（机械设计及理论专业论文）铝合金轧制的有限元模拟分析及实验研究.pdf

哈尔滨理工大学t 学硕l ：学位论文 铝合金轧制的有限元模拟分析及实验研究 摘要 4 系铝合金以硅为主要合金元素，具备许多优点：如熔点低，流动性 好，易补缩，不会使最终产品产生脆性，主要用来制造铝合金焊接的添加材 料。其中4 0 0 4 高硅铝合金应用较广泛。然而4 0 0 4 合金易产生气孔缺陷，直 接影响到产品的质量和使用安全，气孔缺陷常出现在正常工艺内，使加工质 量难以保证。目前国内生产技术还无法解决这一难题。本文应用a b a q u s 有限元软件，对铝合金轧制过程进行数值模拟。探索改变轧制工艺参数( 压 下量、轧制速度、轧制道次) ，铸锭中气孔缺陷的变化，以应力应变表示出 来，判断铝合金轧制裂边、断带产生趋势，最终给出合理的轧制工艺，解决 轧制中因气孔缺陷而导致成材率低的技术难题。主要研究工作如下： 1 利用旋转喷吹精炼技术，通过研究各影响因素的影响规律，优化其 工艺参数，并找到一套最佳的工艺方案，提高铝熔体除气率。使精炼后 4 0 0 4 铝合金的抗拉强度、延伸率等力学性能均得到提高； 2 借助a b a q u s 有限元分析软件，建立铝合金轧制的工作辊和轧件气 孔缺陷的有限元模型，设置有限元模拟参数模型，根据实际经验给出模拟计 算方案，合理布置压下量、轧制速度、轧制道次等轧制工艺参数； 3 分析压下量的模拟方案，保证轧制道次、轧制速度等一定，设定压 下量分别为0 3 m m 、1 0 m m ，模拟分析轧件不同位置气孔缺陷的应力、应变 的变化情况及气孔缺陷的演变规律，判断产生裂边、断带缺陷的可能性； 4 分析轧制速度、轧制道次的模拟方案，同样保证其他工艺参数一 定，设定轧制速度为2 0 m s 、5 0 m s ，及轧制道次为一道次、二道次轧制， 分别模拟分析改变每种轧制参数对轧件不同位置气孔缺陷的应力、应变的变 化情况，及气孔缺陷演变规律的影响，判断产生裂边、断带缺陷的可能性。 根据模拟分析结果：研究改变不同轧制工艺参数的条件下，铝材轧制过 程中轧件的应力、应变分布规律影响，及位于轧板表面和心部气孔缺陷应 力、应变的波动趋势，得出各模拟参数对不同位置的轧件气孔缺陷演变为裂 边、断带缺陷趋势的影响，对改进生产工艺具有一定的指导帮助。 关键词4 0 0 4 铝合金；有限元分析；轧制参数；气孔缺陷；裂边断带 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls t u d yo f a l u m i n u m r o l l i n g a b s t r a c t t h em a i na l l o ye l e m e n to f4 xx xa l u m i u n ma l l o yi ss i l i c o n ，w h i c hh a s m a n ya d v a n t a g e s ，f o r ：h i 曲一s i l i c o na l u m i n u ma l l o y , l o wm e l t i n gp o i n t ，g o o d m o b i l i t y , e a s yf i l ls h r i n k ，a n df i n a lp r o d u c tw i t h o u tb r i t t l e n e s s s ot h ea d d i t i o n m a t e r i a l sa r ep r o d u c t e dw i t ht h i sk i n do f a 1a l l o y , f o re x a m p l e ：b r a z i n gs h e e t ， w e l d i n gr o da n dw i r ea n ds oo n h i g h s i l i c o na l u m i n u ma l l o y4 0 0 4i su s e dm o r e w i d e l y w h i l et h ef e a t u r e so f4 0 0 4a l l o yi st h a tp o r o s i t yd e f e c ti sg e n e r a t e de a s y , w h i c he f f e c t sd i r e c t l yo np r o d u c tq u a l i t ya n ds e r v i c es a f e t y , a n dt h i sd e f e c ti s f o u n di nt h en o r m a lp r o c e s sl e a dt oi ti sd if f i c u l tt oe n s u r ep r o c e s s i n gq u a l i t y 、t h i sp r o b l e mc a nn o tt ob es o l v e db yt h ec u r r e n td o m e s t i ct e c h n o l o g y i nt h i s t h e s i s ，f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea b a q u sw a su t i l i z e dt os i m u l a t et h er o l l i n g p r o c e s so fa 1a l l o y t h ev a r i a t i o nl a wo fp o r o s i t yd e f e c tw a se x p l o r e dw h e n d i f f e r e n tp r o c e s sp a r a m e t e r s ( r e d u c t i o n , r o l l i n g s p e e d ，r o l l i n gp a s s e s ) w e r e c h a n g e d ，a n dt h es t r e s sa n ds t r a i no fp o r o s i t yw a ss h o w e di n t u i t v e ，s ot h et r e n do f p r o d u c t i n gr o l l i n ge d g e c r a c ka n d s t r i pb r e a k a g e w a sj u d g e d f i n a l l y , a r e a s o n a b l ep r o g r a mo fr o l l i n gp r o c e s sw a sg i v e n ；t h et e c h n i c a lp r o b l e mo f p o r o s i t yl e a dt od e c r e a s i n gf i n i s h e dp r o d u c tr a t ew a ss o l v e d t h em a i nr e s e a r c h w o r kw a sa sf o l l o w s ： 1 t h e s p i ni n j e c t i o nr e f i n i n gt e c h n o l o g y w a su t i l i z e d ；t h e p r o c e s s p a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z a t e dt h r o u g hr e a s e r c h i n gt h ei n f l u e n c el a wo fs e v e r a lo f f a c t o r s ，t h ea i mi st of i n d i n ga no p t i m a lp r o c e s ss c h e m e ，a n di n c r e a s i n gt h er a t e o fd e g a s s i n g t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f4 0 0 4 a l l o y ( t e n s i l es t r e n g t h ， e l o n g a t i o n ) w e r ei m p r o v e da f t e rt h er e f i n i n g 2 t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l s ( f e m ) o fr o l l e ra n dr o l l i n gw i t hp o r o s i t y d e f e c tw e r ee s t a b l i s h e db ym e a no ff i n i t ee l e m e n ta n a l y t i cs o f t w a r ea b a q u s ， t h ed y n a m i cf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no fa l u m i n u mr o l l i n gp r o c e s sw a sa c h i e v e d ， t h ep a r a m e t e rm o d e l sw e r es e t ，t h es i m u l a t i o na n dc a l c u l a t i o np r o g r a mw a sg i v e n i i 哈尔滨理工人学t 学硕l ：学位论文 a c c o r d i n gt op r a c t i c a le x p e r i e n c e ，a n dr e d u c t i o n ，r o i l i n gs p e e da n dr o l l i n gp a s s w e r er e a s o n a b l ea r r a n g e d 3 a n a l y s i so ft h er e d u c t i o ns i m u l a t i o np r o g r a m o n t h ep r e m i s eo fr