多道次軋制下電脈沖參數(shù)對(duì)軋制力特征的影響

周以瑞，成小園，吳修德，張建國(guó)

（1.上饒職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，江西上饒 334109；2.上饒職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，江西上饒 334109；3.長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北錦州 434023；4.江西百銳數(shù)控刀具有限公司，江西上饒 334109）

1 引言

電脈沖是由于電子短暫運(yùn)動(dòng)過(guò)程形成的脈沖信號(hào)，是由電容或者是間歇源產(chǎn)生的非穩(wěn)態(tài)電流場(chǎng)。當(dāng)前，電脈沖檢測(cè)技術(shù)也獲得了廣泛應(yīng)用，并呈現(xiàn)不斷往高頻與高能量的趨勢(shì)，對(duì)于微量元素探測(cè)、武器開(kāi)發(fā)等新型技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用［1?3］。許多學(xué)者對(duì)這電脈沖效應(yīng)開(kāi)展了深入分析，發(fā)現(xiàn)電脈沖效應(yīng)屬于一種包含多種物理效果的復(fù)合轉(zhuǎn)變過(guò)程，具體包含了焦耳熱效應(yīng)、純電脈沖效應(yīng)以及集膚效應(yīng)［4?6］。但因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件存在差異性，各研究人員獲得的結(jié)果也存在明顯偏差。文獻(xiàn)［7］選擇鎂合金作為軋制材料對(duì)其進(jìn)行脈沖軋制測(cè)試，結(jié)果顯示相對(duì)常規(guī)軋制方法軋制力減小了近8%；文獻(xiàn)［8］通過(guò)拔絲測(cè)試發(fā)現(xiàn)，設(shè)置脈沖條件時(shí)，拉拔力減小了近5%，同時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)際減小比例受到電流密度的顯著影響；文獻(xiàn)［9］對(duì)鋁合金進(jìn)行拉伸測(cè)試發(fā)現(xiàn)，合金材料在單電脈沖作用下出現(xiàn)了拉伸應(yīng)力變化；文獻(xiàn)［10］主要研究了拉伸應(yīng)力在脈沖周期中發(fā)生的微波動(dòng)現(xiàn)象；文獻(xiàn)［11］通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)電脈沖效應(yīng)主要是由焦耳熱效應(yīng)引起，其比例達(dá)到65%以上。根據(jù)前期文獻(xiàn)報(bào)道可知，存在遠(yuǎn)超脈沖電流時(shí)間變形力減小現(xiàn)象，同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)與單脈沖電流一起發(fā)生了變形力跳動(dòng)的結(jié)果［12?13］。以上特征并沒(méi)有學(xué)者對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確分類，未研究變形力和脈沖電流之間在時(shí)間特征方面的聯(lián)系，無(wú)法滿足對(duì)電脈沖效應(yīng)進(jìn)行定量分析的要求，也沒(méi)有構(gòu)建相應(yīng)的機(jī)理仿真模型。

目前，尚未有學(xué)者提出電脈沖效應(yīng)的機(jī)理模型，因此針對(duì)金屬電脈沖變形進(jìn)行測(cè)試的時(shí)候，還需經(jīng)歷工藝試錯(cuò)的過(guò)程。本研究設(shè)計(jì)了電脈沖軋制（Electric Pulse Rolling，EPR）測(cè)試系統(tǒng)，之后對(duì)比了EPR 軋制和常規(guī)軋制（Conventional Rolling，CTR）［14］兩種方式的差異性，重點(diǎn)研究了不同時(shí)間段內(nèi)受電脈沖作用而引起的軋制力差異性；之后分析了單周期中的穩(wěn)態(tài)軋制力，由此得到所有軋制道次中施加連續(xù)性電脈沖引起的軋制力變化結(jié)果。本研究對(duì)提升軋制效率以及改善實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的電脈沖參數(shù)，以及電脈沖效應(yīng)機(jī)理的加強(qiáng)認(rèn)識(shí)具有很好的指導(dǎo)意義。

2 實(shí)驗(yàn)

