（机械电子工程专业论文）辊式矫直机压下规程仿真分析.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 辊式矫直机是目前应用范围最广的带钢( 钢板) 矫直机。其理论基础是金属材料在较 大弹塑性弯曲条件下，不管其原始弯曲程度有多大差别，在弹复后所残留的弯曲程度差别 会显著减小，甚至会趋于一致，从而达到矫直目的。 矫直机是提高产品质量和精度的关键设备。本文以某热轧带钢厂精整横切线上的第一 台矫直机一七辊矫直机为研究对象，对厚度为1 2 4 m m 屈服极限为6 4 5 m p a 的钢板以大变 形矫直方案理论计算了下辊不动时上三辊的压下量。对钢板在实测压下量值和理论计算的 压下量值两种不同压下规程下的矫直过程进行了有限元仿真，定量地研究了不同的压下规 程对矫后钢板的矫直效果以及应力分布的影响，找出了现场生产中钢板质量达不到要求的 主要因素。对比分析结果和两组不同的压下规程，改变了现有的压下量值，找到了一种钢 板矫后残余应力小、平直度好的压下规程并投入应用。 本文所采用的辊式矫直机压下规程仿真分析的方法对同类矫直机压下参数的确定有 一定的参考价值。 关键词：辊式矫直机，有限元，压下量，残余应力 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t r o l ls t r a i g h t e n e ri st h ep l a t es t r a i g h t e n e rw h i c hi st h em o s tw i d e l yu s e d i t sb a s i c a lt h e o r yi s n om a t t e rh o wm u c hb i gt h ed i f f e r e n c ea m o n gt h eo r i g i n a lc u r v a t u r e si s ，t h ed i s t i n c t i o no fm e t a l m a t e r i a lw h i c hu n d e ral a r g ee l a s t o p l a s t i cb e n d i n gc o n d i t i o na m o n gt h er e s i d u a lc u r v a t u r e sw i l l b es i g n i f i c a n t l yr e d u c e da f t e rs p r i n g - b a c k ，o re v e ni nl i n e t h ep u r p o s eo fs t r a i g h t e n i n gi s a c h i e v e d s t r a i g h t e n e ri st h ek e ye q u i p m e n tw h i c hi m p r o v e st h ep r o d u c tq u a l i t ya n dt h ep r e c i s i o n t h i sa r t i c l et a k e st h e7 - r o l ls t r a i g h t e n e ro fs t r a i g h t e n i n gl i n ei nah o t - r o l l e dp l a n ta st h eo b j e c to f s t u d ya n dt h e o r e t i c a l l yc o m p u t e st h er o l l i n gs c h e d u l e so ft h eu p p e r3r o l l e r sw i t hb i gd i s t o r t i o n s t r i g h t e n i n gp l a nt ot h ep l a t ew i t ht h i c k n e s si s12 4 m ma n dy i e l ds t r e n g t hi s6 4 5 m p a af i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sw a su s e dt os i m u l a t et h ep r o c e s so fp l a t es t r a i g h t e n i n gw i t hd i f f e r e n tr o l l i n g s c h e d u l e sb e t w e e na c t u a lv a l u ea n dt h e o r e t i c a l l yc o m p u t e dv a l u e t h ee f f e c to fd i f f e r e n tr o l l i n g s c h e d u l e st ot h es t r a i g h t e n i n ge f f e c t i o na n dd i s t r i b u t i o no fr e s i d u a ls t r e s s e sa f t e rs t r i g h t e n e dw a s q u a n t i