供稿|韓文，軋楠，張景華，李洪波，張海東，白冰 /

內(nèi)容導(dǎo)讀

為優(yōu)化軋輥輥形及提高輥系穩(wěn)定性，以某設(shè)計院設(shè)計的1620 mm UCMW 軋機為對象，結(jié)合具體生產(chǎn)數(shù)據(jù)，利用abaqus 有限元軟件建立了UCMW 軋機二分之一輥系靜力學仿真模型。通過仿真分析獲得了軋制力、板寬、中間輥彎竄輥、工作輥彎竄輥、中間輥偏置等工藝參數(shù)對軋輥變形的影響規(guī)律。結(jié)果表明軋輥在壓下方向變形影響最大的為中間輥的彎輥及竄輥，而中間輥偏置會對軋制方向變形產(chǎn)生影響，隨著偏置量的增加，軋輥變形方向逐漸穩(wěn)定。

近年來隨著下游廠家對冷軋帶鋼成品質(zhì)量要求的日益提高，冷軋板形的質(zhì)量要求越發(fā)嚴苛[1-2]。因此具有高精度板形控制能力的軋機得到了越來越廣泛的應(yīng)用，其中最具代表性的是在高精度輥形控制(High crown，HC) 軋機基礎(chǔ)上發(fā)展而來的萬能凸度(Universal crown，UC)系列軋機。其中，UCMW 冷軋機具有工作輥彎輥、中間輥彎輥、中間輥竄輥、工作輥竄輥的等板形調(diào)控手段，在板形調(diào)控方面具有十分優(yōu)異的性能，在軋制板形質(zhì)量要求嚴格的無取向硅鋼上得到了普遍的應(yīng)用[3-4]。

軋輥撓曲是影響板帶鋼板形的一個重要因素，在軋制生產(chǎn)中，軋制力、彎輥力、竄輥、軋輥偏置等參數(shù)變化，會使軋輥在豎直方向(軋輥壓下方向)和水平方向(軋制方向)的撓曲發(fā)生變化，軋輥的彎曲變形越大，輥系剛度越小，從而影響板帶質(zhì)量[5]。季余斌和高星[6]采用影響函數(shù)法分析了軋輥直徑、帶鋼寬度、軋制力及彎輥力等對軋輥變形的影響。張清東等[7]采用有限元仿真分析了六輥連續(xù)可變凸度(Continuously variable crown，CVC) 軋機的輥系變形。鄭見等[8]采用abaqus 有限元仿真分析了不同軋輥偏移條件對六輥軋機板形調(diào)控特性的影響規(guī)律。

為了進一步掌握UCMW 六輥冷軋機在各種軋制參數(shù)下的軋輥變形，本文結(jié)合有限元仿真，研究了在不同軋制力、板寬、中間輥彎竄輥、工作輥彎竄輥、中間輥偏置等工藝參數(shù)下的軋輥撓曲變化，這對于軋機軋輥輥形設(shè)計，軋制工藝的優(yōu)化有著重要的指導(dǎo)意義[9]。

UCMW 軋機輥系有限元模型的建立

軋機參數(shù)及模型建立

以某設(shè)計院UCMW 冷軋機為研究對象，采用通用的abaqus 有限元軟件，考慮輥系幾何和受力的對稱性，為提高計算速度，建立了如圖1 所示的UCMW 軋機二分之一輥系靜力學仿真模型。輥系的主要幾何參數(shù)如表1 所示，其中支持輥輥形為變接觸輥，其端部初始輥形如圖2 所示，中間輥輥形為單側(cè)錐度輥，其端部初始輥形如圖3 所示，工作輥輥形為平輥。

表1 輥系主要參數(shù)

為使有限元模型符合實際，對輥系選用8 節(jié)點6 面體單元(Solid45 單元)進行劃分；對工作輥與帶鋼接觸區(qū)域進行細化，采用二十節(jié)點六面體單元(Solid95 單元)進行劃分。為保證計算精度，對輥間可能發(fā)生接觸的表面上附加接觸單元，支持輥和工作輥表面采用Target170 單元；中間輥表面采用Contact174 單元。最終經(jīng)過劃分共有435088 個單元和472425 個節(jié)點。

仿真工況的設(shè)計

為了分析UCMW 軋機的輥系變形，在不同帶鋼寬度B，主要針對工作輥彎輥力Fw、中間輥彎輥力Fi、工作輥竄輥量Sw和中間輥竄輥量Si以及單位軋制力q進行研究，仿真工況的設(shè)計如表2 所示。本文在研究單一因素的影響時，控制其他因素為初始狀態(tài)，取Fw=120 kN，F(xiàn)i=220 kN，Si=0，Sw=0，q=12 kN/mm 為初始狀態(tài)。

