的軋輥直徑較小，其參數(shù)設(shè)定存在困難，通過反復(fù)的嘗試終于給出了適宜的參數(shù)，實現(xiàn)了載荷的收斂。從實現(xiàn)了仿真模擬結(jié)果來看，同實際情況相符。