工藝參數對耐磨鋼冷軋應力特性的影響

張玲芬

（煙臺汽車工程職業學院，山東煙臺 265500）

0 引言

耐磨鋼在工業領域內有著廣泛的應用[1]，冷軋是其非常重要的加工方法之一[2]，在制造業內受到越來越多的重視。冷軋過程中所出現殘余應力問題是阻礙該工藝方案的主要因素，與工藝參數有著直接的關系，稱為當前機械加工行業內的研究熱點[3]。一般在冷軋過程中，軋壓作用力和摩擦因數是影響耐磨鋼成型效果的最關鍵因素，因此，在軋壓工藝中，需要調節適宜的張力參數和匹配的摩擦因數，否則，在冷軋過程中容易出現邊緣部位的異性變形，甚至壓漏、損壞的問題[4]。

為了得出工藝參數對耐磨鋼冷軋應力特性的影響，本文采用有限元數值模擬方法在不同條件下計算應力變化，為加工工藝的改進提供重要依據。

1 冷軋工藝有限元分析

1.1 數值模擬方案

有限元分析是工程分析不可或缺的方法之一，能夠精確地模擬不同類型的工況以及多物理場[5]，文中采用ABAQUS軟件對冷軋工藝過程進行有限元分析。ABAQUS是目前應用較廣泛和成熟的數值模擬軟件之一，由美國HKS公司研發，在非線性材料及模型、邊界調試、結構力學等方面有一定優勢，在機械工程、建筑工程、水利水電、汽車制造等領域普遍得到了認可。ABAQUS具有強大的求解器，可實現不同模型的靜力隱式和動力顯式計算[6]，集成了豐富的單元類型，能夠有效地確保冷軋數值模擬分析的可靠性和精度。

1.2 建立模型裝配體

冷軋工藝的模型相對簡單，直接在ABAQUS/CAE內建立模型，并賦予對應的材料屬性。當創建某個部件時，軟件會自動生成獨立的坐標系，便于在裝配（Assembly）功能模塊內創建最終的裝配體。由于模型屬于典型的大變形，因此采用顯示動力學分析方法。

在裝配模型構建時，首先基于轉動和平動控制使得耐磨鋼板模型與軋輥保持相切狀態；然后在軋輥的質心位置創建1個動參考點，計算出壓下率為19%時（材料極限）所需的平移位移，即可得出該動參考點的坐標；最后根據模型尺寸，設定咬入距離。

1.3 設定邊界條件

冷軋分析的關鍵問題為接觸設置，是影響計算收斂性和可靠性的主要因素。以力學角度分析，變形和接觸問題屬于典型的復雜非線性問題，要求確保多個物體每個時間步運動時的接觸性，避免接觸面之間的穿透。從數學角度分析，確保無穿透的約束方法主要有拉格朗日乘子法、罰函數法[7]和直接約束法等。根據耐磨鋼的變形量，采用罰函數法。罰函數法在校驗穿透時，可放大誤差影響，最終使得模型不收斂，進而確保接觸面的接觸性，在顯示動力學中非常常用。

在ABAQUS軟件中，接觸主要由Interaction功能模塊控制。由于不同材料的接觸屬性不同，因此可采用罰函數（Penalty）來定義接觸面之間的作用效果，包括摩擦因數。根據冷軋工藝可知，整個分析過程中不考慮托輥的變形，將其設置為剛體，采用剛體約束（Rigid Constraint）進行設置，如圖1所示。

ABAQUS提供了多種單元類型供選擇。根據分析類型，文中采用C3D8R（八節點線性六面體單元，減縮積分）類型的結構單元，可有效地處理非幾何性的邊界問題。八節點單元相比于其他單元類型，可有效地減少大變形條件下的誤差。此外，八節點單元類型對于單元內的插值計算精度有著明顯的作用，能夠處理復雜的曲線計算。為了確保計算精度，應在計算允許條件下盡量減小網格尺寸，最終獲得模型的網格劃分結果如圖2所示。

