鋁厚板梯溫剪切軋制變形研究

李磊，魯世紅，張濤

(南京航空航天大學 機電學院， 江蘇 南京 210016)

0 引言

鋁合金厚板具有質量輕、強度高、耐腐蝕性好、成形性高等特點，是集成結構件的關鍵材料，廣泛應用于航空航天和軍用飛機領域[1-2]。隨著航空航天工業的發展，對高性能鋁合金厚板的需求不斷增加，例如鋁板強度甚至要求達到700MPa以上，厚度甚至達到250mm以上。熱軋是制備厚板的關鍵工藝。然而，傳統的對稱軋制工藝造成表面變形大，厚板中心部分變形小，導致變形分布不均勻[3]。 ZUO F[4]研究了不對稱軋制過程中純鋁的變形。袁福順等人[5]建立了異步軋制熱力耦合模型，研究了變形區的應力應變在不同異速比下的分布規律。JIN H[6]和LEE J K[7]研究了異步軋制過程中不同材料的組織演變和力學性能以及織構演化，得出的結論為異速比有利于晶粒細化和力學性能的提高。李高盛[8]采用有限元法建立了特厚板梯溫軋制模型，研究了溫度梯度對軋板芯部應變的影響，結果顯示梯溫條件下的芯部應變量大于均溫條件下的應變量。賀有為[9]通過設計不同的溫度梯度，建立有限元梯溫軋制模型，并加以實驗驗證，證實梯溫軋制比傳統軋制更利于變形深入芯部。LI G S[10-11]分析了梯度溫度和冷卻參數對梯溫軋制過程中超厚板微觀結構、性能和中心缺陷演變的影響。

綜上所述,異步軋制和梯溫軋制有利于厚板的變形和晶粒細化。然而，現階段很少有研究者分析討論梯度溫度場和異速比在梯溫剪切軋制中對軋板變形的作用規律。因此本文提出了一種新的梯度溫度剪切軋制的方法，采用ABAQUS對厚規格鋁板進行數值模擬研究，分析了不同軋制型式的特點及不同工藝參數對于梯溫剪切軋制下等效應變和剪切應變分布的影響規律。

1 數值模擬

在這項研究中，分別建立了對稱軋制、梯溫軋制、異步軋制和梯溫剪切軋制的二維數值模型。軋板材質為7055鋁合金，尺寸為900mm×240mm，壓下量為40mm，軋板初始溫度為420℃，與軋輥之間的摩擦系數為0.4。與工作輥和環境的熱交換系數分別為30000W·m-2·K-1和10W·m-2·K-1。不同軋制方式如圖1所示。對于對稱軋制，兩個工作輥的線速度相同，設置為1m/s。對于梯溫軋制，板的表面和中心之間存在溫差(△T)，因為在軋制過程之前會對軋板上下表面進行水冷，對上、下兩表面以相同的換熱系數進行冷卻，換熱系數取2000W/(m-2·K-1)，冷卻時間0～15s，以實現不同的梯度溫度。由于中心溫度高于表面溫度，表面變形抗力大于中心變形抗力，變形更容易深入到軋板中心。對于異步軋制，上輥線速度v1固定為1m/s，下輥的速度v2設置為1～1.2m/s，以獲得不同的異速比(i=v2/v1)，從而產生橫向剪切區并且引入剪切變形。對于梯溫剪切軋制，則是將異步軋制和梯溫軋制二者結合，同時施加異速比和梯度溫度，參數與上述一致。

圖1 不同軋制方式的示意圖

2 結果與討論

1) 等效應變和剪切應變分布

不同軋制型式的等效應變分布對比如圖2(a)所示。 對稱軋制和梯溫軋制中等效應變的分布是對稱的；然而，與對稱軋制相比，梯溫軋制中表面呈現較小的等效應變和在中心點處呈現較大的等效應變。由于梯溫軋制在軋制之前進行表面冷卻，板的表面在較低溫度下產生大的變形阻力，導致軋板中心更易變形。異步軋制下層的等效應變大于在上層的等效應變，并且等效應變分布明顯不對稱。隨著下輥的速度變大，板下層的金屬流速高于上層的金屬流速。因為兩輥之間的不同速度引起的強剪切應變，中心點處的等效應變顯著增加。對于梯溫剪切軋制，中心點的等效應變進一步增加，這是由于兩輥的異速比和梯度溫度都有利于增加等效應變。梯溫剪切軋制中心點的等效應變為0.229，比對稱軋制大8.5%。

