朱劍濤

摘要：矯直工藝有助于在改善熱軋帶鋼板形的同時(shí)控制其殘余應(yīng)力，但帶鋼在矯直機(jī)入口會(huì)受到開卷張力的作用，受到拉伸和彎曲的綜合作用，矯直過(guò)程是一個(gè)三維彈塑性變形行為。為了使矯直機(jī)在平整線發(fā)揮更大的作用，需要明確不同工藝參數(shù)下的帶鋼塑性延伸變化規(guī)律。本文以某廠6輥矯直機(jī)為仿真對(duì)象，運(yùn)用ABAQUS有限元軟件對(duì)帶鋼矯直過(guò)程進(jìn)行二維彈塑性仿真，得出帶鋼的塑性延伸變化規(guī)律和矯直工藝參數(shù)之間的關(guān)系，為優(yōu)化工藝參數(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。

Abstract： The straightening process helps to improve the shape of the hot-rolled strip while controlling its residual stress， but the strip will be affected by the uncoiling tension at the entrance of the straightening machine， and will be affected by the combined effects of stretching and bending. The straightening process is A three-dimensional elastoplastic deformation behavior. In order to make the straightening machine play a greater role in the leveling line， it is necessary to clarify the law of plastic extension of the strip under different process parameters. In this paper， a 6-roll straightening machine from a certain factory is used as the simulation object， using ABAQUS finite element software to carry out two-dimensional elastoplastic simulation of the strip straightening process， and obtain the relationship between the strip's plastic extension change law and the straightening process parameters. Laid a theoretical foundation for optimizing process parameters.

關(guān)鍵詞：熱軋帶鋼;多輥矯直;塑性延伸;數(shù)值仿真

Key words： hot rolled strip steel;multi-roll straightening;plastic elongation;numerical simulation

中圖分類號(hào)：TG333.23? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）24-0035-03

0? 引言

熱軋帶鋼經(jīng)粗軋、精軋、層冷及卷取等工藝后自然冷卻為成卷帶鋼，此時(shí)帶鋼還需運(yùn)送到平整分卷機(jī)組進(jìn)行平整分卷，進(jìn)一步改善帶鋼的機(jī)械性能、板形和表面質(zhì)量[1]。但由于熱軋帶鋼的矯直過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的三維彈塑性變形行為，且矯直過(guò)程中使用的工藝參數(shù)大多依靠于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[2]和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使得平整后的帶鋼在后期加工時(shí)會(huì)出現(xiàn)側(cè)彎、縱彎、錯(cuò)層、挫傷等缺陷，這些缺陷嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量，給企業(yè)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)和聲譽(yù)損失。為了盡量避免此類缺陷的發(fā)生，使多輥矯直機(jī)在平整線中的發(fā)揮更大的作用，需要明確不同工藝參數(shù)下的帶鋼塑性延伸變化規(guī)律。但解析法求解建立在多項(xiàng)重要的簡(jiǎn)化假設(shè)上，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果難以與它生產(chǎn)中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相吻合[3]，有限元法為解決此類問(wèn)題提供了一個(gè)重要的手段。因此，為了優(yōu)化某鋼廠6輥矯直機(jī)的使用工藝，分析解決存在的問(wèn)題，借助于ABAQUS有限元軟件對(duì)帶鋼矯直過(guò)程進(jìn)行二維彈塑性仿真，得出帶鋼的塑性延伸變化規(guī)律和多輥矯直工藝參數(shù)之間的關(guān)系，更合理的提出目前平整線的改造方案，為優(yōu)化工藝參數(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。

1? 帶鋼多輥矯直過(guò)程的有限元分析

1.1 6輥張力多輥矯直機(jī)結(jié)構(gòu)

