高精度銅板冷軋機壓扁變形的有限元分析

許建新，楊 帆，劉 昕

（1.江西銅業(yè)集團銅板帶有限公司，江西 南昌 330096；2.江西省鷹潭市貴溪冶煉廠，江西 鷹潭 335400）

近年來技術(shù)的飛速進步，市場對于銅板板材的要求更高，更薄、厚度更均一的板材生產(chǎn)成為了趨勢，于是，更高精度的冷軋機得到了重視。普通四、六輥冷軋機在實際軋制過程中容易出現(xiàn)應力不均勻，軋制時軋輥本身產(chǎn)生的彈性壓偏值可能比所要軋制的帶材厚度還要大[1]。從而導致所壓板材無法達到較高的均勻性和薄度。高精度冷軋設(shè)備的軋輥通常呈塔狀。

圖1 多軋輥高精度冷軋機示意圖

雖然高精度多軋輥的冷軋機能夠壓制更薄的板材，但是冷軋機設(shè)備本身在軋制過程中由于機械結(jié)構(gòu)更為復雜，其彈性形變也更復雜，相對于的板材壓扁時形成的形變也會復雜化。壓扁變形的復雜對于機械設(shè)備的調(diào)控要求要更高。因此，建立高精度冷軋機在軋制過程中的應力形變模型用于分析板材的彈塑性成形過程是十分有必要的，通過有限元方法來進行建模研究，其結(jié)果會更為準確。

1 有限元方法分析

1.1 有限元法在冷軋機應力分析中的應用

高精度的20輥冷軋機的模型示意圖如圖2所示。

在對冷軋機的壓扁變形分析問題中，通過對輥及軋件進行建模，使用結(jié)構(gòu)力學瞬態(tài)算法來對該結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)進行模擬計算，并且對該計算過程進行詳細的分析，從而確定模型的幾何位置。后將所得冷軋機有限元模型及軋制模型得有限元方程組進行求解，得到模擬結(jié)構(gòu)后，分析軋制過程中銅板得受力曲線。

圖2 高精度冷軋機模型示意圖

1.2 板形得定量表示

常用板形通過平直度來進行描述。將軋制后存在翹曲的板材分為若干條進行平鋪，如圖3所示。

圖3 相對長度差法

不同條帶間的相對長度差△L同總長L的比值即為平直度。

ρ=△L/L

式中ρ為平直度。

2 冷軋機工作輥有限元分析

2.1 工作輥軋參數(shù)

軋件使用銅板來進行模擬，尺寸參數(shù)及其性能表如表1所示：

表1 軋件尺寸性能表

模擬的工作輥材質(zhì)參數(shù)如表2所示：

表2 輥身材料參數(shù)

2.2 工作輥軋建模

圖4 輥軋模型

建模模型如圖4所示，為了節(jié)約計算時間及減少計算量網(wǎng)格劃分形式采用方形網(wǎng)格。

圖5 模型網(wǎng)格剖分圖

模型中構(gòu)件得單元類型選擇設(shè)定為SOILD186，接觸面得單元類型選擇CONTA175。

模型加載時，對輥施加張力，下降量、速度等各項參數(shù)即可對模型有限元進行求解分析。

2.3 結(jié)果分析

分解算法采用瞬態(tài)動力學時，需要重點關(guān)注板材模擬的收斂性。

當收斂達到精度要求時，系統(tǒng)會自動停止運算。弱陷入循環(huán)則會報錯。

2.3.1 軋制過程變化分析

通過調(diào)整參數(shù)后運行程序得到有限元仿真結(jié)果，圖6為各時刻的軋輥、件應力分布圖。

圖6 等效應力云圖

由圖中可得，不同時刻冷軋機輥軋的應力分布是不同的，機器運作時應力達到最大，此時應力超過被軋銅板的屈服強度。當軋制結(jié)束后，應力則會釋放，并且應力值此時要低于材料的屈服強度。

2.3.2 軋制結(jié)束后軋件板形分析

軋制過程結(jié)束后，軋件會形成參與應變，結(jié)果如圖7所示。

圖7 軋件得殘余應變

其整體顏色較為均勻，變形量約為0.71。模擬軋制壓下量17%，設(shè)定為20%。主要原因在于材料為彈塑性材料，壓縮后會存在一定程度上的回彈。軋件兩端應變相對中間部位要大，變形程度更深。

2.3.3 軋件受力分析

圖8為軋制過程中沿軋件寬度方向上所受軋制力最大值所繪制的曲線。

圖8 軋制力曲線

0s～1s的時間內(nèi)，主要為壓縮形變，軋輥處于下壓狀態(tài)，故此時應力逐漸上升。1s～2s為旋轉(zhuǎn)過程，此時應力在區(qū)間內(nèi)波動變化。當軋件離開工作區(qū)域時，即1.9s位置，此時軋制力會急速下降。

3 結(jié)語

本文在對高精度冷軋機的研究基礎(chǔ)上建立了軋輥、軋件的有限元模型，由于高精度冷軋機的軋輥直徑較小，其參數(shù)設(shè)定存在困難，通過反復的嘗試終于給出了適宜的參數(shù)，實現(xiàn)了載荷的收斂。從實現(xiàn)了仿真模擬結(jié)果來看，同實際情況相符。