齿型辊矫直原理与工艺研究

2020-12-26马劲红于烨

华北理工大学学报(自然科学版) 2020年1期

马劲红，于烨

(华北理工大学冶金与能源学院，河北唐山 063210)

改革开放以来，我国各行各业迅速发展，人们消费薄板板材的能力也日益提高，去除板带材的轧制缺陷，提高板带材质量就是提高板带材的生产效率，对国民经济发展有重大帮助[1-3]。在板材矫直中最常见的是辊式矫直机，辊式矫直发展有100多年的历史，在消除板形缺陷的主要设备[4]。对于辊式矫直机来说，高精度薄板的矫直是比较困难的，由于高精度的板带材强度较高，矫直时屈服强度较大，对矫直辊的强度和刚度有非常高的要求；但却要求矫直辊半径较小，使被矫直的板带材发生较大的弯曲曲率来提高薄板的矫直质量。针对薄板矫直过程中的这个两难困境，寻求一种新的矫直工艺和方法，来提高薄板的矫直质量是我国薄板生产中的当务之急[5]。该项研究提出了一种利用齿型辊代替普通矫直辊的矫直方法，通过建立有限元模型，对齿型辊矫直工艺进行数值模拟，探索齿型辊矫直工艺，提高高强钢薄板的矫直质量。

1 ANSYS有限元模型的建立

使用齿型辊矫直辊系代替普通辊的矫直辊系，利用齿型辊对薄板进行大变形矫直，通过普通辊采用小变形矫直方案进行矫平，从而达到理想的矫直效果。齿型辊的配合辊系如图1所示。

1.1 矫直机参数选取

辊式矫直机的主要参数包括矫直辊辊距t、辊身D、辊身长度L和矫直速度v设定合理的参数对于尺寸的合理性、设备的正常运转、矫直精度、矫直质量和矫直效率都具有重要意义[6]。

由文献[7]可知，矫直辊辊径d与辊距l的关系可表示为：

d=φl

(1)

式中：φ为比例系数，对于薄板φ=0.90～0.95，中板φ=0.85～0.90，厚板φ=0.70～0.85。该项目设计的齿型辊是以直径为170 mm的矫直辊为参照，所以D取170 mm。根据公式(1)可知，矫直辊直径D一般为D=(0.85～0.95)t。所以矫直辊辊距t取180 mm。矫直速度是指矫直过程中薄板在矫直机内的矫直速度，依据实际生产数据，v取1 m/s。

图1 齿型辊配合辊系示意图

1.2 齿型辊矫直的有限元模型

利用ANSYS软件模拟薄板的矫直过程，主要研究薄板在矫直过程中的应力应变变化情况，需要对齿型辊进行模型简化。通过Pro/E建立三维模型，并按矫直工艺参数装配在一起，然后导入到ANSYS软件中。有限元简化模型如图2所示，矫直辊系共有9个矫直辊，前面3个为齿型辊后面6个为平辊，齿型辊的辊径和辊距分别为170 mm和180 mm。薄板板长为800 mm。板厚为3 mm。平辊辊径和辊距分别为30 mm和32 mm。(实际矫直过程中薄板为人为送进矫直机，为了尽可能达到与实际情况接近，简化模型布置中需要让薄板与矫直辊有一段接触，从而实现理想的矫直效果)。

对实体模型进行网格划分，生成有限元模型。其中板材采用SOLID164六面体单元进行划分，矫直辊采用SHELL163壳单元进行划分，网格划分情况如图3所示。

模型中需要定义接触关系，根据材料属性和相关文献，设置薄板与轧辊的动摩擦系数为0.3，静摩擦系数0.45。

图2 齿型辊矫直有限元模型图3 齿型辊矫直有限元模型

2 模拟结果分析

本课题中，由于影响矫直效果的因素有很多，不同的齿型辊齿数、间距、辊型曲线，直接影响矫直效果。分别建立有限元模型，并进行数据分析。

2.1 不同齿数对矫直效果的影响

设计三个不同齿数的齿型辊进行模拟对比。分别为6齿，9齿，12齿。其中，6齿齿型辊的齿顶圆直径为180 mm，齿根圆直径为160 mm，节圆直径为170 mm。齿型是由半径为34.54 mm和122.3 mm的3个圆弧相切得到的。9齿齿型辊的齿顶圆直径为178 mm，齿根圆直径为170 mm，节圆直径为 162 mm。齿型是由半径23.56 mm和42.82 mm的3个圆弧相切得到。12齿齿型辊的齿顶圆直径为176 mm，齿根圆直径为164 mm，节圆直径为 170 mm。齿型是由半径19.04 mm和26.07 mm的3个圆弧相切得到的。

