胡玉坤，李啟堯

（邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 邢臺(tái) 054000）

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，中國(guó)鋼鐵企業(yè)的技術(shù)也隨之邁入一個(gè)新臺(tái)階，在連鑄連軋生產(chǎn)過(guò)程中，軋件寬度的控制精度對(duì)于降低能耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用[1]。為了適應(yīng)市場(chǎng)的變化以滿足用戶對(duì)不同寬度規(guī)格產(chǎn)品的需求，生產(chǎn)商需要小規(guī)模、多規(guī)格地進(jìn)行加工生產(chǎn)，結(jié)果導(dǎo)致設(shè)備制造的成本增加而且生產(chǎn)效率低下。為了使用較窄的坯料生產(chǎn)出較寬的產(chǎn)品，需要對(duì)窄帶鋼進(jìn)行增寬軋制，這種方法稱為強(qiáng)迫寬展法[2]，就是帶鋼在孔型中軋制時(shí)，使其在寬向上產(chǎn)生附加的增長(zhǎng)。由于孔型的緣故使得帶鋼的寬展變得極為復(fù)雜，目前對(duì)強(qiáng)迫寬展過(guò)程中孔型傾角的研究較少，因此研究孔型傾角對(duì)窄帶鋼強(qiáng)迫寬展的影響很有意義，對(duì)生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)作用。

帶鋼軋制的過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的非線性、多變量之間強(qiáng)耦合的過(guò)程，單純采用實(shí)驗(yàn)法研究會(huì)導(dǎo)致材料和設(shè)備的浪費(fèi)，增加研究成本，隨著有限元理論不斷的發(fā)展與完善，采用數(shù)值模擬方法是近年來(lái)軋制理論研究的趨勢(shì)，基于有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬可節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本、縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期[3]。本文基于DEFORM-3D軟件對(duì)孔型傾角對(duì)窄帶鋼強(qiáng)迫寬展的影響進(jìn)行了研究。

1 有限元模型的建立

1.1 三維模型的建立

本文依據(jù)某廠強(qiáng)迫寬展軋制生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)基于DEFORM-3D軟件，利用其中的Shape-Rolling模塊實(shí)施數(shù)值模擬，因強(qiáng)迫寬展軋制屬于異型輥軋制，軟件中無(wú)直接對(duì)應(yīng)的模型，因此本文先利用SolidWorks進(jìn)行建模，再導(dǎo)入DEFORM-3D軟件中實(shí)施模擬計(jì)算[4]。

模型采用四機(jī)架布置形式，第一機(jī)架采用帶孔型軋輥軋制，第二機(jī)架采用平輥軋制，第三、四機(jī)架重復(fù)第一、二機(jī)架的布置，第三、四機(jī)架的軋制過(guò)程與第一、二機(jī)架的軋制過(guò)程幾乎相同。因此，為了提高計(jì)算效率我們僅對(duì)前兩機(jī)架的軋制過(guò)程進(jìn)行建模分析。其中第一機(jī)架軋輥外徑為700mm，內(nèi)徑為680mm，孔型寬度為250mm，輥面長(zhǎng)度為780mm，第二機(jī)架軋輥直徑為720mm，輥面長(zhǎng)度為780mm。軋件為長(zhǎng)方體，長(zhǎng)度為800mm，寬度為500mm，厚度為150mm。

圖1 軋輥孔型

1.2 網(wǎng)格的劃分

經(jīng)過(guò)多次模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格時(shí)，網(wǎng)格質(zhì)量較高，準(zhǔn)確度較高，在利用有限元法分析軋制過(guò)程時(shí)，網(wǎng)格生成的密度將直接決定著模擬計(jì)算的精度與速度，更會(huì)影響后續(xù)模擬計(jì)算分析結(jié)果的準(zhǔn)確度，模型劃分的網(wǎng)格數(shù)越多，模擬計(jì)算結(jié)果越準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)越接近實(shí)際生產(chǎn)的情況[5]。但與此同時(shí)，模擬計(jì)算時(shí)間延長(zhǎng)，所需存儲(chǔ)量加大，對(duì)電腦的計(jì)算速度提出了更高的要求。但若模型劃分的網(wǎng)格過(guò)于稀疏又會(huì)使模擬計(jì)算結(jié)果不夠準(zhǔn)確。

