蔡玉強(qiáng)，李哲丞，鞠康

(華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063009)

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彎輥力對(duì)冷軋帶鋼板形的影響

蔡玉強(qiáng)，李哲丞，鞠康

(華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063009)

彎輥力；輥系彎曲；截面形狀；板形

板形是帶鋼產(chǎn)品的重要質(zhì)量指標(biāo)之一，通過建立高精度板形控制模型進(jìn)而使用有限元方法進(jìn)行分析是研究板形的重要方法。以某廠連軋機(jī)組中的四輥軋機(jī)為例，使用ANSYS軟件，基于顯示動(dòng)力學(xué)有限元法，模擬帶鋼冷軋過程，從加載彎輥力的角度分析對(duì)冷軋軋制的影響。模擬研究結(jié)果表明，增大支撐輥彎輥力能夠使軋件邊部和中部所受應(yīng)力趨于平穩(wěn)，改善軋件的板形。

引言

板形是帶鋼產(chǎn)品的重要質(zhì)量指標(biāo)，影響板形的因素有很多，如軋輥彈性壓扁、前后張力、平均變形抗力、軋輥磨損、彎輥力、軋輥熱凸度、軋機(jī)振動(dòng)等。通過分析連軋軋制過程中，彎輥力對(duì)輥系彎曲變形及帶鋼截面形狀的影響，研究通過調(diào)節(jié)彎輥力對(duì)板形進(jìn)行控制和優(yōu)化。

彎輥技術(shù)使軋輥凸度在一定范圍內(nèi)可以迅速變化，且能進(jìn)行連續(xù)調(diào)整，有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整板形的目的。因此，在壓下傾斜控制法、冷卻液控制法、液壓彎輥法等眾多的板形控制方法中，彎輥法應(yīng)用最為廣泛。為了研究彎輥力對(duì)輥系彎曲變形和帶鋼截面形狀的影響，使用ANSYS中的LS-DYNA模塊進(jìn)行分析，該模塊主要可進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、非線性動(dòng)力分析，能夠模擬實(shí)際應(yīng)用中的各種復(fù)雜問題，適合求解金屬成形、爆炸和高速碰撞等非線性動(dòng)力沖擊問題[1]。

單獨(dú)取連軋機(jī)中的第一機(jī)架，探究彎輥力的加載對(duì)冷軋軋制過程的影響，分析這些可以為板形的控制積累原始數(shù)據(jù)，并為軋制現(xiàn)場的操作提供理論依據(jù)。

1 三維有限元模型的建立

1.1 模型建立及參數(shù)設(shè)定

為了進(jìn)行有限元分析，首先需要建立四輥冷軋板帶的分析模型。由于完整模型網(wǎng)格數(shù)量較多，且軋制過程中軋件軋輥上下左右均為對(duì)稱分布，在保持計(jì)算精度的前提下為了節(jié)省時(shí)間，選取1/4模型進(jìn)行建模。連軋機(jī)第一機(jī)架模型參數(shù)如表1所示。

表1 五機(jī)架冷連軋基本參數(shù)

選擇8節(jié)點(diǎn)適用于三維顯式結(jié)構(gòu)實(shí)體的SOLID164單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分[2]。建模及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 建模與網(wǎng)格劃分

軋制過程中，軋輥將發(fā)生一定的彈性壓扁，這也會(huì)影響板形的質(zhì)量。為了能夠準(zhǔn)確反映這一軋制過程，將工作輥和支撐輥的輥身設(shè)置為線彈性材料。軋輥的輥頸主要起限制轉(zhuǎn)動(dòng)作用，可將其設(shè)置為剛性體材料。軋件則選擇雙線等向強(qiáng)化材料。軋輥和軋件的材料物理性能參數(shù)如表2所示。