某鋼廠對(duì)1580平整線進(jìn)行了改造，在開卷機(jī)與平整機(jī)之間放入一6輥矯直機(jī)，由于平整工藝需要一定工藝張力，帶鋼的矯直實(shí)際為帶張力多輥矯直，此后稱1580平整線的矯直機(jī)為張力多輥矯直機(jī)。6輥張力多輥矯直機(jī)矯直輥由電機(jī)經(jīng)減速器驅(qū)動(dòng)，若忽略矯直輥驅(qū)動(dòng)的影響，在張力多輥矯直機(jī)中帶鋼同時(shí)受到拉伸和彎曲的作用，因此其變形及力學(xué)機(jī)理同拉彎矯直，可用研究拉彎矯直的研究思路來(lái)研究張力多輥矯直機(jī)。

1.2 幾何和計(jì)算模型的建立

1.2.1 結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化

矯直輥實(shí)際機(jī)械參數(shù)為直徑220mm、輥距280mm、輥長(zhǎng)1750mm，在建立有限元仿真模型時(shí)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化，如圖1所示。忽略帶鋼厚度，由簡(jiǎn)單的幾何計(jì)算可求得OO′約為50mm，即上輥極限壓下量（插入深度）為50mm，1#、2#、3#矯直輥均可單獨(dú)壓下。

1.2.2 基本假設(shè)

為了提高運(yùn)算效率，在滿足精度的條件下，提出了如下假設(shè)：①為研究帶鋼的變形，設(shè)置帶鋼為均質(zhì)、各項(xiàng)同性的可變形體，忽略包辛格效應(yīng)，忽略加工硬化效壓，不考慮矯直輥的變形，矯直輥設(shè)置為離散剛體，其運(yùn)動(dòng)由圓心處參考點(diǎn)控制。②模型為二維模型，假設(shè)帶鋼寬度對(duì)帶鋼長(zhǎng)度及厚度方向上的計(jì)算結(jié)果無(wú)影響。③忽略帶鋼初始板形及內(nèi)應(yīng)力的影響，帶鋼初始為一平直板。

帶鋼的矯直過(guò)程是典型的材料非線性、幾何非線性和邊界非線性的問(wèn)題，而且?guī)т撛谙蚯暗倪\(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生變形，所以采用大位移的分析方法。

1.2.3 模型的構(gòu)建

本研究主要針對(duì)該廠生產(chǎn)的510L汽車大梁鋼，其屈服強(qiáng)度為468MPa，抗拉強(qiáng)度708MPa，彈性模量207075MPa，強(qiáng)化模量893MPa，泊松比0.3。在此矯直輥無(wú)驅(qū)動(dòng)的模型中，接觸設(shè)置中摩擦系數(shù)設(shè)定為0，帶鋼與矯直輥之間無(wú)摩擦，無(wú)能量交換。單元類型選擇線性縮減積分單元（CPS4R），為較好的觀察帶鋼上下表面及中心層塑性延伸，帶鋼厚度方向劃分11個(gè)單元，長(zhǎng)度方向設(shè)定帶鋼長(zhǎng)度3400mm，網(wǎng)格長(zhǎng)度為4mm。

2? 多輥矯直工藝模擬的結(jié)果分析

多輥矯直工藝影響因素眾多，本文利用所建立的有限元模型，研究了矯直過(guò)程中各輥縫值、入口張應(yīng)力、屈服強(qiáng)度、帶鋼厚度等參數(shù)對(duì)帶鋼塑性延伸的影響規(guī)律，并對(duì)矯直機(jī)的極限矯直能力進(jìn)行了分析。

對(duì)于塑性延伸的研究主要是研究帶鋼上表面塑性延伸率εu、中心層塑性延伸率εm、下表面塑性延伸率εd，以上塑性延伸率分別對(duì)應(yīng)網(wǎng)格劃分從上往下第1層、第6層、第11層的沿帶鋼方向塑性延伸率。由于模型采用絕對(duì)坐標(biāo)，ABAQUS有限元軟件輸出的X向塑性延伸、Y向塑性延伸、Z向塑性延伸及切向塑性延伸分別為PE11、PE22、PE33、PE12，若帶鋼厚度截面與Y軸有夾角，則輸出的PE11并不是帶鋼沿長(zhǎng)度方向塑性延伸率，因此利用材料力學(xué)中應(yīng)變公式計(jì)算沿帶鋼長(zhǎng)度方向塑性應(yīng)變，如式（1）所示：（1）