表2 仿真工況

軋輥壓下方向撓曲

軋制力對軋輥壓下方向撓曲的影響

圖4 所示為1250 mm 寬度帶鋼在不同單位軋制力作用下的工作輥壓下方向撓曲情況，圖4(a)中y軸負方向為壓下方向?？梢钥闯?，當單位軋制力增大時，工作輥壓下方向撓曲沿壓下方向逐漸增大，工作輥中部兩側(cè)撓曲不對稱，隨著單位板寬軋制力增大，中點與左右兩側(cè)撓曲差逐漸增大，其中左側(cè)撓曲從15.141 增大到59.768 μm，右側(cè)撓曲從28.434 增大到77.97 μm，左右兩側(cè)撓曲量差值的絕對值從13.293 增大到18.202 μm。

圖5 所示為不同寬度帶鋼在不同單位軋制力作用下的中間輥壓下方向撓曲情況，圖5(a)中y軸負方向為壓下方向。可以看出，中間輥的壓下方向撓曲為輥身中部兩側(cè)的撓曲沿壓下方向的反向撓曲，總體撓曲為中部大兩側(cè)小。單位軋制力增大時，中間輥壓下方向撓曲沿壓下方向逐漸增大，隨著單位板寬軋制力增大，中部與左右兩側(cè)撓曲差逐漸減小，其中左側(cè)撓曲從-29.77 增大到-23.778 μm，右側(cè)撓曲從-19.925 增大到-13.462 μm，左右兩側(cè)撓曲量差值從9.845 增大到10.926 μm。中間輥壓下方向撓曲隨單位軋制力增大量相對較小，且左右兩側(cè)撓曲差變化明顯小于工作輥。

圖6 所示為1250 mm 寬度帶鋼在不同單位軋制力作用下的支持輥壓下方向撓曲情況，圖6(a)中y軸負方向為壓下方向?？梢钥闯觯С州亙蓚?cè)撓曲量差值很小，當單位軋制力增大時，而支持輥兩側(cè)撓曲量差值變化很小，隨著單位軋制力的增大，左側(cè)撓曲從50.829 增大到74.935 μm，右側(cè)撓曲從52.741 增大到76.495 μm，左右兩側(cè)撓曲量差值的絕對值從1.912 減小到1.56 μm。

工作輥彎輥力對軋輥壓下方向撓曲的影響

圖7 所示為1250 mm 寬度帶鋼在不同工作輥彎輥力作用下的工作輥壓下方向撓曲情況，圖7(a)中y軸負方向為壓下方向?？梢钥闯觯S著工作輥彎輥力的增大，工作輥邊部的撓曲逐漸上移，在彎輥力增大到250 kN 時中點與兩側(cè)撓曲差變化為負值，也就是邊部沿壓下方向的撓曲量小于中部。隨著工作輥彎輥力的增大，工作輥中點與左側(cè)邊部撓曲差從156.345 減小到19.129 μm，中點與右側(cè)邊部撓曲差從169.417 減小到0.79 μm，左右兩側(cè)撓曲差從13.072 增大到18.339 μm。

圖8 所示為1250 mm 寬度帶鋼在不同工作輥彎輥力作用下的中間輥壓下方向撓曲情況，圖8(a)中y軸負方向為壓下方向。可以看出，隨著工作輥彎輥力的增大，中間輥撓曲逐漸上移，中點與邊部撓曲差之間減小，兩側(cè)邊部撓曲差略有減小。隨著工作輥彎輥力的增大，中間輥中點與左側(cè)邊部撓曲差從-13.222 減小到-33.408 μm，中點與右側(cè)邊部撓曲差從-2.21 減小到-22.84 μm，左右兩側(cè)撓曲差從11.012減小到10.568 μm。

圖9 所示為1250 mm 寬度帶鋼在不同工作輥彎輥力作用下的支持輥壓下方向撓曲情況，圖9(a)中y軸負方向為壓下方向?？梢钥闯?，當工作輥彎輥力增大時，支持輥壓下方向撓曲幾乎沒有發(fā)生改變。隨著工作輥彎輥力的增大，支持輥中點與左側(cè)邊部撓曲差從63.435 減小到63.355 μm，中點與右側(cè)邊部撓曲差從65.199 減小到64.869 μm，左右兩側(cè)撓曲差從1.764 減小到1.514 μm。

中間輥彎輥力對軋輥壓下方向撓曲的影響

圖10 所示為1250 mm 寬度帶鋼在不同中間輥彎輥力作用下的工作輥壓下方向撓曲情況，圖10(a)中y軸負方向為壓下方向?？梢钥闯?，當中間輥彎輥力增大時，工作輥壓下方向撓曲逐漸上移，且工作輥輥身左側(cè)撓曲上移量明顯大于輥身右側(cè)，輥身兩側(cè)撓曲差增大較為明顯。隨著中間輥彎輥力的增大，工作輥中點與左側(cè)邊部撓曲差從56.503 減小到16.023 μm，中點與右側(cè)邊部撓曲差從67.187 減小到40.516 μm，左右兩側(cè)撓曲差從10.684 增大到24.493 μm，增大了129.25%。

