（机械设计及理论专业论文）光整色差原因分析与辊型优化.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 表面质量是板带材最重要的质量指标之一，是决定其市场竞争力的重要因素。隧着对 扳带材产晶质量要求的目益提高，带材表面质量阀题已显得越来越突如，并成为困内外众 多板带生产厂家关注的焦点。在光整s l n 过程中由于工艺参数的不合理，造成带材表面粗 糙度不均匀，在视觉上表现为色差，带材色差问题是影响表面质量的主要问题之一。 本文从园内某优秀冷轧厂光整色差阅题入手，以m s c m a r c 软件为分析平台，借助 有限元数值分析技术，建立了光整s l n 的辊系模型，着重研究了影响板面质量的因素，为 扳面质量的控制与辊型的优化提供了理论依据，具有重要的理论意义与实际运用价值。本 文的主要工作内容包括： ( 1 ) 以经典赫兹理论与轧制工程学理论为基础，借助于有限元分析软件的非线性模 块，建立了针对光整轧制的轧制压力模型。模型的建立可以模拟实际轧铡中的情况，可为 带钢表面缺陷原因的分析和辊型的优化提供重要数据。 ( 2 ) 探讨了板带轧制有限元模拟若干问题，包括接触闷题的处理、网格重划分、载 荷工况的设置、分析选项的设置和有限元阙格密度的影响等。从而保证仿真结采的准确、 通用和可靠。 ( 3 ) 基于建立的有限元模型，分析了影响板面质量的主要因素，包括辊型、弯辊力、 板宽等对辊间接触应力与s l n 力的影响，为色差原因的分析与辊型的优化提供了理论依 据。 ( 4 ) 基于建立的二维动态有限元模型，从宏观上分析t s l n 过程，并且探讨了包括 摩擦系数、压下量、轧制速度等对辊间接触应力与轧制力的影响，为色差原因的分析和轧 制工艺韵改进提供理论依据。 基予以上研究内容对带钢表谣纵向色差的原因进行分析，在此基础上对轧辊进行了局 部的优化。优化后的辊型在有限元模型上进行模拟验证，达到了优化的匿的，在实际生产 过程中消除了光整色差，并且轧辊使用寿命也未受到影响。 关键词：光整机，有限元模型，色差，辊型，优化 第1 i 页 武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t s u r f a c eq u a l i t yi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tq u a l i t yi n d e x e sf o r s t r i p s ，a n di t i st h e i m p o r t a n tf a c t o ro fm a r k e t i n gc o m p e t i t i v e n e s s ，t o d a ym o r ea n dm o r ed o m e s t i ca n df o r e i g ni r o n a n ds t e e lc o r p o r a t i o nf o c u s e do ns u r f a c eq u a l i t yb e c a u s eo f i n c r e a s i n g l yq u a l i t yr e q u i r e m e n t s b e c a u s eo f r o l l i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sa r en o tr e a s o n a b l e ，i tc a u s e dr o u g h n e s sd o n te v e no ns t r i p s u r f a c e ，i ti sc a l l e de d g ed e f e c t s e d g ed e f e c t sa r et h em a i nc a u s ef o rt h ep r o b l e m so fs u r f a c e q u a l i t y ，n l i sa r t i c l ei sa i m e da te d g ed e f e c t so fs k i np a s sm i l l ，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo f s t r i p r o n i n gi sb u i l tb ym s c 眦cs o f t w a r e b yf e am o d e l ，i m p o r t a n tf a c t o r so fs u r f a c eq u a l i t y w e r ea n a l y z e d i ts u p p l i e dt h e o r e t i c a lb a s i sf o rs u r f a c eq u a l i t yc o n t r o la n dr o l l e ro p t i m i z a t i o n ，i t h a dt h ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n d p r a c t i c a la p p l i c a t i o nv a l u e t h em a i nw o r k