o l l i n g s p e e da n dr o l l i n gp a s sa n ds o o nw e r eu n c h a n g e ds e t t i n gt h er e d u c t i o nw a s 0 3 m ma n d1 0 m m t h ec h a n g e m e n to ft h es t r e s sa n ds t r a i no fd i f f e r e n tp o s i t i o n s o f p o r o s i t y , a n dt h ee v o l u t i o nl a wo fp o r o s i t yd e f e c tw e r e s i m u l a t e da n da n a l i z e d ， t h ep o s s i b i l i t yo fp r o d u c t i n gr o l l i n ge d g ec r a c ka n ds t r i pb r e a k a g ew a sj u d g e d 4 a n a l y s i so ft h es i m u l a t i o np r o g r a mo fr o l l i n gs p e e da n dr o l l i n gp a s s ，t h e s a m eo fo t h e rp r o c e s sp a r a m e t e r sw e r eu n c h a n g e d ，r o i l i n gs p e e dw a ss e tt o 2 0 r n sa n d5 o m s ，a n dr o l l i n gp a s sw a ss e tt oo n ep a s sa n dt w op a s s e s t h e c h a n g e m e n to ft h es t r e s sa n ds t r a i no fd i f f e r e n tp o s i t i o n so fp o r o s i t y , a n dt h e e v o l u t i o nl a wo fp o r o s i t yd e f e c tw e r es i m u l a t e da n da n a l i z e ds e p a r a t e l ya f t e r f c h a n g i n ge v e r yr o l l i n gp a r a m e t e r s ，f i n a l l y , t h ep o s s i b i l i t yo fp r o d u c t i n gr o l l i n g e d g ec r a c ka n ds t r i pb r e a k a g ei sj u d g e d a c c o r d i n g t ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ：u n d e rt h ec o n d i t i o no fc h a n g i n g d i f f e r e n tr o l l i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s ，t h ed i s t r i b u t i o nl a wo fr o l l i n gs t r e s sa n d s t r a i nd u r i n ga l u m i n u mr o l l i n gp r o c e s s ，a n dt h ef l u c t u a t i o no ft h es t r e s sa n d s t r a i no fp o r o s i t yd e f e c tw h i c hl o c a t er o l l e rs u r f a c ea n dc e n t e ra r er e s e a r c h e d t h er e l a t i o n s h i po fs i m u l a t i o np a r a m e t e r sa n dt h ep o r o s i t ye v o l u t ei n t oe d g e c r a c ka n ds t r i pb r e a k a g ei so b t a i n e d ，w h i c hc a ng u i da n dh e l pt oi m p r o v i n gt h e p r o d u c t i n gp r o c e s s e s k e y w o r d s 4 0 0 4a l u m i n u m a l l o y ；f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s ；r o l l i n g p a r a m e t e r s ；p o r o s i t yd e f e c t ；e d g ec r a c ka n ds t r i pb r e a k a g e i i i 哈尔滨理l t 大学t 学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 在铝及其合金的铸锭试件上，常常发现一种凹入基体的圆形或椭圆形的表 面光滑而白亮的孔洞，工业生产中通称为铸锭的气孔或疏松，如图1 1 所示。 