工艺参数对耐磨钢冷轧应力特性的影响

张玲芬

（烟台汽车工程职业学院，山东烟台 265500）

0 引言

耐磨钢在工业领域内有着广泛的应用[1]，冷轧是其非常重要的加工方法之一[2]，在制造业内受到越来越多的重视。冷轧过程中所出现残余应力问题是阻碍该工艺方案的主要因素，与工艺参数有着直接的关系，称为当前机械加工行业内的研究热点[3]。一般在冷轧过程中，轧压作用力和摩擦因数是影响耐磨钢成型效果的最关键因素，因此，在轧压工艺中，需要调节适宜的张力参数和匹配的摩擦因数，否则，在冷轧过程中容易出现边缘部位的异性变形，甚至压漏、损坏的问题[4]。

为了得出工艺参数对耐磨钢冷轧应力特性的影响，本文采用有限元数值模拟方法在不同条件下计算应力变化，为加工工艺的改进提供重要依据。

1 冷轧工艺有限元分析

1.1 数值模拟方案

有限元分析是工程分析不可或缺的方法之一，能够精确地模拟不同类型的工况以及多物理场[5]，文中采用ABAQUS软件对冷轧工艺过程进行有限元分析。ABAQUS是目前应用较广泛和成熟的数值模拟软件之一，由美国HKS公司研发，在非线性材料及模型、边界调试、结构力学等方面有一定优势，在机械工程、建筑工程、水利水电、汽车制造等领域普遍得到了认可。ABAQUS具有强大的求解器，可实现不同模型的静力隐式和动力显式计算[6]，集成了丰富的单元类型，能够有效地确保冷轧数值模拟分析的可靠性和精度。

1.2 建立模型装配体

冷轧工艺的模型相对简单，直接在ABAQUS/CAE内建立模型，并赋予对应的材料属性。当创建某个部件时，软件会自动生成独立的坐标系，便于在装配（Assembly）功能模块内创建最终的装配体。由于模型属于典型的大变形，因此采用显示动力学分析方法。

在装配模型构建时，首先基于转动和平动控制使得耐磨钢板模型与轧辊保持相切状态；然后在轧辊的质心位置创建1个动参考点，计算出压下率为19%时（材料极限）所需的平移位移，即可得出该动参考点的坐标；最后根据模型尺寸，设定咬入距离。

1.3 设定边界条件

冷轧分析的关键问题为接触设置，是影响计算收敛性和可靠性的主要因素。以力学角度分析，变形和接触问题属于典型的复杂非线性问题，要求确保多个物体每个时间步运动时的接触性，避免接触面之间的穿透。从数学角度分析，确保无穿透的约束方法主要有拉格朗日乘子法、罚函数法[7]和直接约束法等。根据耐磨钢的变形量，采用罚函数法。罚函数法在校验穿透时，可放大误差影响，最终使得模型不收敛，进而确保接触面的接触性，在显示动力学中非常常用。

在ABAQUS软件中，接触主要由Interaction功能模块控制。由于不同材料的接触属性不同，因此可采用罚函数（Penalty）来定义接触面之间的作用效果，包括摩擦因数。根据冷轧工艺可知，整个分析过程中不考虑托辊的变形，将其设置为刚体，采用刚体约束（Rigid Constraint）进行设置，如图1所示。

ABAQUS提供了多种单元类型供选择。根据分析类型，文中采用C3D8R（八节点线性六面体单元，减缩积分）类型的结构单元，可有效地处理非几何性的边界问题。八节点单元相比于其他单元类型，可有效地减少大变形条件下的误差。此外，八节点单元类型对于单元内的插值计算精度有着明显的作用，能够处理复杂的曲线计算。为了确保计算精度，应在计算允许条件下尽量减小网格尺寸，最终获得模型的网格划分结果如图2所示。

图1 刚体约束

图2 模型的网格划分结果

1.4 可视化分析

通过相应的设置，包括建立装配模型、定义材料属性、设定接触边界、提交工作界面、创建运算模型等，最终可通过连续的迭代运算获得可视化的仿真结果。图3和图4所示分别为耐磨钢板在咬入阶段、稳定阶段范围内的等效应力图。从图3、4可以看出，随着接触时间的增大，应力逐渐扩散，该分析结果可适用于不同工艺参数下的研究。

图4 稳定阶段应力云图

图3 咬入阶段应力云图

冷轧加工后的耐磨钢板表面将出现明显的残余应力。其中，外层表面为压应力，而内部表面则表现为拉应力。这种特性与金属本身的物理属性和承载有关，特别是在不同张力条件下，残余应力的大小有着显著的差别。在较大的张力条件下，残余应力将明显增大，而且波动较大。由此可见，过大的张力可直接导致塑形变形不均衡，最终引起冷轧工件的双边出现波浪形的缺陷问题。总体来看，中部位置的应力变化相对均匀，应力值相对较小，但是受钢板的厚度影响较大。

2 不同工艺参数的影响

2.1 前张力

为确保工艺参数与应力变化之间关系研究的可靠性，需采用单一变量法，即只改变某个变量进行分析。在不同前张力（95～145 MPa）条件下，可得出特定轧压方向下的应力值变化曲线，如图5所示。从图中可以看出：当前张力为95 MPa时，耐磨钢板上的最大应力值为560 MPa；应力值随着轧压距离的增大先减小更增大，在115 MPa的前张力条件下可获得更均衡和更低的残余应力。不同前张力对应力的分布变化有着明显的影响，特别是对于应力变化拐点的影响。前张力为135 MPa时，在轧压方向的最前端将出现应力变化的拐点。

2.2 后张力

保持其他参数不变，分别在后张力为45～95 MPa条件下进行计算，最终得出应力变化曲线，如图6所示。从图中可以看出：当后张力数值为45 MPa时，耐磨钢板上的最大应力为540 MPa；随着后张力的增大，应力值逐渐减小；在冷轧过程中，不同后张力条件下的残余应力差别不大。相比于前张力，后张力对应力的变化影响相对较小，比如，后张力不能明显改变应力变化的拐点，而且在远端的应力值受后张力值的影响可忽略不计。

图5 不同前张力条件下的应力变化

图6 不同后张力条件下的应力变化

2.3 摩擦因数

在仅改变摩擦因数（0.06～0.10） 条件下的应力变化曲线如图7所示。从图中可以看出：当摩擦因数分别为0.06和0.08时，应力值差别并不大，但是与摩擦因数为0.1时的应力值差别较大；总体来看，随着摩擦因数的增大，应力值呈增大变化趋势，这是由于接触副之间的润滑性减小，使得接触压力增大。摩擦因数在实际工程应用中也是比较容易调整的，特别是在冷轧模具的加工中，一般采用涂膜润滑材料的方法降低摩擦因数，最终达到减小残余应力的效果。

图7 不同摩擦因数条件下的应力变化

3 结束语

托辊前后张力对耐磨钢板冷轧应力的影响非常显著，这是由于前后张力明显地改变了钢板在冷轧过程中的受力情况，其法向的承载出现较大的改变。摩擦因数对冷轧压力的改变主要体现在摩擦力因素上，随着摩擦因数的增大，切向接触力增大。在实际冷轧工艺中，影响冷轧应力的因素非常多，最佳的工艺参数也难以确定，本文中基于ABAQUS的有限元仿真可以为部分工艺参数的优化提供重要的依据。