s o ft h i s a r t i c l ea r ea sf o l l o w ： ( 1 ) o nt h eb a s i so ft h ec l a s s i ch e r t zt h e o r ya n dr o l l i n ge n g i n e e r i n gt h e o r y , r o l l i n gf e a m o d e lf o rs k i np a s sm i l lw a sb u i l tb yf e as o l f w a r e f e am o d e lc a n s i m u l a t e dr o l l i n gi nr e a l i t y a n ds u p p l i e di m p o r t a n td a t af o ra n a l y s i so f e d g ed e f e c t sa n do p t i m i z a t i o no fr o l l e r ( 2 ) d i s c u s s e dt h em a n yp r o b l e m so ff i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no fs k i np a s s r o l l i n g i n c l u d i n gc o n t a c tp r o b l e m s 、r e m e s h i n gp r o b l e m s 、l o a de a s ep r o b l e m sa n ds o0 1 1 i no r d e rt ( ， a c c u r a c y 、g e n e r a l 、a n dr e l i a n c eo fr e s u l t so ff e am o d e l ( 3 ) o nt h eb a s i so ff e am o d e l ，f a c t o r so ff a c eq u a l i t yo fs t r i pw e r ea n a l y z e d i n c l u d i n g r o l l e rs h a p e 、f o r c eo f b e n d i n gr o l l 、w i d t ho f s t r i pa n ds oo n i ts u p p l i e dt h e o r e t i c a lb a s i sf o re d g e d e f e c t sa n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no fr o l l e rs h a p e 。 ( 4 ) b a s e do nt h ed y n a m i cf i n i t ee l e m e n tm o d e l ，a n a l y z e dt h er o l l i n gp r o c e s sf r o m w h o l e s i t u a t i o n ，a n dd i s c u s s e dt h ei n f l u e n c ep a r a m e t e r st oc o n t a c ts t r e s sb e t w e e nr o l l sa n d r o l l i n gf o r c e ， i n c l u d i n gt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，r o l l i n gr e d u c t i o n ，r o l l i n gs p e e da n ds oo n b a s e do nt h ea b o v er e s e a r c h , t h er e a s o n so fe d g ed e f e c t sw e r ea n a l y z e d ，a n dt h er o l l e r s h a p ew a so p t i m i z e db yt h er e s e a r c h t h eo p t i m i z e dr o l l e rs h a p ew a ss u c c e s s f u lp r o v e db yf e a m o d e la n di np r a c t i c a lu s e k e y w o r d s ：s k i n sp a s sm i l l ，f e am o d e l ，e d g ed e f e c t s ，r o l l e rs h a p e ，o p t i m i z a t i o n 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 近年来，随着家用电器、汽车、电子、建筑、造船、军工、航天等行业的需求增大， 板带生产工业获得迅猛发展。随着用户对带钢力学性能、板型、表面质量等方面要求不 断提高，作为改善带钢质量的光整机得到了广泛的应用和发展。 1 1 光整及光整机的概述 1 1 1 光整作用 光整机位于镀锌机组镀锌工艺段之后，光整机的主要作用如下 2 】： ( 1 ) 提高带钢表面质量光整机工作辊表面光洁度较高，经光整后除了可以消除轻微的 表面缺陷外，还会提高带钢表面光洁度。 ( 2 ) 提高和改善带钢的机械脾i l - i ：厶匕i e , 经光整后会提高带钢的冲压性能。 ( 3 ) 生产麻面和抛光带钢通过工作辊的磨辊加工和喷丸处理，使带钢表面呈现不同粗 糙度的光面、毛面或麻面的表面结构。对不锈带钢则可用抛光处理辊面，光整后得到光亮 似镜的表面。 ( 4 ) 可使屈服平台消失或不太明显，防止在进一步拉伸或深冲加工时出现滑移线。 1 1 2 光整机 光整机虽然在工艺条件、板形控制手段上与冷轧机有差别，但光整机与冷轧机在结构、 尺寸上基本相同，仍属轧机一种【3 1 。应用于热镀锌机组的光整机组主要有二辊和四辊两种 型式。采用二辊式光整机时，只能改变热镀锌带钢的表面状态，即只能给定一定的粗糙度， 不能改变金属内部结构，而四辊光整机不仅可以改善带钢板形、平坦度和给定粗糙度，还 可以改变金属内部结构，消除屈服平台并使屈服极限下降，使深冲性能得到改善。 1 2 光整轧制过程中的问题与研究现状 根据现场调研可以知道，在光整轧制过程中，主要出现两类带钢表面缺陷【4 1 ，第一类 是由于轧制过程中非正常因素引起的缺陷： 1 1 烙痕 物体从单侧挤压带钢形成的凹坑。伤痕发生倾向沿长方向是周期性出现的。主要产生 原因是在轧制、剪切等穿过轧机的钢板中，飞入异物的时候，异物在板卷和切定尺板的操 作中产生的接触划伤，形成烙痕。 2 ) 辊印 周期性出现的凹或凸的伤痕。对里面没有影响，这一点与烙痕不同。主要产生原因是 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 在光整时附在工作辊上的异物和轧辊本身的伤痕在带钢上的压印，也有可能是附属设备、 轧制油、冷却乳液、带钢等带进的异物、滑移痕迹、轧辊疲劳产生的剥落等。 3 ) 折印 钢板表面上呈树枝状、羽毛状或半月形形态，多数沿斜方向发生。主要产生原因是由 于钢板折叠而产生的皱纹。在轧制过程中，两部分带钢相互重叠而被压合，同时压印到轧 辊上，形成伤痕。在下面情况下容易发生折印：( 1 ) 张力不均；( 2 ) 带钢形状不好；( 3 ) 左：右的压下没有取得平衡；( 4 ) 板厚不均，偏差大；( 5 ) 钢板定中心不好；( 6 ) 轧辊凸度 不佳。 4 ) 辊颤纹 与轧向垂直横贯板宽，都形成比较小的间距。带钢表面出现一种明暗相间、与带钢运 动：疗向垂直的条纹。主要产生原因是：( 1 ) 轧制操作时机械、电气发生异常震动；( 2 ) 光 整机各种轧辊研磨时的振纹压印到带钢上。 对于第一类表面缺陷，国内外专家学者从轧机振动模型、振动原因、振动性质、振动 理论、振动耦合、抑振方法等几个方面对轧机振动这一问题进行了深入研究： t a m i y a 发现，产品厚度越薄、轧材含碳量高、乳化液不稳定时容易引起轧机颤振i 通 过现场测试分析和理论分析得出：高速下相邻两架次的速差引起张力变化，从而影响轧制 力变化。当颤振和入口张力的相位差成9 0 0 时便产生自激振动。振动发生时，张力变化对带 钢厚度影响很大【5 1 。 t l u s t y 经研究证明：轧辊的振动位移使机架之间的张力发生周期性波动，从而使轧制 压：匀波动超前振动位移9 0 0 ，由此产生的负阻尼作用导致自激垂振。他由演算出的系统稳 定性临界条件判别式，分析了轧制过程中的各种工艺参数对轧机颤振稳定性的影响【6 】。 r o b e r t s 建立关于轧制界面对称的振动模型并计算出颤振频率。由此得出轧机的工作辊 相对于各自的支撑辊振动而在支撑辊和带钢表面形成振纹，振痕的形成与轧制速度等工艺 参数及轧辊的直径有紧密联系。经过分析得出：在支撑辊直径与工作辊直径之比不变的条 件下，某一轧制速度能使轧辊表面振纹的数目均为整数时，此速度即为易引起振纹的临界 速度。在一定的速度范围内，出现的临界速度越多，说明出现振纹的概率越大。在分析仿 真结果后，他提出了一些抑制颤振的方法：比如防止轧辊在磨削时产生振纹、避免磨损的 支撑辊激励、仔细匹配支撑辊直径、在最后机架采用最大直径的支撑辊、改变轧制速度来 避开临界速度、避免使用有缺陷的联轴节及工作辊轴承、避免机架的外来振动等【7 1 。 中南工业大学的钟掘等人研究了某厂的高速铝带冷轧机的产品振痕问题，他们发现振 痕的间隔随轧制速度不同而不同，但周期有明显的重复性，通过分析认为，该轧机的产品 振痕是工作辊垂直振动和扭转振动的共同结果【8 】。 瞿志豪等根据某冷连轧机的颤振问题，从扭振分析入手，对其传动系统上扭振三角波 信号进行了充分的讨论，提出该轧机机座上的颤振原因是由上下支撑辊的相对辊径差所引 起的速差所致，并给出了以速差为主变量的颤振自激因子计算公式【9 】。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 对于第一类表面缺陷，经过现场多年的技术攻关与国内外学者的磅究，已经掌握了这 些表面缺陷产生的原因，并提出了相应的治理措施。 第二类是由于光整* l n 过程中工艺参数不合理弓| 起的缺陷，如色差等。其主要原因为 带钢表面粗糙度出现局部不均匀，造成其反光性的差异，从而在视觉上表现为色差。而带 钢表面之所以会出现粗糙度局部不均匀闯题，其主要原因是带钢表匠轧制力与延伸率的分 布不均。 对于第二类表面缺陷，国内外专家学者从弯辊力大小、轧辊的弹性弯蓝、轧制力几个 方面对带钢表面色差问题进行了深入研究： m 。