一种铝合金板材异步轧制翘曲预报和优化的方法

摘要

本发明属于金属材料加工领域，一种铝合金板材异步轧制过程中翘曲预报和优化的方法，可实现异步轧制板材翘曲的显著降低或完全消除，且无需对现有轧机进行特殊改造，只需调节轧制参数（如板材厚度、轧制道次压下量、异速比等），便可控制异步轧制过程中板材翘曲程度并给出翘曲。本发明的优点：基于仿真模拟异步轧制过程，并结合实际轧制实验进行铝合金板材异步轧制无翘曲工艺的分析，可获知实际工况条件下异步轧制板材的翘曲方向，预先判定异步轧制板材运行状态，为实际工艺调整提供可视化方案；基于仿真模拟预先获取使异步轧板零翘曲的轧制工艺参数（如道次压下量），可明显提高板型质量、避免改造轧制设备或加装强制矫直装置。

说明书

技术领域

本发明公开了一种铝合金板材异步轧制过程中翘曲预报和优化的方法，可实现异步轧制板材翘曲的显著降低或完全消除，属于金属材料加工领域。

背景技术

高性能铝合金(如Al-Zn-Mg-Cu系)中厚板以其优异的比强度、耐蚀性、韧性及抗疲劳性能而广泛用于机身框架、隔框等的制造，成为至关重要的航空结构材料。传统热轧工艺是目前制备此类高强韧铝合金中厚板的主要加工手段，但利用该工艺生产中厚板过程中普遍存在沿板厚方向变形不均匀的问题，并最终导致板材厚度方向组织与力学性能不均匀，严重影响和限制此类合金板材的寿命和广泛应用。

异步轧制作为一种先进的强塑性变形工艺，可通过对同步轧机的改造来实现，其主要轧制方式有同径异速异步轧制(上、下辊辊径相同，转速不同)和异径同速异步轧制(上、下辊辊径不同，转速相同)。异步轧制过程中，由于上、下轧辊对轧件变形的不对称性导致轧件内部产生剧烈的附加剪切变形，从而改善轧材沿厚度方向变形的均匀性，有助于板材综合性能的提高。基于异步轧制技术在改善金属及合金材料组织均匀性、提高性能等方面的优势，该技术被广泛用于铝/镁等金属和合金的轧制研究和生产，并取得良好效果。发明专利(CN101524707A、CN105603341A)公布了利用异步轧制获得晶粒细小、成形性及强度显著提高的金属轧制工艺；发明专利(如CN201210590806.1、CN200410021496.7、CN200510046810.1)采用异步轧制技术对取向硅钢性能进行了改进；发明专利(CN201010524366.0)利用异步轧制技术实现了材料表面纳米化。然而，由于轧制过程中与上、下辊接触金属或合金变形的不对称性导致异步轧制板材出现上翘或下弯现象，致使板材难以连续咬入，降低轧制效率，严重的翘曲甚至会造成板材黏辊、轧机设备损毁及生产成本增加等。目前，异步轧制技术的应用研究仍集中于薄板带材，原因在于卷取机施加的卷取张力显著抑制了薄板带材的翘曲，因而与其相关的翘曲问题并未受到太多关注。然而中厚板材在异步轧制加工时，轧辊两侧不再有卷取机提供张力，因此如何改善或优化异步轧制中厚板材的板形、降低/消除异步轧制引起的翘曲问题就显得尤为突出和重要。针对该问题，一般通过改造轧机设备来实现，如在轧机上加装水平液压弯辊系统或在轧制生产线上加装强制矫直设备，投资巨大且短期内很难实现更新换代。针对异步轧制中厚板翘曲问题，发明专利CN104624664A提出通过调整轧制线高度及上/下工作辊咬入速度的方法对400mm铸坯粗轧头部翘曲现象进行控制，发明专利(CN03114584.1、CN200520079602.7)公布了一种通过调节轧机的导板高度，利用设计的导入角可变装置来解决异步轧制过程中的翘曲问题。然而，实际生产线中的轧机辊道系统长且都固定，上述发明专利提供的方法在实现板材异步轧制的连续轧制方面存在难度。

本发明专利通过直接在线调节轧制参数的方法来控制异步轧板的板形以解决异步轧制板材的翘曲问题，同时可保证板厚方向变形与组织均匀性，避免了对轧机进行大规模改造所带来的技术与成本问题。