綜上所述，考慮到計(jì)算機(jī)的性能、模擬分析的速率及計(jì)算結(jié)果的精確度，最終將軋件劃分為24000個(gè)網(wǎng)格，軋輥劃分為14400個(gè)網(wǎng)格。

1.3 模擬參數(shù)與邊界條件的設(shè)置

DEFORM-3D軟件自帶強(qiáng)大的材料數(shù)據(jù)庫(kù)，軋件選用常用材料Q235，在高溫軋制時(shí)，軋件的變形抗力小，并且在軋制過(guò)程中軋件的塑性變形很大，彈性變形相對(duì)塑性變形來(lái)說(shuō)極小可以忽略不計(jì)，故將軋件設(shè)置成塑性材料，軋件的溫度設(shè)置為1150℃。軋輥在軋制過(guò)程中的未發(fā)生屈服現(xiàn)象，變形相對(duì)于軋件來(lái)說(shuō)較小，不考慮軋輥的彈性壓扁和彈性撓曲，因此軋輥設(shè)置為剛性材料，軋輥的溫度設(shè)置為60℃，速度設(shè)置為20r/min。

模擬邊界條件設(shè)置，軋制過(guò)程中除了壓下量、軋制溫度、軋制速度外，摩擦因數(shù)、傳熱系數(shù)也會(huì)影響模擬計(jì)算的結(jié)果，選擇合適的參數(shù)可提高模擬計(jì)算的準(zhǔn)確度，因高溫軋制時(shí)可能有粘結(jié)現(xiàn)象產(chǎn)生，接觸面采用剪切摩擦更為準(zhǔn)確，根據(jù)生產(chǎn)中的實(shí)際情況將摩擦系數(shù)設(shè)置為0.5，傳熱系數(shù)設(shè)置為5kW·m2·K-1。因軋件的初始速度為0，為了使軋件順利咬入實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)軋制，模型建立時(shí)在軋件尾部設(shè)置一剛性推板，推板具有一定的速度，該速度小于平穩(wěn)軋制的速度，在推板助力作用下，軋件順利實(shí)現(xiàn)咬入，然后釋放該推板，在摩擦力作用下軋件進(jìn)入穩(wěn)態(tài)軋制階段。

表1 不同孔型傾角下R1寬展

為了研究孔型傾角對(duì)窄帶鋼寬度的影響，采用單一變量法，只使孔型傾角產(chǎn)生變化，而摩擦系數(shù)、壓下率等其它各參數(shù)均保持不變，孔型傾角分別取25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°進(jìn)行數(shù)值模擬。

2 模擬計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 模型的可靠性

為了驗(yàn)證模型的可靠性，采用該模型對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，通過(guò)模擬計(jì)算數(shù)據(jù)與生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者在結(jié)果上吻合度較高，所以采用此模型分析孔型傾角對(duì)窄帶鋼強(qiáng)迫寬展的影響是可信的。

2.2 孔型傾角對(duì)第一機(jī)架孔型輥軋制寬度的影響

軋件在帶孔型的軋輥中軋制時(shí)，軋件中部的壓下量大于邊部的壓下量，所以軋件中部網(wǎng)格的橫向伸長(zhǎng)大于邊部網(wǎng)格的橫向伸長(zhǎng)，中部的應(yīng)變明顯大于邊部，說(shuō)明強(qiáng)迫軋制對(duì)軋件寬度的影響明顯。在不同孔型傾角的軋制下，軋件在橫向上變形的規(guī)律基本一致，但是孔型傾角不同，截面處軋制力則不同，軋機(jī)橫向應(yīng)變也會(huì)隨之發(fā)生變化。模擬計(jì)算結(jié)果表明，孔型傾角對(duì)軋件的寬展影響明顯，隨著孔型傾角的增大，軋件的寬度變化規(guī)律是先增大后減小，在孔型傾角為45°時(shí)軋件的寬展達(dá)到最大值。且孔型傾角小于45°時(shí)軋件寬度增長(zhǎng)的趨勢(shì)大于孔型傾角45°~55°時(shí)軋件寬度下降的趨勢(shì)，結(jié)果見(jiàn)表1。模擬計(jì)算結(jié)果說(shuō)明孔型傾角為45°時(shí)，工藝設(shè)計(jì)最優(yōu)，孔型傾角小于45°時(shí)，孔型傾角對(duì)軋件的寬展作用更加顯著。