表2 軋件和軋輥的材料屬性

1.2 載荷加載及約束設(shè)定

軋輥的輥頸為剛性體，各節(jié)點(diǎn)自由度全部耦合到剛體質(zhì)心上，因此將彎輥力集中加載到質(zhì)心處。因?yàn)榻⒌哪Ｐ褪强傮w的1/4，故應(yīng)將帶鋼、工作輥和支撐輥的對(duì)稱中心面上的所有節(jié)點(diǎn)設(shè)置為Z方向不能運(yùn)動(dòng)；將工作輥、支撐輥的輥頸設(shè)置為繞Z軸旋轉(zhuǎn)；將帶鋼厚度對(duì)稱面上的所有節(jié)點(diǎn)設(shè)置為Y方向上不能運(yùn)動(dòng)。軋制過程中共有2組接觸：第1組是軋件和工作輥輥身的接觸，第2組是工作輥輥身和支撐輥輥身的接觸。兩組接觸均為面-面接觸且服從庫侖摩擦定律[3]，按照金屬材料手冊(cè)選擇，動(dòng)摩擦和靜摩擦分別為0.25、0.35；將工作輥輥頸最外端面所有節(jié)點(diǎn)建立一個(gè)集合，施加彎輥力，觀察其對(duì)軋件變形的影響。帶鋼的軋制沿方向運(yùn)動(dòng)，工作輥輥頸繞軸旋轉(zhuǎn)，各參數(shù)選擇如表3所示。

表3 實(shí)際參數(shù)的選擇

2 彎輥力對(duì)輥系彎曲變形和帶鋼截面形狀的影響

2.1 彎輥力對(duì)輥系彎曲變形的影響

軋制過程中在工作輥輥頸上加載彎輥力，可以改變輥系的受力情況，進(jìn)而影響軋輥的彎曲變形。加載彎輥力不僅可以改善軋輥的邊部彎曲，還會(huì)影響到軋輥中部的變形[4]。在軋輥表面選取1個(gè)節(jié)點(diǎn)路徑進(jìn)行分析，軋輥力對(duì)工作輥?zhàn)冃蔚挠绊懭鐖D2所示。

圖2 彎輥力對(duì)工作輥?zhàn)冃蔚挠绊?/p>

由圖2可知，在沒有彎輥力作用時(shí)，工作輥軸線的負(fù)彎曲程度很大，這會(huì)使帶鋼的截面形狀在中心的較厚，而邊部較薄，容易產(chǎn)生雙邊浪缺陷。當(dāng)彎輥力為200 kN時(shí)，工作輥的彎曲程度有所減小，但是仍會(huì)出現(xiàn)負(fù)彎曲；中心處軋輥軸線有所下降，使得帶鋼中心區(qū)的厚度有所減小。施加400 kN彎輥力時(shí)，工作輥軸線相對(duì)于前2種加載的彎輥力，工作輥邊部發(fā)生較大的翹曲變形，但是這時(shí)工作輥軸線較為平直。當(dāng)彎輥力增加至600 kN時(shí)，整個(gè)工作輥開始呈現(xiàn)正彎曲?？梢钥闯鰪澼伭梢杂行У馗纳乒ぷ鬏伒膹澢?，從工作輥軸線變形的角度考慮，在軋制規(guī)格為600 mm×900 mm×2.3 mm的帶鋼時(shí)，選擇400～600 kN的彎輥力較為合適。

工作輥軸頸上彎輥力的加載，也會(huì)影響支撐輥的彎曲變形，如圖3所示。

圖3 彎輥力對(duì)支撐輥?zhàn)冃蔚挠绊?/p>

由圖中可以看出，由于支撐輥和工作輥的直徑相差較大，因此，相對(duì)于工作輥，支撐輥受彎輥力的影響較小，不易發(fā)生彎曲；然而依然可以從圖中看出，支撐輥的彎曲變形會(huì)隨著彎輥力的增加而逐漸變小。

