4340中厚板矫直机辊系设计（全套含CAD图纸）
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1 附录 3 薄带钢的连续拉伸矫直工艺的数值模拟及其应用 , 1. Ma43002, 2. 41摘要：高平面质量的冷轧薄带钢在拉伸矫直过程中要经受多级变形。因此，参数的设置和操作就更加的困难。在有限元代码 带钢的拉伸矫直过程被数值模拟了。对于 2号相互配合的反弯辊子的分配的影响和矫直后带钢巨大的残余应力，几个基于模拟结论的实验已被完成。在模拟中发现，在矫直后的带钢的交叉部分的巨大的纵向残余应力有规律地出现明显的和 2号配合反弯辊相互依赖。另外，在 矫后带钢表层纵向残余应力随着 2号反弯辊变化时还存在一个稳定区域，这对于拉伸矫直机的控制是非常重要的。而且，还发现，在矫直过程或去除作用在带钢上的拉伸力时，带钢宽度方向上的应力、应变分布是不均匀的，从而得知三维模拟是不能被二维分析所取代的。因为在这种情况下二维分析不能够代表在拉伸矫直过程中带钢变形的物理反应。 关键词：冷轧带钢；平面；拉伸矫直；数值模拟；壳元素；残余应力。 冷轧带钢是一种高质量的重要产品，而且由于轧制和退火后存在平面缺陷而生产难度大，这一影响了它的加工特性。例如，我们熟悉的一种平面缺陷 浪形 ，包括边浪和中间浪，是和弯曲不同的。弯曲涉及纵向弯曲和横向弯曲，为了简化和与上弯、下弯区分开，被称为 L 弯和 C 弯。带钢产生平面缺陷的原因是复杂的，但主要是由于带钢在轧制过程中金属的不均匀变形和退火过程中不均匀加热、冷却产生的残余应力引起的。所以，薄带钢的矫直经常是消除或减少不同的浪形和弯曲。新建的薄带钢冷轧生产线广泛地采用了在线平整机和流行的平整设备是拉伸矫直机。 拉伸矫直机根据各部分的作用不同被分为延伸部分和弯拱部分。延伸部分的主要功能是拉伸同时作用有拉应力和相对较大的弯曲曲率的带钢一确定值，从而消除存在的 浪形。反弯部分的作用是弯曲存在相对小的弯曲曲率的带钢，以消除 弯。 图 1演示了一个典型矫直机的布局。带钢沿 号延伸部分、 2号延伸部分、 1号反弯部分和 2号反弯部分。 2 图 1 拉伸矫直机的辊子排布 涉及拉伸矫直的一个主要技术困难时基于来料的相互配合的辊子的准确设置或者不去执行出乎意料的产品超出现象。例如，来料的下 L 弯可能会变成一个超出公差的上弯。来料的状况常常是各式各样的，不同的钢号、尺寸、宽度和平面度往往是波动的。拉伸矫直基础的理解不深已经阻碍了这一技术的应用和发展，对于拉伸矫直工艺的基 本规律的进一步研究是必要的。 对于一个像拉伸矫直这样复杂的问题，一中可行并有效的的方法是采用先进的非线性有限元模型去模拟矫直过程和在数量上分析残余应力，从而探究辊子配合和调策略的方法 2 李胜志等人运用有限元模型 5将拉伸矫直工艺简化为 2 维问题进行了模拟，研究了带钢在拉伸和弯曲过程中的变形现象，并在生产线上进行了实验。结果表明，在薄带钢矫直过程中存在一个关键的辊子内部网格值，而且拉应力对这个临界值有显著的影响。 讨论了矫直机的辊 系排布 6，他们相信数值模拟可以得到一些本质的信息。甚至，刘天浩等人进行了三维弹塑性的模拟，推导出了带材延伸率、辊系内部网格和拉伸应力值之间的作用关系 7。 本研究中采用有限元代码 420镀锡板生产线上拉伸矫直机的拉伸矫直工艺进行了三维物理模拟。 1 模拟模型的创建 拉伸矫直机的布局如图 1所示。各辊系辊子直径被列在表格 1中。 表 1 矫直辊直径 带钢的材料是 货后屈服强度时 360 40效处理后屈服强度 是 460 40矫带材的横断面是 ， 800。模拟模型3 带材长度的确定有两方面要考虑。一方面，要确保一个带材横截面至少要经历一次整个的应力应变循环；另一方面，为节省分析时间单元数量应尽可能的少。在此带材长度取 1600外，带材初始状态认为是平的，即没有平面缺陷。 考虑到薄尺寸带钢有着非常大的宽厚比，达到 4000，如果采用三维的六面体单元，至少应该有三层。这在一定程度是导致了一个巨大的单元数量。因此，壳单元类型被引进了。考虑到材料特性和带材宽度方向（ 变形状 况的对称性，只有一半的带材被用来进行物理上的分析和被 8000 个4节点壳单元（ ）离散，横向 20个单元，纵向 400个单元。 为了方便后序加工，选定来料的 400并且离来料带钢的头部100义此具有 2000单元的部分为 （ 1）位移条件 在实际矫直工艺中，带钢在牵引力的控制下沿 直机的辊子在带材与辊子间的摩擦力的驱动下沿其轴线旋转，没有线性位移。因此，带钢在稳定矫直过程中维持平稳运动，即常 量，并且速度是位移对时间的一阶导数。