多輥矯直工藝參數與帶鋼塑性延伸變化規律關系研究

朱劍濤

摘要：矯直工藝有助于在改善熱軋帶鋼板形的同時控制其殘余應力，但帶鋼在矯直機入口會受到開卷張力的作用，受到拉伸和彎曲的綜合作用，矯直過程是一個三維彈塑性變形行為。為了使矯直機在平整線發揮更大的作用，需要明確不同工藝參數下的帶鋼塑性延伸變化規律。本文以某廠6輥矯直機為仿真對象，運用ABAQUS有限元軟件對帶鋼矯直過程進行二維彈塑性仿真，得出帶鋼的塑性延伸變化規律和矯直工藝參數之間的關系，為優化工藝參數奠定了理論基礎。

Abstract： The straightening process helps to improve the shape of the hot-rolled strip while controlling its residual stress， but the strip will be affected by the uncoiling tension at the entrance of the straightening machine， and will be affected by the combined effects of stretching and bending. The straightening process is A three-dimensional elastoplastic deformation behavior. In order to make the straightening machine play a greater role in the leveling line， it is necessary to clarify the law of plastic extension of the strip under different process parameters. In this paper， a 6-roll straightening machine from a certain factory is used as the simulation object， using ABAQUS finite element software to carry out two-dimensional elastoplastic simulation of the strip straightening process， and obtain the relationship between the strip's plastic extension change law and the straightening process parameters. Laid a theoretical foundation for optimizing process parameters.

關鍵詞：熱軋帶鋼;多輥矯直;塑性延伸;數值仿真

Key words： hot rolled strip steel;multi-roll straightening;plastic elongation;numerical simulation

中圖分類號：TG333.23? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）24-0035-03

0? 引言

熱軋帶鋼經粗軋、精軋、層冷及卷取等工藝后自然冷卻為成卷帶鋼，此時帶鋼還需運送到平整分卷機組進行平整分卷，進一步改善帶鋼的機械性能、板形和表面質量[1]。但由于熱軋帶鋼的矯直過程是一個復雜的三維彈塑性變形行為，且矯直過程中使用的工藝參數大多依靠于實驗數據[2]和生產經驗數據，使得平整后的帶鋼在后期加工時會出現側彎、縱彎、錯層、挫傷等缺陷，這些缺陷嚴重影響產品質量，給企業帶來經濟和聲譽損失。為了盡量避免此類缺陷的發生，使多輥矯直機在平整線中的發揮更大的作用，需要明確不同工藝參數下的帶鋼塑性延伸變化規律。但解析法求解建立在多項重要的簡化假設上，導致計算結果難以與它生產中的實測數據相吻合[3]，有限元法為解決此類問題提供了一個重要的手段。因此，為了優化某鋼廠6輥矯直機的使用工藝，分析解決存在的問題，借助于ABAQUS有限元軟件對帶鋼矯直過程進行二維彈塑性仿真，得出帶鋼的塑性延伸變化規律和多輥矯直工藝參數之間的關系，更合理的提出目前平整線的改造方案，為優化工藝參數奠定了理論基礎。

1? 帶鋼多輥矯直過程的有限元分析

1.1 6輥張力多輥矯直機結構

某鋼廠對1580平整線進行了改造，在開卷機與平整機之間放入一6輥矯直機，由于平整工藝需要一定工藝張力，帶鋼的矯直實際為帶張力多輥矯直，此后稱1580平整線的矯直機為張力多輥矯直機。6輥張力多輥矯直機矯直輥由電機經減速器驅動，若忽略矯直輥驅動的影響，在張力多輥矯直機中帶鋼同時受到拉伸和彎曲的作用，因此其變形及力學機理同拉彎矯直，可用研究拉彎矯直的研究思路來研究張力多輥矯直機。

1.2 幾何和計算模型的建立

1.2.1 結構的簡化

矯直輥實際機械參數為直徑220mm、輥距280mm、輥長1750mm，在建立有限元仿真模型時對其結構進行了必要的簡化，如圖1所示。忽略帶鋼厚度，由簡單的幾何計算可求得OO′約為50mm，即上輥極限壓下量（插入深度）為50mm，1#、2#、3#矯直輥均可單獨壓下。