发明内容

本发明旨在提供一种可快速预报异步轧制铝合金板材翘曲的方法，同时提供一种可明显改善或解决此类板材翘曲问题的方法。本发明无需对现有轧机进行特殊改造，只需调节轧制参数(如板材厚度、轧制道次压下量、异速比等)，便可控制异步轧制过程中板材翘曲程度并给出翘曲问题的解决方法。

本发明的技术方案是：一种金属或合金板材异步轧制翘曲的预报和优化方法，包括以下步骤：

步骤一：利用仿真分析软件建立异步轧制合金板材的二维平面应变模型及轧制过程的几何模型；定义模型材料属性(包括比热容、导热系数、弹性模量、热膨胀系数、泊松比、密度等(仿真软件会采用自动插值方式调取相应条件下的函数值))；划分网格(由于板材形状规则，可采用软件的自动划分功能，网格为四节点四边形单元)；设置热轧过程的热交换(包括塑性功转化为热的效率、摩擦功转化为热的效率)、摩擦等边界条件；设定轧制参数并进行仿真计算；输入不同异步轧制工况条件(如轧制温度、异速比、压下量及板材初始厚度)，输出异步轧制板材板形。

步骤二：计算不同模拟工况下异步轧制板材翘曲曲率ρ，得到某一轧制温度下轧制板材初始厚度、道次压下量、上下辊异速比与轧板翘曲曲率的关系，该关系通过不同工况参数值与对应曲率值建立的X-Y空间下的二维曲线确定。

步骤三：计算出异步轧板翘曲曲率接近零时，轧板厚度、道次压下量、异速比的临界值，建立异步轧板无翘曲临界工况关系，该步骤中提到的临界工况值可以按以下步骤进行确定：

(1)根据步骤二中建立的不同工况参数值与曲率值的二维曲线，找到该曲线与X轴(即轧制参数所在轴)的交点，该交点对应的参数值可以确定为临界参数的参考点。

(2)以该参考点为对象，上下浮动5％，进行仿真验证，最终以该参考点附件±5％范围内曲率最接近于零的值为临界参数值。

步骤四：根据步骤三建立的异步轧制无翘曲临界工况，利用实验轧机进行试验，修正模拟结果，并最终建立与轧机相配套的无翘曲临界轧制参数。

本发明中，步骤一所述利用仿真分析软件建立异步轧制系统二维模型具体为：

(1)二维平面应变模型主要基于金属或合金材料的弹塑性本构关系，即变形抗力(真应力)与应变(真应变)、变形速率和变形温度之间存在函数关系：

其中，弹性阶段仍然遵循胡克定律，塑性变形阶段需满足Von-Mises屈服准则，而铝合金塑性关系可用Zener-Hollomon关系来表示，其中σ为真应力(MPa)，ε为真应变，为变形速率(s^-1)，T为变形温度(K)，ΔH为变形激活能，R为气体常数。通过不同温度下的真应力-应变曲线可得到上述关系相关常数，且在温度、变形速率等条件确定时该关系是固定的，可通过热机械模拟实验来获得，并在实际轧制模拟计算过程中，调用金属或合金材料在不同变形条件下的相关数据，如应力、应变值。

(2)建立异步轧制轧辊及轧板几何模型，其中本发明中异步轧制的实现方式为上下轧辊辊径相同而辊速不同；轧辊简化为理想刚塑性模型，轧板材料为弹塑性模型；轧板与轧辊、轧板与空气的对流换热系数的确定有助于准确地描述轧制过程中温度的影响。

(3)轧制过程中忽略了轧板与上下轧辊摩擦的差异，采用库伦摩擦定律，根据实验反推出实际轧制摩擦系数为0.35。该值对应铝合金与轧辊之间的摩擦系数，其他金属或合金板材与轧辊的摩擦系数可从文献中获知或通过模拟和实验相结合的方法来确定。

(4)轧制仿真模拟过程中的工况条件具体为：上下辊径同为Φ＝400mm；上辊辊速为V_上＝1m/s，下辊辊速设定为V_下＝1.1m/s、1.2m/s、1.3m/s，对应异速比DSR分别为1.1、1.2、1.3；板材初始厚度H<50mm。轧制模拟过程中轧板温度设定为实际轧制温度，如本发明专利针对7050铝合金设定为400℃。

