基于DEFORM的异步冷轧3 00 3铝合金板带研究

 高翔宇1，帅  朋2，韦建春1，郭  淳3

  （1．太原科技大学机械工程学院，山西  太原  030024;2．太原科技大学材料科学与工程学院，山西  太原  030024；3．中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西  太原  030051）

摘要：通过DEFORM有限元软件，对同步轧制和两种异步轧制3003铝合金板带的轧制过程进行了仿真模拟，并就铝合金板的边部损伤、轧制力和翘曲程度进行了对比分析。研究表明：两种异步轧制工艺都可以减少板带的边部损伤和轧制力；相比之下，同步轧制的铝合金板的板型最好，而异径同速轧制比同径异速轧制所得的铝合金板的板型好；综合来看，异径同速的轧制工艺更有利于3003铝合金板带的生产。

 关键词：异步轧制；模拟；翘曲；铝合金  中图分类号：TP3 91.7：TG335.12  

0  引言

 3003铝合金属于A1- M n系合金，具有良好的机械加工性能、抗蚀性能和散热性能，且具有密度小、强度高等特点，在容器箔、热交换器、飞机油箱以及运输液体产品的槽罐、压力罐、化工设备等领域得到广泛应用。

 目前，3003铝合金板带的生产普遍采用同步轧制的方式，对于异步轧制3003铝合金的研究甚少。与常规同步轧制相比，异步轧制具有降低轧制力和轧制力矩、改善板材边部缺陷等优点，因此，本文应用DE-FORM有限元软件，对同步轧制、同径异速与异径同速三种轧制工艺对3003铝合金板带的轧制过程进行数值模拟分析，并对三种轧制工艺下板带的边部损伤、等效应力、翘曲以及轧制力进行对比分析，以寻找一种较好的生产工艺，对于实际生产具有一定的指导意义。

1  有限元模型的建立

1.1  模型的假设

 本文中理想刚塑性材料的显式动力学模型是在以下4个假设基础上建立的：①假设轧辊为刚性体，在轧制过程中不发生变形；②假设铝合金带材为各向同性材料，忽略板坯表面的质量缺陷对轧制过程的影响；③铝合金带材冷轧前后体积不变；④假设铝合金带材没有任何缺陷，忽略组织微裂纹、微空洞对轧制过程的影响。

1.2模型建立

 在模型中，各工艺所需的工作辊直径如表1所示，3种工艺下的装配模型如图1．所示，铝板坯的原始尺寸均为100 mm×100 mm×3 mm。

1.3参数设置

 3003铝合金化学成分（质量分数）为：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种工艺下的轧制温度均为20℃，采用一道次轧制，压下量设为30%。3003铝合金板的弹性模量为68.9 G Pa，泊松比为0. 33，轧辊和轧件之间采用库伦摩擦，各组轧辊转速见表2。

1.4  网格划分

 在各模型中，板坯采用相对网格划分法，模型共有116 039个单元、27 076个节点，比例因子取2，模拟步长取网格最小尺寸的1／3。

2  结果与讨论

 在同步轧制、同径异速轧制与异径同速轧制3种轧制工艺下，分别对3003铝合金板的轧制过程进行了数值模拟，并针对其对铝合金板的影响进行分析。

2.1铝合金板带的边部损伤分析

 在3种不同轧制工艺下，铝合金板带的边部损伤情况如图2、图3、图4所示。同径异速轧制工艺下铝合金板带的损伤最大值为0. 248，异径同速轧制工艺下铝合金板带的损伤最大值为0. 244，同径同速轧制工艺下铝合金板带的最大损伤为0. 305。可见两种异步轧制工艺下铝板的边部损伤都会得到有效减小，都能提高铝合金轧制的成材率和产品质量。在两种异步轧制中，异径同速轧制损伤相对较小，但两者的差别不大。

2.2轧制力分析

  经仿真计算得到同径异速轧制、同径同速轧制和异径同速轧制时板带轧制力的分布情况如图5、图6、图7所示，这3种轧制工艺的平均轧制力分别为294.4 k N、305 k N、290.4 k N。可见同等条件下两种异步轧制的轧制力都要小于同步对称轧制的轧制力。而在两组异步轧制过程中，异径同速轧制的轧制力相对稍小一点，这样可以降低对轧机强度的要求，减少能耗，降低生产成本。

2.3板型分析

 在3种不同轧制工艺下板带的翘曲程度如图8、图9、图10所示。同径同速轧制工艺下铝合金板带没有翘曲，而在同径异速轧制和异径同速轧制工艺下都会产生不同程度的翘曲。在这两种异步轧制中，异径同速轧制的板带翘曲程度明显小于同径异速轧制板带的翘曲程度，因此，经后续退火、矫直工艺处理后，异径同速轧制更容易得到合格的产品。

3结论

  综合上述3种轧制工艺，对所轧板带的损伤、轧制力和翘曲程度进行了对比分析，得出以下结论：

  (1)与同步轧制相比，在异步轧制工艺下，铝合金的最大边部损伤大约减小20%，能有效提高产品的质量和成材率。

 (2)在同等轧制条件下异步轧制的轧制力小于同步轧制的轧制力，且在两种异步轧制过程中，异径同速轧制的轧制力相对更小一些。因此，异径同速轧制可以降低对轧机强度的要求，减少能耗，降低生产成本。

 (3)同步轧制的产品没有翘曲，而两种异步轧制的产品都会产生不同程度的翘曲，且在两种异步轧制中，异径同速轧制得到的板带的翘曲明显较小。虽然这种缺陷会给板带的质量带来不良的影响，但是在后续的退火处理以及矫直过程中可以将其消除，从而得到合格的产品。

 (4)综合以上因素可以看出，异径同速轧制工艺会更适合3003铝合金板带的轧制生产，对实际生产具有一定的指导意义。