d s t o n e 在计算弯辊对板形影响时，率先将温克尔的弹性基础梁模型引入到辊系变 形计算中。该模型将支撑辊和带钢均看成弹性基础，丽工作辊则被视为处于弹性基础之闻 的梁，通过求解弯辊力作用下工作辊绕曲变形的四阶微分方程，从而求出工作辊的轴线位 移，并探讨了工作辊的弯辊效果( 1 0 1 。 蜀本学者盐崎也对液压弯辊的效果进行了研究。健同时考虑了工作辊和支撑辊在弯辊 力作孀下的绕蘸方程，并通过辊间压扁关系把两者联系起来。此外，在求解乳辊绕度微分 方程时，分别考虑了轧辊辊身不同区域的不同受力情况，利用连续条件及边界条件分区求 解，从而最终求患轧辊轴线的位移。盐崎的工作较s t o n e 的工作有两方匿的重大改进，首 先他考虑了工作辊和支撑辊辊身不同区段受力的情况不同，并采取了不同的微分方程来描 述，与实际情况更为符合。其次，对工作辊和支撑辊分别列出挠度曲线微分方程，又通过 辊闻艇稿关系把这两个方程联系在一起，比较合理地处理了工作辊和支撑辊的变形。他着 重进行了三个方瑟的工作：弯辊力和轧辊凸度的关系；轧辊凸度凿线的形状；弯辊力弓l 起 的压下量变化。但他仍来考虑剪力对挠度的影嗡，地基系数沿横向仍为常值，误差仍然较 大【l l 】。 k n s h o h e t 率先利用影啕函数的概念分析了普通四辊轧机的弹性变形，导出了工作辊 和支撑辊弹性弯曲的影响函数，并在此基础上给出了计算轧辊弹性变形的影响函数方法由 于k n s h o h e t 的方法的着眼点仅在子考虑弯辊佟用下工作辊绕度的变化情况假对于带材轧 后断面形状与各影响因素的关系如何，以及到底怎样通过液压弯辊给逝合理板形， k n s h o h e t 影响函数法解决不了。同时由于在解板过程中既没有考虑剪力对挠度的影响， 叉没有考虑支撑辊挠度即弹性基础的位移对辊阀接触威力的影响，无法保证辊闯位移协调 条件，而且认为工作辊辊身全长都受带材的压力，因此计算所得结果与实际情况是有较大 误差1 1 2 。 德国学者帕维尔斯基提出的考虑带材表面变化的光整轧制模型，对光整轧铡过程的研 究更进了一步，推导出由分段多项式构成的辊缝压力分布和带材厚度横向分布，劳由轧制 力分布，计算和提出与优化的带材厚度分布一致的精确的轧辊变形，通过例子讨论了延伸 量与压下量的不同，根据测得的轧制力反算摩擦系数来表明模型的实用性畦3 1 。 美国学者w l 罗伯茨对光整* l n 压力计算模型 乍过较深入的研究在他的光整轧捌 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 力简化模型中提出了变形区长度、平均应变率、变形抗力、入口张力、带材产生塑性变形 的最d , 车l n 压力、带材表面摩擦系数以及轧制压力沿接触弧分布和单位轧制压力的计算公 式，考虑到诸多与轧制压力计算有关的参数，同时也对模型在光整机上进行了实验验证。 然而，在推导单位g l n 压力时，他采用的仍然是卡尔曼的平面假设，也没有考虑轧件和轧 辊的弹性变形对轧制力的影响，而是假设轧辊为刚体【1 4 l5 1 。 采利柯夫也曾进行过光整g l n 压力模型的探索，他运用了求解塑性薄板在两平行平板 间压缩的二维变形问题所得数据来求解光整轧制压力，求解时认为接触剪应力在整个接触 区保持恒定；同时也考虑到轧件与轧辊卸载后的弹性变形，对变形区长度进行了修正；在 光整过程计算中，还假定：在变形区中有一个塑性变形渗透板材整个厚度的区段。将光整 进程由七个无量纲的相似准数来确定，比较麻烦，而且在利用此方法计算光整轧制压力时， 轧制压力还要满足实现塑性变形的必要条件【l6 1 。 法国学者侯尤克斯等提出一个特殊的基于解析公式的模型来预设定在线光整轧制力， 沿用了罗伯茨的轧制压力表达式，并依然采用传统的希契柯克公式计算弧长。模型有两点 创新：首先，为了考虑轧件与轧辊问弹性接触区，对罗伯茨轧制力表达式引入一个修正系 数；其次，由于抗拉强度受光整延伸率影响较小，辊缝流动屈服应力表示为抗拉强度的函 数旧。 重庆大学的何亮研究表明，在一定的轧辊毛化条件下，不增加辊耗成本而提高表面粗 糙度质量的唯一方法就是增加成品道次g l 伟f j 力。虽然改变轧制力必然引起承载辊缝的变 化，势必影响板形，但是通过优化初始上机支撑辊辊形同样可以改变承载辊缝形状，只要 使得二者改变承载辊缝的方向相反就可能使二者对承载辊缝的影响相互抵消，最终保证了 承载辊缝比例凸度等式成立，即板形平坦良好的条件，实现了板形和表面粗糙度的同时达 优。 白振华博士在他的博士论中也涉及到带钢平整轧制力的研究，他也借鉴了连家创教授 的冷轧带钢轧制力公式，在对较厚带材平整轧制力计算时，考虑到了弹性区入口和出口边 界水平应力沿高度的不均匀分布。采用弹性力学中的半平面理论来求解入口和出口边界水 平应力沿高度的分布规律，从而求出接触表面的压应力，然后代入边界条件，求得较厚带 材平整的轧制力。另外，他也研究了薄带材平整轧制力，由于薄带材厚度较小，故应力沿 高度的不均匀分布已不是轧制力的主要影响因素，因此，他在论文中将摩擦力模型的处理 作为薄带平整g l n 力预报精度的关键【1 9 】。 踟l g h u ab a i ，l i p oy a n g 等在分别提出带材色差影响函数、轧辊色差影响函数以及色 差综合控制目标函数的基础上，提出了色差综合控制模型【2 0 】； 李俊洪等针对光整热镀锌板的生产工艺特点，以带材前张应力横向分布均匀作为目标 函数，建立了针对热镀锌光整机的辊型曲线设计数学模型，有效地改善了光整色差【2 1 1 。 