基于DEFORM的異步冷軋3 00 3鋁合金板帶研究
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高翔宇1，帥 朋2，韋建春1，郭 淳3
（1．太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024;2．太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024；3．中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）
摘要：通過(guò)DEFORM有限元軟件，對(duì)同步軋制和兩種異步軋制3003鋁合金板帶的軋制過(guò)程進(jìn)行了仿真模擬，并就鋁合金板的邊部損傷、軋制力和翹曲程度進(jìn)行了對(duì)比分析。研究表明：兩種異步軋制工藝都可以減少板帶的邊部損傷和軋制力；相比之下，同步軋制的鋁合金板的板型最好，而異徑同速軋制比同徑異速軋制所得的鋁合金板的板型好；綜合來(lái)看，異徑同速的軋制工藝更有利于3003鋁合金板帶的生產(chǎn)。
關(guān)鍵詞：異步軋制；模擬；翹曲；鋁合金 中圖分類號(hào)：TP3 91.7：TG335.12
0 引言
3003鋁合金屬于A1- M n系合金，具有良好的機(jī)械加工性能、抗蝕性能和散熱性能，且具有密度小、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，在容器箔、熱交換器、飛機(jī)油箱以及運(yùn)輸液體產(chǎn)品的槽罐、壓力罐、化工設(shè)備等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
目前，3003鋁合金板帶的生產(chǎn)普遍采用同步軋制的方式，對(duì)于異步軋制3003鋁合金的研究甚少。與常規(guī)同步軋制相比，異步軋制具有降低軋制力和軋制力矩、改善板材邊部缺陷等優(yōu)點(diǎn)，因此，本文應(yīng)用DE-FORM有限元軟件，對(duì)同步軋制、同徑異速與異徑同速三種軋制工藝對(duì)3003鋁合金板帶的軋制過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并對(duì)三種軋制工藝下板帶的邊部損傷、等效應(yīng)力、翹曲以及軋制力進(jìn)行對(duì)比分析，以尋找一種較好的生產(chǎn)工藝，對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。
1 有限元模型的建立
1.1 模型的假設(shè)
本文中理想剛塑性材料的顯式動(dòng)力學(xué)模型是在以下4個(gè)假設(shè)基礎(chǔ)上建立的：①假設(shè)軋輥為剛性體，在軋制過(guò)程中不發(fā)生變形；②假設(shè)鋁合金帶材為各向同性材料，忽略板坯表面的質(zhì)量缺陷對(duì)軋制過(guò)程的影響；③鋁合金帶材冷軋前后體積不變；④假設(shè)鋁合金帶材沒(méi)有任何缺陷，忽略組織微裂紋、微空洞對(duì)軋制過(guò)程的影響。
1.2模型建立
在模型中，各工藝所需的工作輥直徑如表1所示，3種工藝下的裝配模型如圖1．所示，鋁板坯的原始尺寸均為100 mm×100 mm×3 mm。
1.3參數(shù)設(shè)置
3003鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：0. 58% Si，0. 62% Fe,0.068% Cu,1.09% Mn,0.03% Mg,0.006% Ti，0.008% Zn，0.007% Ni，余量A1。3種工藝下的軋制溫度均為20℃，采用一道次軋制，壓下量設(shè)為30%。3003鋁合金板的彈性模量為68.9 G Pa，泊松比為0. 33，軋輥和軋件之間采用庫(kù)倫摩擦，各組軋輥轉(zhuǎn)速見(jiàn)表2。
1.4 網(wǎng)格劃分
在各模型中，板坯采用相對(duì)網(wǎng)格劃分法，模型共有116 039個(gè)單元、27 076個(gè)節(jié)點(diǎn)，比例因子取2，模擬步長(zhǎng)取網(wǎng)格最小尺寸的1／3。
2 結(jié)果與討論
在同步軋制、同徑異速軋制與異徑同速軋制3種軋制工藝下，分別對(duì)3003鋁合金板的軋制過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并針對(duì)其對(duì)鋁合金板的影響進(jìn)行分析。
2.1鋁合金板帶的邊部損傷分析
在3種不同軋制工藝下，鋁合金板帶的邊部損傷情況如圖2、圖3、圖4所示。同徑異速軋制工藝下鋁合金板帶的損傷最大值為0. 248，異徑同速軋制工藝下鋁合金板帶的損傷最大值為0. 244，同徑同速軋制工藝下鋁合金板帶的最大損傷為0. 305�？梢�(jiàn)兩種異步軋制工藝下鋁板的邊部損傷都會(huì)得到有效減小，都能提高鋁合金軋制的成材率和產(chǎn)品質(zhì)量。在兩種異步軋制中，異徑同速軋制損傷相對(duì)較小，但兩者的差別不大。
2.2軋制力分析
經(jīng)仿真計(jì)算得到同徑異速軋制、同徑同速軋制和異徑同速軋制時(shí)板帶軋制力的分布情況如圖5、圖6、圖7所示，這3種軋制工藝的平均軋制力分別為294.4 k N、305 k N、290.4 k N。可見(jiàn)同等條件下兩種異步軋制的軋制力都要小于同步對(duì)稱軋制的軋制力。而在兩組異步軋制過(guò)程中，異徑同速軋制的軋制力相對(duì)稍小一點(diǎn)，這樣可以降低對(duì)軋機(jī)強(qiáng)度的要求，減少能耗，降低生產(chǎn)成本。
2.3板型分析
在3種不同軋制工藝下板帶的翹曲程度如圖8、圖9、圖10所示。同徑同速軋制工藝下鋁合金板帶沒(méi)有翹曲，而在同徑異速軋制和異徑同速軋制工藝下都會(huì)產(chǎn)生不同程度的翹曲。在這兩種異步軋制中，異徑同速軋制的板帶翹曲程度明顯小于同徑異速軋制板帶的翹曲程度，因此，經(jīng)后續(xù)退火、矯直工藝處理后，異徑同速軋制更容易得到合格的產(chǎn)品。
3結(jié)論
綜合上述3種軋制工藝，對(duì)所軋板帶的損傷、軋制力和翹曲程度進(jìn)行了對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：
(1)與同步軋制相比，在異步軋制工藝下，鋁合金的最大邊部損傷大約減小20%，能有效提高產(chǎn)品的質(zhì)量和成材率。
(2)在同等軋制條件下異步軋制的軋制力小于同步軋制的軋制力，且在兩種異步軋制過(guò)程中，異徑同速軋制的軋制力相對(duì)更小一些。因此，異徑同速軋制可以降低對(duì)軋機(jī)強(qiáng)度的要求，減少能耗，降低生產(chǎn)成本。
(3)同步軋制的產(chǎn)品沒(méi)有翹曲，而兩種異步軋制的產(chǎn)品都會(huì)產(chǎn)生不同程度的翹曲，且在兩種異步軋制中，異徑同速軋制得到的板帶的翹曲明顯較小。雖然這種缺陷會(huì)給板帶的質(zhì)量帶來(lái)不良的影響，但是在后續(xù)的退火處理以及矯直過(guò)程中可以將其消除，從而得到合格的產(chǎn)品。
(4)綜合以上因素可以看出，異徑同速軋制工藝會(huì)更適合3003鋁合金板帶的軋制生產(chǎn)，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。