这意味着带钢在 于所有带钢头部的节点位移函数 2000y t 是被一个位移 时间表所给定和定义。在 0t 时刻，带钢头部位于 1号延伸辊系下辊子的前面。 由于带钢宽度的一半被用来分析，在带钢宽度对称面上的所有节点的横向（ 移 0y ，而且旋转角 0。 （ 2）表面间摩擦力 在辊子的带钢间存在一摩擦力，它对矫直过程中的主要影响是损耗了作用在带钢上的拉伸力。这一摩擦力被假定服从库仑定律， （ 3）加在带钢上的拉伸力 矫直过程中作用在带钢上的拉伸力对于 0用在带钢上拉伸力可以有两种方法：一种是将平均拉伸力强加到带钢尾部的节点上；另一种是将拉伸应力加到尾部单元的边上。这两种方法有一点差异，但这种差异在距离带钢尾部足够远的区域是可以被忽略的。采用第二种方法来施加拉伸力，用 8 直辊子的互相啮合 矫直机辊子的相互啮合量被定义为 a， a 代表上下辊之间的垂直距离。实际中，矫直辊采用上压模式，也就是下辊向上压到预定位置，而所有上辊4 军没有径向移动。在本模拟过程中，从 1号拉伸辊系到 2号弯拱辊系，各辊系的啮合量分别为 449 12 图 2 辊子啮合示意图 首先，在 带钢移动 16001800的增量被算入。在经历了整个应力应变循环后，单元集 号弯拱辊系的传动侧。然后带钢上的拉伸力被移除，辊系 被 100增量）内接着，带钢离开辊子，自由跳回，以便在自然状态下平衡内部的残余应力。 如上所述的有限元模型，模拟过程是在一台奔腾 个有限元分析过程所用时间大约 20个小时。 一个具有代表性的节点被从带钢宽度中心线上选出，带钢在整个矫直过程中的应力 /应变被观察到。图 3 演示了位于带钢宽度中心典型节点的纵向应力变化曲线。可以看到带钢所有纤维层上有着相同的纵向应力，该应力和被矫直前作用在带钢上的拉伸应力相等。 5 图 3 带钢下表面纵向应力变化曲线 一旦带钢进入 1号拉伸辊系，由于剧烈的弯曲，在拉伸应力的基础上附加有弯曲应力将导致带钢上表面产生相对较大的纵向压应力，从而使材料产生屈服（塑性压缩），并且同时在带钢的底层表面由于相对较大的拉应力会有塑性拉伸出现。带钢底层的纵向应力，在通过 1号拉伸辊系时显示为拉应力，但在进入 2号拉伸辊系时则不然。在 2号拉伸辊系中，应力变化模式和1号弯拱辊中带钢底层的纵向应力表现为一正值，为拉伸。 在 1号弯拱辊系中，带钢底面的纵向应力经历了一个拉伸 压缩 拉伸的循环。在 1号和 2号弯拱辊 系中，带钢上表面被纵向拉伸。在 2号弯拱辊系阶段，带钢上表面纵向应力经历了一个拉伸 压缩 拉伸的循环。2号弯拱辊系外面的背部，在带钢变形检测中，拉伸、弯曲混合矫直过程实际上是完整的。在本研究中的分析条件下，在带钢释放拉力之前，带钢上表面的纵向应力表现力拉应力。 性应变的变化 在矫直过程中带钢的塑性应变一般是很小的。尽管如此，较小的塑性应变仍然可以在带钢各层之间产生作用，以致于影响到曲率的大小。 在矫直过程中，不同的带钢纤维层经历不同的应变过程。当带钢被一台矫直机中的任何一辊系中的任何一辊子弯曲时 ，不管带钢产品的纤维层是否产生塑性应变，变形程度都取决于不同的因素。另外，带钢的材料，厚度和辊子的直径及原始弯曲度数也是非常重要的。 带钢下表面应变过程如图 4所示，由图可以看出，在通过 1号拉伸辊系时，带钢下表面的塑性应变首先为拉伸，然后变为压缩；在通过 2号拉伸辊系时，拉伸塑性应变变得更大；然后由于被 2号拉伸辊系下辊子的反方向弯曲，塑性压缩应变开始出现。因此，由于拉伸 压缩的相互作用，带钢下表面留有少许压应变。在带钢上表面的塑性变形模式是完全相反的，实际表明，上表面的应变在经历 1号和 2号拉伸辊系之后出现相对 剧烈的拉伸，最终拉伸整个带材。 根据图 4所示，当带钢通过 1号对弯辊系时，被第一个下辊产生第一个6 弯曲，下表面没有塑性变形，其原因是在经过 2号拉伸辊系后残余塑性应变变成了压应变，并伴随着下 至第一个辊子 180不能产生塑性（压）应变，但是随即拥有小直径（ 50辊子产生了较大的塑性拉伸。当通过第二个下辊时，塑性压缩出现，维持塑性拉伸的状态直到进入 2号弯拱辊系为止。 一进入 2号弯拱辊系，带钢在第一个辊子处就经历一个弯曲，在下表面产生一个相对较小的塑性拉伸，然后通过小直径（ 100下辊子，产生一个相对较大的塑性压缩。此后，带钢在第二个上辊子处再次经历弯曲，产生塑性拉伸，最终在带钢的下表面保持塑性拉伸状态。 在带钢上的最终弯曲状态是取决于在带钢不同层的塑性应变的累积程度，因为塑性变形控制着释放拉伸力后残余应力的分布。 图 4带钢下表面纵向应变变化曲线 余应力 在不均匀塑性变形后带钢的内部总是存在残余应力。上面提到的单元集 400含 2000 个单元。因为 应变和应力变化方式是对于带钢矫直具有代表性的，所以其残余应力和弯曲情况是带钢的真实状况。