f i c a t i o n a lr e s e a r c h e d a n dw ed i s c o v e r e dt h em a i nr e a s o nw h yt h eq u a l i t yo fp l a t ec a l l a t r e a c ht h er e q u i r e m e n t t h ee x i s t i n gr o l l i n gs c h e d u l e sw a so p t i m i z e da f t e rt h ec o n t r a s tb e t w e e n t h ea n a l y s i s e dr e s u l t e sa n dt h et w od i f f e r e n tr o l l i n gs c h e d u l e s ar o l l i n gs c h e d u l ew h i c hm a k e s t h ep l a t ea f t e rs t r a i g h t e n i n gw i t hs m a l lr e s i d u a ls t r e s s e sa n ds m o o t hs h a p ew a sf o u n d a n di th a s b e e na p p l i e dt ot h ep r o d u c t i o n t h em e t h o dt h i sa r t i c l eu s e dh a sc e r t a i nr e f e r e n c ev a l u et od e t e r m i n et h er o l l i n gs c h e d u l e s o ft h es a m ek i n do f s t r a i g h t e n e r k e y - w o r d s ：r o l ls t r a i g h t e n e r ，f e m ，r o l l i n gs c h e d u l e ，r e s i d u a ls t r e s s 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：三盈牡日期：盘牛 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名：之强颦 指导教师签名：之毕丝! 一 日 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 矫直机及矫直原理 1 1 1 矫直机的分类 轧件在轧制、冷却和运输过程中，由于各种因素的影响，往往会产生各种形状缺陷。 例如板材和带材会产生纵向弯曲( 波浪型) 、横向弯曲、中间瓢曲和边缘浪型以及镰刀弯【l 】； 钢轨、型钢和钢管经常出现弧形弯曲；某些型钢( 如工字钢等) 的断面会产生翼缘内并、 外扩和扭转等。为了消除这些缺陷，轧件需要矫直。而矫直机就是实现这一矫直过程的机 器。 由于条材种类不同，弯曲形态不同，各自所要求的矫直方法也不尽相同。工业上人们 已经研制成功的矫直方法主要有平行辊矫直法、压力矫直法、拉伸矫直法、拉弯矫直法、 斜辊矫直法、转毂矫直法、平动矫直法及其他一些特殊的矫直方法【2 1 。 由于矫直方法的不同，相应的其矫直机的结构也不同。按照结构特征不同，矫直机可 以化分为八大判h 】： ( 1 ) 平行辊矫直机，简称辊式矫直机，如简支辊式矫直机及悬臂辊式矫直机； ( 2 ) 压力矫直机，如液压压力矫直机、机械压力矫直机及微机程控压力矫直机等； ( 3 ) 拉伸矫直机，如液压拉伸矫直机、机械拉伸矫直机及连续拉伸矫直机等； ( 4 ) 拉弯矫直机，如液压拉弯矫直机、机械拉弯矫直机及液膜拉弯矫直机等； ( 5 ) 斜辊矫直机，如二斜辊矫直机，三斜辊矫直机及各种各样的多斜辊矫直机； ( 6 ) 转毂矫直机，如斜辊式转毂矫直机、滚动模式转毂矫直机、滑动模式转毂矫直 机及复合式转毂矫直机等； ( 7 ) 拉坯矫直机，如普通拉坯矫直机及多辊拉坯矫直机； ( 8 ) 特殊结构矫直机，如平动式矫直机及行星式矫直机等。 按上述原则分类的矫直机还可进一步按具体用途、具体机构、控制方式以及传动方式 等不同再做细化分类，每个细化分类中都可用不同规格形成产品系列，这里就不再述。 1 1 2 平行辊矫直机 平行辊矫直机属于连续性反复弯曲的矫直设备，是目前应用最广的矫直机，它是在 压力矫直机的基础上发明的，这种矫直机可以连续工作，它克服了压力矫直机断续工作的 缺点，使矫直效率成倍提高。其理论基础是金属材料在较大弹塑性弯曲条件下，不管其原 始弯曲程度有多大区别在弹复后所残留的弯曲程度差别会显著减小，甚至会趋于一致，进 而达到矫直目的。 辊式矫直机的压弯方案主要有两种【2 】： ( 1 ) 大变形量方案。该方案是在第二、第三辊上采用很大的反弯曲率。这样不管轧 件的原始曲率有多大，经过二、三辊矫直之后，轧件的残余曲率不均匀性都会迅速减小， 趋于一致。然后再通过其余各辊的矫直，使轧件趋于平直。采用这种方案，可以用较少的 辊子获得较高的矫直质量。但是过分增加轧件的变形程度会使对加工硬化明显的材料及大 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 断面系数的轧件增加其内部的残余应力，影响产品质量，而且会加大矫直机的能量消耗。 ( 2 ) 小变形量方案。该方案是基于矫直机上排工作辊可以单独调整的基础上。在这 方案中，各辊的压下量( 即反弯曲率) 是按这样一个原则选择的：进入该辊的轧件经反弯 和弹复以后，其最大原始曲率应完全消除。采用这个方案各辊的压下量相对较小，轧件经 连续多次的反复弯曲以达到矫直目的。该方案的矫直机消耗的功率小，但是原始曲率消除 缓慢，要达到既定的矫直质量就必须增加矫直辊的数量，从而导致矫直机设备结构复杂。 辊式矫直机主要由机架、辊系、主传动系统、压下系统、上辊平衡系统、导辊升降装 置、弯辊( 辊型调整) 装置及换辊装置等组成。辊式矫直机总的趋势为发展大矫直力的强 力矫直机为主，该系列矫直机总体发展趋势如下【4 】： ( 1 ) 高刚度矫直机机座，变形小，精度高，可满足大矫直力条件下的使用： ( 2 ) 在矫直辊入口处安装一弯头压直机，消除头部钢板的上翘； ( 3 ) 上矫直辊可以横向倾动，能分别调整各段支承辊，以改变矫直辊的凸度，消除 钢板的单侧或者双侧边浪； ( 4 ) 用数字控制系统精确调整上矫直辊位置，并借助自动测厚仪自动控制矫直辊负 荷和在线过程计算机进行全自动操作； ( 5 ) 下矫直辊可以沿矫直方向倾斜以调整矫直辊负荷； ( 6 ) 拥有两套以上的辊系装备供给一套矫直机使用； ( 7 ) 为了提高矫直效果，矫直机出口处的上( 或下) 辊可以单独调整，且在矫直过 程中也可以进行调整； ( 8 ) 装备液压安全装置和快速松开装置以便在设备过载、卡钢和停电时快速松开矫 直辊。 随着用户对钢板质量要求的提高，辊式矫直机将向高刚度、大矫直力、针对钢板缺陷 的专门功能结构的方向上发展，并尽可能降低线上维护时间【5 ，6 】，通过自动控制和液压系统 的提高来简化制作结构和操作使用。 1 1 3 平行辊矫直机的矫直原理 轧件在辊式矫直机上的矫直过程，实质上是轧件通过矫直辊时，产生弹塑性变形的 过程。根据外力矩由小加大的变化，轧件的弯曲变形有三种情况t 7 1 ： a 纯弹性弯曲。在外力矩作用下，轧件表面层应力未超过材料的屈服极限，各层纤维 都处于弹性变形阶段。当外力矩去除后，在弹性力矩的作用下，各层纤维的应变将全部恢 复。 b 弹塑性弯曲。随着外力矩的加大，有部分纤维层产生塑性变形。外力矩去除后，将 恢复部分形变。 c 纯塑性弯曲。外力矩继续增大，整个轧件断面的纵向纤维应力都超过了材料的屈服 极限，即所有纵向纤维都处于塑性变形状态。外力矩去除后，在弹性内力矩的作用下，纵 向纤维的变形只能恢复弹性变形的部分。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 由此可见，轧件在通过矫直机矫直时发生弹塑性弯曲的过程可分为两个阶段：一为轧 件在外力矩作用下发生弹塑性变形的阶段，二为外力矩去除后，轧件自身的弹塑性恢复阶 段。轧件要能被矫直就必须发生弹塑性变形。 轧件的弯曲过程可以用其曲率变化来说明【引。 ( 1 ) 原始曲率! 轧件初始状态下的曲率称为原始曲率，用! 表示。为轧件的 厂。 原始曲率半径，曲率的方向用正负号来表示。当原始曲率与反弯曲率方向相同时用正号表 示，相反时用符号表示。若二= 0 则表示轧件原始状态是平直的。 ( 2 ) 反弯曲率二在外力矩的作用下，轧件强制弯曲后的曲率称为反弯曲率。在辊式 p 矫直机中，反弯曲率是通过工作辊的压下( 压上) 来获得的。 ( 3 ) 弹复曲率二它是轧件弹复阶段的曲率变化量，其数值取决于弹复力矩。 p ， ( 4 ) 残余曲率! 它是轧件经反弯、弹复后的曲率。若三= 0 则表示轧件被矫直。若轧 rr 件未被矫直，则这一残余曲率就作为下次矫直的原始曲率。 假设有单值原始曲率为三的轧件通过如图1 1 所示的三个矫直辊。由于上排矫直辊 ，0 的下压作用，使板材向相反的方向弯曲，此时板材产生反弯曲率! ，而轧件离开矫直辊后 p 经弹性变形恢复后有残余曲率! ，显然，弹复曲率土应为反弯曲率和残余曲率的代数差。 r p 9 即土：土一! p ，p l 由上式可见，要使原始曲率为! 的板材通过这三个矫直辊矫平( ! ：o ) ，必须使所 ， 选择的反弯曲率等于弹复曲率， 关。 即上：上 pp y 弹复曲率的数值与轧件的材料、尺寸、原始曲率等因素有 ( 1 2 ) 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 图1 1 轧件在矫直辊作用下的曲率变化 在轧制产品中，除一些大断面轧件具有单值原始曲率的形状缺陷外，多数轧件上的形 状缺陷其原始曲率的数值和方向是不定的。对这类轧件的矫直，大多数是采用大变形量方 案以快速消除其原始曲率的不均匀度，使其形成单值曲率，再逐渐将轧件矫直。 1 2 国内外发展概况 1 2 1 矫直机发展概况 矫直机的发展伴随着钢铁技术的发展而成熟。1 9 世纪5 0 年代炼钢技术发展迅速，随 着平炉炼钢技术的发明，钢产量飞速增长。到1 9 世纪末，已经出现了锻造机械、轧钢机 械和矫直机械。早期的矫直机以英国布朗克斯公司生产的5 辊厚板矫直机为典型代表。 发展到2 0 世纪后期，随着造船、桥梁、高压容器等行业自动加工水平的不断提高， 对中厚板不平度、残余应力的要求也越来越严格，鉴于这种情况，出现了高刚度、全液压 且自动化水平很高的新一代强力矫直机。 