本发明步骤二中翘曲曲率(ρ)的计算方法根据图1中标注的参数和以下公式进行计算：

图1中，r为板材翘曲后的弯曲半径，L为弯曲弧上选定的两点间距，c为所选弯曲弧顶高。

步骤四选用40mm厚7050铝合金板材，在轧制前对该轧板进行400℃-3小时的空气炉保温处理，以使轧板厚向温度均匀；轧制过程中轧辊无润滑处理，采用模拟计算预测所得无翘曲板形的道次压下量进行实验轧制。

本发明提供的工艺与传统矫直方案相比具有以下优点：

1.该方法基于仿真模拟异步轧制过程，并结合实际轧制实验进行铝合金板材异步轧制无翘曲工艺的分析，可获知实际工况条件下异步轧制板材的翘曲方向，预先判定异步轧制板材运行状态，为实际工艺调整提供可视化方案；

2.该方法可直接调整异步轧制工艺参数，如根据实际轧板厚度及所采用的异速比，基于仿真模拟预先获取使异步轧板零翘曲的轧制工艺参数(如道次压下量)，可明显提高板型质量、避免改造轧制设备或加装强制矫直装置。

附图说明

图1本发明异步轧板翘曲曲率的计算模型及参数。

图2本发明中异步轧制过程轧辊及轧板的仿真模型图。

图3仿真模拟H＝30mm板材异步轧制(异速比DSR＝1.2)过程中，板材翘曲程度随道次压下量增加的变化趋势。

图4本发明中通过仿真计算得出不同厚度板材在不同异速比条件下获得无翘曲板形的临界道次压下量。

图5利用仿真模拟得到的无翘曲异步轧制工艺的临界压下量与轧制实验值的对比示意图。

图6模拟计算获得异速比为1.2、轧辊半径为600mm时最大初始轧板厚度与临界厚度压下量间的关系(图中实线为线性拟合、虚线为非线性拟合)(R²为线性或非线性拟合相关系数)。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做进一步说明。

如图1-图2所示，本发明一种铝合金板材异步轧制翘曲预报和优化的方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤1.利用仿真计算软件建立异步轧制金属或合金板材的二维平面应变模型，该模型由定义为刚塑性同直径的上轧辊和下轧辊，前导辊及定义为弹塑性的轧件组成，其中上轧辊和下轧辊的转动角速度可独立调节以实现异步轧制功能，定义模型材料属性，划分网格，设置异步轧制过程中的热交换、摩擦边界条件；

步骤2.将异步轧制不同工况条件包括上下轧辊转速比、不同轧板初始厚度、每道次不同压下量输入步骤1所建二维平面应变模型并进行仿真计算，输出异步轧制板型，并据此板型计算不同工况下模拟所得异步轧制板材的翘曲曲率ρ，建立初始板厚、道次压下量、上下辊异速比与翘曲曲率之间的关系，得到关系曲线；

步骤3.依据步骤2所建立的曲率与轧制参数之间的关系曲线，找到该曲线与X轴的交点对应的板厚、道次压下量及异速比值，此值即为各轧制参数对应的异步轧制板材无翘曲的临界工况条件；

步骤4根据步骤3计算所获异步轧制临界工况条件，在轧机上进行金属或合金板材的异步轧制实验，依据实验结果对步骤1-步骤3的模拟结果按照以下条件进行处理：

条件一：当轧制所得异步轧板板型呈平直状态或板材头部向上翘曲的垂直高度不大于下一道次轧机开口度时，异步轧制板材的翘曲程度可满足连续异步轧制要求，此时可不对模拟结果进行修正；

条件二：当轧制所得异步轧板头部向上翘曲的垂直高度大于下一道次轧机开口度或向下弯曲导致轧板与轧机的传送辊发生碰撞时，需根据具体结果对仿真模拟所获无翘曲临界轧制工况进行相应修正；

步骤5.采用步骤4所获经过修正的与实际情况接近的异步轧制临界工况条件便可实现金属或合金板材的无翘曲异步轧制，从而解决此类合金板材异步轧制过程中的翘曲问题。

所述步骤1中的定义模型材料属性包括比热容、导热系数、弹性模量、热膨胀系数、泊松比和密度。

所述步骤2中的翘曲曲率ρ的计算公式为，公式如下：

式中，L为弯曲弧上选定的两点间距，c为所选弯曲弧顶高。

所述步骤2中建立初始板厚、道次压下量、上下辊异速比与翘曲曲率之间的关系的建立依据步骤1建立的仿真计算模型对所述轧制工况进行模拟计算获得具体曲率值，并以曲率值为Y轴、轧制参数为X轴建立曲线。