這里選擇316L 不銹鋼板進(jìn)行測(cè)試，依次完成電脈沖軋制（EPR）與常規(guī)二輥軋制（CTR）軋制測(cè)試。EPR 測(cè)試的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，如圖1所示。選擇二輥軋機(jī)開(kāi)展軋制測(cè)試，其外徑尺寸為65mm，同時(shí)保持速度65mm·s?1。用于測(cè)試的軋件厚度最初等于2.15mm，寬度等于7mm，經(jīng)過(guò)軋制后的厚度達(dá)到0.32mm。以入口托板的端部作為軋制處理的初始位置，該部位距離軋輥中線等于20mm，與測(cè)溫點(diǎn)的間隔長(zhǎng)度為12mm。

圖1 電脈沖軋制示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Electroplastic Rolling

考慮帶實(shí)際316L不銹鋼板的力學(xué)性能以及參考文獻(xiàn)［14］，軋制時(shí)設(shè)定以下電脈沖參數(shù)：頻率為500Hz，周期為250μs，設(shè)定電壓依次為15V、20V與25V，脈沖電流的脈寬為60μs。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試的過(guò)程中，軋制力測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)示波器按照50MHz頻率采集得到，保證軋制力的精細(xì)控制。然后對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到不同軋制變形量下的軋制力數(shù)值，共計(jì)3000多組，以后后續(xù)統(tǒng)計(jì)使用。

3 結(jié)果分析

3.1 脈沖電壓對(duì)軋制力沖擊的影響

本實(shí)驗(yàn)設(shè)置不同電壓脈沖條件下形成了具有相近波形特征軋制力，以電壓為25 V進(jìn)行EPR軋件經(jīng)過(guò)5個(gè)累積變形程度Σ后形成的單脈沖狀態(tài)下軋件軋制力和脈沖波形結(jié)果進(jìn)行分析結(jié)果，如圖2所示。

圖2 單脈沖軋件時(shí)EPR軋制力波形Fig.2 EPR Rolling Force Waveform When a Single Pulse Through the Rolling Piece

選擇脈沖電流的起始與終止位置作為特征點(diǎn)，針對(duì)軋制力的變化過(guò)程獲得圖2 結(jié)果，設(shè)置單周期中軋制變形力產(chǎn)生影響的不斷作用區(qū)段，將其分成t1穩(wěn)定段、t2脈寬段、t3劇烈擾動(dòng)段與t4回穩(wěn)段。

根據(jù)圖2可知，受到脈沖電流作用后，形成了波動(dòng)變化的軋制力，變化幅度接近1.5%，發(fā)生波動(dòng)時(shí)對(duì)t2~t4段造成干擾，持續(xù)150μs 的時(shí)間，占到T1的6%。由此可以判斷，該軋制力發(fā)生波動(dòng)的最大特點(diǎn)是與脈沖電流一起出現(xiàn)，將其表示為EPR 脈沖電流作用。

文獻(xiàn)［7］對(duì)變形力進(jìn)行了測(cè)試分析，存在小幅波動(dòng)的脈沖電流，而且在單周期內(nèi)形成短暫軋制力波動(dòng)可忽略電流焦耳熱的影響。EPR處理時(shí)除了會(huì)產(chǎn)生電流焦耳熱效應(yīng)以外，純電脈沖效應(yīng)也會(huì)引起軋制力的變化，具體作用機(jī)理包含電子風(fēng)作用機(jī)制、磁致伸縮效應(yīng)等。本研究在一個(gè)固定脈寬范圍內(nèi)設(shè)置沖擊軋制力波動(dòng)范圍，避免了未區(qū)分沖擊時(shí)間造成模型參數(shù)失真的問(wèn)題。

3.2 EPR軋制力變化趨勢(shì)

根據(jù)圖2 結(jié)果，計(jì)算出樣品每個(gè)道次下所達(dá)到的穩(wěn)定軋制力，不同變形量對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)軋制力，如圖3所示。軋制力呈現(xiàn)相近的變化規(guī)律，軋制力在初期階段呈現(xiàn)穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，進(jìn)入后期軋制階段時(shí)，發(fā)生了軋制力顯著增大。