我国最早使用的中厚板辊式矫直机是1 9 0 5 年英国制造的。新中国成立前，国内大部 分钢厂的矫直机都是由德、意、日进口。新中国成立后，特别是改革开放以后，国产矫直 机得到长足的发展。 改革开放以后我国接触到大量的国外设计研制成果，同时也引进了许多先进的矫直设 备，如英国的布朗克斯( b r o n x ) 矫直机，德国的凯瑟琳( 鼬e s 甜i n g ) 矫直机，德马克 ( d e m a g ) 连续拉弯矫直机及高精度压力矫直机，日本的薄板矫直机等，并在此基础上逐 步研发自己的矫直机。近年来我国在反弯辊形七辊矫直机、多斜辊薄壁管矫直机、3 斜辊 薄铜管矫直机、反向反弯辊形2 辊矫直机、复合转毂式矫直机、平行辊异辊距矫直机 9 - 1 3 】 及矫直液压切料机等研制方面相继取得成功，逐步跟上世界步伐。 1 2 2 矫直技术发展概况 国外在2 0 世纪就开始研究反弯矫直理论了。2 0 世纪初，国外对管材的旋转矫直进行 了初步研究，并取得了一定成果。到2 0 世纪2 0 年代，这一理论已有显著突破，发展到3 0 年代，旋转矫直理论基本就已经成熟。一直到8 0 年代，随着矫直技术的不断进步，产生 了各种各样的矫直方法，如：转毂式矫直法、拉弯矫直法、拉伸矫直法、振动矫直法、拉 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 扭矫直法、行星矫直法、整形矫直法等多种方法。 到9 0 年代，随着矫直技术的不断成熟，国外对矫直技术的研究侧重于矫直精度、控 制水平及工作环境等方面【i 7 1 。同时，为提高矫直精度和控制水平，开展了对变形机理、 改进工艺和参数优化等方面的理论研究，取得了一些具有实用价值的成果【1 8 - 2 0 。前东德的 学者w g u e r i c k e 提出了影响矫直质量的决定因素【2 1 】。最近以来，国外学者对矫直过程的计 算机实时控制研究比较多，如j u e na r o b e r t 对圆盘锯片矫直过程实现自动控制的研究 2 2 1 以及d a v i dh a r d 等对扭转变形矫直过程的实时控制的研肃【2 3 j 。 我国对矫直技术的研究起步比较晚。2 0 世纪5 0 年代，前苏联的矫直机大量进入中国， 国内的研究人员结合实际应用，逐渐开发并研制适合自己的矫直设备。从那时候起，就有 了刘天明【2 4 】双曲线辊形设计的精确计算方法。6 0 - 8 0 年代许多学者在辊形理论方面进入了 深入的研究并取得了巨大的成果，还召开了全国性的辊形理论大会，产生了等曲率反弯辊 形计算法 2 4 2 5 1 。进入9 0 年代我国在赶超世界先进水平方面又迈出了一大步，产生了一系列 新的矫直成果，逐步达到世界先进水平【2 】。 1 3 有限元分析方法的介绍 1 3 1 有限元分析方法的介绍 有限元分析法( f e a ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 是随着计算机技术的不断发展而迅速 发展起来的一种现代计算方法。有限元分析的基本思想是用较简单的问题代替复杂的问题 后求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互联子域组成，对每一单元假定一个 合适的近似解，然后推到求解这个域总的满足条件，从而得到问题的解【2 6 矧。 有限元分析法是2 0 世纪5 0 年代首先在连续体力学领域一飞机结构静、动态特性分析 中应用的一种有效的数值分析方法，2 0 世纪6 0 年代中期以来，人们进行了大量的理论研 究，拓展了有限元分析法的应用领域。目前，有限元分析法可广泛应用于核工业、铁道、 石油化工、航空航天、机械制造、材料成型、能源等各个领域【2 引。 有限元求解的基本步骤通常如下： ( 1 ) 问题及求解域定义 根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。 ( 2 ) 求解域离散化 将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个组成的离散域，习惯上 称为有限元网格划分。显然，单元越小( 网格越细) 则离散域的近似程度越好，计算结果 也越精确，但计算量将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。 ( 3 ) 一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态量边界条件的微分方程表示。 为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。 ( 4 ) 单元推导 对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐 标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 ( 5 ) 总装求解 将单元总装形成离散域的总矩阵方程( 联合方程组) ，反映对近似求解域的离散域的 要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元节点进行，状态变 量及其导数( 可能的话) 连续性建立在节点处。 ( 6 ) 联立方程组求解和结果解释 有限元法最终导致联立方程组。联系方程组的求解可用直接法、迭代法和随机法。求 解结果是单元节点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的 允许值比较来评价，并确定是否需要重复计算。 总之，有限元分析可分成3 个阶段一前处理、求解和后处理。前处理是建立有限元模 型，完成单元网格划分；求解是通过数值计算方法求解数学方程；后处理则是采集处理分 析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。 1 3 2a n s y s l s - d y n a 的介绍 a n s y s l s d y n a 是一款比较通用的有限元显示动力分析软件，它是l s t c 公司和 a n s y s 公司合作推出的一款软件，它将显示计算程序l s d y n a 和a n s y s 仿真分析环境 有机的结合在了一起，可以完成各种高度非线性的瞬态动力过程分析【2 9 ，3 0 1 。 与一般的c a e 辅助分析程序的操作过程相似，一个完整的a n s y s l s d y n a 显示动 力分析包括前处理、求解及后处理三个环节，如图1 2 所示： 分析方案曲总体规翅 总和考虑结构特点计算精度以及计算成本 莆处理阶段 警定单元类型，实苗菝，定支材科蓑 l ，建立几何模翌，魁分罔格形成有l 元模垂，定义接触表面，麓加蓑荷j 遗界条件，信i 尊写入【文侔 结果分析与评侨形成分新报告 递交l s d 隶解器 敖l 隶解参蕞并求解 结果后处理 鼓据的可视化处理 图i 2a n s y s l s y n a 的一般分析流程 a 前处理一建立分析模型 指定分析所用的单元类型并定义实常数，指定材料模型；建立几何模型，进行网格划 分，形成有限单元模型，定义与分析有关的接触信息、边界条件与载荷等，利用a n s y s 的前处理器p r e p 7 完成。 b 分析选项设置及求解 指定分析的结束时间以及各种求解控制参数，形成关键字文件( k 文件) ，递交 l s d y n a 9 7 0 求解器进行计算。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 c 结果后处理与分析 对计算结果数据进行可视化处理和相关分析，可以利用a n s y s 的通用后处理器 p o s t l 和时间历程后处理器p o s t 2 6 完成，必要时也可调用l s p o s t 后处理程序进行结 果后处理。 1 3 3 有限元技术在矫直机中的应用现状 长期以来，矫直工艺的实施多由工人凭经验估计矫直行程，反复测量和试矫。这种做 法不仅效率低、劳动强度高，而且不易保证精度，工件的工作性能也受影响【3 。随着计算 机技术的发展和有限元技术的成熟，越来越多的学者采用有限元仿真的方法来研究矫直机 及矫直过程。东北大学的周存龙博士【3 2 邓】对中厚板矫直过程做了很多模拟，揭示了矫后轧 件在长、宽方向上不同的纵、横向残余应力分布状态；模拟了中厚板在热矫时的矫直过程， 分析了不同压弯量对轧件矫直变形的影响。燕山大学的李学通博士【3 4 】采用弹塑性有限元法 建立了中厚板矫直过程的二维动态有限元模型，并针对某厂的1 1 辊矫直机不同厚度板材、 不同矫直方案的矫直过程进行了模拟计算，给出了矫直过程板材应力场、应变场和各矫直 辊矫直力的分布。北京科技大学的高燕应用有限元分析软件建立了h 型钢辊式矫直时一个 矫直单元的有限元仿真模型，研究分析了典型规格h 型钢矫直时断面畸变及其主要影响因 素和影响规律d ”。包钢无缝钢管厂黄建国建立了钢管矫直的力学模型和有限元仿真分析模 型，分析结果与实际矫直效果近似【3 6 1 。 韩国的s h j e o n g 等人应用刚塑性有限单元法对u 型钢的成型过程进行了有限元仿 真，用以预测产品形状和缺陷【3 引。西班牙的c b e t e g o nb i e m p i c a 等人建立了u i c 6 0 型钢 的矫直有限元模型，并按照不同的参数进行计算分析以降低残余应力【3 9 】。印度的s l s r i m a n i 等人建立了h 型钢矫直的进行有限元分析，以减少型钢在长度方向上的剪裁量【加】。 土耳其的m e h m af i r a t 等人建立了考虑弹复的板带成型过程有限元模型，并采用了各项异 性塑性材料模型进行仿剥4 1 1 。韩国的h o o nh u h 等人建立了1 4 辊复杂交错钢管矫直机的有 限元模型，用以探求最佳的矫直工艺参数，如辊的压下量和倾斜角度【4 2 】。韩国的k e e - c h e o l p a r k 和s a n g - m o oh w a n g 建立了辊式矫直机矫直过程的有限元模型，该模型考虑了弹 复和轧辊与钢带之间的接触状况，其目的用于控制钢带矫直后横向各纤维残余曲率均不相 同的缺陷，并将模型的计算结果与实验室里面真实矫直机矫直后钢带测试结果进行比对， 发现计算值与实测值相差不超过2 0 ，然后通过计算得出了某一规格钢带的最佳矫直参数 【4 引。印度的s k p a n t h i 等人应用有限元法模拟了钢带的弯曲过程，该弯曲过程考虑到了大 变形、旋转和由于材料弹性复原的弹复，该模型弹复的预测结果与实际的差值在一个合理 的范围内m j 。