表1 不同齿数矫直辊参数

齿型辊矫直齿数的不同，板材表面的等效应力分布明显不同，当齿型辊的齿数为6齿时，等效应力分布出现不均匀的现象，板材的边部等效应力较大，但中部等效应力较小。可能板材在齿型辊与普通辊之间出现较大的张力导致的。6齿齿型辊矫直后板材的等效应力范围为0～86.5 MPa。齿型辊的齿数为9齿时，板材表面的等效应力分布较均匀，板材中间部分的等效应力比头尾较大。9齿齿型辊矫直后板材的等效应力范围为0～73.5 MPa。齿型辊的齿数为12齿时，等效应力分布比较均匀，在板材的尾部出现了较明显的应力集中现象，9齿齿型辊矫直后板材的等效应力范围为0～83.6 MPa。12齿齿型辊矫直后板材的等效应力区域较大，这是由于齿数太多，矫直时单个齿数不能充分矫直板材导致的。从数据对比中可以看出，9齿齿型辊矫直的板材残余应力最小。

对板材单元节点坐标进行转换，得到Y方向转换坐标。从图4可以看出，9齿齿型辊矫后板材Y方向坐标的最小值为153.9 mm，最大值为155.5 mm，平直度为0.16 mm/m。6齿齿型辊矫后板材Y方向坐标最小值为149.8 mm，最大值为158.3 mm，平直度为0.85 mm/m。12齿齿型辊矫后板材Y方向坐标最小值为160 mm，最大值为182 mm，平直度为2.2 mm/m。通过比较，9齿齿型辊矫直后的板材平直度最好。6齿齿型辊的辊型曲线半径更大，反弯曲率就会变小，矫直效果减弱。

通过对比分析可得，齿型辊的齿数不是越多越好，9齿齿型辊矫直效果最好，应保证矫直时辊型曲线与被矫直板材充分接触。

图4 不同齿数矫后板材Y方向坐标

2.2 不同矫直辊间距对矫直效果的影响

调整齿型辊的辊距，分析两组不同的齿型辊辊距对矫直效果的影响。其中第一组数据参数为：齿型辊辊距t=180 mm，辊径D=170 mm，上排齿型辊的转速w0=1.2 rad/s，下排齿型辊的转速w0=-1.2 rad/s。求解时间TIMES= 10 s。第二组数据：齿型辊辊距t=185 mm，辊径D=170 mm，上排齿型辊的转速w0=1.2 rad/s，下排齿型辊的转速w0=-1.2 rad/s。求解时间TIMES=10 s。

辊间距的改变对板材表面的等效应力分布有影响，但影响不大。从图中的等效应力云图对比可得，2个模拟结果相似，等效应力分布都比较均匀，通过LS-PREPOST查看2个板材的应力范围得知，齿型辊辊间距为180 mm，应力范围为0～71 MPa，而齿型辊辊间距为185 mm的应力范围为0～81 MPa，间距增大，齿型辊的矫直效果相对变差。

在不考虑两端应力集中的情况下，辊间距为180 mm的矫直辊系残余应力分布较均匀且纵向残余应力较小。通过后处理器得纵向应力分布在-2～2 MPa。185 mm辊间距出现的纵向残余应力分布不均匀，在-9～12 MPa之间波动。

Y方向转换后坐标分布如图5所示。从图5中可以看出，板材在0～900 mm范围内，坐标分布大致相同，形状相似，在900～1000 mm之间时，185 mm的齿型辊间距，坐标突然变大，发生了翘头现象，平直度为0.6 mm/m，而180 mm的辊间距相对较平缓，平直度为0.16 mm/m。由此可见齿型辊辊间距在180 mm时矫直效果较好。因此可以看出，在辊间距合理调整的范围内，辊间距越小，矫直效果越好。

图5 不同间距转换Y方向坐标分布

2.3 不同辊型曲线对矫直效果的影响

辊型曲线的不同对板材表面等效应力的分布影响很大。板材经过辊型为3段圆弧相切的齿型辊矫直后，等效应力分布均匀，且等效应力比较小，应力范围在0～71 MPa。而经过辊型为正弦曲线的齿型辊矫直后的板材可以很明显的看出等效应力分布不均匀，且在尾部有明显的应力集中现象，板材的头部和中部应力较小，在板材的边部和尾部应力明显很大，应力范围在2～88 MPa。

图6 不同辊型曲线转换Y方向坐标

由此可见，当辊型为3段圆弧相切的辊型曲线时，矫直的板材应力范围较小，证明此辊型曲线设计合理。转换后Y方向坐标分布如图6所示。从图6中可以看出，当辊型曲线为正弦曲线时，矫直后的板材Y方向的坐标最大值为175.1 mm，最小值为169.5 mm，不平度为0.56 mm/m。当辊型曲线为3段圆弧相切时，矫直后的板材的不平度为0.16 mm/m。从图6中还可以看出，辊型曲线为正弦曲线时，Y方向坐标值波动较大，在100～300 mm范围内和800～1000 mm范围内出现波峰，表明板材还存在小的浪型，矫直效果不佳。