铸锭中的气孔和疏松并不是金属中所固有的，其形成原因主要是：金属原材料 常带有一定的气体、水分或油污，金属的吸气使熔体内含有大量的气体o 、 n 、c o 、c o z 、h 、c 1 等( 主要是氢气) 【1 】；熔体中的气体和氧化物夹杂物危害很 大，它们使铸锭产生气孔、疏松、夹渣、氧化膜等缺陷，恶化合金制品性能的 总根源 2 】；在熔炼或浇铸过程中，从外界吸收大量气体( 其中只有氢分子可能 形成气孔) ，以一定半径的气泡形式单独地存在于金属溶液中，在结晶凝固 时，一部分气泡来不及逸出溶液表面而被迫留在铸锭中。形成铸锭中的气孔或 疏松。对气孔、疏松的控制技术，是衡量铝合金熔铸、轧制和质量控制水平的 主要标志。 庶忿念搿_ 鲤曙0 图1 1 锅合金铸锭气孔缺陷 f i g 1 一lp r o p o s i t yo r a la l l o yi n g o t s 大部分孔洞是不能焊合的，气孔与金属一样发生变形，对铝及其合金来 说，气孔、疏松缺陷不但减少金属的有效截面，破坏了组织的连续性，而且大 大降低了金属的机械、加工性能，例如，铝合金中气孔有效面积占1 - 1 5 ， 可使抗拉强度降低到原来的8 5 9 0 ，延伸率降低到原来的6 0 7 5 d 】。 铝板带材高效生产的主要障碍是裂边和断带。裂边断带影响到铝材的生产 率和产品质量，给企业带来巨大的经济损失。当铝坯材料含氢量较高时，在组 织疏松的地方形成气孔。轧制时，如果铝坯厚度较厚，即使出现气孔一般也不 哈尔滨理t 人学工学硕上学位论文 会引起裂边断带；当铝材厚度较薄时( 往往轧制三道次以后) 在张力作用下， 较大的成片的气孔会形成穿孔，作为裂纹源而引发裂边断带。因此，用于铝板 带材( 特别是铝箔) 轧制的铸锭对含氢量有严格的规定，不应超过 0 1 2 m l 1 0 0 9 l ，并希望控制到0 1 0 m l 1 0 0 9 l ，越低越好 4 1 。 气孔引起轧制裂边、断带主要与其分布位置、数量及气孑l 直径有关。此 外，轧制工艺参数控制不合理也会造成裂边、断带缺陷，如轧制速度、道次加 工率、轧制道次都会对铝板带材裂边、断带缺陷的形成都起到决定性的作用。 用实验方法分析上述影响因素，不仅耗时、耗力、耗财，而且获得结果的方式 比较困难；而数值模拟与力学的完美结合，恰恰解决了这一难题【孓7 】，采用数 值模拟的方法代替轧制过程的物理模拟，实现对各种轧制过程的三维解析，进 行轧制工艺参数优化和金属性能预报和控制，这种研究方法计算精度高、效率 高、节约成本，是目前其他研究方法无法比及的。随着数值模拟中的有限元法 越来越多的应用在轧制工艺中，利用有限元法研究异型材轧制的应用也越来越 广泛【8 1 。有限元计算软件之一a b a q u s 能够实现求解大型接触问题和多重非 线性问题。 1 2 铝合金轧制技术的发展 1 2 14 0 0 4 铝合金的研究现状 4 0 0 4 合金是a l s i 系合金，具有优良的铸造性能，其化学成分如表l 。l 。 表1 - 14 0 0 4 铝合金的化学成分 合金化学成份杂质 牌号 s if ec um n m g ic r n iz nt i 单个合计 4 0 0 4 9 o 1 0 5 0 80 2 5 0 1 0 1 0 2 0i 一0 2 0o 0 5o 1 5 东北轻合金责任有限公司已开发出了4 0 0 4 铝合金及4 3 4 复合热交换铝带 箔，部分占领了国内市场。但东北轻合金责任有限公司在生产4 0 0 4 合金方锭 的过程中，由于铝合金的气体含量偏高，易产生气孔缺陷，这种缺陷直接影响 到后续产品的质量和使用安全，降低成材率。而且这种缺陷经常出现在正常工 艺范围内，有时同一批合金锭，成分相同、熔铸及轧制工艺都相同，有的合 格，有的因含气量高而出现气孔缺陷，在局部形成应力集中，成为材料断裂的 裂纹源，显著降低了材料的强度、塑性、疲劳抗力、耐蚀性能等【9 】，影响了产 哈尔滨理t 大学t 学硕：l 学位论文 品的质量。目前，避免该合金产生气孔疏松废品的技术难题一直无法得到解 决。因此，提供合理的精炼和轧制工艺，来控制铝合金轧制气孔缺陷显得非常 迫切和重要，为此本文针对4 0 0 4 铝合金轧制气孔缺陷进行了质量攻关工作。 1 2 2 铝合金轧制技术的研究 金属压力加工过程就是金属塑性变形的过程，所以金属压力加工亦称金属 塑性加工，其作用不仅是通过塑性变形改变金属的性质和尺寸，而且也能改善 其组织和性能。塑性加工的方法主要有锻造、冲压、挤压和轧制等，其中轧制 生产是冶金工业最主要的加工方法，在国民经济中占极其重要的地位f 1 0 1 。铝合 金轧制技术的分类如表1 2 所示。 表i - 2 铝合金轧制技术分类 分类方 种类特点应用 式 铸锭轧生产的品种、规格易于调整，最终制品的组织、 生产板带材 制法性能易于控制 轧制坯连续铸 料的供轧法 省去铸锭方法的热轧工序，有利于节约能源。