高強鋁合金板軋制過程中應力分布規律的有限元分析

王甲駿， 王 婧

（機械工業技術發展基金會， 北京 100053）

0 引言

Al-Zn-Mg-Cu 系高強鋁合金具有優異的強度、韌性和良好的耐腐蝕性能， 已成為航空航天和交通運輸領域重要結構材料之一[1]。然而高強鋁合金板材在軋制過程中變形難度較大，導致后續加工困難。因此進行板材軋制過程中應力分布的影響因素及規律的探究， 對軋制過程中工藝規范的制定具有重要的工程意義[2]。

目前國內外專家學者進行了合金軋制過程的有限元模擬研究，分析了軋制過程的下壓量、軋制速率、工作溫度、輥徑等工藝參數對合金板溫度場、應力場、應變場分布以及微觀組織的影響，研究結果對建立中厚板軋制過程的有限元數值模擬提供了參考[3]。針對高強鋁合金具有的成分、組織及性能特征，采用有限元數值模擬技術進行軋制過程模擬， 分析合金變形過程中的應力、應變、溫度分布規律，為制定合理的軋制工藝參數提供指導原則，通過優化工藝，提高產品質量及效率，降低成本具有非常重要的意義。

1 研究方案

1.1 材料成分及樣品。

本實驗采用Al-Zn-Mg-Cu 系鋁合金，成分見表1。

表1 鋁合金化學成分（質量分數%）

待軋制毛坯尺寸設定為長度：65mm；寬度：20mm； 厚度：10mm。

1.2 研究方案制定

分析應力為等效應力和剪切應力。

（1）軋制溫度對應力分布的影響。 設定終軋厚度為7.5mm，分別在300℃，350℃，400℃，450℃下進行單道次軋制，分析鋁合金板中應力分布規律，確定最佳軋制溫度。

（2）軋制道次對應力分布影響。 設定軋制溫度為300℃，由10mm 厚壓制到終厚度7mm，30%的變形量，分別采用1，2，3，4 道次完成， 研究軋制道次對板材應力分布的影響規律。 五組實驗的軋制道次及下壓量見表2。

表2 軋制道次及下壓量設置

（3） 鋁合金板厚度對應力分布的影響。 設定軋制溫度為300℃，將鋁合金軋制至終厚度分別為9.0mm、8.0mm、7.0mm、6.0mm、5.0mm。

1.3 材料參數及有限元模型

鋁合金及軋輥材料參數見表3 和4。

表3 鋁合金材料參數

表4 硬質合金軋輥材料參數

根據參考文獻[4，5]，鋁合金高溫塑性變形條件下相關參數代入得到鋁合金的本構方程為：

式中：ε˙—應變速率（S-1）； T—溫度（K）；σ—流變應力。

選取模型的1/4 進行模擬，見圖1。圖2 為板材和軋制的有限元模型。選取了2 條分析路徑，見圖3。其中板材中心至表面為X 路徑；沿厚度方向為Y 路徑。

圖1 鋁合金板網格劃分

圖2 板和軋輥的網格劃分

圖3 分析路徑

2 研究結果及分析討論

2.1 軋制溫度對板材應力分布影響

設定終軋厚度為8mm， 分別在300℃，350℃，400℃，450℃下進行單道次軋制， 分析鋁合金中等效應力分布，確定最佳軋制溫度。

圖4 為軋制溫度對鋁合金板材等效應力分布的影響。 由圖4 可知，沿X 路徑由板材心部至表面，等效應力先逐漸增大，在距表面大約1/2 處出現最大值。 隨著軋制溫度的上升，沿X 路徑的等效應力均下降。沿厚度方向Y路徑，等效應力先呈現平緩的趨勢，在厚度1/4 處開始下降，1/2 處開始小幅度上升。

