矯直壓彎量對鋼板板形和殘余應(yīng)力的影響

矯直壓彎量對鋼板板形和殘余應(yīng)力的影響

隨著技術(shù)的發(fā)展和加工精度的提高，近年來用戶對板材的形狀要求越來越高。不僅要求板材平整、沒有浪形,而且對鋼板加工過程中的應(yīng)力釋放和翹曲變形也越來越關(guān)注。對于輥式矯直機(jī)合適的壓彎量是確保矯直質(zhì)量的關(guān)鍵。輥式矯直機(jī)通過多次的反復(fù)彎曲,使不同初始曲率的板帶逐漸變的平直。應(yīng)用傳統(tǒng)的解析法,對矯直工藝進(jìn)行研究,由于其設(shè)定的假設(shè)條件較多,難以對矯直過程進(jìn)行精確的分析,且較難得到矯后鋼板的應(yīng)力狀態(tài)。隨著有限元理論的發(fā)展和計算機(jī)模擬技術(shù)的不斷成熟,應(yīng)用計算機(jī)模擬手段研究金屬彈塑性變形的可靠性越來越高。本文通過顯式動力學(xué)有限元分析軟件ABAQUS/Explicit,對17輥矯直機(jī)的矯直過程進(jìn)行了模擬研究。研究了不同壓彎量對矯后板形和矯后殘余應(yīng)力的影響,為矯直工藝的優(yōu)化提供參考依據(jù)。1矯直機(jī)工藝設(shè)計利用ABAQUS/CAE建立如圖1所示的矯直過程有限元模擬模型。輥式矯直機(jī)規(guī)格見表1,鋼板的尺寸參數(shù)和材料屬性見表2?？紤]到17輥矯直機(jī)的支撐輥作用,在模擬建模時把矯直輥當(dāng)作解析剛體,解析剛體不需要劃分網(wǎng)格,可以大大減少計算量。鋼板劃分為八結(jié)點線性減縮積分六面體單元(C3D8R單元),共分為5490個單元。鋼板的單元網(wǎng)格劃分如圖2所示。因為板厚方向較薄,為了表征鋼板沿厚度方向的應(yīng)力分布,將鋼板上下分為三層網(wǎng)格,材料屬性為各向同性。參考矯直過程的實際工況,以及矯直過程有限元模擬的相關(guān)研究,鋼板與矯直輥的表面采用面與面接觸,摩擦系數(shù)取0.15。本文所建立的矯直模型的初始狀態(tài)為調(diào)整各輥壓彎量后,將上輥向上調(diào)整100mm,鋼板進(jìn)入矯直機(jī)。矯直過程采用兩個分析步,Step-1為上輥壓下過程,Step-2為矯直過程。預(yù)先將上輥抬起,分為兩個分析步對矯直過程進(jìn)行模擬研究,是為了避免穿帶過程咬入各輥時導(dǎo)致的沖擊,使結(jié)果發(fā)生波動。為了研究不同矯直工藝對矯直后鋼板的板形和殘余應(yīng)力的影響,通過矯直工藝的理論計算,設(shè)計了3種不同的矯直工藝。根據(jù)實際工況,所模擬鋼板的最大縱向浪高設(shè)為25mm,浪距約為2~3m。以25mm的浪高作為最大不平度,計算得到其初始曲率半徑為90m。為了消除較大的初始曲率,第一次反彎要消除其最大初始曲率,末道次要使表層金屬達(dá)到塑性變形的臨界狀態(tài),其他金屬都處于彈性階段。按照此原則設(shè)計的矯直工藝編號為工藝1。設(shè)定初始道次反彎曲率小于工藝1,消除約為80%的最大浪高,即消除最大為20mm的初始浪形,殘留一部分的初始變形,適當(dāng)增大后續(xù)道次的反彎,使末道次仍保持塑性變形臨界狀態(tài)。按照此原則設(shè)計的矯直工藝編號為工藝2。為了降低矯直機(jī)的能耗,初始道次的壓彎量僅僅消除鋼板的最大初始曲率,而后續(xù)道次僅僅消除前一道次的殘余曲率,即為小壓下矯直方案。