到目前为止，国内外专家学者对轧制带钢表面缺陷的研究虽已取得了一定的成绩，但 研究机理工作还不够系统、深入，这是因为轧制缺陷的产生不仅涉及到振动理论、轧制理 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 论、非线性理论、摩擦润滑理论、而且设备庞大复杂、相关工艺参数多、实验研究成本高 以及实验研究状况与现场轧制生产条件的差异较大。 1 3 光整轧制过程的有限元仿真 2 0 世纪9 0 年代以来，计算机的运算速度和存储量都得到了飞速的提高，大量的高性能 的超级计算机已投入了工程应用。飞速发展的计算机图形处理技术，使得c a d c a m c a e 技术在各类工程问题的应用中取得了巨大的成功，尤其是计算机图形学与有限元法和成形 工艺学的有机结合，开创了金属成形过程仿真的新途径。有限元法在金属塑性加工中的成 功应用，减少了一些解析研究中的多种假设条件，这对分析金属变形规律、预报、模拟金 属成形过程开辟了广阔的前景。金属轧制过程是多重非线性问题，具有以下特征： ( 1 ) 几何非线性由于金属变形通常是大应变、大位移，因而通常用于描述应变位移 关系的线性微分方程，即方程占= b u ，其中b 为线性应变矩阵，己不再成立。在研究大变 形问题时，必须消除刚性位移和刚性转动影响，亦即应变、位移关系必须用有限变形理论 来描述。 ( 2 ) 材料非线性金属材料一旦进入塑性变形状态，应力应变关系就不再是线性关系， 甚至不再有单值对应关系。弹性阶段是可逆的，而塑性阶段是不可逆的，且其卸载时的载 荷、应变曲线呈现线性关系，对非比例加载的大变形问题应该应用塑性增量理论来描述， 应变增量不仅与应力增量有关，还与应变历史有关。 ( 3 ) 边界非线性在轧制过程足中，轧辊和工件的接触位置与接触面积不断发生变化， 随着轧辊与轧件间接触合力的变化，他们之问的接触面大小、接触处的应力均会发生变化， 这种变化与轧制力以及相对运动有关，从而构成了可变的和未定的位移边界条件。此外， 接触面上摩擦力的大小及分布也难以事先确定，因而边界条件也是未定的。 在光整轧制领域中利用计算机仿真技术，可以在不需要实际投资的情况下对光整轧制 过程的力、变形等各因素进行仿真。通过反复调整轧制规程，最终找到有利于达到产品优 良综合机械性能的最佳工艺路线。对于光整轧制过程，弹塑性有限元法是较为完善的分析 方法。它把轧件的加工硬化、弹性变形、塑性流动等金属变形的各个阶段理论融合为一体， 同时考虑金属内部质点流动受大位移影响所产生的应变非线性等，形成了理论上较为完备 的科学计算方法。 1 4 选题意义及主要研究内容 1 4 1 选题意义 近年来，随着家用电器、汽车、电子、建筑、造船、军工、航天等行业的需求增大， 板带生产工业获得迅猛发展。如今，板带比已经成为衡量一个国家钢铁工业水平的重要标 志。光整作为冷轧板带生产中最接近成品的一道工序，不但可以通过控制带材的延伸率与 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 板型来保证退火后产品的力学性能与外形质量，而且可以在带钢表面形成一定的粗糙度， 达到提高带钢涂覆性能和成形性能的目的。因此，随着用户对带钢力学性能、板形、表面 质量等方面要求的不断提高，光整工序的重要性就日益凸现出来。 在光整轧制过程中，由于带钢表面轧制压力与延伸率的分布不均匀，带钢或者轧辊表 面粗糙度会出现局部不均匀，造成其反光性的差异，从而在视觉上表现为色差。色差缺陷 的出现大大降低了产品的表面质量，而且内在质量也会受到影响，使得产品不得不降级处 理，给企业造成了较大的经济损失。以前，现场对色差问题的治理往往依赖现场经验，并 且将轧辊与带材孤立开来分别治理，因此效果不佳。由于带材在光整过程中是依靠轧辊进 行的，因此轧辊的形状直接影响到带材的板形以及表面质量。因此，为了生产出高质量的 板带产品，对光整过程中带钢色差产生的机理进行分析，并以此为依据，对轧辊的辊型曲 线进行优化设计就显得尤为重要。 1 a 2 主要研究内容 国内某优秀冷轧厂光整机设计规格为15 0 0 r a m ，因市场需要在轧制1 5 5 0 m m 带钢时， 镀锌线光整机工作一段时间后支撑辊辊面上出现纵向条纹，并在轧制的钢板产品中产生肉 眼可见的纵向色差。色差缺陷给冷轧薄板厂带来很多问题：增加了换辊次数，降低了生产 效率；难以满足用户对带钢表面质量的要求，造成经济损失。本课题以光整机带钢纵向色 差为研究对象，从理论分析、仿真模拟等方面研究光整机辊型和纵向色差之间的关系及产 生原因，提出消除纵向色差的措施。 为此本文展开了如下方面的工作： ( 1 ) 在分析光整轧制的基础上，建立针对光整轧制过程的有限元轧制压力模型，探 讨了光整车l sj j 有限元仿真的若干问题，包括接触问题的处理、网格重划分、载荷工况的设 置、分析选项的设置和有限元网格密度的影响等，并提出了相应的解决方案。模型的建立 可以模拟实际轧制中的情况，同时保证仿真结果的准确、通用和可靠。 ( 2 ) 利用有限元模型，分析了影响板面质量的主要因素，包括辊型、弯辊力、板宽 等对辊间接触应力与轧制力的影响，为色差原因的分析与辊型的优化提供了理论依据。 ( 3 ) 以保证辊间压力均匀化为目标，合理设计了光整机组支撑辊辊型曲线。