1.2.2 基本假設

為了提高運算效率，在滿足精度的條件下，提出了如下假設：①為研究帶鋼的變形，設置帶鋼為均質、各項同性的可變形體，忽略包辛格效應，忽略加工硬化效壓，不考慮矯直輥的變形，矯直輥設置為離散剛體，其運動由圓心處參考點控制。②模型為二維模型，假設帶鋼寬度對帶鋼長度及厚度方向上的計算結果無影響。③忽略帶鋼初始板形及內應力的影響，帶鋼初始為一平直板。

帶鋼的矯直過程是典型的材料非線性、幾何非線性和邊界非線性的問題，而且帶鋼在向前的運動中產生變形，所以采用大位移的分析方法。

1.2.3 模型的構建

本研究主要針對該廠生產的510L汽車大梁鋼，其屈服強度為468MPa，抗拉強度708MPa，彈性模量207075MPa，強化模量893MPa，泊松比0.3。在此矯直輥無驅動的模型中，接觸設置中摩擦系數設定為0，帶鋼與矯直輥之間無摩擦，無能量交換。單元類型選擇線性縮減積分單元（CPS4R），為較好的觀察帶鋼上下表面及中心層塑性延伸，帶鋼厚度方向劃分11個單元，長度方向設定帶鋼長度3400mm，網格長度為4mm。

2? 多輥矯直工藝模擬的結果分析

多輥矯直工藝影響因素眾多，本文利用所建立的有限元模型，研究了矯直過程中各輥縫值、入口張應力、屈服強度、帶鋼厚度等參數對帶鋼塑性延伸的影響規律，并對矯直機的極限矯直能力進行了分析。

對于塑性延伸的研究主要是研究帶鋼上表面塑性延伸率εu、中心層塑性延伸率εm、下表面塑性延伸率εd，以上塑性延伸率分別對應網格劃分從上往下第1層、第6層、第11層的沿帶鋼方向塑性延伸率。由于模型采用絕對坐標，ABAQUS有限元軟件輸出的X向塑性延伸、Y向塑性延伸、Z向塑性延伸及切向塑性延伸分別為PE11、PE22、PE33、PE12，若帶鋼厚度截面與Y軸有夾角，則輸出的PE11并不是帶鋼沿長度方向塑性延伸率，因此利用材料力學中應變公式計算沿帶鋼長度方向塑性應變，如式（1）所示：（1）

為定量描述張力多輥矯直機對帶鋼的矯直能力，定義帶鋼上表面塑性應變減下表面塑性應變為上下表面塑性延伸差Δε，其值用百分比表示。

2.1 各輥縫值對塑性延伸影響

隨著總輥縫值的增大，帶鋼上下表面塑性延伸差也相應增大，但增長趨勢減緩，隨后帶鋼厚度各層帶鋼塑性應變趨于恒值。當k值較小，上下表面塑性延伸差最快達到最大值。調節區間在-0.1%到0.8%之間，除在輥縫比k為2，總輥縫為7.5mm時上下表面塑性延伸差小于0，即帶鋼下表面塑性延伸率大于帶鋼上表面塑性延伸率，其它結果都是帶鋼上表面塑性延伸率大于帶鋼下表面塑性延伸率，這表明無法通過輥縫的分配調控上下表面塑性延伸的大小關系。在圖2中用虛線標出了各曲線數值差異較大區域，也說明在總輥縫較小及較大時輥縫比k的選擇對上下表面塑性延伸差大小的影響較小。

輸出不同輥縫比下中心層塑性延伸如圖2所示，從圖中可以看出，隨著總輥縫的增大，即變形的增大，帶鋼中心層塑性延伸率增大。要使中心層產生塑性延伸，總輥縫應大于一個數值，對于當前工況，總輥縫應大于22.5mm。對比不同輥縫比曲線可以看出不同的輥縫比k下中心層塑性延伸也不同。