為定量描述張力多輥矯直機(jī)對(duì)帶鋼的矯直能力，定義帶鋼上表面塑性應(yīng)變減下表面塑性應(yīng)變?yōu)樯舷卤砻嫠苄匝由觳瞀う牛渲涤冒俜直缺硎尽?/p>

2.1 各輥縫值對(duì)塑性延伸影響

隨著總輥縫值的增大，帶鋼上下表面塑性延伸差也相應(yīng)增大，但增長(zhǎng)趨勢(shì)減緩，隨后帶鋼厚度各層帶鋼塑性應(yīng)變趨于恒值。當(dāng)k值較小，上下表面塑性延伸差最快達(dá)到最大值。調(diào)節(jié)區(qū)間在-0.1%到0.8%之間，除在輥縫比k為2，總輥縫為7.5mm時(shí)上下表面塑性延伸差小于0，即帶鋼下表面塑性延伸率大于帶鋼上表面塑性延伸率，其它結(jié)果都是帶鋼上表面塑性延伸率大于帶鋼下表面塑性延伸率，這表明無(wú)法通過(guò)輥縫的分配調(diào)控上下表面塑性延伸的大小關(guān)系。在圖2中用虛線標(biāo)出了各曲線數(shù)值差異較大區(qū)域，也說(shuō)明在總輥縫較小及較大時(shí)輥縫比k的選擇對(duì)上下表面塑性延伸差大小的影響較小。

輸出不同輥縫比下中心層塑性延伸如圖2所示，從圖中可以看出，隨著總輥縫的增大，即變形的增大，帶鋼中心層塑性延伸率增大。要使中心層產(chǎn)生塑性延伸，總輥縫應(yīng)大于一個(gè)數(shù)值，對(duì)于當(dāng)前工況，總輥縫應(yīng)大于22.5mm。對(duì)比不同輥縫比曲線可以看出不同的輥縫比k下中心層塑性延伸也不同。

同時(shí)也考慮了在入口張力與輥縫比共同作用下的塑性延伸差變化規(guī)律。曲線在更大的總輥縫下達(dá)到最大，即總輥縫變化對(duì)上下表面塑性延伸差的調(diào)節(jié)區(qū)間（-0.2-0.8%）增大。同時(shí)帶鋼需要在更大的總輥縫值時(shí)中心層產(chǎn)生塑性延伸，這說(shuō)明增大矯直機(jī)入口張應(yīng)力可以增大帶鋼的塑性延伸。入口張應(yīng)力對(duì)上下表面塑性延伸差的極限值影響較小。如圖3所示，帶鋼厚度由6mm減小為3mm，上下表面延伸差隨總輥縫先減小后增大，各曲線上下表面塑性延伸差變化區(qū)間在-0.2-0.6%之間，上下表面塑性延伸差區(qū)間向下偏移。由于矯直機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，當(dāng)各曲線達(dá)到最大總輥縫值時(shí)，僅輥縫比k為0.5、0.67曲線達(dá)到極限上下表面塑性延伸差。由中心層塑性延伸曲線可以看出帶鋼厚度由6mm減為3mm時(shí)，無(wú)論總輥縫值取多大，帶鋼中心層始終無(wú)塑性延伸，說(shuō)明帶鋼越薄，中心層越不容易產(chǎn)生塑性延伸，需要更大的壓下量。