圖3 不同工藝下軋制力的變化趨勢(shì)Fig.3 Trend of Rolling Force Under Different Processes

為方便分析，去除了部分超過(guò)均值15%以上明顯偏離的數(shù)據(jù)點(diǎn)，再對(duì)篩選得到的數(shù)據(jù)實(shí)施擬合得到圖3的實(shí)線結(jié)果，可以明顯看到擬合前段都保持幾乎水平的狀態(tài)，進(jìn)入擬合后段時(shí)EPR相對(duì)CTR的增長(zhǎng)速率更慢，并且當(dāng)電壓上升后，形成了更大的電流，形成了更加平緩的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

選擇圖3的CTR與EPR在15V電壓下的軋制力參數(shù)進(jìn)行計(jì)算差值ΔP，如圖4所示。可以發(fā)現(xiàn)，在軋制過(guò)程中ΔP發(fā)生了顯著升高，表現(xiàn)出指數(shù)變化的特征，如圖4所示。通過(guò)圖4曲線可以發(fā)現(xiàn)，ΔP最大值在4.2kN附近，達(dá)到了16%的CTR軋制力。通過(guò)分析擬合曲線可知，進(jìn)行持續(xù)軋制期間，形成了更大的軋制力差值。

圖4 CTR與EPR的軋制力差值變化Fig.4 Change of Rolling Force Difference Between CTR and EPR

軋制過(guò)程中，軋件厚度持續(xù)變小，長(zhǎng)度持續(xù)增大，各道次軋制時(shí)間介于（1.5~5）s之間。所有軋制道次中EPR軋制力和CTR之間的差值ΔP變化，如圖4所示，其值介于（1.5~5）s的范圍，對(duì)應(yīng)時(shí)間刻度明顯超過(guò)沖擊特征時(shí)刻。

3.3 優(yōu)化電脈沖軋制力波形

根據(jù)圖2與圖4測(cè)試結(jié)果，綜合考慮1個(gè)軋制道次內(nèi)的EPR與CTR 情況，得到軋制力波形，如圖5 所示。進(jìn)行EPR處理時(shí)，EPR形成了比CTR更小的軋制力，差值ΔP和脈沖電流熱效應(yīng)存在密切關(guān)聯(lián)，這與文獻(xiàn)［3］報(bào)道了變形力發(fā)生持續(xù)減小結(jié)果一致；根據(jù)圖5拉伸測(cè)試結(jié)果可知，電路斷開(kāi)后，軋制狀態(tài)從EPR轉(zhuǎn)變至CTR 此時(shí)軋制力重新進(jìn)入CTR穩(wěn)定態(tài)。

圖5 道次時(shí)間CTR與EPR軋制力波形圖Fig.5 Rolling Force Waveform of Pass Time CTR and EPR

4 結(jié)論

（1）受到脈沖電流作用后，形成了波動(dòng)變化的軋制力，變化幅度接近1.5%。這里構(gòu)建的沖擊軋制力波動(dòng)范圍被限定于脈寬區(qū)間內(nèi)，有效防止因沒(méi)有區(qū)分沖擊時(shí)間而引起機(jī)理模型不匹配。（2）軋制力在初期階段呈現(xiàn)穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，進(jìn)入后期軋制階段時(shí)，發(fā)生了軋制力的快速提高。當(dāng)電壓上升后，形成了更大的電流，形成了更加平緩的增長(zhǎng)趨勢(shì)。在軋制過(guò)程中ΔP發(fā)生了顯著升高，表現(xiàn)出指數(shù)變化的特征。進(jìn)行持續(xù)軋制期間，形成了更大的軋制力差值。（3）進(jìn)行EPR處理時(shí)，EPR形成了比CTR更小軋制力。電路斷開(kāi)后，軋制狀態(tài)從EPR轉(zhuǎn)變至CTR 此時(shí)軋制力重新進(jìn)入CTR穩(wěn)定態(tài)。