现场实 际应用结果表明，采用本文所设计的辊形曲线，不仅有效解决了光整纵向色差问题，而且 降低了工作辊与支撑辊端部接触应力值，减少了支撑辊边裂及剥落现象的发生。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 第二章光整$ l l l i 0 力变化规律与影响因素研究 在光整过程中，影响轧件质量最主要的轧制工艺参数就是g l n 力。因此对轧制理论的 研究，不仅是解决光整色差的理论基础，也是正确建立光整轧制有限元模型的理论基础。 在板形成型的研究方面，轧制力的准确预测也影响辊系变形和薄板的轧制板形。接触弧上 的应力分布规律决定了薄板的变形情况，研究不同轧制因素变化的条件下接触弧上的应力 分布对调整板形和光整精度越来越受到关注。 2 1 轧制理论基础 2 1 1 变形区主要参数 轧制过程是轧件由摩擦力驱动到旋转的轧辊之间，受到轧制力的作用而发生弹塑性变 形的过程，通过轧制会使轧件具有一定的外形和获得一定的力学性能。在研究轧件变形时 需要对理想轧制过程有清晰地认识。 理想轧制过程模拟通过简化如图2 1 所示，轧件承受轧辊作用发生变形的部分，称为 轧制变形区，即从轧件入辊的垂直平面到轧件出辊的垂直平面所围成的区域a a 】b l b ，通 常又把它称为几何变形区。轧制变形区主要参数有接触弧长度【2 2 1 。 图2 i 理想轧制过程模型 轧件与轧辊相接触的圆弧的水平投影长度，称为接触弧长度，也叫咬入弧长度，即图 2 1 中的a e 段，通常又把a e 称为变形区长度。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 接触弧长度因轧制条件的不同而异，一般有以下三种情况： 1 ) 两轧辊直径相等时的接触弧长度 从图2 1 中的几何关系可知： 所以 1 2 = r 2 一$ 一争2 公式( 2 1 ) 公式( 2 ，1 ) 由于公式2 1 根号中的第二项比第一项小得多，因此可以忽略不计，则公式2 1 变为： l = 雄函 2 ) 两轧辊直径不相等时的接触弧长度 此时可按公式2 3 确定： 1 ： 竺矗h r 量+ 该式是假设两个轧辊的接触弧长度相等而导出的，即： 式1 1 ：1 ：r ，、r 2 分别为上、下两轧辊的半径； a h t 、a h 2 分别为上、下轧辊对金属的压下量。 公式( 2 2 ) 公式( 2 3 1 ) 公式( 2 4 ) 3 ) 辊和轧件产生弹性压缩时接触弧的长度 由于轧件与轧辊问的压力作用，轧辊产生局部的弹性压缩变形，此变形可能很大，尤 其在冷轧薄板时更为显著。轧辊的弹性压缩变形一般称为轧辊的弹性压扁，轧辊弹性压扁 的结果使接触弧长度增加。另外，轧件在辊间产生塑性变形时，也伴随产生弹性压缩变形， 此变形在轧件出辊后即开始恢复，这也会增大接触弧长度。因此，在光整带钢过程中，必 须考虑轧辊和轧件的弹性压缩变形对接触弧长度的影响，见图2 2 。 孵 = i 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 得： 图2 2 轧辊与轧件弹性压缩时接触弧长度 考虑弹性变形时的接触弧长度i 可根据a 2 d o 和矗b l c o 求出，即： 公式( 2 5 ) 将公式2 5 中的括号展开，由于b 3 d 和b ，b 3 的平方值比r 值小很多，可以忽略不计，则 又 b 3 d = * f - h y l + 2 b 生b 32 生盎2 公式( z ，5 ) 公式( 2 6 ) 公式( 2 7 ) 代入式2 ，s 得： l = x i + x 2 、；i 鼋丽寺4 2 r ( n l + a 2 ) 公式( 2 8 ) 或 其中 公式( 2 ，g ) 公式( 2 9 ) 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 忽略左右两边的不对称，轧辊和带钢的弹性压缩变形量矗1 和2 可以用弹性理论中的两 圆柱体互相压缩时的计算公式求出： 妒2 p 害地= 2 p 孝 式中：p 为轧辊单位长度上的轧制力( 沿带钢宽度方向) ； y i v 2 分别为轧辊和带钢的泊松比； e l - 毪分别为轧辊和带钢的弹性模量。 2 , 1 2 赫兹理论 公式( 2 1 0 ) 1 ) 轧辊与轧辊之间接触应力的计算 四辊轧机系统工作辊的辊身与支撑辊的辊身之间接触面以及工作辊的辊身与轧件表 面接触在轧制力作用下均将产生较大的交变接触应力，但辊身与辊身之间的接触面积远远 小：于二工作辊的辊身与轧件间的接触面积，所以工作辊的辊身与支撑辊的辊身之间产生更大 的交变接触应力致使辊身之间材料的剥落现象出现【2 4 1 。 轧辊所受正应力a x 在接触面的中间处承载力最大，按照赫兹理论计算有： 一广：t q l r z l r 2 ) 2 察隗鼢i 式中：q 为加载在接触表面单位长度上的负荷； r l ，r 2 为工作辊与支撑辊的半径； k - ，k 2 为与材料材质有关的系数，其中k l = 警，k l = 訾； e l ，e 2 为轧辊和轧件的弹性模量，牡，则分别为泊松比。 