德国的e d o e g e 等人建立了精确的矫直过程的有限元模型，该模型能够研究 钢板在矫直过程中处于弯曲条件下的复杂变形状态，能够计算残余应力和残余曲率【4 s 】。 1 4 课题来源及研究内容 1 4 1 课题来源 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 本课题来源了某热轧厂精整横切线技术研究，该热轧厂的精整横切机组全套机械设备 由德国s m s 设计、部分设备由国内配套。其成品板材规格为：厚度5 - - 2 5 4 m m ，屈服极 限o b 可达6 0 0 m p a ( 其中厚度5 - - 2 0 m m ，o b 可达8 0 0 m p a ) 板宽8 5 0 - - 2 l o o m m ：板长2 0 1 6 m 。自投产以来，该热轧横切线上的设备存在如下若干问题，一直未能得到有效解决： 矫直机的设计生产能力与实际生产能力不符，在矫直高强度厚板时控制模型修正幅度 较大，模型精度差，矫后钢板残余应力较大，出口板形易产生翘曲。目前市场对0b = 8 0 0 - - - 1 0 0 0 m p a 的高强度板材需求激增，经济效益潜力巨大。随着高强度，厚规格产品比重的增 加，该横切线存在的问题日益突出，已成为目前保证正常生产、提高产量和质量、扩充高 强度新品种的制约瓶颈。 1 4 2 研究内容 本文中所研究的矫直机为某热轧厂精整横切线的1 号矫直机，该横切线设备布置如图 1 3 所示。 钢板运行方向 图1 3 二热轧精整横切线设备布置框图 该横切线布置有两台矫直机。其中1 号矫直机为7 辊平行辊矫直机( i z 三下四) ，2 号 矫直机为1 1 辊平行辊矫直机( 上五下六) ，工作原理和结构形式相同。1 号矫直机传动简 图如图1 4 所示。 仄月冈坟和a 所且碾 1 6 m m ，屈服强度 6 0 0 m p a ) ，控制模型修正幅度较大， 模型精度差，如宽、厚、弹性模量及强度级别等参数的设置范围过大，导致在生产时，出 口板形产生翘曲，且此现象不是在出口后马上出现，而是在钢板在辊道上走一段后才出现， 导致生产过程中处理此类问题困难，容易造成废钢，严重降低了生产效率。 c ) 矫直机的传动轴及工作辊轴承的非正常损坏发生频繁。 m 在高强度的厚板生产过程中，机架的振动非常大，影响钢板的质量。 詹 i 蕞 曩 富 图1 9 七辊矫直的设计生产能力 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 本课题的研究对象为该精整横切线上的七辊矫直机。主要是通过有限元法仿真分析来 找到合适的工艺参数模型以指导生产，主要研究内容如下： 1 ) 对现场生产时七辊矫直机的工艺参数进行测量，记录实测的工艺参数； 2 ) 以现有的理论知识计算矫直某种钢板时七辊矫直机的压下量； 3 ) 以现场实测的压下量值和理论计算的压下量值分别对钢板进行仿真，分析、比较 仿真结果； 4 ) 根据分析、比较的结果改变现有的压下规程，重新进行仿真，以找出适合该钢板 的最优压下规程。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章辊式矫直机相关参数的确定 2 1 辊式矫直机实测矫直参数 2 1 1 现场实测数据 现场生产中，所研究的七辊矫直机配备了一个实时监测设备，可以对矫直机的矫直过 程进行全程监控，并反馈到操作台。通过这个实时监测设备，可以知道所矫直钢板的材料、 在任意时刻矫直机各辊的位置、矫直速度、矫直力以及其它各个参数。我们可通过对这些 参数的分析来研究产生该七辊矫直机问题的原因，进而解决这些问题。对有限元仿真而言， 需要确定的参数有被矫钢板的材料，矫直机各辊的位置以及矫直速度等矫直参数。 表2 1 是3 种典型板厚的钢板在矫直过程中的矫直参数。表2 1 中矫直辊的实际值为 矫直过程中各辊的实际位置值；矫直辊的设定值为输入矫直机控制系统的值：速度的参考 值为生产线上不同位置对矫直速度监测时得到的数值。 表2 1 几种钢板的规格和矫直参数 材质a 7 1 0 d h g 7 0a 7 1 0 d 规格( m m ) ( h b l ) 1 1 9 2 x 1 5 3 0 1 0 0 2 01 2 4 0 1 6 8 6 x 8 2 2 01 3 9 0 x 1 5 3 5 x 1 2 0 2 0 杨氏模量( m p a ) 2 1 0 0 0 02 1 0 0 0 02 1 0 0 0 0 屈服极限( m p a ) 6 4 56 4 56 4 5 实际值0 5 90 6 5 o 2 1 速度 参考值10 6 6 7 0 6 6 7 0 5 参考值2 0 7o 70 5 2 5 ( m s ) 参考值30 6 8 70 6 9 1 o 5 1 5 参考值40 9 0 80 9 8 70 6 2 5 设定值 1 0 8 31 1 4 21 3 0 5 水平 实际值8 2 98 9 81 0 4 4 上辊位置 倾斜 设定值 0 0 6o 0 8o 1 3 ( m m )实际值o 2 7 0 3 lo 2 1 设定值000 旋转 实际值0 5o 5 0 4 9 设定值1 0 “9 9 49 5 3 辊1 实际值 0o2 4 1 设定值0 2 5o0 2 7 下辊位置 辊3 实际值 0 2 3oo 2 5 ( m m )设定值 oo0 辊5 实际值ooo 设定值 o 2 l0 1 7o 2 2 辊7 实际值ooo 1 3 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 2 1 2 实测压下量值 根据表2 1 中的数据选取h = 1 2 4 m m 的钢板进行仿真。