冷轧板带变形的三维分析

冷轧板带变形的三维分析刘立文韩静涛梅富强张树堂摘要：应用三维弹塑性有限元法，在大型商业有限元软件平台上开发了冷轧板带模拟系统，分析了轧件变形情况,考虑了不同厚度、压下率和摩擦系数的影响,并计算了边降及金属横向流动的变化规律,计算结果与实验结果吻合情况较好.关键词:弹塑性有限元法；三维分析；板带轧制；边部变形Analysis of 3-D deformation in cold strip rollingLIU Li-wen HAN Jing-taoUniversity of Science &Technology Beijing, Beijing 100083, ChinaMEI Fu-qiang ZHANG Shu-tangCentral Iron & Steel Research Institute, Beijing 100081, ChinaAbstract:A simulation system of strip rolling was developed with three dimensional elastic-plastic finite element meth-od on the bases of the large commercial software. The rules of edge drop and lateral metal flow were gained in diffe-rent reduction, strip thickness and friction coefficient. The calculation results are in good agreement with the experimental ones.Keywords:elastic-plastic finite element method; 3-D analysis; strip rolling; edge deformation控制板形主要是控制板带横向厚度分布和翘曲度通过轧辊轴移和交叉等手段可控制板凸度，通过工作辊轴移可缓解因轧辊磨损引起局部高点的现象，剩下的问题应是控制距离板边部0100mm区域内厚度急剧减小边部降落现象板带轧制中，边降及边部变形不均匀会导致边裂，一旦形成边裂，很容易发生断带事故为防止断带，必须增加裁边工序，既增加了金属消耗，又延长了生产周期因此，研究边降形成的原因，减缓边降和裂边，具有重要的实际意义对此问题，已有了一定的研究，石川孝司等1考虑轧辊弹性变形沿板宽方向的变化，用解析法计算了板宽方向的厚度及单位轧制力分布山田健二2等应用分割模型和二维条元法计算了轧辊弹性变形，再利用刚塑性有限元法计算边部变形通过对轧辊弹性变形分析，可以认为边降的发生源于工作辊压扁在边部的突变，承载辊缝形状造成了边部降落，但由于自由端的影响，边部变形并不完全是辊缝形状的翻版为了进一步研究轧件单独变形的规律，本文采用三维弹塑性有限元法，在大型商业有限元软件（Marc）3平台上开发了轧制过程模拟系统1有限元模型及边界条件轧制过程模拟系统运行环境为UNIX3.2,硬件平台为ALPHASERVER2100由于轧件为矩形件，具有对称性，因此取1/4区域为研究对象，坐标系选取如图1所示对称面上位移约束为零图1轧制模型示意图材料服从Von-Mises屈服准则和Prundle-Roise流动理论，变形区内摩擦服从库仑定律，摩擦系数恒定模拟轧制参数见表1表1模拟轧制参数参数参数值参数参数值轧辊直径D/mm100摩擦系数0.08轧件厚度h/mm2轧件宽度b/2/mm1752实验条件与模拟结果对比为验证有限元计算的可靠性，在二辊轧机上进行了轧制实验，实验条件见表2测量轧后的边降和横向流动，并建立相应的有限元计算模型，实验和计算结果的对比情况见图2、图3表2实验条件参数参数值轧辊直径/mm140辊身长度/mm150前、后张力b、f/MPa0屈服强度/MPa210轧件尺寸hb/mmmm280压下量h/mm0.4图2板厚变化实验及计算结果对比1-实验结果；2-计算结果图3金属横向流动实验及计算结果对比从图中可以