板材轧制缺陷模拟与板形优化

板材轧制缺陷模拟与板形优化

1.轧制原理

“轧”字是表示动词的形声字。左边的車表意，其形像一辆车；右边的乚表声，乚像草木被压而弯曲的样子。本义是车轮碾过。“轧”字有下面三种读音，其中读音[gá]通常用于方言，表示拥挤；读音[yà]来源最早，表示车轮碾压滚压(轧，辗也。——《说文》)；读音[zhá]可能起源于第一次工业革命钢铁被广泛应用之后，专指金属被压缩成形，类似于使用擀面杖将面团“成形”为面皮。

“轧”字的含义

 

轧[zhá]制是指将金属坯料通过一对旋转轧辊的间隙(各种形状)，因受轧辊的压缩使材料截面减小，长度增加的压力加工方法，这是生产钢材最常用的生产方式，主要用来生产型材、板材、管材。——《百度百科》

轧[zhá]制又称滚制(Rolling)或压延，指的是将金属锭通过一对滚轮，透过滚动来为之赋形的过程，是金属加工中最常用的手段。——《维基百科》

 

2.轧制分类

轧制按照成形温度，可以分为热轧和冷轧，如果轧制时金属的温度超过其再结晶温度，那么这个过程被称为热轧，否则称为冷轧。轧制按照成形工艺，可以分为弯曲轧制、轧制成型、环形轧制和平轧等。

弯曲轧制(Roll Bending)

轧制成型 (Shape Rolling) 

环形轧制 (Ring Rolling)

平轧 (Flat Rolling)

其他 (Transverse Rolling, Thread Rolling, Skew Rolling)

轧制成形的分类

3.轧制模拟

平轧，也叫平辊轧制，是最基本最常见的轧制方式。坯料被送到向相反方向旋转的两个辊筒之间，由于辊筒之间的间隙小于板料厚度，所以坯料变薄伸长。下面对平辊轧制过程进行建模仿真。

 3.1模型概述

  

平轧模拟的有限元模型

 3.2平轧模拟结果

 

平轧模拟的后处理结果

下面改变Abaqus软件建模时一些参数设置模拟轧制缺陷，并查看模拟结果。

 

3.3 Alligator Cracks

在轧制过程中，由于轧辊与轧板上下表面存在摩擦，导致材料在整个板材厚度上的非均匀流动，如果材料内部结合强度不足将导致轧板拉裂，其轧制缺陷形状像鳄鱼的张嘴，因此也叫鳄鱼式裂纹（Alligator Cracks）。

Alligator Cracks轧制缺陷示意图

鳄鱼式裂纹主要是由于材料在整个板材厚度上的非均匀流动，以及材料中出现的冶金结合弱点造成的，它是需要预防的缺陷之一。

 

  

Alligator Cracks轧制缺陷模拟结果

优化措施：轧制复合工艺通过合适的热处理规程、压下率控制材料变形量，以增强材料的冶金结合，防止结合强度不足将导致轧板拉裂。

Alligator Cracks轧制缺陷优化

(Homogenization of an Al-Mg alloy and alligatoring failure: Alloy ductility and fracture)

3.4 Wavy Edges

在轧制过程中，轧板厚度均匀，而由于轧辊发生弹性弯曲变形导致辊缝不均匀，边缘区域辊缝较薄而中间区域辊缝较厚。（或者辊缝均匀，而轧板厚度不均匀，边缘区域厚度较厚而中间区域厚度较薄）。换句话说，这意味轧制过程中边缘区域较中心区域的的材料具备更大变形，导致边缘呈现波浪形（Wavy Edges）。

Wavy Edges轧制缺陷示意图

边缘波浪是轧制的主要缺陷之一，主要是由于材料在板材宽度方向上不均匀变形导致的，也导致了不均匀的应力分布。

Wavy Edges轧制缺陷模拟结果

优化措施：从优化辊缝均匀性和板坯厚度均匀性两方面入手，辊缝均匀性方面，采用高强度工作辊、多辊轧机以减小工作辊弯曲变形，对工作辊辊形凸度进行设计以避免二次辊形曲线可能带来的辊缝不均匀问题；板坯厚度均匀性方面降低坯料的厚度偏差。

  

Wavy Edges轧制缺陷优化

(https://thereaderwiki.com/en/Rolling_mill)

 

3.5 Center Buckles

中部波浪是由于轧制过程中辊缝不均匀，或者板坯厚度不均匀导致中心区域较边缘区域的材料具备更大变形，导致中部呈现波浪形（Center Buckles）。

Center Buckles轧制缺陷示意图

与边缘波浪类似，中部波浪也是由于材料在板材宽度方向上不均匀变形导致的，也导致了不均匀的应力分布。

Wavy Edges轧制缺陷模拟结果

优化措施：对工作辊辊形凹度进行设计以避免二次辊形曲线可能带来的辊缝不均匀问题；降低坯料的厚度偏差。

 

3.6 Buckles

在轧制过程中，轧板厚度不均匀以及辊缝不均匀，共同导致轧板宽度方向各部分区域具备不同程度的变形，引起波浪形缺陷（Buckles）。

Buckles轧制缺陷示意图

  Buckles轧制缺陷模拟结果

优化措施：自适应支撑辊，动态调整轧制压下量。

Buckles轧制缺陷优化

（A Study on the Effects of Coil Wedge During Rewinding of Thin Gauge Metals）

 

3.7 Zipper Cracks

在轧制过程中，由于轧辊在压力作用下发生弯曲，在轧板边缘造成压应力，在中心造成拉应力，中心区域的拉应力造成引起了拉链形裂纹（Zipper Cracks）。

Zipper Cracks轧制缺陷示意图

边缘波浪与拉链形裂纹形成原因是相同的，它们都是轧制的主要缺陷之一，主要是由于材料在板材宽度方向上不均匀变形导致的，也导致了不均匀的应力分布。优化措施也与边缘波浪相同。

Zipper Cracks轧制缺陷模拟结果

以上缺陷都是材料在轧板厚度方向上的流动不均匀造成的，下面讨论在其他方向流动不均匀会造成什么结果。

 

3.8 Edge Cracks and Center Split

在轧制过程中，轧板在整个宽度上的塑性变形也是非均匀的。在轧制压力的作用下，坯料厚度减小，根据体积不变原则其长度必然将增加。然而，在长度增加的过程中，金属也会发生横向流动，即宽度的增加也会发生。由于轧板边缘金属横向流动的阻力较小，而中心区域受到相邻材料层的阻力作用，因此边缘区域横向流动的金属比中心区域的更多。也就是说边缘区域的金属将沿着长度方向流动的动力分了一部分到宽度方向上进行流动，而中心区域的金属更“衷心于”于在长度方向上进行流动，这就导致了中心区域的金属在长度方向上的增加比边缘区域更多，如示意图所示。

Zipper Cracks轧制缺陷示意图

在轧板的这种非均匀变形情况下，边缘区域的材料会受到一个张力（由于材料的变形连续性，中心区域的材料会拉动边缘区域的材料），相反中心区域的材料会受到一个压力。这样的应力分布可能导致边缘开裂缺陷，或者在严重的情况下，甚至可能导致中心部分分裂。

Center Split轧制缺陷模拟结果