圖5 為軋制溫度對鋁合金板材剪切應力的影響。 沿X 路徑從板材心部至表面，剪切應力由正變負，峰值出現在距表面3/4 處。 沿厚度方向Y 路徑的剪切應力峰值出現在約為厚度3/4 處。 隨著軋制溫度的升高，厚度方向的剪切應力峰值減小。

圖4 軋制溫度對板材等效應力分布的影響

圖5 軋制溫度對板材剪切應力分布的影響

2.2 軋制道次對板材應力分布影響

設定軋制溫度為300℃， 由10mm 厚壓制到7mm 厚度，30%的變形量，分別采用1，2，3，4 道次完成，研究軋制道次對板材應力分布的影響規律。

圖6 為軋制道次對鋁合金板材等效應力分布的影響。 沿X 路徑從心部到表面，等效應力為先上升后幾乎不變的趨勢，應力最大值出現在距表面1/4 處，軋制道次對板材表面處應力影響不大。 總下壓量一定時，軋制道次越多，應力梯度越小，等效應力分布均勻，應力峰值接近表面。 沿厚度方向Y 路徑等效應力先上升， 在厚度1/5-2/5 處出現峰值并開始下降，在厚度4/5 處出現最小值。 在總下壓量相同時，軋制道次越多，同一位置等效應力越小，應力峰值的位置接近上表面。

圖7 為軋制道次對鋁合金板材剪切應力的影響。 沿X 路徑的剪切應力，當道次較多時，反向應力值較大，其中二道次和三道次的應力分布更加均勻。 隨著軋制道次的增加，峰值出現的位置也逐漸靠近表面，應力分布較為均勻。 板材沿厚度方向Y 路徑的剪切應力先上升后下降的趨勢，應力峰值在距表面約1/2 處。 在相同位置，道次多，鋁合金板材剪切應力分布均勻。

圖6 軋制道次對板材等效應力分布的影響

圖7 軋制道次對板材剪切應力分布的影響

2.3 鋁板厚度對板材等效應力分布影響

設定軋制溫度為300℃，厚度為5，6，7，8，9，研究鋁合金板厚度對板材應力分布的影響規律。

圖8 為300℃軋制板材厚度對等效應力的影響。

圖8 300℃軋制板材厚度對等效應力的影響

圖9 300℃軋制板材厚度對剪切應力的影響

板厚度較大，沿X 路徑由中心到表面，等效應力先增大后緩慢減小，峰值出現在距表面1/3 處。 鋁合金板材厚度越大， 由心部到表面沿厚度方向Y 路徑的等效應力先上升再緩慢下降。

圖9 為300℃軋制板材厚度對剪切應力的影響。

鋁合金板材越厚，剪切應力值越小。板材厚度較小時，沿X 路徑從中心到表面，剪切應力方向由正到負。 板材厚度較大時，沿X 路徑的剪切應力主要為正值，第一個峰值在距表面3/4 處，第二個峰值在距表面1/4 處。 隨著板材厚度減小，應力值減小。 沿厚度方向Y 路徑由中心到表面，剪切應力為上升趨勢，板材厚度對應力分布規律影響不大，對應力值有影響，厚度越大應力越小。

3 結論

軋制溫度對鋁合金板材中應力影響顯著。 軋制溫度為300～450℃時，鋁合金板材的等效應力和剪切應力均隨溫度的升高而下降； 軋制溫度為450℃時，鋁合金板等效應力及剪切應力較小且分布最均勻。

軋制道次對鋁合金板材殘余應力分布有一定影響。 總壓下量為30%時，隨著軋制道次的增加，板材的等效應力和剪切應力減小。 經過四道次軋制，鋁合金板材中的等效應力和剪切應力較小且分布最均勻。

鋁板厚度對板材應力分布有一定影響。 板材較厚時，各路徑等效應力及剪切應力分布較均勻，應力值較小，。 板材厚度居中時，沿X 路徑等效應力分布極不均勻，先減小后急劇增大，達到峰值，有可能影響合金工藝及性能。