厚板蛇形轧制压下量与咬入条件分析与研究

雷军义，江连运,2，孟庆成

(1. 太原科技大学 机械工程学院，太原 030024；2. 山西省冶金设备设计理论及技术重点实验室，太原 030024)

雷军义(1993-)，男，硕士研究生，主要是从事厚钢板非对称轧制理论。

0 前言

(特)厚规格金属板的生产难题在于用户对金属板心部组织性能要求日趋严格，而生产过程却受制于设备条件及工艺技术水平无法提供心部组织性能良好的(特)厚板产品。解决该问题的途径在于轧制工艺上要确保金属板中心区域能够产生充分的变形量，从而获得良好的心部组织及性能，进而提高金属板的综合力学性能[1]。传统轧制工艺所采用的增加金属板压下率的方法，受制于铸锭生产能力以及轧机开口度的限制，压下率有时达不到生产工艺所需，也就无法获得心部组织性能良好的厚金属板。

异步轧制已经在薄带生产中得到应用，国内外研究学者从各个角度对薄带的异步轧制过程进行了研究。G.Y. Tzou和M.N. Huang[2-3]采用主应力法建立了PV热轧和冷轧最小厚度计算模型；H. Gao[4]采用主应力法对异步轧制过程进行分析获得了变形区摩擦系数对剪切变形、轧制力和轧制力矩的影响规律；M. Kadkhodaei和S.H. Zhang[5-6]采用遗传算法和主应力法建立了异步轧制轧制力与轧制力矩计算模型。

蛇形轧制将异步轧制和金属板矫直结合起来，是一种新型的轧制工艺。在轧制变形区由于上下工作辊速度不一致，在金属板表面和工作辊之间形成一个“搓轧区”，使得摩擦系数大幅升高，从而在变形区产生较高的剪切应力，国内外研究学者对异步轧制过程中金属板厚度方向晶粒的细化情况进行了研究。F.Q. Zuo[7]认为异步轧制变形区产生的剪切变形能够促进纯铝板厚度方向晶粒的细化；W.J. Kim[8]对Mg-Al-Zn的异步轧制过程进行了实验研究，结果表明，经单道次70%压下率异步轧制后可获得1.4 μm的细化晶粒；J.K. Lee和D.N. Lee[9]在铝合金板织构控制和晶粒细化方面进行了深入研究，其研究结果表明，异步轧制能够提高剪切织构并细化板材内部的晶粒；A. Wauthier[10]对IF钢的轧制过程进行实验研究，结果表明，异步轧制可以实现大压下量轧制以及晶粒细化；H. Hallberg[11]采用数值计算的方法获得了平均晶粒尺寸的影响规律以及厚度方向晶粒尺寸分布规律；Y.B.Zuo[12]采用实验方法获得了不同异速比时剪切变形和板形曲率的影响规律。

蛇形轧制作为一种新型的轧制工艺，率先在铝合金生产中开展实验和理论研究，目前，已建立起蛇形轧制板形曲率、轧制力和轧制力矩等计算模型[13-14]，并采用数值计算方法获得了蛇形轧制过程中板形和变形渗透性[15]的影响规律。但是，关于蛇形轧制基础工艺理论还尚未展开深入研究，如蛇形轧制咬入角、咬入条件、压下量、辊缝补偿量等计算模型，本文将建立以上计算模型，进一步丰富蛇形轧制理论。

1 蛇形轧制方法

蛇形轧制将异步轧制和金属板矫直结合起来，利用异步轧制变形区所产生的“搓轧区”将轧制变形向金属板中心渗透，在相同压下率下达到提高心部变形的目的。由于上下工作辊线速度不一致使得快速辊一侧的金属延伸率大于慢速侧，从而出现金属板向慢速辊弯曲的现象。为了改善板形根据中厚板矫直原理，可将下工作辊沿轧制的反方向移动，此时上工作辊可对向上弯曲的金属板施加向下的反弯作用力，达到矫直金属板的目的。

蛇形轧制是在异步轧制的基础上移动工作辊，由于中厚板轧机上辊系设有压下系统和平衡系统，不利于实现工作辊的纵向移动，而下辊系结构较为简单，因此，采用移动下工作辊的方法实现蛇形轧制，下工作辊移动距离为L。蛇形轧制可通过两种方式来实现：(1)上下工作辊直径相同，转速不同，称之为同径异速蛇形轧制，如图1所示；(2)上下工作辊直径不同，转速相同，称之为异径同速蛇形轧制，如图2所示。

图1 同径异速蛇形轧制原理图

蛇形轧制变形区如图3所示，图中I为后滑区，II为搓轧区，III为前滑区，IV为反弯区，每个区域受力情况如图2所示。以上4个变形区均为塑性变形区，其中，I区、II区和III区为金属板厚度减薄区；IV区金属板只和上工作辊接触，金属板不发生减薄，主要进行金属板反弯矫直过程。

图2 异径同速蛇形轧制原理图

图3 蛇形轧制变形区

2 压下量计算

传统的轧制过程中，金属板在变形区连续进行塑性变形，并且厚度逐渐减薄；由图3可以看出，与传统轧制过程相比，蛇形轧制的变形区发生了改变，新增了不产生金属板减薄的反弯作用区IV。因此，轧制变形区的改变需要对上下工作辊的压下量以及辊缝的补偿量进行计算。

在上下工作辊压下量计算时，做出两点假设：

(1)轧制过程金属板以塑性变形为主，弹性变形很小，忽略金属板的弹性回复；

(2)工作辊的刚度比热轧金属板高很多，忽略工作辊的弹性变形。

2.1 同径异速蛇形轧制

由图3中可以看出，在辊缝相同时由于新增了反弯区(该区域没有厚度减薄)，使得压下量减小，因此，为了使蛇形轧制与常规轧制具有相同的压下量，需要对辊缝进行补偿，本人根据蛇形轧制原理建立起同径异速蛇形轧制辊缝补偿量计算模型。