看出，计算与实验所得到的规律是一致的，这说明利用有限元软件分析轧制过程是可行的；同时，可以看出，板中部区域内的变形较均匀，不均匀变形主要发生在距离边部020mm的范围内，表现为边部厚度急剧减小，横向流动逐渐增大边部产生不均匀变形的原因，既有轧辊的弹性弯曲、弹性压扁造成的厚度减薄，也有轧件边部自由端流动造成的不均匀变形为了考察轧件自由端的影响，研究轧件单独变形的规律，以下计算中，将轧辊处理为刚性圆柱体，这时辊缝为恒平直3模拟计算及结果分析（1）轧件原始厚度对轧件变形的影响计算了5种不同来料厚度的变形情况，H0为1.5、2.0、3.0、3.5、4.5mm计算时采用的压下量h=0.5mm,其它参数同表2,计算结果见图4、图5图4不同板厚的厚向变形图5不同板厚的横向流动分布图4显示，来料厚度不同时，则在厚度方向的变形形貌不同当板厚为2.0mm时，在距离边部约20mm处，厚度有一个突起的峰值，而从计算结果数据中得知，在变形区内并没有此峰值，出变形区以后才出现根据板带轧制理论可知，薄板轧制时，靠近边部，轧制力有一个峰值，称为“摩擦峰”，它使金属受到的三向应力更大，因而产生的体积弹性变形也最大，出变形区后外力消失，轧件发生弹性恢复，出现厚度反弹从图5可知，距离边部20mm处金属横向流动也有一个转折点，由于z轴是以板边部向中央方向为正，横向流动为正值时，表明金属是向“内聚”而不是向外流动的刚性辊轧制时，变形不均匀主要集中在边部，而在中部大部分区域，轧件的变形是均匀的因此，下面的算例中将半板宽变为70mm,这样既保证了分析的准确性，又减少了计算量（2）压下量对轧件变形的影响为分析增大压下量时轧件变形的情况，其他计算条件同表2,轧件原始厚度H为0.4mm压下量h分别为0.3q0.6q0.9mmq压下率对轧件变形的影响见图6、图7图6压下率对横向位移的影响(e10表示压下率为10%,其余类似)图7压下量对边部变形的影响(单位为%)由图6和图7可见，压下率对板边部横向变形的影响规律很明显，随着压下量增大，边部金属横向流动明显增大，当压下率由10%增加到30%时，边部金属的横向位移量增加约1.2mm,横向应变约增为原来的6倍计算板边与距边部20mm处的横向流动差z=z0-z20,厚度差y=y20-y0以及厚向应变差y=y0-y20,结果见图7由图可见，压下率对横向变形的影响关系较清晰，压下率由10%增加到30%时，边降增加约0.5mm,横向流动差、应变差均增加，这说明变形不均匀性更大因此，小压下量是保持板形的有利条件轧件中部变形很均匀，轧辊是刚性的，由此可知，轧件自由端对变形的影响范围约为040mm（3）摩擦系数对轧件变形的影响保持其它参数不变，计算摩擦系数分别为0.06、0.08、0.10时横向位移和厚向位移分布情况，计算结果见图8、图9图8摩擦系数对横向位移分布的影响图9摩擦系数对厚向位移分布的影响从图中可见，摩擦系数从0.06增大到0.10时，厚向位移变化量约为10m摩擦系数对轧件变形的影响主要体现在边部上，当摩擦系数逐渐增大时，横向位移量也逐渐增大（图中横向位移为负值表示金属向板边流动）在距离板边部约20mm处，金属变形不随摩擦系数的改变而改变，在该区域变形分布曲线出现了交叉现象联系图5中金属横向流动的“内聚”现象，可以认为，曲线交叉点正是金属由外流转向内流的转变点，该解释尚待实验证明另外q与其他条件相比，摩擦系数对变形的影响作用较小4结论采用三维弹塑性有限元法，在大型商业有限元软件平台上开发了冷轧板带模拟系统在不同厚度、压下量（压下率）及摩擦系数等条件下，对冷轧板带边部变形进行了分析，计算结果与实验结果变化一致：（1）在相同压下量的条件下，随轧件厚度增大，金属的横向流动增大，但边降减小“摩擦峰”使靠近边部的金属弹性恢复更大，出现厚度突起的现象（2）对相同厚度的轧件，随压下量（压下率）的增大，边部不均匀变形程度增大因此，小压下量依然是保持板形的一个有利条件（3）当摩擦系数逐渐增大时，横向位移量也逐渐增大在距离板边部约20mm处，变形分布曲线出现了交叉现象，与其他条件相比，摩擦系数对变形的影响作用较小在理想轧制条件下，轧件边部仍有横向流动及边部厚