但 应方式连铸连 生产效率较低、产品的规格受到一定限制、可控 制的工艺环节少、产品品种受到限制。 纯铝及防锈 轧法铝板带材 经热轧和冷粗轧后剪切成一定长度的板坯，再进 行冷轧等工序，直到成品。设备及操作简单，投 块式法资少，生产品种、规格灵活，但生产率和成品率生产薄板 对坯料 低，劳动强度大，生产条件差，周期长，产品受 的处理 限。 方式即成卷轧制，最后再横剪成板材或纵剪分卷。生 产率和成品率高、容易实现生产过程的连续化、生产板材或 带式法 自动化和计算机控制、劳动强度小，但设备较复 带材 杂，投资大，建设周期长，品种较单一。 4 0 0 4 铝合金的变形抗力较大，加工比较困难。作为4 3 4 复合铝带箔的包覆 层，4 0 0 4 合金的最终厚度为0 0 4 0 ir a n l 。由于我们现有的冷轧机轧制0 i r n m 的铝合金薄板达到了轧机设计能力的极限。因此在生产中常因辊型、道次加工 率、轧制速度等因素控制不好而造成全卷报废，成品率一般为2 啦3 0 【l 。因 此，为了提高4 0 0 4 铝合金薄板的成品率，必须探索出合理的冷轧工艺如：分 配道次加工率、控制轧制速度、选择适宜的轧制道次等，以满足生产的需要。 哈尔滨理t 大学工学硕1 ：学位论文 1 3 有限元数值模拟在轧制中的应用 目前，研究求解轧制问题的方法有多种，如：滑移线法、能量分析法、极 限分析法。但由于所研究问题的复杂性，上述理论都需要对其研究的问题进行 许多假设和简化，导致研究结论中必然会存在误差，因而其应用范围均受到了 限制。相较而言，有限元法应用于金属压力加工中则不需要假设条件，并能直 接给出材料变形过程中的应力、应变、温度分布等详细信息，这对于优化轧制 工艺，提高产品质量都具有非常重要的意义。 由于有限元理论的发展趋于成熟【1 2 d 4 】，加上功能逐步完善的各种日常通用 软件盼1 6 1 ，在各行业中有限元法均承担着举足轻重的地位，其应用领域也更为 广泛。有限元数值模拟技术早已成为金属塑性加工的理论研究中的热点，并在 实际生产中显示出极其重要的作用。一方面，它能增强金属成形工艺科学性、 对加工工艺进行优化和定量控制；令外，它能有效的评估各种工艺环境下的加 工板材形变及受力情况，提供具有重要价值的理论依据。 1 3 1 有限元法在金属塑性，j n - 中的应用 有限元法是一种数学方法，是在2 0 世纪5 0 年代求解固体力学问题的一种 方法，其实质是将一个连续体分解为有限个小的单元体，即划分网格，依靠各 节点将每个单元相连接和传递相互作用力，将外力和边界条件分解到各个单元 上，建立平衡方程，联立方程组，然后求解计算。有限元法在塑性加工领域的 应用开始于2 0 世纪7 0 年代，美国福特汽车公司著名学者sct a n g ( 唐先芝) 先生最早将有限元法应用于汽车车门的冲压成形过程计算分析，为弹塑性有限 元法在塑性加工领域的应用开创了先河【1 7 】。有限元法应用在塑性加工中的优越 性主要表现为： 1 有限元法可以给出接触面的应力分布，给出变形体内部任何位置的应力 应变分布及变形历史，对判断材料的屈服状态、缺陷位置等很有意义； 2 有限元法可以预测材料的加工缺陷形成位置、形成条件、缺陷种类，如 轧制过程中的裂边、断带，冲压过程中的起皱、破裂等问题，这些已在工程实 例中得到了应用。 3 有限元结果可以用于工艺优化，给出总的变形力及应力分布，是塑性加 工工艺优化的有力工具。 因此，有限元法模拟已经成为轧制加工中强有力的设计、分析和优化工 哈尔滨理r t 人学t 学硕l ：学位论文 具，有限元模拟软件一般结构见图1 _ 2 1 8 】。根据材料本构关系，有限元法可分 为刚塑性有限元法、弹塑性有限元法和粘塑性有限元法。在轧制问题中应用较 广泛的是前两种方法。 几 何 建 模 自 动 划 分 网 格 软懒 有 限 兀 模 型 载 荷 和 约 束 设 置 单 兀 特 性 确 定 材 料 特 性 形 成 数 据 文 件 递 交 数 据 文 件 分 析 与 求 解 形 成 结 构 文 件 读 取 结 果 文 件 鞠f ，伽li 软黼 图l - 2 有限元软件结构 f i g 1 - 2f i n i t ee l e m e n tm e t h o ds o f t w a r es t r u c t u r e 1 3 2 轧制过程中有限元研究的国内现状 结 构 后 处 理 目前，国内外许多专家、学者在有限元轧制模拟方面进行了研究，研究范 围广泛，从工艺参数( 压下率、轧制速度、轧制温度、辊径等) 的优化模拟， 到轧板的形变、应力应变、温度场的分布、再到轧板内部缺陷、微观组织演变 机理。现将具体研究工作叙述如下。 许志强等f 1 9 0 2 2 将相对密度与可压缩刚塑性有限元模拟方法相结合，模拟金 属塑性变形过程，便于分析不同工艺对棒材芯部孔隙性缺陷压合效果。模拟结 果表明对于棒材轧制，为强化芯部压合效果，应尽量减少轧制道次，增加最大相对 道次压下量，尽量不采用小压下量轧制道次。 黄华贵等【2 3 】通过数值模拟，给出了塑性夹杂物三维形态演变规律和硬质夹 杂物周围基体金属的应力场、应变场和速度场分布规律，对大锻件内部夹杂性 裂纹的形成机理进行了分析。 