但是小壓下矯直方案的壓彎量不是線性遞減的,而本研究所述的17輥矯直機(jī)的矯直輥是整體傾動、線性調(diào)節(jié)的,因此將后續(xù)道次壓彎量適當(dāng)增大,保證每道次都可將前道次的殘余曲率徹底消除,保留較小的反向殘余曲率,并設(shè)定壓彎量線性遞減,按此原則設(shè)計的矯直工藝編號為工藝3。3種矯直工藝的各輥壓彎量見表3。2模擬結(jié)果的討論與分析2.1矯直前后鋼板的板形對大量生產(chǎn)的6mm厚鋼板選取統(tǒng)計樣本中出現(xiàn)概率最高的翹曲量,即1m長的鋼板,凸度為11.5mm。讀取矯直前后鋼板的縱斷面坐標(biāo),用式(1)、(2)進(jìn)行坐標(biāo)變換。式中:x、y為轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo);x1、y1為原始坐標(biāo)。對頭部500mm到1500mm的鋼板表面的坐標(biāo)點進(jìn)行坐標(biāo)變換,得到如圖3所示的矯直前后的縱向板形。對比圖3各工藝對應(yīng)的鋼板凸度,可以看出,3種矯直工藝矯直后鋼板的板形都有了一定程度的改善。隨著壓彎量的增大,鋼板的凸度從工藝3矯直后的3mm下降到工藝2矯直后的2.5mm。隨著壓彎量進(jìn)一步的增大,用工藝1矯直后鋼板的凸度下降到1mm,但是出現(xiàn)了反向的殘余曲率。根據(jù)矯直理論,在矯直的過程中,后面一道次的反彎要消除前一道次的殘余曲率。工藝1的初始壓彎量較大,后道次的彎曲變形不足以消除其殘余曲率。較大的初始壓彎量設(shè)計雖然可以消除較大的初始浪形,但是必然會導(dǎo)致矯直力的升高。2.2矯直工藝中殘余應(yīng)力的分布及力在上述模型的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步分析鋼板在矯直后界面上的殘余應(yīng)力變化規(guī)律。如圖4所示,在Step-2的t=4s時,鋼板的尾部仍處于矯直機(jī)內(nèi),各個矯直輥都處于受力的狀態(tài),因此將Step-2的t=4s是鋼板的穩(wěn)定矯直狀態(tài)。殘余應(yīng)力的數(shù)值越大,說明在矯直后發(fā)生再次彎曲的可能性就越大,就是鋼板的隱性板形較差。通過有限元模擬,對矯直后鋼板的殘余應(yīng)力進(jìn)行分析。取穩(wěn)定矯直階段拋出矯直機(jī)的一段鋼板作為矯后鋼板進(jìn)行研究。按照設(shè)定路徑的方式,將某方向上的應(yīng)力值映射到節(jié)點上,可以得到矯直過程中某點沿鋼板長度方向的縱向應(yīng)力、沿鋼板寬度方向的橫向應(yīng)力。矯后鋼板中部的Mises應(yīng)力如圖5所示。從圖可以看出,當(dāng)壓彎量較小,為工藝3矯直時,矯直后鋼板的殘余應(yīng)力分布不均勻,頭部鋼板殘余應(yīng)力較小,中部會有較明顯的增大。隨著壓彎量的增大,當(dāng)用工藝2矯直時,殘余應(yīng)力分布較工藝3均勻,且殘余應(yīng)力數(shù)值整體上有所下降。隨著壓彎量的進(jìn)一步增大,鋼板經(jīng)矯直工藝1的壓彎量矯直后,殘余應(yīng)力值較大,最大殘余應(yīng)力達(dá)到50MPa,且殘余應(yīng)力沿縱向分布較工藝3更加不均勻。