在整个矫直过程和去除纵向拉力后，单元集出现一个如图 5所示的上 图 5 经 9号弯拱辊系矫直后单元集状态 7 （ 1）纵向残余应力的分布 一个具有代表性的节点被从带钢宽度方向中心面拿出，用来观察纵向应力分布模式，如图 6所示。 图 6显示了在相对较小 的啮合量的 2号弯拱辊系中，随着辊子间啮合量的增加，纵向应力快速的改变，但是当辊子啮合量达到某一值（ ，这种应力的变化就很小了。而且假如辊子的啮合量进一步增大，纵向应力会向相反方向改变。带钢宽度中心面上的纵向应力和带钢边部是不同的，这种不同是随着 2号弯拱辊系啮合量的增加而建立起来的。 根据图 6，随着 2 号弯拱辊系啮合量增加，纵向残余应力的变化率是相对较小的，当啮合量在某一范围（ 11是，纵向残余应力出现小的波动，这意味着随着辊子啮合量的变化，纵向残余应力存在一个相对稳定的范围。如果 2号 弯拱辊系啮合量在大约 15向残余应力再次快速变化而且方向相反。另外，从变化的趋势可以看出，不管是上表面还是下表面，带钢的中部和边部残余应力改变的剧烈程度是明显不同的。 图 6 单元集纵向应力与 2号弯拱辊系啮合量之间的关系 （ 2）横向残余应力分布 图 7表明了沿带钢宽度方向的横向残余应力分布。可以清楚地看到，不管是在释放拉伸力之前还是之后，带钢中间的横向残余应力和边部相比存在明显的差异。所以可以得出这样的结论：当宽带钢拉伸矫直作为一个三维问题被简化为二维问题时，将会出现一个相当大的错 误。因此，进行三维模拟还是有必要的。 8 图 7 带钢（右半部分）沿宽度方向横向应力的分布 3 结论 （ 1）在矫直后带钢横截面内，沿带钢宽度方向纵向残余应力的分布是不一致的。分析表明，纵向应力在带钢宽度的中心和边部是不同的。这种差异是由 2号弯拱辊系的啮合量造成的。 （ 2）对于纵向残余应力的变化情况，随着辊子啮合量的变化，纵向残余应力存在一个相对稳定的阶段。当 2号弯拱辊系啮合量达到某一值后，纵向残余应力快速而反向的变化。另外，不管是在带钢的上表面还是下表面，在带钢中心和边部纵向残余应力的变化剧烈程度是明显不同的 。因此如果宽带钢拉伸矫直这样一个三维问题被简化为一个二维问题来分析，将会产生很大的错误。 （ 3） 用壳单元，不仅满足了机械的分析要求，而且减少了由于单元数量巨大和分析时间过长的相关问题。这增强了有限元模型模拟在薄带钢拉伸矫直中的实用性。 9 外文翻译原文 I , 1. Ma43002, 2. 41of of E of on of # on of in on It of in of # In is a as of in # is of in of It of of is or it D be D D in of is an is to in . as as 0 of to in by of in in by or to or of is is to of is to to a so as to of is to to a 2 1# # in of is of on or to to of to be an of so of is of as of it is to of a as a is to EM to of so as to of 2. et a1 as a 2D 11 of at a is a of of a on uh et a1 of of by EM of , to et a1 a 3D a of . In of a in 420 mm D E 1 of he of is 1. of in . 1. 2 of he of 5 60 40 60 40 of to be mm in 00 mm in of in On it is at of a of on be to as as to of 600 In of is to be of In of a up 000, at be -D is to an is 2 in y of is to be 000 ) 0 in 00 of a of 00 mm in 00 mm of is as a , 000 (1) In of in x of of by In of is of s (t) t, as t in x on of 000y t t is by a t , of is at of # to to be in y y in of as (2) is a on is to on is to is . 02. (3) on on of is 0 5
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