圖11 所示為1250 mm 寬度帶鋼在不同中間輥彎輥力作用下的中間輥壓下方向撓曲情況，圖11(a)中y軸負方向為壓下方向。當中間輥彎輥力增大時，中間輥壓下方向撓曲逐漸向上移，中間輥輥身左側(cè)變化量相較右側(cè)的變化量相對較大，中間輥輥身兩側(cè)撓曲差明顯增大，在中間輥彎輥力為0 時，左右側(cè)邊部差值很小。隨著中間輥彎輥力的增大，中間輥中點與左側(cè)邊部撓曲差從7.014 減小到-69.692 μm，中點與右側(cè)邊部撓曲差從5.819 減小到-43.798 μm，左右兩側(cè)撓曲差從-1.195 增大到25.894 μm。

圖12 所示為1250 mm 寬度帶鋼在不同中間輥彎輥力作用下的支持輥壓下方向撓曲情況，圖12(a)中y軸負方向為壓下方向。當中間輥彎輥力增大時，支持輥輥形撓曲的變化較小，支持輥輥身撓曲的左右不對稱性有所增加。隨著中間輥彎輥力的增大，支持輥中點與左側(cè)邊部撓曲差從64.595 減小到61.77 μm，中點與右側(cè)邊部撓曲差從64.26 增大到65.955 μm，左右兩側(cè)撓曲差從-0.335 增大到4.185 μm。

工作輥竄輥量對軋輥壓下方向撓曲的影響

圖13 所示為1250 mm 寬度帶鋼在不同工作輥竄輥作用下的工作輥壓下方向撓曲情況，圖13(a)中y軸負方向為壓下方向。當工作輥竄輥增大時，工作輥撓曲最大值點沿竄輥方向的反向變化，在竄輥負極限位置，工作輥輥身左側(cè)撓曲變化相對較大，在竄輥正極限位置，工作輥輥身右側(cè)撓曲變化相對較大，而輥身兩側(cè)邊部撓曲差在竄輥正負極限位置變化較其他位置變化較大。隨著工作輥竄輥的增大，工作輥中點與左側(cè)邊部撓曲差從25.675 增大到41.416 μm，中點與右側(cè)邊部撓曲差從56.291 減小到45.487 μm，左右兩側(cè)撓曲差從30.616 減小到4.071 μm。

圖14 所示為1250 mm 寬度帶鋼在不同工作輥竄輥作用下的中間輥壓下方向撓曲情況，圖14(a)中y軸負方向為壓下方向?？梢钥闯?，當工作輥竄輥增大時，對中間輥輥身撓曲影響較小，中間輥輥身左側(cè)撓曲逐漸增大，在竄輥-80～-40 mm 及在40～80 mm 變化量相對較??；中間輥輥身右側(cè)變化趨勢與左側(cè)相反。隨著工作輥竄輥的增大，中間輥中點與左側(cè)邊部撓曲差從-27.414 增大到-25.537 μm，中點與右側(cè)邊部撓曲差從-14.727 減小到-16.989 μm，左右兩側(cè)撓曲差從12.178 減小到4.071 μm。

圖15 所示為不同寬度帶鋼在不同工作輥竄輥作用下的支持輥壓下方向撓曲情況，圖15(a)中y軸負方向為壓下方向?？梢钥闯?，當工作輥竄輥增大時，支持輥撓曲量基本不變。隨著工作輥竄輥的增大，支持輥中點與左側(cè)邊部撓曲差從63.141 增大到63.688 μm，中點與右側(cè)邊部撓曲差從65.216 減小到64.666 μm，左右兩側(cè)撓曲差從2.075 減小到0.978 μm。

中間輥竄輥量對軋輥壓下方向撓曲的影響

圖16 所示為1250 mm 寬度帶鋼在不同中間輥竄輥作用下的工作輥壓下方向撓曲情況，圖16(a)中y軸負方向為壓下方向。可以看出，當中間輥竄輥增大時，工作輥輥身的不對稱度增加非常明顯，Si=0 時，左右兩側(cè)較為對稱，隨著竄輥增加，工作輥輥身左側(cè)撓曲明顯上移，變化量較大，工作輥輥身右側(cè)撓曲下移，變化量較小。隨著中間輥竄輥量增加，工作輥中點與左側(cè)邊部撓曲差從38.991 減小到-118.988 μm，中點與右側(cè)邊部撓曲差從56.006 減小到132.543 μm，左右兩側(cè)撓曲差從17.015 增大到251.531 μm。