在步骤3中，所获临界工况的道次压下量范围为5-55％，异速比为1.0-1.7。

所述步骤4中的修正方法为：

(1)利用仿真模拟所获无翘曲临界工况条件进行轧制实验时，若轧机出口处的轧板弯向上辊一侧，即轧板上翘，则说明在该轧制工况条件下，达到无翘曲状态所需的实际临界道次压下量大于仿真模拟值，此时可通过以下两种方式予以解决：

1.1继续增加道次压下量且轧机仍能满足板材自然咬入条件时，可在不改变初始板厚和异速比的条件下，通过增加道次压下量重复步骤1-步骤3，直至获得平直轧板，每重复一次的道次压下量的增幅不超过5％。

1.2继续增加道次压下量且轧机不能满足板材自然咬入条件时，增加道次压下量的方法将阻碍轧制的连续性，此时可在初始板厚和道次压下量不变的条件下，通过减小异速比并重复步骤1-步骤3，直至获得平直轧板，每重复一次的异速比的降幅为5-10％。

(2)利用仿真模拟所获无翘曲临界工况条件进行轧制时，若轧机出口处的轧板弯向下辊一侧，即轧板下扣，则说明在该轧制工况条件下，达到无翘曲状态所需的实际临界道次压下量小于仿真模拟值，此时可通过减小道次压下量的方式重复步骤1-步骤3，直至获得平直轧板，每重复一次的道次压下量的降幅不超过5％。

在步骤5中，实际轧制过程中需依据轧制自然咬入条件，即α<arctanμ，其中α为轧制咬入角、μ为摩擦系数，初始板厚与临界压下量之间的关系来确定与实际轧制能力相匹配的可轧初始板厚，只有初始板厚小于等于该可轧初始板厚时才能获得无翘曲的轧制板材。

实施例1：

为改善或解决异步轧制铝合金中厚板材的翘曲问题，首先利用有限元仿真分析软件建立异步轧制二维平面应变模型(如图2所示)，具体包括以下步骤：

步骤1.几何及材料模型的建立：模型中上下轧辊简化为理想的刚塑性模型，上下辊辊径同为400mm，上辊转速为1m/s，下辊转速为1.2m/s，对应异速比为1.2；定义仿真过程中轧板的材料性能参数，如不同温度条件下材料的比热、导热系数、泊松比等(本实施例中针对7050铝合金的相关性能参数取自文献[董跃辉,等.铝合金厚板淬火残余应力的有限元模拟及其对加工变形的影响.航空学报,2004,4:429-432.])；板材的应力-应变曲线通过热压缩实验得到。轧制板材划分网格尺寸为2mm×2mm，网格总数根据模拟板材的初始厚度而变化(如初始厚度为30mm时，板厚方向共分15层)，模拟板材的长度为200mm。

步骤2.轧辊与轧板接触传热模型的建立：根据经验公式获得轧板与空气的辐射换热系数为6.8w/m²·℃，轧板与轧辊的接触传热系数为55Kw/m²·K；轧制过程中由于变形功及轧辊与轧板摩擦转化为热量的转化率均设定为95％。

步骤3.摩擦模型：轧制过程中采用库伦摩擦定律(τ＝μ·p)，即剪切摩擦应力(τ)正比于轧板所受的正压力(p)，摩擦系数(μ)根据文献[Duan X,et al.Prediction oftemperature evolution by FEM during multi-pass hot flat rolling of aluminumalloys.Model.Sim.Mater.Sci.Eng.,2001,9:525-538.]及轧制实验反推采用0.35。

分别赋予二维有限元模型各部分的材料性能参数和热参数。

通过调节辊缝大小改变道次压下量，进行仿真计算，

输出异步轧制板材的板形效果图，根据图1所示方式计算此时板材的翘曲曲率值ρ。图3所示为初始厚度为30mm的7050铝合金板材经异速比为1.2的异步轧制后，板形随轧制道次压下量增加的变化情况。当压下量为30％时，异步轧板向慢速辊一侧弯曲，增大压下量到40％时，异步轧板板形基本平直，此时计算的翘曲曲率几乎为0，故此时的道次压下量即为该异步轧制条件下使板材无翘曲的临界道次压下量；继续增加压下量到45％，轧板翘曲方向发生变化，即弯向快速辊一侧。