同時也考慮了在入口張力與輥縫比共同作用下的塑性延伸差變化規律。曲線在更大的總輥縫下達到最大，即總輥縫變化對上下表面塑性延伸差的調節區間（-0.2-0.8%）增大。同時帶鋼需要在更大的總輥縫值時中心層產生塑性延伸，這說明增大矯直機入口張應力可以增大帶鋼的塑性延伸。入口張應力對上下表面塑性延伸差的極限值影響較小。如圖3所示，帶鋼厚度由6mm減小為3mm，上下表面延伸差隨總輥縫先減小后增大，各曲線上下表面塑性延伸差變化區間在-0.2-0.6%之間，上下表面塑性延伸差區間向下偏移。由于矯直機機械結構的限制，當各曲線達到最大總輥縫值時，僅輥縫比k為0.5、0.67曲線達到極限上下表面塑性延伸差。由中心層塑性延伸曲線可以看出帶鋼厚度由6mm減為3mm時，無論總輥縫值取多大，帶鋼中心層始終無塑性延伸，說明帶鋼越薄，中心層越不容易產生塑性延伸，需要更大的壓下量。

2.2 入口張應力對塑性延伸影響

帶鋼入口張應力變化對上下表面塑性延伸差的影響：在總輥縫較小時，帶鋼上下表面塑性延伸差隨入口張應力的增大而增大;在總輥縫較大時，上下表面塑性延伸差隨入口張應力的增大而減小，同時可以看出上下表面塑性延伸差的變化幅度較小，入口張應力對上下表面塑性延伸差影響較小。

帶鋼入口張應力σ0變化對中心層塑性延伸的影響，隨著總輥縫的增大，帶鋼中心層塑性延伸率增大。帶鋼入口張應力越大，帶鋼中心層越容易產生塑性延伸。在總輥縫值相同情況下，入口張應力越大，帶鋼中心層塑性延伸越大。

2.3 屈服強度對塑性延伸影響

帶鋼屈服強度變化對上下表面塑性延伸差的影響：在總輥縫值較小時，屈服強度越大，帶鋼上下表面塑性延伸差越小，總輥縫值較大時，帶鋼上下表面塑性延伸差隨屈服強度變化幅度較小，屈服強度對帶鋼上下表面塑性延伸差影響較小。

帶鋼屈服強度變化對中心層塑性延伸的影響，如圖4、圖5所示，帶鋼屈服強度越小，帶鋼中心層越容易產生塑性延伸。在相同的總輥縫下，屈服強度越大，帶鋼中心層塑性延伸越小。

2.4 帶鋼厚度對塑性延伸的影響

帶鋼厚度變化對上下表面塑性延伸差的影響如圖6所示，帶鋼厚度對帶鋼上下表面塑性延伸差有較大的影響。當厚度較小時，上下表面塑性延伸差隨總輥縫增加先減小后增加;當厚度較大時，上下表面塑性延伸差隨總輥縫增加先增大后減小。當總輥縫值較小時，帶鋼越厚，上下表面塑性延伸差越大;當總輥縫值達到最大，各曲線上下表面塑性延伸差值趨于一致。

帶鋼厚度變化對中心層塑性延伸的影響：帶鋼越厚，中心層越容易產生塑性延伸。當總輥縫值一定時，帶鋼越厚，中心層塑性延伸越大。矯直機總輥縫從最小增加到最大，帶鋼上下表面塑性延伸差逐漸增大并達到極值，當上下表面塑性延伸差達到最大時帶鋼中心層開始產生塑性延伸，此時隨著帶鋼厚度的進一步增大，上下表面塑性延伸差小幅減小，此時帶鋼中心層塑性延伸開始快速增大，此時帶鋼的上下表面及中心層塑性延伸產生一個均勻化的過程。

3? 結論

通過對多輥矯直過程進行大量工況的仿真計算，對模擬所得到的矯直結果進行整理，得到了矯直過程中各輥縫值、入口張應力、屈服強度、帶鋼厚度等參數對帶鋼塑性延伸的影響規律。通過以上分析可以發現帶鋼入口張力及屈服強度對平整線6輥張力多輥矯直機的極限矯直能力即最大上下表面塑性延伸差影響較小;帶鋼厚度對上下表面塑性延伸差影響較大，帶鋼厚度越大，帶鋼上下表面塑性延伸差越大。

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