中厚板對(duì)稱軋制變形滲透性數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究

薛志偉，楊 超，鄒崇光，張 標(biāo)，張恩澤，龐士儒，江連運(yùn)

(太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024)

0 前言

由于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)和第二產(chǎn)業(yè)加速轉(zhuǎn)型升級(jí)的要求，近年來我國(guó)的中厚板行業(yè)穩(wěn)步發(fā)展，市場(chǎng)需求不斷增大，對(duì)板材質(zhì)量的要求也越來越高[1-3]。對(duì)稱軋制作為中厚板軋制生產(chǎn)最常見的工藝，其不存在非對(duì)稱因素，軋件在軋后一般不會(huì)出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，能夠消除較薄板坯的內(nèi)部缺陷[4,5]。但是對(duì)于較厚板材，軋件表面的剪切應(yīng)力在向軋件芯部傳遞時(shí)會(huì)逐漸降低，導(dǎo)致軋件只在表面發(fā)生較大變形，芯部變形不足，軋件厚度方向變形呈現(xiàn)不均勻的狀態(tài)[6-8]。為提高板材質(zhì)量，滿足市場(chǎng)需求，需要對(duì)軋制過程中變形滲透性展開更為深入的研究。

近年來，關(guān)于軋制過程中應(yīng)變及變形滲透性的研究一直處于行業(yè)內(nèi)的熱點(diǎn)。馬存強(qiáng)[9]通過有限元模擬對(duì)同步軋制與異步軋制過程中的剪切應(yīng)變、沿軋制方向應(yīng)變及等效應(yīng)變進(jìn)行了分析。解國(guó)柱[10]采用Deform有限元軟件研究了特厚板軋制過程中粗軋道次、中間坯厚度及精軋道次對(duì)截面變形不均勻性的影響。王月香[11]通過熱軋實(shí)驗(yàn)分析了道次變形量對(duì)試樣厚度方向變形均勻性的影響規(guī)律。閆浩[12]采用有限元模擬方法分析了軸承鋼開坯軋制過程的溫度變化規(guī)律以及不同除鱗冷卻條件下坯料斷面溫度梯度對(duì)其變形滲透性的影響。孟慶成[13]采用Ansys對(duì)厚板蛇形軋制過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,分析了軋制工藝參數(shù)對(duì)鋼板變形滲透性的影響規(guī)律。黃先明[14]對(duì)不同壓下率和形狀比條件下的熱軋過程進(jìn)行了仿真分析,并研究了板坯厚度方向的變形滲透規(guī)律。

目前關(guān)于軋制變形滲透性的研究多采用有限元模擬方法。有限元軟件的模擬速度快，具有一定的準(zhǔn)確性和普遍性，但在軋制變形滲透性的研究中，其模擬精度還無法確定。因此，本文通過有限元模擬結(jié)合軋制實(shí)驗(yàn)，對(duì)中厚板對(duì)稱軋制的變形滲透性進(jìn)行了分析，并驗(yàn)證了數(shù)值模擬在對(duì)稱軋制變形滲透性分析中的準(zhǔn)確性。

1 數(shù)值模擬

以10 mm厚的1 060鋁板冷軋作為模擬對(duì)象，通過顯式非線性動(dòng)力分析程序Ansys Lsdyna模擬軋制過程。選取單元類型為2Dsolid162，幾何模型包括上、下工作輥和軋件。工作輥選用剛性材料模型，且只能繞其軸線旋轉(zhuǎn)，其他自由度全部約束；軋件采用的是雙線性運(yùn)動(dòng)強(qiáng)化材料模型，鋼板的移動(dòng)通過軋輥和軋件之間的接觸來約束。模擬所用主要參數(shù)如表1所示。

表1 模擬及實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2 軋制實(shí)驗(yàn)

根據(jù)1 060鋁板對(duì)稱冷軋過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所用材料為100 mm×55 mm×10 mm的1 060鋁板，所用軋機(jī)為二(四)輥可逆實(shí)驗(yàn)軋機(jī)，工作輥半徑為160 mm，線速度0.5 m/s。軋機(jī)及軋件的相關(guān)參數(shù)參照表1。

在進(jìn)行軋制實(shí)驗(yàn)前，對(duì)軋件試樣進(jìn)行了拉伸實(shí)驗(yàn)，軋件材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示。軋制實(shí)驗(yàn)的總體實(shí)驗(yàn)方案為：在進(jìn)行軋制前清潔軋件表面，將軋件側(cè)面打磨光滑，通過激光打標(biāo)在軋件側(cè)面畫出網(wǎng)格，軋件咬入和拋出兩端的網(wǎng)格尺寸為5 mm×1 mm，穩(wěn)定軋制階段為1 mm×1 mm，如圖2所示。軋前準(zhǔn)備工作結(jié)束后，進(jìn)行5次單道次對(duì)稱軋制實(shí)驗(yàn)，壓下量分別為2.5 mm、3 mm、3.5 mm、4 mm和4.5 mm。軋后清理軋件表面，觀測(cè)并記錄網(wǎng)格變形情況。