调整下辊速度为1.1m/s，对应异速比为1.1，重复步骤(1)-(6)，计算异步轧板翘曲曲率。

调整下辊速度为1.3m/s，对应异速比为1.3，重复步骤(1)-(6)，计算异步轧板翘曲曲率。

在异速比为1.1～1.3条件下，分别选择轧板初始厚度为10～40mm，重复步骤(1)-(6)，计算异步轧板翘曲曲率。

根据上述步骤中仿真模拟得到的异步轧制板形计算每一个异步轧制工艺条件下板材的翘曲曲率，并找到每一个工况条件对应的无翘曲异步轧制工艺的临界道次压下量，基于这些数据建立了不同初始板厚、不同异速比与异步轧制临界道次压下量(对应无翘曲)之间的变化关系图，如图4所示。由图可知，随异速比增加，某一初始厚度的7050铝合金板材对应的临界压下量显著增加；同时初始板厚越大，对应的临界压下量也越大。

实施例2：

利用初始厚度为40mm的7050铝合金板材，采用本发明中仿真模拟得到的无翘曲异步轧制工艺进行实验轧制，实验轧制参数与模拟所设置的参数相同。获得实验轧制板材后测量所轧制板材的翘曲曲率，测量值如图5所示。与仿真模拟结果相比，实测临界压下量与仿真模拟结果基本吻合，表明上述方法能准确、可靠的预报不同异步轧制工况下7050铝合金中厚板的翘曲现象。

表1进一步给出了40mm厚7050铝合金板材在异速比为1.2条件下，经不同道次异步轧制后的板厚及临界道次压下量的模拟计算结果与实验结果，二者吻合很好。由该表可知，在多道次异步轧制过程中，针对每道次采用临界道次压下量后不同厚度板材均有对应的临界道次压下量可确保异步轧板的板形平直。

实施例3：

上述实施例证明采用临界道次压下量法可实现异步轧制无翘曲板材制造，然而实际生产中由于轧机轧制能力的限制，不是所有的初始厚度均能通过上述临界道次压下量法来实现翘曲优化的。因此，依据现有工业生产中常见轧机设备条件来获得采用临界道次压下量法能实现翘曲优化的最大可轧初始板厚是很有必要的。依据轧制咬入条件，即咬入角(α)与摩擦系数(μ)之间需满足关系：α<arctanμ；而咬入角又与轧辊半径R、道次压下量(Δh)间存在关系：cosα＝1-(Δh/2R)。依据这两个关系可获知某一轧制设备的最大压下量Δh_max与最大咬入角α_max间存在关系：Δh_max＝2R(1-cosα_max)。采用上文给出的摩擦系数0.35及工作轧辊半径600mm计算可知，轧机能实现的最大压下量Δh_max＝67.4mm。

根据上述临界压下量与翘曲曲率值模拟计算过程可计算获得异速比为1.2、轧辊半径600mm时初始板厚与临界压下量之间存在如图6所示关系。当厚为H的初始板材获得无翘曲的临界道次压下量小于Δh_max/H时，则可通过增加道次压下量(临界道次压下量)来实现异步轧板无翘曲，否则不能。从图中可看出，上述轧制条件实现无翘曲板材所对应的最大初始板厚介于130-150mm之间，进一步对130mm、140mm及150mm厚板材进行模拟发现，130mm厚板材可采用临界道次压下量来实现异步轧制无翘曲，而140mm和150mm厚板材则会出现上翘现象，不能保证获得平直板型。当然，通过减小异速比，也可采用临界道次压下量实现无翘曲异步轧制的初始板厚还可增加。

可见，利用本发明提供的有限元模拟方法能很好的预测铝合金中厚板在不同异步轧制工况下板材的翘曲程度及对应的板形。同时，本发明提供了一种有效解决异步轧制铝合金中厚板翘曲问题的方法，即调节异步轧制道次压下量至临界值，从而可获得平直板型，大大有助于铝合金中厚板材异步轧制工艺的连续化。

本发明提供的异步轧制合金板材翘曲预报和优化解决方法为异步轧制技术的实际应用提供可靠、有效的技术参考与生产指导

显然，上述实例仅为说明方法实用性所作的举例，而并非对实施方式和轧制材料的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍然处

于本发明创造的保护范围之中。

表1有限元模拟结果与轧制实测结果对比