该矫直机的上面三辊( 2 号辊、 4 号辊、6 号辊) 是同时调整压下量，可以实现上下升降、旋转和倾斜三种调整功能，也 可以两种或三种组合调整。倾斜调整实现入口端压下量大于出口端压下量，在钢板进入矫 直机初期发生大的弹塑性变形，迅速使钢板内的各种变形曲率趋于一致。上排各辊的位置 是以钢板在输送辊道上运行时的下表面为基准，如图2 1 所示。 图2 1 矫直机上辊位置图 该七辊矫直机的压下量示意图如下图所示： 图2 2 压下( 上) 量示意图 钢板的厚度为h ，则上排各辊的压下量与h 之间存在下列关系： h i = h r f y ( 2 1 ) 进一步可求得各上辊的压下量为： ah 2 = 4 o m m 1 1 4 = 3 5 4 m m a1 1 6 = 3 0 8 m m 2 2 辊式矫直机工艺参数的理论计算 2 2 1 压下量 在钢板的实际矫直过程中，对于传统的矫直力计算模型由于各辊受到相邻辊的限制， 两端应该有弯矩存在，因此传统的矫直力计算模型是没有考虑弯矩是不够准确的。 对矫直材料变形进行分析可知，其中性层曲线沿水平坐标轴x 方向，在距相邻上、下 辊1 4 处应该是一个几何拐点，由几何拐点的特性，不难得到这样的结论：此处受到的弯矩 正好为零【删。此时把这个“零弯矩点”假想为虚拟支点，并取该支点所处断面上的剪力为 支点反力。虚拟支点的采用，对简支梁两端的弯矩进行了考虑，得到的是一个更合理的矫 直力计算模型。如图2 3 所示，其中t 为辊距值。 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 图2 3 合理的矫直力计算模型 轧件在辊式矫直机中的矫直过程是一个多次交替反弯的过程，类似于梁的多载荷弯 曲。所以矫直理论基础利用的是梁的弹塑性弯曲理论。为了简化分析，对矫直辊的模型做 如下假设【4 7 】： a 板材的弯曲为纯弯曲； b 忽略矫直辊与板材接触点位置对弯曲力矩的影响； c 认为零弯距点的位置在相邻辊的中点。 弯曲有两种不同的表示方法：曲率和挠度。反弯曲率对应反弯挠度，弹复曲率对应弹 复挠度，依此类推。由矫直原理可知，反弯曲率是弹复曲率和残余曲率的和，因此有下式 成立： 氏= 万厂- i - 瓯 ( 2 2 ) 式中，8 ，为反弯挠度，艿，为弹复挠度，以为残余挠度。 由矫直原理可知，当选择的反弯曲率等于弹复曲率时，轧件矫后的残余衄率为零。因 此，矫直机各辊压下量的确定即是各辊反弯挠度的确定。 弹复挠度的确定 矫直过程中，板材的弯曲与挠度之间的关系用的是材料力学中表示弯曲与挠度关系的 公式，它建立在弹性变形基础上，故得到的应是弹复挠度与弯曲力矩的关系【4 8 4 9 】 万，：丝( 2 3 )d ，= l z j j m 吧铡习竽) 2 - i - 詈 去- i - 三( 竿) 2 一郑 缇4 ， 式中，m _ 弹塑性弯曲力矩；t 辊距；e 一轧件的弹性模量；i 一材料横截面对中性轴的惯 性矩；仃，一轧件的屈服应力；b 一轧件的宽度；h - - $ l 件的厚度；占，一材料的最大弹性应变； 二一总变形曲率；e 一轧件的加工硬化强度模量。 弹性极限挠度的定义 由材料力学公式，可知弹性极限挠度为： 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 五：世亿5 ， 式中，m ，一弹性极限弯矩 残余挠度的确定 传统弯曲理论中的挠度公式是由弹性变形得到的。在此，塑性变形遗留下来的残余挠 度采用崔甫的研究结果： 当残余曲率小于屈服曲率时，8 0 = q s , ( 2 6 ) 当残余曲率大于或等于屈服曲率时，皖= 4 竺篆曼黹 ( 2 7 ) 式中，4 一弹性极限挠度 e 一残余曲率与屈服曲率之比 矫直辊基本压下量的确定 入口辊2 的基本压下量为最= 2 慨+ ) ( 2 8 出口辊的基本压下量为瓯= ( 0 2 ) 丢 ( 2 9 ) 由于所研究的平行辊矫直机是上排矫直辊整体倾斜调整的，因此确定了入口辊2 和出 口辊6 ( 假设所研究的矫直机是7 辊矫直机) 的压下量，中间辊4 的压下量为： = 半 ( 2 1 0 ) 2 2 2 弯辊凸度 在平行辊矫直机上，为了有效的消除瓢曲缺陷，在工作辊的背面装有一排或数排支承 辊，第一可以增强细长工作辊的径向刚度；第二可以对工作辊造成的人为的压弯，使辊面 形成凸起，凸起的程度就称之为凸度5 0 1 。 凸度位置和大小的调节主要根据浪型来确定。即使对于同一规格的钢板，凸度也可以 不一样。 2 2 3 矫直速度 矫直机的矫直速度主要由生产率决定，同时要考虑轧件的种类、温度等。一般是，小 规格轧件矫正速度大；热轧件较冷轧件矫直速度大；位于作业线上的矫直机比单机的速度 大。在作业线上的矫直机其速度应能调整，以便与作业线的速度相适应。