冯少鹏;陈林;王仁忠
【摘 要】辊间压痕是制约六辊铝板带冷轧机实现中间辊抽动功能从而达到改善板形目的的一大障碍.在现场考察的基础上,基于Abaqus有限元软件对六辊铝板带冷轧机进行了辊系受力仿真,得到了辊间受力的情况,分析并验证了辊间压痕的成因是由轧辊倒角设计不合理或磨辊时处理不当,没有把倒圆角倒到规定的标准所造成,并由此提出了对轧辊倒角设计的改进方案并对倒角改进后的辊系受力进行了有限元仿真.结果表明,采用所提出的倒角改进方案能够大幅度减轻辊间压痕,从而对充分发挥六辊轧机的板形控制能力,对改善板形具有重要的意义.薛璐下载
【期刊名称】《轻合金加工技术》
【年(卷),期】中央一号文件为何如此聚焦三农2011(039)007
【总页数】5页(P38-42)
【关键词】卫生带压痕;六辊铝板带冷轧机;有限元;倒角;板形控制
【作 者】冯少鹏;陈林;王仁忠
【作者单位】苏州有金属研究院有限公司,江苏苏州215026;苏州有金属研究院有限公司,江苏苏州215026;苏州有金属研究院有限公司,江苏苏州215026
【正文语种】中 文
【中图分类】TG146.21;TG339;TG33
在轧机设计中，轧辊倒角的设计至关重要，如果倒角设计不合理或者磨辊时对倒角处理不当，就会造成轧制过程中轧辊之间产生压力尖峰，轧制一段时间过后就会使轧辊出现辊间压痕，甚至造成辊面剥落［1－3］。对于2 050 mm六辊轧机而言，出现辊间压痕显然不能进行中间辊抽动，从而不能充分利用六辊中间辊抽动的功能来达到改善板形的目的［4］。
本文对某大型铝厂的2 050 mm六辊轧机的辊间压痕现象的成因进行分析，并且利用非线性有限元软件Abaqus对辊系进行仿真来查看辊间受力情况，并验证辊间压痕成因，然后根据仿真得到的结果提出对轧辊倒角设计的改进方案，对倒角改进后再次进行辊系仿真，来对比倒角改进前的辊间受力情况，进而验证倒角改进方案的可行性。
1 辊间压痕成因
经笔者在现场实地考察，在2 050 mm六辊轧机各轧辊上均存在不同程度的压痕，并详细观察了轧辊压痕的位置，图1为下中间辊压痕位置示意图。由图可知，压痕1和压痕3恰好与下工作辊倒角的棱对齐，而压痕2和压痕4和下支承辊的倒角的棱对齐。而且，经过现场实地考察，磨削后的轧辊在倒圆角处用手摸之后明显感觉有棱角。因此，从压痕的位置可以初步判断由于倒角没有倒圆角或者因为轧辊轧制一段时间过后磨辊处理不当，没有把倒圆角倒到规定的标准，从而倒角过渡区造成辊之间产生压力尖峰，进而产生压痕。极端情况下还会造成辊面被啃伤、剥落，使轧辊报废，从而造成极大的损失。 图1 下中间辊压痕位置示意图Fig.1 Indentation position on lower middle roll
2 2 050 mm轧机辊系有限元仿真
为了查看在原有轧辊倒角设计时辊系受力时各轧辊之间的受力情况，并且验证轧辊压痕成因，从而能够提出倒角的改进方案，本文在Abaqus有限元软件平台下，对2 050 mm轧机进行了辊系仿真。
2.1 有限元模型的建立
根据2 050 mm冷轧机的实际尺寸及原有倒角设计建立几何模型，为了提高计算机的运算能力和降低求解运算时间，充分考虑到该设备的对称性，因2 050 mm冷轧机设备具有上下反对称结构，故取四分之一模型(即上工作辊、上中间辊、上支承辊的一半)作为模拟对象，模型的几何参数如下:工作辊直径为480 mm;中间辊直径为560 mm;支撑辊直径为1 300 mm;工作辊辊身长度为2 050 mm;中间辊辊身长度为2 050 mm;支撑辊辊身长度为2 000 mm。
建立好辊系模型并划分单元，轧辊之间接触的部分网格划分密一些以保证计算精度，未接触的部分可以划分疏一些，辊系有限元模型如图2所示。对模型施加以下约束:
(1)对模型对称面上所有节点施加Z方向的约束;
(2)在支撑辊辊颈两端节点施加Y方向的约束;
我是中国dota的希望2(3)在工作辊、中间辊和支撑辊身中间节点施加X方向的约束。
此外，外载为直接作用在工作辊上轧件宽度的轧制力(按均布载荷考虑)。
图2 辊系有限元模型Fig.2 Finite element model of rolls
2.2 仿真结果分析
将模型提交计算后可以得到各轧辊之间的接触力分布及大小，图3所示为沿轧辊轴向工作辊受到中间辊的接触力分布，图4所示为沿轧辊轴向中间辊受到支承辊的接触力分布。从图中可以得知，无论是工作辊与中间辊还是中间辊与支承辊之间均有压力尖峰存在，并且压力尖峰所处的位置在轧辊辊身两端，大致在轧辊两端倒角位置处，并且无论是图3还是图4中压力尖峰沿身轴向的位置与图1所示中间辊辊身压痕沿轴向的位置大致吻合，这也验证了前文对轧辊辊间压痕成因的分析，即辊间压痕是由于倒角设计不合理或者磨辊时处理不当，没有把倒圆角倒到规定的标准所造成;而且从图中可以看出，中间辊与支承辊之间的压力尖峰比工作辊与中间辊之间的压力尖峰大，那么中间辊与支承辊之间的辊间压痕应比工作辊与中间辊之间的辊间压痕明显，这与现场实际观察到的情况是一致的。