沈阳理工大学的刘桂荣【2 4 1 利用s u p e r f o r m 软件，采用三维模型具体模拟了 摩擦系数、板料温度、轧辊温度、轧制压下量、板宽等轧制参数对a z 3 i 镁合 金板材的厚向位移、横向位移、横向应变、轧制力、轧件形状等的影响。确定 了合理的工艺参数，所建立的几何模型如图l 一3 所示。 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 内蒙古科技大学的刘畅【2 5 】借助有限元分析软件之一a b a q u s ，建立了冷 轧薄板的工作辊牟l 件有限元模型，首先实现了冷轧过程动态仿真，而后计算 出了工作辊表面裂纹处应力强度及波动幅值，最后得到如下结论：轧辊表面节 点的应力及压应力在轧制过程中随时间的变化曲线分别是正弦波和锯齿波，且 呈衰减的趋势，最大点出现在轧辊与轧件接触时。计算模型采用的工作辊一轧 件有限元完整模型见图1 4 。 图1 3 模拟的几何模型图1 4 入辊轧件有限元完整模型 f i g 1 3g e o m e t r i cm o d e lo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nf i g 14 f em o d e lo f6 - r o l l sr o l l i n g 熊尚武等 2 6 - 3 3 】利用刚塑性有限元技术，首先分析孔型立轧时轧件分别在稳 态和粗轧过程中，金属流动及变形规律，得到的计算结果与实验数据相吻合； 然后研究了热带刚粗轧平辊立轧变形过程，得到了轧件变形及力学性能受辊径 变化的影响；最后开创性的提出了近似处理奇异点的新方法一超薄单元法，提 高计算精度。 山东大学的王华【3 4 】利用a n s y s 有限元软件，模拟计算了在两道次冷连轧过 程中3 0 4 不锈钢的变形过程，分析得到轧件在轧制过程中应力应变等情况，并 研究了摩擦系数、压下量等轧制工艺参数的改变对轧制结果的影响，有利于优 化轧制生产工艺。 1 3 3 轧制过程中有限元研究的国外现状 目前，国外对铝熔体的净化处理技术相当重视，而且较为先进的对炉内铝 熔体加强清洁，基本上不使用熔剂覆盖而是采用控制炉温、炉内正压、炉气等 手段避免铝熔体与炉气接触，有效地防止气体进入及氧化夹杂物形成。由于国 外铝熔体精炼净化处理技术的先进性，铸造铝合金不存在气孔疏松缺陷的问 哈尔滨理t 大学1 = 学硕上学位论文 题。因此，国际上有限元模拟技术在轧制上的应用大多在于轧制工艺、轧制变 形过程等方面。 zy j i a n g ，akt i c u 3 5 - 3 6 j 等利用三维弹塑性有限元法模拟带钢冷轧过程， 得到了满意的模拟结果。之后，二人又利用有限元理论研究并得出了摩擦系数 在冷轧过程中的变化规律。 c h c n ggs 3 7 通过有限元模拟技术研究了轧辊与板带轧件间在轧制压力作 用下的相互关系，有效的指导实际轧制生产过程。m u h m m a da w a i s 等【3 8 】利用 弹塑性有限元理论，通过改变各影响参数，模拟研究棒材五道次轧制过程中的 不稳定性情况，结果得出合理的轧制道次和轧制温度来提高轧制过程的稳定 性，并通过实验证明了模拟结果的准确性。 h c n g - s h c n gl i n t 3 9 】等利用d e f o r m 2 d 软件模拟棒线材等的拉拔工艺，首 先总结出了金属材料的不均匀变形及存在残余应力是与参数有关的，然后给 出了摩擦系数的影响。 综上所述，目前，国内外许多专家、学者在有限元轧制方面已经取得了阶 段性的成果，主要的研究工作有：利用有限元模拟技术研究轧制过程的工艺参 数对轧件变形速度、应力应变场、温度场的影响、轧件内金属的变形规律、轧 制后各种变形参数和力学参数的变化，等等。而针对铸造铝合金气孔缺陷的数 值模拟技术还处于空白阶段，本文在前人研究工作的基础上，根据铝合金气孔 缺陷产生机理，建立带有气孔缺陷的铝合金薄板有限元模型，研究轧制过程中 轧件气孔周围应力、应变的变化受轧制参数的影响规律，最终降低铝合金轧制 裂边、断带缺陷产生几率。影响轧制效率的工艺参数有很多，根据各参数对铝 合金轧制效果的影响程度，本文只选取压下量、轧制速度、轧制道次三种参数 对气孔缺陷的影响。这将为进一步研究轧制参数对铝合金轧制缺陷的影响奠定 基础。对提高铝合金轧制加工效率，指导生产方案具有非常重要的意义。 1 4 课题研究的目的和主要内容 本文以带有气孔缺陷的薄板铝合金冷轧过程为研究对象，采用弹塑性有限 元模拟技术，以a b a q u s 有限元软件为平台，研究轧制过程中轧制工艺参数 对轧件气孔的变形影响，得出轧件气孔周围应力、应变的变化，进而判断改变 轧制工艺参数时轧制裂边、断带缺陷产生趋势，为提高铝合金轧制加工效率， 指导实际生产打下基础。具体研究内容如下： 1 用旋转喷吹精炼法，净化处理铝熔体，使铸锭铝合金除气率达到 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 6 8 ；通过拉伸试验测试铝合金的力学性能( 抗拉强度、延伸率) ，分析工艺 参数对铝合金力学性能的影响，优化精炼工艺参数，确定一套合理的精炼工艺 方案，使铝铸锭气体含量达到最低。 