冷軋帶鋼軋制力及影響因素有限元仿真

吳志光

摘 要：隨著我過經濟的迅猛發展，汽車，航空航天，電子電器等工業對帶鋼的規格、型號、品種、表面質量和性能不斷提出更高的要求。熱軋帶鋼表面質量差，尺寸超差，不能滿足市場對于帶鋼的需求。 而冷軋帶鋼表面質量好，尺寸精度高得到了廣泛的應用。本文首先是通過建立軋制過程中的軋輥實體模型，利用有限元分析軟件，對軋制過程中的軋制力進行分析計算，通過計算分析軋制力影響因素摩擦系數、壓下率的仿真，使得軋制力模型能精確的反映實際情況。對實際冷軋帶鋼的軋制過程有一定的指導意義。

關鍵詞：冷軋；帶鋼 ；軋制力；有限元仿真

冷軋帶鋼產品表面質量好，尺寸精度高。然而軋制過程中，軋制力不均勻會導致帶鋼產生很大的表面質量問題。與輥凸度、軋輥的彈性變形、輥的磨損等因素共同影響帶鋼的表面質量。導致帶鋼表面出現雙邊浪、單邊浪、中間浪、翹曲、等質量問題。嚴重制約了帶鋼的生產率。與歐美日國家比較，我國的冷軋帶鋼，鍍鋅層板的產量偏低，提高熱軋帶材轉化為冷軋帶鋼對于我過的鋼材市場有很大的意義。

1 軋輥實體模型建立

軋制過程中，帶鋼在接觸區不僅有線性的變形也有非線性的變形。工作輥與帶鋼之間接觸應力比較大，有些研究以軋輥為剛體，不產生彈性變形，采取此模型計算軋制力精度不高。軋制力的精確計算不僅會影響到軋機零部件的強度計算，而且還會影響到對半板形的控制精度。因此研究精度高的軋制力計算模型意義重大。

以四輥軋機冷軋為例，在工作輥旋轉帶動下，帶鋼咬入后，帶鋼在摩擦力和前張力的帶動下完成軋制。圖1所示。

圖1 四輥軋機軋制帶鋼示意圖

四輥軋機主要有機架、工作輥、支承輥、軸承等零件組成，為減少工程設計和計算時間，以工作輥、支承輥和帶鋼為主要對象建立三維模型，如圖2所示。

2 四輥軋機軋輥有限元模型建立

2.1 三維模型建立

軋輥軋制過程中軋制變形區形變十分復雜，金屬流動情況涉及到金屬材料線性與的非線性，混合邊界條件難于處理復雜，普通理論計算難于滿足精度要求。

圖2 四輥軋機實體模型

MARC是功能齊全的高級非線性有限元軟件，具有極強的結構分析能力。為滿足工業界和學術界的各種需求，MARC提供了層次豐富、適應性強、能夠在多種硬件平臺上運行系列產品。 MARC體現了有限元理論方法與軟件的完美結合，具有極強的結構分析能力。可以處理各種線性與非線性結構分析，線性/非線性靜力分析、莫泰分析、簡諧響應分析、頻譜分析、隨機振動分析、動力響應分析等；MARC為基于位移法的有限元程序，，程序按模塊化編程，在非線性方面具有強大的功能，工作數組可根據計算機內存大小進行調整，如對精度要求較高可用雙精度進行運算。當節點數、單元數太多，內存不能滿足需要時可以利用外存進行分析。在分析過程中，可以變更單元的劃分和節點數目。MARC對于非線性問題采用增量解法，在各增量步內對非線性代數方程組進行迭代以滿足收斂判定條件。根據具體分析的問題可采用不同的分析方法，如對于彈塑性分析和大位移分析可采用切線剛度法，對于蠕變分析或熱應力分析可采用初應變法。

輸入數據可由用戶生成，分析功能指示由參數選項確定，分析模型的內容由模型定義選項組確定，增量步數由歷程定義選項組確定，圖形輸出由繪圖定義選項組確定。

軋輥在軋制過程中，由于軋制力大、軋輥發生彎曲及壓扁。所以把軋輥中心考慮成剛體，軋輥為彈性體，模擬計算精度不高。所以，本文三維軋輥模型分析過程中軋輥為彈性體，軋制過程既有軋輥的彎曲變形也包括軋輥的壓扁，對于軋輥軋制力模擬精度比較前者精度更高。軋制過程中由于軋件上下左右對稱分布，為節省計算時間，提高計算精度，故取其1/2部分計算，橫向以板寬中心為對稱面取1/2，厚向以板厚中心為對稱面，取上半部。選用具有良好的計算精度和變形性能的八節點六面體單元進行網格劃分，建立的有限元模型如圖3所示。

2.2 四輥軋機冷軋帶鋼過程軋有限元仿真

四輥軋機軋制帶鋼過程中，帶鋼與軋輥接觸中間部分軋制壓力最大，隨著遠離軋制接觸區，軋制力逐漸下降。在接觸區內，軋輥承受較大的變形抗力，隨著遠離接觸區，軋輥內部應力逐步下降。

圖3 三維有限元模型

3 軋輥軋制力影響因素分析

3.1 摩擦系數對于軋制力的影響

軋制區內接觸弧上的摩擦情況較為復雜，包括干摩擦，邊界摩擦和流體摩擦。通常用精確的數學模型模擬較為困難，不精確。該模型采用庫倫摩擦計算公式。不同摩擦率對于軋制力的影響是不一樣的。圖4為不同摩擦系數下軋制力的縱向分布。隨著摩擦系數的增加，軋制力逐漸增加。

圖4摩擦系數對軋制力的影響

3.2 壓下率對于軋制力的影響

冷軋過程中，金屬的軋制溫度低于再結晶溫度。隨著壓下率的增加，軋制力逐漸增加，主要原因是金屬的加工硬化所引起。圖5為不同壓下率對于軋制力的影響。

4 結語

四輥軋機冷軋過程中，隨著摩擦力的增加，軋制力逐漸增加；降低摩擦力可以降低軋制力；隨著壓下率的增加，軋制力逐漸增加，減小壓下率可以降低軋制力。

圖5 壓下率對于軋制力的影響

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