2 ) 轧辊与轧辊之间弹性压扁的计算 赫兹公式法将轧辊之间的接触压扁视为两个无限长圆柱体的接触问题， 触宽度为2 b ，则通过一系列推导可以得出： b = l p 督訾) 嚣 式中：p 为单位辊身长度上的接触压力； 公式( 2 11 ) 令两圆柱体接 公式( 2 1 2 ) 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 v l 、v 2 分别为两个圆柱体的泊松比； e ，、堍分别为两个圆柱体的弹性模量； r i ，r 嚣分别为两个圆柱体的半径，也就是轧辊的半径。 2 1 3 咬入条件 依靠回转的轧辊与轧件之间的摩擦力，轧辊将轧件拖入轧辊之间的现象称为咬入。为 使轧件进入轧辊之间实现塑性变形，轧辊对轧件必须有与轧制方向相同的水平作用力。因 此，应该根据轧辊对轧件的作用力去分析咬入条件。 显热，与咬入条件直接有关的是轧辊对轧件的作用力，轧件与轧辊在a 、b 两点上切 实接触，轧件在a 、b 两点上承受轧辊径向压力n ，在n 力的作用下产生与n 力互相垂直 的摩擦力t ，力图将轧件咬入轧辊的辊缝中进行轧制。因上、下轧辊对轧件的作用方式相同， 所以只取一个轧辊对轧件的作用力进行分析，如图2 3 所示。 v f 图2 3 上轧辊对轧件作用力分解图 将作用于a 点的径向力n 与切向力t 分解成垂直分力h t y 与t y 和水平分力n x 与t x 。 考虑两个轧辊的作用，垂直分力n y 与t y 对轧件起压缩作用，使轧件产生塑性变形，而对 轧件在水平方向运动不起作用。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 n 。与t x 作用在水平方向上，n 。与轧件运动方向相反，阻止轧件进入轧辊辊缝中；而 t x 与轧件运动方向一致，力图将轧件咬入轧辊辊缝中。由此可见，在没有附加外力作用的 条件下，为实现自然咬入，必须是咬入力t x 大于咬入阻力n x 才有可能。 咬入力t x 与咬入阻力n 。之间的关系有以下三种可能的情况： t x n 。不能实现自然咬入 t x = n 。平衡状态 t x n x可以实现自然咬入 由图2 3 得知： 咬入阻力 n x = ns 弧瑶 咬入力t 。= ne o s a = nfe o s 伐 将求得的值带入n ；与t ；可能的三种关系中将得到： 当n x t x 时 ns i na t a n - ，塑， 7 b 生 。y 酝 式中夸r 稳定轧制阶段的摩擦系数和摩擦角； & 稳定轧制阶段的咬入角。 2 2 光整轧制有限元模型的建立 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 通过二维动态有限元模型能够从宏观上对光整轧制过程有个全面的了解，同时也提高 了计算效率。所以本文以国内某优秀冷轧厂光整机系统为研究背景，建立动态的有限元模 型。其模拟计算条件如表2 1 和表2 2 所示。 表2 1 轧件与轧辊材料参数 工作辊( m ) 支撑辊( m ) r l ( 工作辊半径) = o ：2 8 r 2 ( 支撑辊半径) - - o 5 5 轧制薄板所涉及到包括物理材料、几何计算、边界条件三重非线性，在使用有限元软 件分析时，需要占据大量的存储空间和计算时间，因此从节约成本角度需要对模型进行简 化处理。本文有限元计算模型是根据光整机系统对薄板进行光整轧制建立起来的，考虑其 对称性而对模型进行简化处理。其有限元模型如图2 5 所示。 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 图2 5 有限元计算模型 2 3 光整轧制力分布规律及其影响因素 虽然光整机与冷轧机结构、尺寸相同，但是光整是冷轧板带生产中接近成品的一道工 序，压下量很小，轧制力的变化对表面质量的影响就显得较为明显。近年来，光整g l a j j 过 程为了提高防锈能力和改善带钢表面质量，广泛使用光整液喷洒辊缝，喷洒液的使用会引 起摩擦系数的变化，而摩擦系数的变化会引起轧制力的变化，经常会出现难以预料的表面 质量的问题。同时为了提高光整效率与改进光整工艺，经常会调整轧制速度、和压下率， 而轧制速度和压力率的变化会对轧制力产生明显的影响。因此对摩擦系数、轧制速度与压 下率这个三个轧制参数的变化对轧制力影响的研究对改进光整工艺和改善板面质量具有 不可替代的作用。 2 3 1 轧制力分布规律 按照表2 1 和表2 2 给出的轧制条件和参数，以轧件上表面右端第一个节点为研究对 象，通过对轧制过程进行模拟得到轧制力瞬态分布规律特点如图2 6 所示。 从轧制力瞬态分布图2 6 可知，在后滑区内随着轧制深入，轧制力逐渐增加，当轧件 轧制到中性点处轧制力达到最大值。当轧制进入前滑区，轧制力逐渐减小，最终减d , n 零。 这是由于在后滑区内轧件的压缩程度增加，轧制力增加。在中性点处压缩程度达到最大， 因而中性面处的轧制力最大。前滑区内轧件逐渐远离中性点，轧件所受轧制力减小，当轧 制完毕退出后轧制力减d , n 零。 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论文 2 3 2 摩擦系数对轧制力的影响 图2 6 轧制力瞬态分布规律图 在板材光整过程中摩擦系数的确定是难点，摩擦系数对带钢表面质量的影响至今没有 形成相关的理论，很难对它进行定量分析。根据经验公式可得光整时摩擦系数范围大致是 在0 0 5 左右范围内，根据表2 1 和表2 2 中的轧制条件，在轧制速度为2 0 d s 、压下量为0 0 6 r a m 其他条件都不变的情况下，只改变轧件与轧辊之间摩擦系数，使之从0 0 4 增加到0 0 6 ，得 到摩擦系数变化对轧制力的瞬态分布影响规律如图2 5 所示。 