多道轧辊板材轧制成型操作技巧及后处理

建模 

建立几何模型

如图1所示为使用ABAQUS仿真软件建立的轧辊和板材的三维几何模型，三对轧辊的几何尺寸完全一致，半径50mm，宽140mm，板材为标准长方体，长宽高分别为200mm、100mm和20mm。

图1

材料本构方程（材料属性）

建立板材的本构方程，对材料的基本性能进行描述，并且需要准确的反映出切削加工过程中受到的应力应变以及温度变化情况，利用Johnson-Cook模型建立本构方程。此外JC模型还可以减少仿真计算量，加快计算速度外，其基本表达式为：

其中A、B、C、n和m为模型参数，方程右边三项分别对应为等效塑性应变、应变率和温度对流应力

装配

装配后通过对轧辊的位置进行调节，来控制每道轧辊的挤压量，整体上看轧辊和板材呈上下对称的排列方式，如图2所示。第一道轧辊两者之间的间隙为17mm。第二道轧辊之间的间隙为14mm，第三道轧辊之间的间隙为10mm，轧辊之前的中心距离120mm。

图2

分析步

分析步设置中，设置类型为显示动力温度位移耦合分析，并设置分析时间为30s，并在场输出里面设置温度temp。

接触属性设置

将轧辊和板材装配后定义两者之间的接触属性，分别为 “罚”接触和“硬”接触，其中“罚”接触对轧辊和板材之间的摩擦系数进行添加，此外还需要添加两者之间的热传导等，轧辊和板材之间的接触设置为通用接触。

加载载荷情况

在载荷分析里面，首先设置初始的边界条件：初始温度场和初始速度场。初始温度场添加板材温度为950摄氏度，初始速度场设置板材的初始速度为500mm/s。然后对每道轧辊的转速进行定义。

网格划分

最后进行网格划分，如图3所示，为了加快仿真收敛速度，采用特殊边网格细化方式对板材进行网格划分，由于板材长度和宽度较大，厚度相对较小，因此在厚度方向网格略密集，在板材整体进行稀疏网格处理。对于轧辊，需要保证圆弧四周形成光滑的弧面即可，而宽度方面可以不考虑。轧辊和板材各边分别进行布种后设置网格类型为六面体单元，并设置单元类型为显示的温度位移耦合分析。

图3

分析

仿真应力场情况

如图4所示，在挤压的初始阶段，板材在初始速度的作用下进入到第一道轧辊之间，此时经过第一道轧辊的挤压作用，板材发生了明显的变薄，并且挤压后的板材处于应力较高的水平，而对于未经过挤压的板材来说，由于轧辊的阻碍在板材内部也产生了一定程度的应力集中区域，此应力集中区域紧邻第一道轧辊。经过第一道轧辊的挤压后，紧接着板料进入到第二道和第三道轧辊之间，随着板料的进给，厚度被逐渐减薄，并且应力逐渐升高，此外板料也逐渐想四周扩大，增加了板料的表面积。当板料从第三道轧辊中送出时，板料的应力的道路轻微释放。

图4

仿真温度场分析

如图5所示，在第一道轧辊的挤压作用下，板料发生了形变进而生成了变形热，导致板料的温度出现了轻微的升高，对于未经过轧辊的板料，温度依旧为初始的950℃。随和积压量的增加，板料温度升高的也较为迅速，每经过一道轧辊，温度都得到了进一步的提升，在第三道轧辊挤压后，轧辊中心处温度最高，对于轧辊的四周温度升高的较小。

图5