2.2 入口張應(yīng)力對(duì)塑性延伸影響

帶鋼入口張應(yīng)力變化對(duì)上下表面塑性延伸差的影響：在總輥縫較小時(shí)，帶鋼上下表面塑性延伸差隨入口張應(yīng)力的增大而增大;在總輥縫較大時(shí)，上下表面塑性延伸差隨入口張應(yīng)力的增大而減小，同時(shí)可以看出上下表面塑性延伸差的變化幅度較小，入口張應(yīng)力對(duì)上下表面塑性延伸差影響較小。

帶鋼入口張應(yīng)力σ0變化對(duì)中心層塑性延伸的影響，隨著總輥縫的增大，帶鋼中心層塑性延伸率增大。帶鋼入口張應(yīng)力越大，帶鋼中心層越容易產(chǎn)生塑性延伸。在總輥縫值相同情況下，入口張應(yīng)力越大，帶鋼中心層塑性延伸越大。

2.3 屈服強(qiáng)度對(duì)塑性延伸影響

帶鋼屈服強(qiáng)度變化對(duì)上下表面塑性延伸差的影響：在總輥縫值較小時(shí)，屈服強(qiáng)度越大，帶鋼上下表面塑性延伸差越小，總輥縫值較大時(shí)，帶鋼上下表面塑性延伸差隨屈服強(qiáng)度變化幅度較小，屈服強(qiáng)度對(duì)帶鋼上下表面塑性延伸差影響較小。

帶鋼屈服強(qiáng)度變化對(duì)中心層塑性延伸的影響，如圖4、圖5所示，帶鋼屈服強(qiáng)度越小，帶鋼中心層越容易產(chǎn)生塑性延伸。在相同的總輥縫下，屈服強(qiáng)度越大，帶鋼中心層塑性延伸越小。

2.4 帶鋼厚度對(duì)塑性延伸的影響

帶鋼厚度變化對(duì)上下表面塑性延伸差的影響如圖6所示，帶鋼厚度對(duì)帶鋼上下表面塑性延伸差有較大的影響。當(dāng)厚度較小時(shí)，上下表面塑性延伸差隨總輥縫增加先減小后增加;當(dāng)厚度較大時(shí)，上下表面塑性延伸差隨總輥縫增加先增大后減小。當(dāng)總輥縫值較小時(shí)，帶鋼越厚，上下表面塑性延伸差越大;當(dāng)總輥縫值達(dá)到最大，各曲線上下表面塑性延伸差值趨于一致。

帶鋼厚度變化對(duì)中心層塑性延伸的影響：帶鋼越厚，中心層越容易產(chǎn)生塑性延伸。當(dāng)總輥縫值一定時(shí)，帶鋼越厚，中心層塑性延伸越大。矯直機(jī)總輥縫從最小增加到最大，帶鋼上下表面塑性延伸差逐漸增大并達(dá)到極值，當(dāng)上下表面塑性延伸差達(dá)到最大時(shí)帶鋼中心層開始產(chǎn)生塑性延伸，此時(shí)隨著帶鋼厚度的進(jìn)一步增大，上下表面塑性延伸差小幅減小，此時(shí)帶鋼中心層塑性延伸開始快速增大，此時(shí)帶鋼的上下表面及中心層塑性延伸產(chǎn)生一個(gè)均勻化的過(guò)程。

3? 結(jié)論

通過(guò)對(duì)多輥矯直過(guò)程進(jìn)行大量工況的仿真計(jì)算，對(duì)模擬所得到的矯直結(jié)果進(jìn)行整理，得到了矯直過(guò)程中各輥縫值、入口張應(yīng)力、屈服強(qiáng)度、帶鋼厚度等參數(shù)對(duì)帶鋼塑性延伸的影響規(guī)律。通過(guò)以上分析可以發(fā)現(xiàn)帶鋼入口張力及屈服強(qiáng)度對(duì)平整線6輥張力多輥矯直機(jī)的極限矯直能力即最大上下表面塑性延伸差影響較小;帶鋼厚度對(duì)上下表面塑性延伸差影響較大，帶鋼厚度越大，帶鋼上下表面塑性延伸差越大。

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