圖1 剛體約束

圖2 模型的網格劃分結果

1.4 可視化分析

通過相應的設置，包括建立裝配模型、定義材料屬性、設定接觸邊界、提交工作界面、創建運算模型等，最終可通過連續的迭代運算獲得可視化的仿真結果。圖3和圖4所示分別為耐磨鋼板在咬入階段、穩定階段范圍內的等效應力圖。從圖3、4可以看出，隨著接觸時間的增大，應力逐漸擴散，該分析結果可適用于不同工藝參數下的研究。

圖4 穩定階段應力云圖

圖3 咬入階段應力云圖

冷軋加工后的耐磨鋼板表面將出現明顯的殘余應力。其中，外層表面為壓應力，而內部表面則表現為拉應力。這種特性與金屬本身的物理屬性和承載有關，特別是在不同張力條件下，殘余應力的大小有著顯著的差別。在較大的張力條件下，殘余應力將明顯增大，而且波動較大。由此可見，過大的張力可直接導致塑形變形不均衡，最終引起冷軋工件的雙邊出現波浪形的缺陷問題。總體來看，中部位置的應力變化相對均勻，應力值相對較小，但是受鋼板的厚度影響較大。

2 不同工藝參數的影響

2.1 前張力

為確保工藝參數與應力變化之間關系研究的可靠性，需采用單一變量法，即只改變某個變量進行分析。在不同前張力（95～145 MPa）條件下，可得出特定軋壓方向下的應力值變化曲線，如圖5所示。從圖中可以看出：當前張力為95 MPa時，耐磨鋼板上的最大應力值為560 MPa；應力值隨著軋壓距離的增大先減小更增大，在115 MPa的前張力條件下可獲得更均衡和更低的殘余應力。不同前張力對應力的分布變化有著明顯的影響，特別是對于應力變化拐點的影響。前張力為135 MPa時，在軋壓方向的最前端將出現應力變化的拐點。

2.2 后張力

保持其他參數不變，分別在后張力為45～95 MPa條件下進行計算，最終得出應力變化曲線，如圖6所示。從圖中可以看出：當后張力數值為45 MPa時，耐磨鋼板上的最大應力為540 MPa；隨著后張力的增大，應力值逐漸減小；在冷軋過程中，不同后張力條件下的殘余應力差別不大。相比于前張力，后張力對應力的變化影響相對較小，比如，后張力不能明顯改變應力變化的拐點，而且在遠端的應力值受后張力值的影響可忽略不計。

圖5 不同前張力條件下的應力變化

圖6 不同后張力條件下的應力變化

2.3 摩擦因數

在僅改變摩擦因數（0.06～0.10） 條件下的應力變化曲線如圖7所示。從圖中可以看出：當摩擦因數分別為0.06和0.08時，應力值差別并不大，但是與摩擦因數為0.1時的應力值差別較大；總體來看，隨著摩擦因數的增大，應力值呈增大變化趨勢，這是由于接觸副之間的潤滑性減小，使得接觸壓力增大。摩擦因數在實際工程應用中也是比較容易調整的，特別是在冷軋模具的加工中，一般采用涂膜潤滑材料的方法降低摩擦因數，最終達到減小殘余應力的效果。

圖7 不同摩擦因數條件下的應力變化

3 結束語

托輥前后張力對耐磨鋼板冷軋應力的影響非常顯著，這是由于前后張力明顯地改變了鋼板在冷軋過程中的受力情況，其法向的承載出現較大的改變。摩擦因數對冷軋壓力的改變主要體現在摩擦力因素上，隨著摩擦因數的增大，切向接觸力增大。在實際冷軋工藝中，影響冷軋應力的因素非常多，最佳的工藝參數也難以確定，本文中基于ABAQUS的有限元仿真可以為部分工藝參數的優化提供重要的依據。