由此可以看出,適當(dāng)?shù)脑龃髩簭澚靠梢愿纳茪堄鄳?yīng)力的分布,但是當(dāng)壓彎量增大過多時,不僅會出現(xiàn)反向的浪形,還會出現(xiàn)應(yīng)力值的增大。圖6是該鋼板在不同壓彎量下,矯直后鋼板表面沿板寬方向同一路徑上的Mises應(yīng)力分布曲線?？梢钥闯?壓彎量最大的鋼板在矯直后的殘余應(yīng)力數(shù)值較大。隨著壓彎量的減少,殘余應(yīng)力的數(shù)值減小,且分布均勻性有所提高,如圖中的工藝2所示。隨著壓彎量的進(jìn)一步減小,殘余應(yīng)力的數(shù)值反而增大,略小于最大壓彎量的殘余應(yīng)力數(shù)值。結(jié)合圖5、6的結(jié)果可以知道,過大的壓彎量對于減小矯直后鋼板的殘余應(yīng)力,并使之均勻化是不利的。根據(jù)矯直原理,前面幾個道次的壓彎量要明顯大于后續(xù)道次,前面幾個道次的矯直變形量相對較大,通過前幾個道次的壓彎,要將初始較大的應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬^小的殘余應(yīng)變。圖7為本文所研究的6mm厚的鋼板不同壓彎量對應(yīng)的塑性變形比。塑性變形比是矯直過程中,發(fā)生塑性變形的高度占金屬總高度之比。從圖7可以看出,對于6mm的鋼板,當(dāng)壓彎量在1mm以下時,塑性變形比很小,鋼板基本為彈性變形。隨著壓彎量的提高,塑性變形比迅速增大。當(dāng)壓彎量很大,達(dá)到5mm以上時,塑性變形比隨著壓彎量的增大變化較小,即當(dāng)壓彎量大于5mm時,隨著壓彎量的進(jìn)一步增大,塑性變形區(qū)所占比例并沒有明顯的變化,塑性變形比接近極限值。結(jié)合圖7和表2的矯直工藝可以看出,工藝1的2、4、6輥壓彎量較大,也就是有3個道次的壓彎量接近塑性變形比的極限,結(jié)合圖3所示的矯后板形可以看出,因為第3次壓彎殘留的板形并沒有被很好的消除,矯后的鋼板保留了反向彎曲的板形,且其應(yīng)力分布較不均勻;工藝2的第2、4輥壓彎量較大,接近塑性變形比的極限,鋼板經(jīng)過一次正彎曲一次反彎后,殘余應(yīng)力和板形都有了較大的改善;工藝3只有2輥的壓彎量較大,其他輥的壓彎量都不大,初始的板形得到了一定的消除,矯后鋼板的殘余應(yīng)力數(shù)值也不大。17輥矯直過程中,前面幾個道次的壓彎基本是純塑性變形,后面道次的壓彎量相對較小,以彈性變形為主,塑性變形比較小。在實際生產(chǎn)過程中,矯直材料的初始曲率是不同的。如果初始道次壓彎量足夠大,可以完全消除初始的殘余曲率,使殘余的曲率滿足后續(xù)矯直輥的矯直能力。但是初始壓彎量的進(jìn)一步增加可以使有較大的塑性比的矯直輥增多。如果初始的壓彎量過大,矯直機(jī)能耗就會相應(yīng)的增大,初始的較大壓彎量會給軋件帶來反向的殘余曲率。如果反向殘余曲率過大,會增大后續(xù)矯直輥的能耗,使最終的板形和應(yīng)力分布惡化。相反,如果初始的壓彎量不足,不能完全消除鋼板的初始?xì)堄嗲?也難以保證最終的板形。通過上述的分析,過度增大壓彎量是不合理的工藝方法,不利于保持最終板形的良好,也不利于殘余應(yīng)力的減小和均勻化。3矯直機(jī)鋼板的殘余應(yīng)力(1)入口輥壓彎量為7.2mm,出口壓彎量為-2.6mm矯直后