3.2 彎輥力對(duì)帶鋼截面形狀的影響

通過前面分析可知，彎輥力對(duì)輥系彎曲變形影響最終將會(huì)使帶鋼的截面形狀發(fā)生改變。下面選擇穩(wěn)定軋制時(shí)間為0.22 s，如圖4所示。

圖4 帶鋼在0.22 s時(shí)的軋制情況

觀察在不同彎輥力作用下對(duì)軋件板形的影響，如圖5所示。

圖5 帶鋼在不同彎輥力作用下出口厚度

在無彎輥力作用下，軋件的斷面形狀起伏較大，軋件的中心區(qū)厚度較厚，而軋件的邊部相對(duì)較薄，特別是在距邊部50 mm處厚度急劇下降。在施加彎輥力為200 kN時(shí)，軋件的中心區(qū)厚度有所降低，邊部厚度驟降現(xiàn)象有所緩解。在施加彎輥力為400 kN時(shí)，上述缺陷得到明顯改善。在施加彎輥力為600 kN時(shí)，軋件的中心區(qū)厚度有所上升，邊部厚度相對(duì)增加。通過分析可以得出，在彎輥力的作用下，軋件的斷面形狀得到明顯改善。從軋后斷面形狀均勻角度考慮，對(duì)于穩(wěn)定軋制寬為900 mm的帶鋼，彎輥力應(yīng)選取在500 kN左右。

4 結(jié)論

(1)當(dāng)彎輥力由0 kN增加到600 kN時(shí)，工作輥軸線由負(fù)彎曲逐步變?yōu)檎龔澢Ｓ行У馗纳乒ぷ鬏伒膹澢闆r。從工作輥軸線變形的角度考慮，在軋制規(guī)格為600 mm×900 mm×2.3 mm的帶鋼時(shí)，選擇400～600 kN的彎輥力較為合適。雖然相對(duì)于工作輥，支撐輥受彎輥力的影響較小，但依然可以看出，支撐輥的彎曲變形會(huì)隨著彎輥力的增加而逐漸變小。

(2)彎輥力從0 kN增加到400～600 kN時(shí)，軋件中心厚度有所降低，邊部厚度相應(yīng)增加，軋件的斷面形狀得到明顯改善。彎輥力應(yīng)選取在500 kN左右較為合適。由此可見，適當(dāng)增大彎輥力有助于改善軋件板形，使軋件質(zhì)量更好。

[1]趙海鷗. LS-DYNA動(dòng)力分析指南[M]. 北京:兵器工業(yè)出版社，2003.

[2]白金澤. LS-DYNA3D理論基礎(chǔ)與實(shí)例分析[M]. 北京:科學(xué)出版社，2005.

[2]時(shí)旭，劉相華，王國棟，等. 彎輥力對(duì)帶鋼凸度影響的有限元分析[J]. 軋鋼，2006，23(3) ：40-43.

[2]馬超，張國強(qiáng)，趙德華，等. 彎輥對(duì)帶鋼板形影響的模擬研究[J]. 鞍鋼技術(shù)，2009，14(5)：36-40.

Influence of Roll Bending Force on Shape of Cold Rolled Strip

CAI Yu-qiang,LI Zhe-cheng,JU Kang

(College of Mechanical Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063009, China)

roll-bending force; roll system bend deformation; cross section shape; strip shape

Strip shape is one of the important indicators of the quality of strip steel products, by means of the modeling of the high precision shape control model, the analysis by finite element method is an important method to research strip shape. Taking four-high mill of a continuous rolling mill set in a factory as an example, based on explicit dynamic finite element method, cold-rolling process of strip steel was simulated by ANSYS software. From the perspective of loading roll-bending force, the influence on cold rolling was analyzed. The results show that the stress at the edges and central parts of the rolled piece is steady with the increase of roll-bending force of back-up roll, and the strip shape of rolled piece is improved.

2095-2716(2016)01-0043-05

2015-09-29

2015-12-09

TH161+.3

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