lc滤波器图3 沿轧辊轴向工作辊受到中间辊的接触力分布Fig.3 Curve of stress distribution along axis direction of work roll under contact pressure of the middle roll
图4 沿轧辊轴向中间辊受到支承辊的接触力分布Fig.4 Curve of contact stress distributed along axis direction of middle roll with contact pressure of backup roll
3 轧辊倒角的工艺优化
3.1 原支承辊、工作辊倒角及中间辊的过渡圆角不合理原因
基于以上仿真结果得知，在原先设计的工作辊、中间辊倒角情况下，当中间辊有窜辊或中间辊、工作辊有弯辊力作用时很有可能造成工作辊、中间辊及中间辊、支承辊辊间接触压力不均匀，从而使这三个轧辊都可能产生压痕。
原设计支承辊的倒角当六辊轧机中间辊不发生抽动，并且工作辊、中间辊不施加弯辊力时，由原先设计的支承辊倒角将使支承辊辊端产生较大的接触压力，并且由于支承辊的辊面硬度相对较小，造成轧辊两端辊面压痕的可能，尤其当中间辊施加正弯辊力或工作辊施加正弯辊力时会使支承辊两端的接触压力增大，易使轧辊两端辊面造成剥落。
经分析造成辊间接触压力不均，两端接触压力大可能原因如下:
(1)倒角的宽度偏短，基本在30 mm～40 mm范围内，通过模拟分析和理论研究发现较短的倒角宽度不利于减小轧辊两端的有害接触区，从而导致辊缝横向刚度大，铝板带的板形受轧制压力波动变化大的缺点。
(2)倒角的深度偏大，一般在8 mm以上，有一定的倒角深度可以防止轧辊受力产生压肩的现象，但较大的倒角深度则造成轧辊辊耗的浪费，在钢铁热轧或冷轧行业中轧辊的倒角深度一般在2 mm～4 mm左右，并且由于铝板带轧机的轧制压力较小，倒角深度更可减小。
(3)倒角过渡圆弧半径偏小，这样导致倒角圆弧的过渡长很短，一般在15 mm以下，这样短的圆弧较难避免轧辊两端压力尖峰的出现，在模拟仿真计算中也发现了这个问题。
3.2 2 050 mm六辊轧机倒角整改方案
综合以上分析，根据2 050 mm轧机轧辊原始设计并参考有关资料［5－6］，针对该轧机的轧辊倒角优化整改提出以下方案:
治理结构工作辊倒角:将图5中圈中区域即工作辊倒角过渡段由R30加大到R50。
中间辊倒角:将图6中左边圈中区域即中间辊倒角过渡段由R30加大到R50，右边圈中区域按照宽度50 mm，R1 000 mm加工，所有圆弧过渡区域必须过渡光滑。需进行人工修磨，此处的作用是降低中间辊与工作辊、支承辊接触区域端部的压力尖峰，避免辊之间严重磨损和划伤;另外的作用是在轧制难变形的硬合金或者较窄宽度带材时，由于轧制力较大，调节边部板形，弯辊力调节幅度较大，该区域圆角光滑过渡后可以减轻中间辊的磨损，减缓工作辊和支承辊对中间辊产生压痕。
支承辊倒角:将图7中圈中区域即支承辊倒角过渡区域按图8新的改进设计执行。
图5 工作辊倒角Fig.5 Angle beveling of working roll
图6 中间辊倒角Fig.6 Angle beveling of middle roll
图7 支承辊倒角Fig.7 Beveling of backup roll angle
图8 改进支承辊倒角方案Fig.8 Improvement scheme of backup roll angle beveling
4 倒角改进后2 050 mm轧机辊系有限元仿真
为了验证倒角修改方案是否可行，在前面建立的模型的基础上，按照上文提出的倒角改进方案修改模型，只改变倒角，其余不变，然后提交计算，其中支承辊和中间辊倒角修改前后的对比如图9所示。
得到辊间接触压力的结果后与倒角修改前得到的辊间接触压力进行对比，其中工作辊受到中间辊的接触压力分布在倒角改进前后的对比如图10所示;中间辊受到支承辊的接触压力分布在倒角改进前后的对比如图10所示;中间辊受到支承辊的接触压力分布在倒角改进前后的对比如图11所示。
从图10、11两图可知，对轧辊倒角进行改进后都能减小辊间接触压力尖峰。其中从图11中可知，支承辊倒角经过重新设计后，支承辊与中间辊之间的压力尖峰有着较大幅度的减小;而从图10中可知，增大工作辊与中间辊的倒圆角半径后，也能使工作辊与中间辊之间的压力尖峰有所减小，但由于工作辊与中间辊之间的压力尖峰不是特别大，辊间压痕并不是特别明显，因此虽然压力尖峰的减小幅度不大，但也可接受。因此，根据轧辊倒角改进后的仿真结果，可以证明本文提出的轧辊倒角改进方案对于减小辊间压力尖峰，减轻辊间压痕是非常有效的。
图9 支承辊和中间辊倒角修改前后的对比Fig.9 Comparison of middle roll and backup roll angle beveling before and after improvement
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