圖17 所示為1250 mm 寬度帶鋼在不同中間輥竄輥作用下的中間輥壓下方向撓曲情況，圖17(a)中y軸負方向為壓下方向?？梢钥闯?，當中間輥竄輥增大時，中間輥輥身撓曲曲線上移，在竄輥量0～30 mm 時，輥身左側(cè)出現(xiàn)撓曲量變化較小，輥身左右側(cè)撓曲差由正變負，總體為下降趨勢，在竄輥65～85 mm 下降變緩。隨著中間輥竄輥的增加，中間輥中點與左側(cè)邊部撓曲差從-26.704 增大到-25.824 μm 后減小到-40.43 μm，中點與右側(cè)邊部撓曲差從-15.778 減小到-46.104 μm，左右兩側(cè)撓曲差從10.926 減小到-5.674 μm。

圖18 所示為1250 mm 寬度帶鋼在不同中間輥竄輥作用下的支持輥壓下方向撓曲情況，圖18(a)中y軸負方向為壓下方向?？梢钥闯觯斨虚g輥竄輥增大時，支持輥輥身左側(cè)撓曲量下移，輥身右側(cè)撓曲量上移。隨著中間輥竄輥的增加，支持輥中點與左側(cè)邊部撓曲差從63.354 增大到88.069 μm，中點與右側(cè)邊部撓曲差從65.005 減小到44.397 μm，左右兩側(cè)撓曲差從1.651 減小到-43.672 μm。

不同板寬對軋輥壓下方向撓曲的影響

圖19 所示為不同寬度帶鋼在相同單位軋制力作用下的工作輥壓下方向撓曲情況，圖19(a)中y軸負方向為壓下方向?？梢钥闯?，當帶鋼寬度增大時，工作輥輥身的撓曲量發(fā)生明顯上移，但是左右兩側(cè)的撓曲差變化相對較小。隨著帶鋼寬度的增加，工作輥中點與左側(cè)邊部撓曲差從255.788 減小到59.768 μm，中點與右側(cè)邊部撓曲差從271.006 減小到77.97 μm，左右兩側(cè)撓曲差從15.218 增大到

18.202 μm。

圖20 所示為不同寬度帶鋼在相同單位軋制力作用下的中間輥壓下方向撓曲情況，圖20(a)中y軸負方向為壓下方向?？梢钥闯?，當帶鋼寬度增大時，中間輥輥身的撓曲量發(fā)生明顯上移，但是左右兩側(cè)的撓曲差變化相對較小。隨著帶鋼寬度的增加，中間輥中點與左側(cè)邊部撓曲差從16.356減小到-23.778 μm，中點與右側(cè)邊部撓曲差從29.714 減小到-13.462 μm，左右兩側(cè)撓曲差從13.358 減小到10.316 μm。

圖21 所示為不同寬度帶鋼在相同單位軋制力作用下的支持輥壓下方向撓曲情況，圖21(a)中y軸負方向為壓下方向?？梢钥闯?，當帶鋼寬度增大時，支持輥輥身的撓曲量發(fā)生上移，但是左右兩側(cè)的撓曲差變化相對較小。隨著帶鋼寬度的增加，支持輥中點與左側(cè)邊部撓曲差從50.261 增大到74.935 μm，中點與右側(cè)邊部撓曲差從54.038 增大到76.495 μm，左右兩側(cè)撓曲差從3.777 減小到1.560 μm。

結(jié)束語

(1)支持輥在中間輥彎輥、工作輥彎輥、工作輥竄輥改變時，壓下方向撓曲變化較小，而在單位板寬軋制力、中間輥竄輥、帶鋼寬度改變時，壓下方向撓曲變化較大；中間輥在工作輥竄輥時壓下方向撓曲變化較小，而在單位板寬軋制力、工作輥彎輥、中間輥彎輥、中間輥竄輥、帶鋼寬度改變時壓下方向撓曲變化較大；工作輥在這六組參數(shù)改變時，壓下方向撓曲都發(fā)生較大的改變。

(2)單位板寬軋制力、工作輥彎輥、帶鋼寬度的改變對軋輥輥身兩側(cè)撓曲差的影響很小，而工作輥竄輥改變時，在竄輥正負極限位置對帶鋼兩側(cè)撓曲差影響較大，而對中間輥、支持輥影響相對小，中間輥竄輥、彎輥時，對軋輥兩側(cè)撓曲的影響最為明顯。

(3)通過仿真研究中間輥偏置時軋輥水平力及撓曲，可以發(fā)現(xiàn)，在中間輥沿軋制方向或沿軋制方向反向偏置量達到2 mm 后，輥系的受力方向不在發(fā)生改變，輥系的穩(wěn)定性提高，隨著偏置的增加，輥系受力增加，軋輥撓曲增加。