对板材矫直机【4 9 1 ， 轧件厚度为o 5 - 4 o m m 时，一般矫直速度为o 1 - - 6 o 州s ，最高达7 0 m s ；$ l 件厚度为4 o 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论文 3 0 m m 时，一般冷矫时矫直速度为o 1 o 2 m s ，热矫时为0 3 - - - - 0 6 m s 。 2 2 4 七辊矫直机相关工艺参数的理论计算 ( a ) 压下量的计算 矫直机辊距t = 2 3 0 m m ，所选钢板的规格( m m ) 为1 2 4 0 x1 6 8 6 8 2 2 0 ( h xb l ) ， 取钢板的最大弯曲半径为7 8 0 m m ( 即为开卷机的半径) ，钢板的弹性模量e = 2 1 0 0 0 0 m p a ， 屈服极限o r 。= 6 4 5 m p a ，矫直机压下量的调整方式为上辊整体水平、倾斜及组合调整。 参照图2 3 ，由公式2 5 可得： 4 ：尝：知q 其中，z ，为矩形断面模数，其值为z f ：型 o ( 2 1 1 ) 对所研究的钢板，：笔! 。取q ：吒：6 4 5 m 砌，将以上数值带入上式，得： 1 2 5 忽略加工硬化强度模量的影响，由公式2 4 ，得： m = t b h 2q 5 - 0 5 q ) ( 2 1 2 ) 其中，f 2 上c o + c w c o2 鲁2 鸽。瓦e h ，对矩形条材，取c ，= 2 9 6 由公式2 3 ，有0 = 丽t 2 m 面，将m ，e ，i ，t 带入，得0 = o 8 0 8 m m 对第二辊的压下量，取残余曲率大于屈服曲率时的残余挠度值，即 t = 4 等 其中，c 。= c ，一c = c ，一( 1 5 0 5 f 2 ) ，带入上式，得t = o 7 1 2 6 m m 故对第二辊，有：坑：2 ( 万，+ 万，) ：3 0 4 2 m m 武汉科技大学硕士学位论文第1 7 页 取瓯= ( o 2 战= o 4 m m ，则瓯= 垒 鱼= 1 7 2 1 m m 。 则有：ah 2 = 3 0 4 2 m m ，ah 4 = 1 7 2 1 m m ，ah 6 = 0 4 m m ，ah l = a h 3 = a h 5 = ah t - - 0 综合实测值和理论值，则有两组不同的压下规程如表2 2 所示。 表2 2 两组不同的压下规程( 单位：衄) ( b ) 矫直速度的确定 参照实测数据，所选择的h = 1 2 4 m m 的钢板在矫直时其速度为6 5 0 m m s ，考虑到该矫 直机矫直辊的直径为2 2 0 m m ，为了方便计算，在有限元仿真时设置钢板的运动速度为 6 6 0 m m s ，则矫直辊的角速度为6 r a d s 。 2 3 轧件矫后残余应力及不平度值 2 3 1 轧件矫后的残余应力 轧件的矫直过程，就是轧件在矫直机中一个连续的正反弯曲的发生弹塑性变形的过 程。由于塑性变形不可完全恢复，故最终轧件会发生一定程度的变形。轧件中的每一个纤 维都要遵守这个规律。而相邻两条纤维之间的变形量又不会完全相同，故最终轧件中的纤 维会出现互相拉扯的情况，产生残余应力。残余应力的影响主要就是使钢板产生弯曲，这 种弯曲有时不是在一开始就出现，它可能在钢板矫直后一段时间之后才出现，也可能在用 户切割钢板的时候出现。 轧件在整个长度方向上得到矫直时，纵向纤维得到矫直。由于纵向纤维既有弹性变形， 也有塑性变形，所以纵向纤维最终必然会产生形变，产生纵向残余应力。加上轧件原始曲 率不同，故各层纵向纤维发生的形变也不一样，延伸也不同。轧件作为一个整体，各条纵 向纤维之间的相互作用就会导致横向残余应力的产生。研究表明，横向残余应力是产生轧 件矫后“侧弯”的诱因之一【3 3 】。 图2 4 为理想材料的弹塑性弯曲。当厚度为h 的轧材受弯曲时，其单位长度轧材的两 端横截面将不再互相平行而产生一个转角，使外缘纤维拉伸了从l 长度，使内缘纤维缩短 了a a l 长度。因此从l 将代表该截面a a 边缘处的延伸率或压缩率，即代表单位长度轧材 的弯曲变形，用w 表示。卸载后，各条纤维将根据自己变形后所保存的弹复能力进行弹复。 凡未超过弹性极限的纤维将恢复原状；凡超过弹性极限的纤维都将按其最大弹复能力o t ， 恢复t 的变形量，使变形线a l a i 本能地回到a 2 a a a 2 状态。但是这种本能受到平截面原理 的约束，只能回弹到a 3 a 3 位置。于是在折线a 2 a a a 2 与直线a 3 a 3 之间形成的影线面积代 表着残留变形量。由于这些残留变形属于弹性变形，它与应力是线性关系，所以这些影线 第1 8 页武汉科技大学硕士学位论文 面积又代表残余应力的大小。 图2 4 弹塑性弯曲残余应力 2 3 2 轧件矫后不平度的计算 从理论上来说，轧件在通过矫直机时，经过前几次弯曲后，不同大小、方向的原始曲 率会成为单值的残余曲率，再经过几次矫直，轧件的残余曲率将会为0 。但在实际操作过 程中，却很难达到。这是因为矫直过程的复杂性，很难精确计算各曲率值。加上一些不利 因素的影响，如冲击、震动等，很难得到最终残余曲率为0 的轧件。所以现实生产中一般 要求矫后轧件的残余曲率达到一定的精度范围即可，这就可以用不平度体现出来。 不平度是指轧件每米长度上的波高值。由于轧件在矫后的残余曲率已经很小，故假设 轧件的最终形状是一以残余曲率半径r 为半径的圆弧。因此根据不平度的定义；该轧件的不 平度就可以通过曲率在弦长为1 0 0 0 m m 的弦高来计算，如图2