圖1 1060鋁板應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖2 軋件側(cè)面網(wǎng)格劃分

3 變形滲透性分析

如圖3所示為不同壓下量下軋件厚度方向網(wǎng)格變形情況，如圖4所示為軋件中芯及1/4厚度處應(yīng)變的模擬值和實(shí)測(cè)值。在中厚板對(duì)稱軋制過程中，在咬入階段，軋件表層最先發(fā)生變形，軋件芯部暫時(shí)未發(fā)生變形。在進(jìn)入穩(wěn)定軋制階段后，軋件厚度方向上的所有網(wǎng)格均發(fā)生變形。在拋出階段，軋件芯部網(wǎng)格停止變形，而表層變形仍在持續(xù)。隨著壓下量的增大，軋件芯表網(wǎng)格變形程度增強(qiáng)。經(jīng)過數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)所得應(yīng)變值的對(duì)比，二者相差不大，相對(duì)誤差較小，中厚板對(duì)稱軋制的數(shù)值模擬具有一定的可靠性。

圖3 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖4 應(yīng)變模擬值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比

如圖5所示為不同壓下量下軋件厚度方向上各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位移的模擬結(jié)果。由圖5可以看出，以軋件中芯的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)，軋件表面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位移最大，中間網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)幾乎不發(fā)生位移。隨著壓下量的增大，軋件表面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位移增大。

圖5 軋件厚度方向各節(jié)點(diǎn)位移

在中厚板對(duì)稱軋制過程中，主要依靠提高壓下量來促進(jìn)變形向鋼板芯部滲透。如圖6所示為不同壓下量下軋件厚度方向上等效應(yīng)變分布情況的模擬結(jié)果。從圖6中可以看出，在對(duì)稱軋制時(shí)，壓下量對(duì)厚度方向上的等效應(yīng)變分布會(huì)產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)壓下量較小時(shí)，厚度方向上的等效應(yīng)變較小，軋件整體的變形程度較小，軋件的組織及性能的提高程度有限；當(dāng)壓下量較大時(shí)，鋼板厚度方向上的等效應(yīng)變就越大，鋼板得到更充分的變形，能夠得到具有良好的組織與性能的板材。當(dāng)壓下量為2.5 mm時(shí)，軋件厚度方向上的等效應(yīng)變?cè)?.28～3.1之間，而當(dāng)壓下量為4.5時(shí)，軋件厚度方向上的等效應(yīng)變則達(dá)到6.0～6.6之間。可見，壓下量對(duì)厚度方向上的等效應(yīng)變影響很大。

圖6 軋件厚度方向上的等效應(yīng)變

如圖7所示為不同壓下量下軋件表面與芯部的等效應(yīng)變差。當(dāng)壓下量較小時(shí)，鋼板上下表面與芯部之間的等效應(yīng)變差就越??；隨著壓下量的提高，鋼板上下表面與芯部之間的等效應(yīng)變差逐漸增大。當(dāng)壓下量為2.5 mm和4.5 mm時(shí)，軋件表面與芯部的等效應(yīng)變差分別為0.026 8和0.048 3。雖然壓下量的增大會(huì)使軋件表面與芯部的等效應(yīng)變差增大，但相較于總體等效應(yīng)變的大幅提高，這一芯表等效應(yīng)變差值的增加可忽略不計(jì)。因此，增大壓下量能夠明顯提升軋件整體的組織性能。

圖7 不同壓下量下軋件表面與芯部的等效應(yīng)變差

4 結(jié)論

(1)在中厚板對(duì)稱軋制過程中，隨著壓下量的增大，軋件厚度方向上的等效應(yīng)變?cè)龃?，軋件芯部變形更充分，可以通過提高壓下量來提高板材的變形滲透性以獲得具有良好組織性能的板材。

(2)隨著壓下量的增大，軋件表面及芯部的變形程度均有所增強(qiáng)，軋件表面與芯部的等效應(yīng)變差有所增大，表面的變形程度要高于芯部。

(3)軋件厚度方向上等效應(yīng)變的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果相比，二者具有良好的一致性，中厚板對(duì)稱軋制的數(shù)值模擬具有一定的可靠性。