由如图2 7 模拟结果可知，在轧件的压下率没有变化情况下，摩擦系数增加则轧制力 变大。随着摩擦系数的增加，轧辊轧件接触表面的摩擦力也随之增大。随着摩擦力的增加， 作为驱动轧件变形的摩擦力在轧制力方向上的分量增大，因而轧制力将增大。 7 0 0 0 , j i_ ： 图2 7 不同摩擦系数下的轧制力瞬态图 武汉科技大学硕士学位论文第1 7 页 2 3 3 光整速度对轧制力的影响 根据表2 1 和表2 2 中的轧制条件，在摩擦系数为0 0 0 5 、压下量为0 0 6 r a m 在其他条件都 不变的情况下，在光整常用的速度区间内改变轧辊回转速度从1 5 r a d s 至l j 2 5 r a d s ，相应的调 整轧件的初速度，使之略小于工作辊的辊身表面线速度，在其他条件都不变的情况下模拟 轧制过程，使之完整地实现轧件真实模拟，得到轧制过程中不同速度下轧件所受轧制力瞬 态图2 8 所示。 从图2 8 可知，当轧制速度增大时，且轧制间隙不变的情况下所需的轧制力减小。在 瞬态过程中，随着轧制速度增大，轧件变形时间缩短，材料变形不充分，致使轧件压缩量 减小。在轧制间隙不变的情况下，需要更大的车l a j 力才能使轧件压缩到预定的厚度，所以 轧件的轧制力随着轧制速度增大而减小。 2 3 a 压下率对轧制力的影响 图2 8 不同转速下的轧制力瞬态图 轧制参数和模拟条件仍按照表2 1 和表2 2 所示，由于光整机的压下量较小压下率在 0 5 4 之间，在摩擦系数为o 0 5 、轧制速度为2 0 r s 其他条件不变的情况下改变轧制压 下量从o 0 4 m m 到0 0 8 m m 而不改变其他轧制因素，通过对薄板进行模拟分析，预测出轧 制力瞬态分布规律，其轧件所受的轧制力与压下量之问的关系如图2 9 所示。 由图2 9 所示可知，随着压下率增大，轧制力增大。压下量增加，接触区域增大，接 触弧长增加，轧制过程中的压力增大，在中性点处达到极大值，随着轧制的进一步深入， 轧制力逐渐减小直至零。这是因为轧件压缩量增大，轧件的变形抗力也增加，进而造成了 轧制力的增大。 第1 8 页武汉科技大学硕士学位论文 图2 9 不同压下量下的轧制力瞬态图 2 4 本章小结 本文通过轧制理论研究与影响光整轧制力的重要参数进行了研究，主要做了如下工 作： ( 1 ) 介绍了与光整相关的轧制理论，包括变形区的主要参数、接触弧长度计算的稀 奇柯克公式、赫兹理论等。 ( 2 ) 详细研究了光整轧制力分布规律，得出在后滑区内随着轧制深入，s l n 力逐渐 增加，当轧件轧制到中性点处轧制力达到最大值。当轧制进入前滑区，轧制力逐渐减小， 最终减小到零。 ( 3 ) 对影响光整轧制力从而影响表面质量的重要参数进行了研究，包括摩擦系数、 光整速度压下率等。并得到轧制力随着出压下率与摩擦系数的增加而增加，随着光整速度 的增加而减小。 武汉科技大学硕士学位论文第1 9 页 第三章光整三维有限元模拟研究 通过三维有限元仿真分析可以得到很多光整j f l s u 过程中的重要结果：例如板形、辊型、 板面缺陷等等【2 5 1 。同时有限元模型可以非常灵活地模拟各种轧制情况，通过合理划分网格 和合理设定边界条件，在求解挠曲、压扁、轧制力可以达n , t l j 当的精度。应用有限元进行 辊系间轧制力计算时，可以将轧辊弹性挠曲和弹性压扁以及带钢弹塑性变形统一进行考 虑，因而计算更加完整，所以有限元方法有着其他方法不可比拟的优点。 3 1 光整轧制三维有限元模型的建立 3 1 1 模型参数 本文的研究对像为国内某优秀冷轧厂四辊光整机。根据其工作参数，选取了模拟条件 如图3 1 、表3 1 所示。 图3 1 原始辊型结构图 表3 1 原始辊型参数 第2 0 页武汉科技大学硕士学位论文 3 1 2 有限元模型 通过m a r c 的功能选项中的几何建模功能，建立光整机整体静态轧制力模型。在模拟 中，考虑到变形的对称性，取模型的1 4 区域为分析对象，横向以板宽中心为对称面取1 1 2 ， 厚向以板厚中心为对称面，取上半部，如图3 2 所示。 麟啦自。群 7 一 ， 岁 l 、3 、5 一支撑辊、工作辊、轧件( 可变形体) ；2 、4 一支撑辊、工作辊轴承座( 刚体) ； 6 一工作辊、支撑辊、轧件宽度方向的对称面；7 一轧件厚度方向的对称面 图3 2 光整机有限元模型示意图 3 2 光整有限元模拟若干问题的研究 有限元模型的仿真能否实现、运行结果是否正确，关键在于前期的建模工作。在有限 元分析中，前处理所耗时间占5 0 、后处理占4 0 ，而其他时间只占1 0 不到，因此前期 处理是建模的是关键，也是重点与难点【2 6 1 。本节对板带轧制三维有限元模拟的若干问题研 究，是以后利用有限元模型计算得到正确结果的保证。 3 2 1 网格的划分 网格划分的形状与精度，对有限元模型的计算结果有着重要的影响，质量较差的网格 有可能导致计算结果的不精确，甚至计算迭代的不收敛计算不出结果。 1 1 网格形状的控制 考虑到模型中轧辊为圆柱形，为得到较好的网格形状，可采用先建立平面网格，用平 面单元旋转的方式生成整体单元。如图3 3 所示。 武汉科技大学硕士学位论文第2 1 页 l a ) 平面网格 b ) 立体网格 图3 3 支撑辊网格的划分 2 ) 网格单元尺寸的控制 网格的单元尺寸越小计算精度越高