轧机轧制过程轧制压力的确定及应力应变分析
中国科技期刊数据库 工业C
2015年55期 115
轧机轧制过程轧制压力的确定及应力应变分析
付志刚 王 蕊 卢焱飞
江西省新余钢铁集团股份有限公司冷轧厂，江西 新余 338000
摘要：轧机是轧钢生产的主要设备，在轧机轧制过程中，轧制压力的设定对产品的质量具有直接的影响，因此准确计算轧制压力以及因为轧辊弹性变形而导致的产品的尺寸精度受到影响是轧机轧钢产品质量的有效保障。在薄板轧制过程中，凸轮试验变形抗力模型对轧制压力的预报精度较为稳定； 热模拟试验变形抗力模型对轧制压力的预报精度波动较大，但在中间轧制道次，热模拟试验变形抗力模型对轧制压力的预报精度高于凸轮试验变形抗力模型。本文就针对轧机轧制过程轧制压力的确定及应力应变进行分析。
关键词：轧机；轧制过程；轧制压力；确定；应力应变分析 中图分类号：TG333 文献标识码：A 文章编号：1671-5810(2015)55-0115-01
1 引言
轧制压力是轧机三大参数中的最重要的一个，轧制压力是的情况不仅关系到机械零件的受力情况，而且还会关系到产品的质量。轧机主要是由机架和轧辊组成，因此在轧制过程汇总产品的质量容易受到机架及轧辊的受力及变形的影响。在薄板轧制过程中，轧制压力的预报精度直接影响轧制生产过程的连续性和稳定性。在轧制压力预报模型中，金属塑性变形抗力是一个极其重要的物理参数，其计算结果直接影响轧制压力的预报精度，为了保障轧制产品的质量，我们有必要对轧机轧制压力进行准确的计算。以此确定科学的而应变力。
2 轧制压力的确定
轧制压力主要受到轧件与轧辊间的接触面面积和平均单位压力的影响，基于轧机轧制工艺，影响轧制压力的因素很多：一是轧制金属本身性能的因素。金属本身的成分对变形抗力具有很大的影响，比如合金钢的变形阻力要大于低碳钢，而且同一化学成分的金属，由于其组织不同，其变形阻力的大小也不同。另外温度是影响金属变形阻力的重要因素，随着温度的增高，金属内的原子振幅会变大，进而导致金属的强度下降，而得金属的抗变形力随着温度的升高而减低；二是影响应力状态条件的因素。外摩擦力的影响。外摩擦力对轧制压力的影响也比较大，比如比较厚的轧件，因为其单位压力受力比较小，因此其发生变形的因素就比较小。
基于影响轧制压力因素比较多的现实考虑，本文结合相关文献资料，得出确定轧制压力是提高轧制产品的关键。因此要利用科学的计算公式对轧制压力进行计算与确定。目前确定轧制压力的方法主要有：理论计算法、实测法以及经验公式和图表法。结合各种计算方法的优缺点，本文选自运营实测法、工程计算近似法以及有限元法进行轧制压力的计算和轧制时轧辊应力应变的分析。
3 基于有限元法对轧机轧辊及机架的分析
有限元法的是随着工业的出现而发展起来的，其主要是采取连续的结构离散成有限个单元，并且将这些单元进行节点设计，并且将这些节点组成新的集合体的单元结构。使用有限元分析方就是在保证分析的精度和分析的时间上找到一个最佳的平衡点就可以了。
3.1 轧辊弹性变形有限元法分析
利用该分析法对轧辊进行模型构建时可以根据分析要求建立三维的有限元网格模型。三维模型为计算轧辊的变形提供了准确的依据，因此三维模型在分析轧机轧辊应变力方面具有广泛的应用价值。根据本文选择的轧机设备性能，笔者选择较为简单的二维有限元分析法。将二维有限元网格定位于X-Y 平面中。第一是模型的建立，由于轧机轧辊主要是上下对称的，因此对于轧辊的计算只需要对上轧辊的应变力进行计算就可以了，因此本文的实体建模主要采取的是自下而上的模式，在确定关键点的位置之后再以关键点为边界线进行二维平面。第二是网格划分，一般来说网格的数量越多就越能提高计算的精度，但是相应的计算规模也会扩大，因此在确定网格时一定要充分考虑各个方面的因素，比如在静力分析时，可以选择较少的网格进行计算，而如果要计算结构的应力时，则需要计算更多的网格，以此保证计算结果的
准确性。另外网格的划分紧密程度也要根据分析问题的不同而进行区别，对静力应力和动应力的分析主要取决于网格的疏密程度，计算固有特性时则应趋于采用较均匀的网格形式，这样可以降低数值之间的误差。本文主要是分析轧辊的静力特征，因此本文选择网络数量相对较少。均匀的网格密度，以此保证网格划分更加合理。根据实践本文设定的单元数目为454个，共计1500个节点数。根据二维图发现在辊颈部位的所受应力较大，所以对辊颈部分的网格进行了局都细化。第三是计算结果，根据计算结果，轧辊的弹性变形量的最大值并不在轧辊的中间，而是偏向于轧辊的左侧，由此可见轧机轧辊的受力不相等的，其主要与轧件的位置有关。
3.2 机架弹性变形有限元法分析
牌坊应力分析，计算所得的最大应力为47Mpa ，由此可见牌坊的最大应力位置在螺母孔园角的地方，因此根据相关数据模型计算，牌坊应该设计为矩形自由框。通过改简单化的处理能力将传统的牌坊复杂的结构设计为简单的处理，这样就能够实现计算的准确性。根据有限元法对牌坊弹性变形的分析，能够避免传统的工程计算法，进而根据具体的轧机过程压力进行设计，根据轧机轧机过程的压力分析，计算出牌坊在轧机时受到的压力为47Mpa ，仍小于许用的50Mpa 。牌坊变形分析，当牌坊发生弹性变形时上下横粱由于轧制力的作用而分别超作用力的方向弯曲，牌坊的立柱受到内侧弯曲作用力的影响，使得牌坊变形的位置主要集中在横梁处，变形的位置主要位与螺母接触的圆环面上，因此根据有限元法可以清楚的看到轧制时牌坊的应力应交分布。
4 轧辊校核
轧辊对轧制压力的影响是非常大的，如果轧辊出现故障将直接影响轧制产品的质量，轧辊的破坏主要是因为：一是轧辊的设计不合理，比如在额定负荷下，轧辊因为强度不够而出现断裂；二是轧辊的材质、热处理或者加工工艺不合理；三是轧辊在生产过程中使用不合理。这对这些复杂的因素影响，我们对于轧辊强度的测量主要是通过静载负荷进行验算，以此准确计算轧制压力。其中基于实践工作经验，对于轧辊校核的主要是对轧辊辊身、辊颈以及辊头的结构尺寸以及受力进行分析。
结束语
本文通过结合工程计算法对轧制力进行了计算，根据结果对轧机的轧辊以及机架强度进行了校核，并且利用有限元分析法对轧辊和机架的应力分布及弹性变形情况进行了分析，凸轮试验变形抗力模型对薄板轧制过程轧制压力预报较为平稳； 但在中间轧制道次，热模拟试验变形抗力模型对轧制压力的预报精度高于凸轮试验变形抗力模型。以此阐述提高轧机产品质量的保障条件。
参考文献
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