由图1中可以看出，辊缝的补偿量为x=0和x=L所对应纵坐标y之差。在xoy坐标系内可建立上工作辊的曲线方程，即

x2+(y-h1-R)2=R2

(1)

(2)

在上下工作辊直径相同时，由于下工作辊的偏移使得上下工作辊的压下量将不再一致，因此，需建立起上下工作辊压下量计算模型，以进行咬入角和单位压力的计算。

(3)

Δh=H-h=Δh1+Δh2

(4)

联立式(3)和(4)可得上下工作辊压下量计算模型，如式(5)和(6)所示

(5)

(6)

由式(5)可得蛇形轧制下工作辊压下量Δh2与同步轧制下工作辊压下量Δh/2之差为

(7)

由式(4)和(6)可得蛇形轧制上工作辊压下量与同步轧制上工作辊压下量之差为

(8)

由式(7)和(8)可以看出，在相同压下量下，蛇形轧制上工作辊压下量大于下工作辊压下量，上下工作辊压下量之差与下工作辊偏移量L有关。

2.2 异径同速蛇形轧制

蛇形轧制另一种实现方法是异径同速蛇形轧制，与同径异速蛇形轧制相似，异径同速蛇形轧制变形区也新增了反弯区，此时，与同步轧制相比，辊缝变大，为了保证与同步轧制具备相同的压下量，需对蛇形轧制辊缝进行补偿。

由图2中可以看出，辊缝的补偿量为x=0和x=L所对应纵坐标y之差。在xoy坐标系内可建立上工作辊的曲线方程式为

(9)

(10)

在上下工作辊直径不同时，由于下工作辊的偏移使得上下工作辊的压下量将不再一致，因此，需建立起上下工作辊压下量计算模型，以进行咬入角和单位压力的计算。

(11)

(12)

联立式(11)和(12)可得上下工作辊压下量计算模型，如式(13)和(14)所示。

(13)

(14)

3 咬入角计算

蛇形轧制咬入角的计算是判断轧件实现自然咬入的基础，因此建立同径异速蛇形轧制和异径同速蛇形轧制咬入角计算模型。

3.1 同径异速蛇形轧制

由图1可以看出，上工作辊咬入角与轧辊直径及压下量之间存在以下关系，如

(15)

由图1可以看出，下工作辊咬入角与轧辊直径及压下量之间存在以下关系式

(16)

将式(5)和(6)代入式(15)和(16)即可获得同径异速蛇形轧制上下工作辊的咬入角分别为

(17)

(18)

根据前期研究结果[1]，为了保证蛇形轧制板形良好，下工作辊的偏移量一般小于20 mm。以某4600中厚板轧机为例，工作辊直径R=525.5 mm，金属板原始厚度H=250 mm，第一道次压下量Δh=32 mm，由此可得同步轧制时的咬入角为14.2°；当下工作辊偏移量L=20 mm，由此可计算出同径异速蛇形轧制上下工作辊的咬入角分别为15.2°和13.0°，因此，同径异速蛇形轧制工艺未对咬入角产生较明显的影响。

3.2 异径同速蛇形轧制

由图2可以看出，上工作辊咬入角与轧辊直径及压下量之间存在以下关系，如

(19)

由图2可以看出，下工作辊咬入角与轧辊直径及压下量之间存在以下关系式。

(20)

将式(13)和(14)代入式(19)和(20)即可获得异径同速蛇形轧制上下工作辊的咬入角分别为

(21)

(22)

蛇形轧制异速比一般小于1.2，当异速比为1.2时上下工作辊直径分别为R1=438 mm，R2=525.5 mm，将其他轧制工艺参数代入式(13)和(14)可得到异径同速蛇形轧制上下工作辊咬入角分别为15.9°和13.5°，由此可见，异径同速蛇形轧制工艺未对咬入角产生较明显的影响。

4 自然咬入条件判据

同径异速蛇形轧制过程中轧件的受力情况如图1所示，沿x方向上工作辊对金属板的咬入力和咬入阻力分别为

Tx1=T1cosα1=fP1cosα1,Px1=P1sinα1

(23)

沿x方向下工作辊对金属板的咬入力和咬入阻力分别为

Tx2=T2cosα2=fP2cosα2,Px2=P2sinα2

(24)

金属板在y方向受力平衡可得Py1=Py2，即

Py1=P1cosα1=Py2=P2cosα2

(25)

为了实现金属板的自然咬入，需使得咬入力大于咬入阻力，即需满足式(26)。

Tx1+Tx2>Px1+Px2

(26)

将式(23)和(24)代入式(26)可得

fP1cosα1+fP2cosα2>P1sinα1+P2sinα2

(27)

将式(25)代入式(27)，整理可得同径异速蛇形轧制实现自然咬入的判据，即

(28)

异径同速蛇形轧制金属板受力情况如图2所示，此时金属板的受力情况与同径异速相同，因此，两者具有相同的实现自然咬入的判据。

综上可知，实现蛇形轧制自然咬入的条件：摩擦角大于上下工作辊咬入角的平均值。

5 结论

(2)建立了同径异速和异径同速蛇形轧制上下工作辊压下量计算模型和咬入角计算模型，分析结果表明，蛇形轧制工艺参数未对咬入角产生明显的影响。

(3)建立了同径异速和异径同速蛇形轧制过程中实现金属板自然咬入的判据模型，即摩擦角大于上下工作辊咬入角的平均值。

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