根據(jù)體積不變定理，減薄軋制時(shí)，軋件在高度方向上尺寸減少，在長(zhǎng)度方向和寬度方向上尺寸都增加[6]，因?yàn)槭菍?duì)窄帶鋼實(shí)施增寬軋制，所以我們目標(biāo)是讓金屬質(zhì)點(diǎn)盡可能多的向橫向流動(dòng)，增加軋件的寬度。而根據(jù)最小阻力定律可知，金屬質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)由軋制時(shí)所受阻力決定，阻力大的方向金屬質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)慢，阻力小的方向金屬質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)快[7]。綜上所述，第一機(jī)架軋件的出口寬度與變形區(qū)內(nèi)金屬橫、縱向流動(dòng)阻力比值和壓下量有關(guān)。當(dāng)孔型傾角增大時(shí)，孔型橫截面積減小，高度方向體積縮減量增大，有利于軋件寬度的增大；但是孔型傾角增大時(shí)，作用在傾角接觸面軋制力減小，驅(qū)動(dòng)金屬橫向流動(dòng)的水平分力也減小，不利于軋件寬度的增加。兩方面因素綜合作用的結(jié)果決定了第一機(jī)架軋件的出口寬度。

2.3 孔型傾角對(duì)第二機(jī)架平輥出口寬度的影響

經(jīng)過(guò)第一機(jī)架孔型輥軋制后，軋件呈狗骨狀，為了滿足使用要求，需用平輥將軋件壓平。以第一機(jī)架的模擬計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)繼續(xù)進(jìn)行平軋模擬，計(jì)算結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)第一機(jī)架不同孔型傾角的軋件再經(jīng)平軋后，軋件截面橫向應(yīng)變變化規(guī)律一致，在軋件槽頂中部和軋件四分之一處橫向應(yīng)變最大，并且隨著孔型傾角的增大，軋件寬度先增大后減小。用第二機(jī)架軋件的出口寬度減去第一機(jī)架軋件的出口寬度可得第二機(jī)架軋件的寬展數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算不同孔型傾角下第二機(jī)架軋件的寬展量在36.2mm~36.7mm之間，差距僅為0.5mm，說(shuō)明在增寬軋制中，孔型傾角對(duì)平輥軋制時(shí)軋件寬展的作用很小。最終第二機(jī)架軋件的出口寬度變化規(guī)律與第一機(jī)架軋件的出口寬度規(guī)律相同，軋件的寬展規(guī)律是先增大后減小，在孔型傾角為45°時(shí)軋件的寬展達(dá)到最大值為565.7mm?？仔蛢A角在40°~55°之間時(shí)，軋件的寬展變化平緩，孔型傾角在小于40°和大于55°后，軋件的寬展下降明顯，所以在生產(chǎn)中應(yīng)保證孔型角度在40°~55°范圍內(nèi)，防止孔型傾角過(guò)小或過(guò)大造成軋件寬展量不足，產(chǎn)生廢品。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)窄帶鋼在不同孔型傾角下軋制過(guò)程的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)了不同孔型傾角對(duì)窄帶鋼寬度變化的影響規(guī)律，為實(shí)際生產(chǎn)相關(guān)工藝參數(shù)的設(shè)置提供一定的理論指導(dǎo)。

（1）孔型傾角對(duì)第一機(jī)架軋件的寬度影響較大，對(duì)第二機(jī)架軋件的寬度幾乎沒(méi)有影響。隨著孔型傾角的增大，第一機(jī)架軋件的出口寬展先增大后減小，孔型傾角為45°時(shí)軋件的寬展達(dá)到最大值29.1mm，而孔型傾角對(duì)第二機(jī)架軋件的寬展幾乎沒(méi)有影響，不同孔型傾角下，軋件的寬展均保持在36.2mm~36.7mm之間。

（2）孔型傾角為45°時(shí)設(shè)計(jì)最優(yōu)，軋件的寬展達(dá)到最大，且孔型傾角在40°~55°范圍內(nèi)，軋件的寬展量保持在較高水平，可以滿足使用需求，但是當(dāng)孔型傾角小于40°或者大于55°后，寬展量急劇減小，所以工業(yè)生產(chǎn)中要及時(shí)檢測(cè)孔型角度，防止偏離目標(biāo)值過(guò)大導(dǎo)致出口寬度不足，降低成材率，增加生產(chǎn)成本。