2 借助a b a q u s 有限元分析软件，建立铝合金轧制的工作辊和带有气孔 缺陷的轧件的有限元模型，实现铝合金轧制过程的有限元动态模拟仿真，给出 改变压下量、轧制速度、轧制道次的模拟方案，为下一步分析各种轧制工艺参 数对轧件气孔缺陷的影响奠定基础。 3 在轧制道次、轧制速度不变的情况，分析压下量分别为0 3 m m 、1 0 m m 时，对轧件表面气孔缺陷应力、应变的影响情况，及气孔缺陷的演变规律，进 而判断产生裂边、断带缺陷的可能性；同样方法，分析轧辊速度分别为2 r s 、 5 r s 时、分析一道次轧制和二道次轧制时，轧件表面气孔缺陷应力、应变的变 化情况，及气孔缺陷的演变规律，判断产生裂边、断带缺陷的可能性。 4 确定降低铝合金轧制产生裂边、断带缺陷的工艺参数条件。 5 通过模拟分析结果，验证与实际生产的一致性、模拟结果的可靠性。 本课题来源于本课题来源于黑龙江省博士后启动基金项目：4 0 0 4 铝合金熔 体精炼及变质技术的研究。 哈尔滨理t 大学1 = 学硕士学位论文 第2 章4 0 0 4 铝合金铸锭的制备及力学性z v ：m l 。l 试 本文是针对东北轻合金责任有限公司在生产4 0 0 4 合金方锭的过程中，由 于铝熔体的气体含量偏高，导致铸锭中存在大量气孔、疏松缺陷，降低铝合金 机械性能。利用旋转喷吹精炼技术，研究各参数的影响规律，优化工艺参数， 找到一套最佳工艺方案，提高除气率。通过拉伸试验测定精炼后铝合金的力学 性能，将测定结果应用于后续的模拟研究工作中。测定结果表明其抗拉强度、 延伸率等均得到了提高，这有利于解决生产过程中出现的因含气量高而导致的 成材率低的技术难题，使后续轧制质量得以保证，提高产品竞争力。 2 1 旋转喷吹精炼法制备4 0 0 4 铝合金轧材 氯盐精炼除气是较传统的精炼方法，所选的溶剂种类等因素很容易影响精 炼效果，并且精炼中许多有害于人体和周围环境的有害气体会相伴而生。与此 相比，旋转喷吹精炼技术则避免的上诉不利危害，因此，该项技术被越来越广 泛的应用于铸造铝合金生产工艺中，这不仅大大的提高了铝铸锭的质量，而且 也迎合了当代环保的理念，因此，旋转喷吹精炼法被视为铝合金精炼技术的飞 越发展，其应用前景不可估量h o 。 旋转喷吹精炼法的原理是将惰性气体( 如a r ) 以旋转的方式吹入熔融的铝 液中，由于气体在铝液中形成旋转的气流、水流，致使融在溶液中的气泡被打 散，变成半径更小的气泡，且分布更均匀，为下一步浮游精炼做准备。原理如 图2 1 所示。 2 1 1 实验仪器及实验材料 。 实验用到的实验设备及型号如表2 1 所示。图2 2 为本次实验所用的旋转 喷吹机。 表2 1 所用设备及型号 设备熔炼炉旋转喷吹精炼机测氢仪 型号 7 5 k w 电阻炉x d - j 10 0 b pn o t o r pk y h s a 2 机 图2 1 旋转喷吹示意图 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fr o t a t ei n j e c t i o n 图2 - 2 旋转喷吹精炼机 f i g 2 2t h e r e f i n e ro fr o t a t ei n j e c t i o n 本次实验材料选用4 0 0 4 铝合金，该合金为东北轻合金有限公司生产，化 学成分及百分含量如表2 2 所示。 表2 24 0 0 4 合金的化学成分( 叭) 化学元素 合金种类 s if ec um n m g z na l 4 0 0 49 0 一1 0 5o 80 2 50 1 0 1 o 2 0o 2 0余量 2 1 2 实验方案 首先选取不同的旋转喷吹工艺参数精炼4 0 0 4 铝合金，将精炼后的4 0 0 4 铝 合金浇注到金属型中；测量精炼后4 0 0 4 铝合金铸锭的含氢量；j 下交实验法寻 求最优旋转喷吹精炼工艺参数。根据各因素对最终精炼效果的影响程度，最终 选定r o t a t i o ns p e e d ( 转予转速) 、g a sf l o w ( 气体流量) 、r e f i n i n gt i m e ( 精炼 时间) 和s t i l lt i m e ( 静止时间) ，正交实验方案如表2 3 所示。 表2 3 正交实验方案 影响因素 测试 r o t a t i o ns p e e d ( n ，g a sf 1 o w ( q ，r e f i n e m e n tt i m e ( t l ，s t i l lt i m e ( t 2 ， 方案 r m i n )m h )m i n )m i n ) 13 0 0o 253 24 0 00 31 06 35 0 0o 41 59 2 1 3 实验结果与讨论 表2 4 为各因素正交实验结果，由表可知，提高转子转速、增加气体流量 都会提高除气率，因此，除气速率受气体流量、转子转速和精炼时间的影响效 果最大，而受静止时间的影响效果较小。 