不同軋制型式的剪切應變比較如圖2(b)所示。與等效應變相似，對稱軋制和梯溫軋制中的剪切應變分布是對稱的，并且中心點處的剪切應變為0。這是因為在這兩種軋制方式中沒有剪切變形。隨著兩個工作輥的異速比增大，異步軋制中心點的剪切應變增加。剪切應變在梯溫剪切軋制中進一步增大，這表明梯度溫度有利于強化中心處的剪切效果。

2) 工藝參數對等效應變分布均勻性的影響

從上面的討論可以看出，等效應變分布不均勻，均勻系數α定義如下：

α=ε1/ε2×100%

(1)

式中ε2和ε1分別表示軋板的上層次表面和中心的等效應變。

異速比和梯度溫度對均勻系數的影響如圖3所示。均勻系數隨異速比的增加迅速增加，隨著梯度溫度的增加緩慢增加。 由于異速比的提高，引入剪切應變隨之增加，使得中心層的等效應變增大，當異速比由1.05擴大到1.2時，均勻系數增大了約14%。梯度溫度降低了中心的變形阻力以加深變形。 因此，兩表面的等效應變隨著梯度溫度的升高而降低; 同時，中心層的等效應變增大，當梯度溫度由50℃增大到200℃時，均勻系數增大了約5%。

圖2 不同軋制方式的分布圖

3) 工藝參數對剪切應變的影響

如上所述，剪切應變有利于增加板中心點處的等效應變并增加應變分布的均勻性。 異速比和梯度溫度是梯溫剪切軋制中最重要的參數，必須分析這兩個參數對中心點剪切應變的影響，如圖4所示。 剪切應變隨著異速比的增加而增加，這是由于異速比的增加，上下工作輥的速度差加大，軋制變形區內的搓軋效果就越明顯，軋板芯部的剪切應變也就越大。 剪切應變隨著梯度溫度的升高而增加，同時隨著異速比的不斷增大，中心剪切應變隨心表溫度差變化的幅度也在不斷增大。這說明心表溫度差和異速比對于剪切應變有交互作用。

圖3 異速比和梯度溫度對板高度方向上均勻系數的影響

圖4 異速比和梯度溫度對板中心處剪切應變的影響

3 梯溫剪切軋制實驗

為了驗證數值模擬的可靠性，利用實驗和仿真相結合的方法，對比分析兩種結果的吻合度，從而得到數值模擬的準確性。基于現有的實驗條件，分別進行單道次梯溫剪切軋制實驗和對稱軋制實驗，并建立對應的有限元模型。軋輥直徑為450mm，該軋機最大壓下率不能超過25%，本實驗取20%，即12mm。對稱軋制中軋板初始溫度為420℃，上、下工作輥線速度均為0.5m/s；經過實驗發現當心表溫度超過80℃時，軋板中心溫度降低到400℃以下。梯溫剪切軋制中梯度溫度取60℃，此軋機的最大異速比為1.2，因此上軋輥線速度取0.5m/s，下軋輥線速度取0.6m/s。

圖5和圖6所示為仿真和實驗梯溫剪切軋制前后的軋板網格變形對比。軋板的長度為150mm，厚度為60mm。考慮到軋制后便于測量，軋制前網格取10mm×10mm。軋制后上、下層網格變形呈現出明顯不對稱分布，軋板芯部網格的傾斜角增大，表明在梯溫剪切軋制后軋板中心層的剪切變形增大。通過測量軋板變形后的網格尺寸，計算得到各個應變分量及等效應變，結果如表1和表2所示。

圖5 軋板初始網格

圖6 單道次梯溫剪切軋制網格

表1 單道次梯溫剪切軋制中心層實驗應變和仿真應變

表2 單道次對稱軋制中心層實驗應變和仿真應變

由表1和表2中的數據可以看出梯溫剪切軋制中心層的剪切應變和等效應變都大于傳統的對稱軋制，與上文分析結果一致，同時x方向的應變小于對稱軋制，y方向的應變大于對稱軋制。所測數據與有限元仿真基本吻合，能基本反映軋板變形的情況，說明研究的可靠性。

4 結語

本研究進行了不同軋制方式下等效應變和剪切應變的比較。與對稱軋制相比，梯溫剪切軋制中板材中心點的等效應變和剪切應變顯著增加，并隨異速比和梯度溫度的增加而增加。軋板厚向變形的均勻性也隨著異速比的提升和梯度溫度的增加而增加。利用實驗驗證了有限元模型的可靠性。故得出結論，在梯溫剪切軋制方式下能夠有效地加大軋板芯部變形。