板材軋制缺陷模擬與板形優化

1.軋制原理

“軋”字是表示動詞的形聲字。左邊的車表意，其形像一輛車；右邊的乚表聲，乚像草木被壓而彎曲的樣子。本義是車輪碾過。“軋”字有下面三種讀音，其中讀音[gá]通常用于方言，表示擁擠；讀音[yà]來源最早，表示車輪碾壓滾壓(軋，輾也?！墩f文》)；讀音[zhá]可能起源于第一次工業革命鋼鐵被廣泛應用之后，專指金屬被壓縮成形，類似于使用搟面杖將面團“成形”為面皮。

“軋”字的含義

 

軋[zhá]制是指將金屬坯料通過一對旋轉軋輥的間隙(各種形狀)，因受軋輥的壓縮使材料截面減小，長度增加的壓力加工方法，這是生產鋼材最常用的生產方式，主要用來生產型材、板材、管材?！栋俣劝倏啤?/p>

軋[zhá]制又稱滾制(Rolling)或壓延，指的是將金屬錠通過一對滾輪，透過滾動來為之賦形的過程，是金屬加工中最常用的手段?！毒S基百科》

 

2.軋制分類

軋制按照成形溫度，可以分為熱軋和冷軋，如果軋制時金屬的溫度超過其再結晶溫度，那么這個過程被稱為熱軋，否則稱為冷軋。軋制按照成形工藝，可以分為彎曲軋制、軋制成型、環形軋制和平軋等。

彎曲軋制(Roll Bending)

軋制成型 (Shape Rolling) 

環形軋制 (Ring Rolling)

平軋 (Flat Rolling)

其他 (Transverse Rolling, Thread Rolling, Skew Rolling)

軋制成形的分類

3.軋制模擬

平軋，也叫平輥軋制，是最基本最常見的軋制方式。坯料被送到向相反方向旋轉的兩個輥筒之間，由于輥筒之間的間隙小于板料厚度，所以坯料變薄伸長。下面對平輥軋制過程進行建模仿真。

 3.1模型概述

  

平軋模擬的有限元模型

 3.2平軋模擬結果

 

平軋模擬的后處理結果

下面改變Abaqus軟件建模時一些參數設置模擬軋制缺陷，并查看模擬結果。

 

3.3 Alligator Cracks

在軋制過程中，由于軋輥與軋板上下表面存在摩擦，導致材料在整個板材厚度上的非均勻流動，如果材料內部結合強度不足將導致軋板拉裂，其軋制缺陷形狀像鱷魚的張嘴，因此也叫鱷魚式裂紋（Alligator Cracks）。

Alligator Cracks軋制缺陷示意圖

鱷魚式裂紋主要是由于材料在整個板材厚度上的非均勻流動，以及材料中出現的冶金結合弱點造成的，它是需要預防的缺陷之一。

 

  

Alligator Cracks軋制缺陷模擬結果

優化措施：軋制復合工藝通過合適的熱處理規程、壓下率控制材料變形量，以增強材料的冶金結合，防止結合強度不足將導致軋板拉裂。

Alligator Cracks軋制缺陷優化

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

3.4 Wavy Edges

在軋制過程中，軋板厚度均勻，而由于軋輥發生彈性彎曲變形導致輥縫不均勻，邊緣區域輥縫較薄而中間區域輥縫較厚。（或者輥縫均勻，而軋板厚度不均勻，邊緣區域厚度較厚而中間區域厚度較薄）。換句話說，這意味軋制過程中邊緣區域較中心區域的的材料具備更大變形，導致邊緣呈現波浪形（Wavy Edges）。

Wavy Edges軋制缺陷示意圖

邊緣波浪是軋制的主要缺陷之一，主要是由于材料在板材寬度方向上不均勻變形導致的，也導致了不均勻的應力分布。

Wavy Edges軋制缺陷模擬結果

優化措施：從優化輥縫均勻性和板坯厚度均勻性兩方面入手，輥縫均勻性方面，采用高強度工作輥、多輥軋機以減小工作輥彎曲變形，對工作輥輥形凸度進行設計以避免二次輥形曲線可能帶來的輥縫不均勻問題；板坯厚度均勻性方面降低坯料的厚度偏差。

  

Wavy Edges軋制缺陷優化

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

 

3.5 Center Buckles

中部波浪是由于軋制過程中輥縫不均勻，或者板坯厚度不均勻導致中心區域較邊緣區域的材料具備更大變形，導致中部呈現波浪形（Center Buckles）。

Center Buckles軋制缺陷示意圖

與邊緣波浪類似，中部波浪也是由于材料在板材寬度方向上不均勻變形導致的，也導致了不均勻的應力分布。

Wavy Edges軋制缺陷模擬結果

優化措施：對工作輥輥形凹度進行設計以避免二次輥形曲線可能帶來的輥縫不均勻問題；降低坯料的厚度偏差。

 

3.6 Buckles

在軋制過程中，軋板厚度不均勻以及輥縫不均勻，共同導致軋板寬度方向各部分區域具備不同程度的變形，引起波浪形缺陷（Buckles）。

Buckles軋制缺陷示意圖

  Buckles軋制缺陷模擬結果

優化措施：自適應支撐輥，動態調整軋制壓下量。

Buckles軋制缺陷優化

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

 

3.7 Zipper Cracks

在軋制過程中，由于軋輥在壓力作用下發生彎曲，在軋板邊緣造成壓應力，在中心造成拉應力，中心區域的拉應力造成引起了拉鏈形裂紋（Zipper Cracks）。

Zipper Cracks軋制缺陷示意圖

邊緣波浪與拉鏈形裂紋形成原因是相同的，它們都是軋制的主要缺陷之一，主要是由于材料在板材寬度方向上不均勻變形導致的，也導致了不均勻的應力分布。優化措施也與邊緣波浪相同。

Zipper Cracks軋制缺陷模擬結果

以上缺陷都是材料在軋板厚度方向上的流動不均勻造成的，下面討論在其他方向流動不均勻會造成什么結果。

 

3.8 Edge Cracks and Center Split

在軋制過程中，軋板在整個寬度上的塑性變形也是非均勻的。在軋制壓力的作用下，坯料厚度減小，根據體積不變原則其長度必然將增加。然而，在長度增加的過程中，金屬也會發生橫向流動，即寬度的增加也會發生。由于軋板邊緣金屬橫向流動的阻力較小，而中心區域受到相鄰材料層的阻力作用，因此邊緣區域橫向流動的金屬比中心區域的更多。也就是說邊緣區域的金屬將沿著長度方向流動的動力分了一部分到寬度方向上進行流動，而中心區域的金屬更“衷心于”于在長度方向上進行流動，這就導致了中心區域的金屬在長度方向上的增加比邊緣區域更多，如示意圖所示。

Zipper Cracks軋制缺陷示意圖

在軋板的這種非均勻變形情況下，邊緣區域的材料會受到一個張力（由于材料的變形連續性，中心區域的材料會拉動邊緣區域的材料），相反中心區域的材料會受到一個壓力。這樣的應力分布可能導致邊緣開裂缺陷，或者在嚴重的情況下，甚至可能導致中心部分分裂。

Center Split軋制缺陷模擬結果