表2 _ 4 实验因素水平测定 试 因素 氢含量m l 1 0 0 9 a l 除氢 验 a 转子转b 气体流c 精炼时 d 静置时间 率 号 速n量q间t 1t 2精炼前 精炼后 r m i nm 3 hm i n m i n 1 1 ( 3 0 0 )1 ( 0 2 )1 ( 5 )1 ( 3 ) 0 2 1 5o 1 7 4 1 9 0 6 2 2 ( 4 0 0 )1 ( 0 2 )2 ( 1 0 )2 ( 6 ) o 2 1 5o 1 3 5 3 7 2 3 3 ( 5 0 0 )1 ( o 2 )3 ( 1 5 )3 ( 9 ) 0 2 1 5o 1 1 44 6 9 7 4 1 ( 3 0 0 )2 ( 0 3 )2 ( 1 0 )3 ( 9 ) 0 2 1 50 1 53 0 2 3 5 2 ( 4 0 0 )2 ( 0 3 )3 ( 1 5 )1 ( 3 ) 0 2 2 00 1 9 41 0 4 5 6 3 ( 5 0 0 )2 ( 0 3 )1 ( 5 )2 ( 6 ) 0 2 3 20 0 8 36 4 2 2 7 1 ( 3 0 0 )3 ( 0 4 )3 ( 1 5 )2 ( 6 ) 0 2 0 8o 1 1 84 3 2 6 8 2 ( 4 0 0 )3 ( 0 4 )1 ( 5 )3 ( 9 ) 0 2 1 2 0 0 9 3 a 6 1 3 9 3 ( 5 0 0 )3 ( o 4 )2 ( 1 0 ) 1 ( 3 ) 0 2 2 60 0 7 36 8 i 3 8 5 34 3 1 55 1 2 55 1 8 3 i l i 5 4 1 65 2 7 l5 1 1 45 2 8 7 i l 6 4 1 85 8 7 65 4 1 l5 1 1 4 l r2 8 8 51 8 5 34 5 53 3 6 将影响旋转喷吹精炼的各因素做方差分析，如表2 - 5 。表中给出方差分析 后理论最佳旋转喷吹精炼工艺为a 3b 3 c 3 d 2 ，即：气体以0 4 m l h 的流量通过转 速为5 0 0r m i n 转子旋转喷吹4 0 0 4 铝合金熔体1 5m i n ，然后静置6m i n 。 表2 - 5 方差分析表 1 水平之2 水平之3 水平之 因素 和和和 极差 因素影响最佳 il ii i i r 次序 工艺 a ( q ，m 3 h ) 3 8 5 35 4 1 6 6 4 1 8 2 8 8 5l b ( 1 1 ，r m i n ) 4 3 1 55 2 7 l5 8 7 61 8 5 32 a 3 8 3 c ( t l ，m i n ) 5 1 2 5 5 1 1 4 5 4 1 1 4 5 5 3 c 3 d 2 d ( t 2 ，m i n ) 5 1 8 35 2 8 7 5 1 1 43 3 64 哈尔滨理工人学工学硕十学位论文 测定理论最佳工艺下生产的4 0 0 4 铝合金的含氢量为0 0 5 7m l ( 1 0 0 9 ) 一，除 气率可达6 8 ，达到理想除气效果。 2 24 0 0 4 铝合金力学性能试验 测定及评价金属材料产品的手段有很多，其中最重要的手段之一便是力学 性能试验，而测试材料力学性能的方法中应用最为广泛的是力学拉伸试验，拉 伸试验所测出的各项材料性能指标可以作为重要参数来表示金属材料的力学性 甜4 。本文采用室温拉伸试验来研究4 0 0 4 铝合金的力学性能并获得材料的应 力应变曲线。 2 2 1 拉伸试验过程 本实验的试样材料为轧制态的4 0 0 4 铝合金板料，厚度为3 m m ，为了实验 的准确性本文对试样的加工采用线切割加工，试样的具体尺寸参数见图2 - 3 。 本文采用i n s t r o n - 1 1 8 6 万能电子拉伸试验机( 如图2 - 4 ) 。拉伸速度为 0 5 m m m i n ，拉伸引伸仪标距为18 m m 。铝合金力学性能试验步骤如下： 图2 - 3 拉伸试样图 f i g 2 3f i g u r eo ft e n s i l es p e c i m e n 1 实验前，将各试样编号( a 1 a 6 ) ，利用游标卡尺分别测量各试样中间 部位一段长度并做上标记，作为原始标距k ，并测量出试件的厚度与宽度； 2 通过控制器，放进下夹具，并将试样装央在夹具上，装夹时通过调整下 夹头的位置以保持试样在轴线方向呈竖直状态，注意试件不能倾斜，以免影响 测试结果； 3 试件装夹完毕，将拉伸速度、标距等数据上输入计算机，点击启动按 钮，对试件进行拉伸； 4 试件拉伸完毕，拉断后的试样如图2 5 ，对接各组拉断试样，测量l u ， 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 最后将所测数据录入计算机； 5 实验结束后，记录相关力学性能数据，得到应力应变曲线图。 由于拉伸试验的结果往往受到材料属性( 如屈服极限、强度极限、弹性模 量等) 、试样制备、拉伸速度、周围环境等的影响，而使试验结果存在误差， 因此本试验中选取6 个相同条件的试样分别进行室温拉伸试验，测试材料的室 温抗拉强度( ) 、延伸率( j ) ，六组试验结果取平均值作为最终测量值。 安 图2 _ 4i m t r o n 118 6 拉伸试验机 f i g 2 - 4t e n s i l et e s t i n gm a c h i n eo f i n s t r o n 一11 8 6 图2 5 拉伸断裂后的试样 f i g 2 5t h et e n s i l ef a i l u r es p e c i m e n s 打印机 主机 显示器