蛇形轧制复合成形镁_铝板材的弯曲曲率研究_江连运.pdf
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1、第 30 卷 第 3 期2023 年 3 月塑性工程学报JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERINGVol.30 No.3Mar.2023引文格式:江连运,马琦琦,薛志伟,等.蛇形轧制复合成形镁/铝板材的弯曲曲率研究 J.塑性工程学报,2023,30(3):46-52.JIANG Lianyun,MA Qiqi,XUE Zhiwei,et al.Study on bending curvature after magnesium/aluminum plates snake rolling bonding J.Journal of Plas-ticity Engineeri
2、ng,2023,30(3):46-52.基金项目:国家自然科学基金面上资助项目(52175354);山西省科技重大专项(20181102016)通信作者:张华君,男,1977 年生,博士,副教授,主要从事复合板轧制理论研究,E-mail:1466212159 第一作者:江连运,男,1985 年生,博士,教授,主要从事热轧板带钢轧制工艺及理论研究,E-mail:jiangly2015 收稿日期:2022-05-04;修订日期:2023-01-18蛇形轧制复合成形镁/铝板材的弯曲曲率研究江连运,马琦琦,薛志伟,李扬辉,卫垚宇,张华君(太原科技大学 机械工程学院,山西 太原 030024)摘 要:针
3、对镁/铝板材轧制复合在轧后容易出现弯曲问题,提出了蛇形轧制复合工艺,以达到降低轧后弯曲曲率并提高界面结合强度的目的。利用 ANSYS LS-DYNA 有限元软件,研究了蛇形轧制复合过程中不同错位量、异速比、压下量、层厚比及轧制温度对轧后复合板的弯曲曲率的影响规律,并开展轧制复合实验,验证了有限元计算结果的准确性。结果表明,与异步轧制相比,蛇形轧制可有效降低轧后复合板弯曲曲率。相同轧制条件下,异步轧制轧后弯曲曲率随着异速比的增大而增大,随着压下量及层厚比的增大而减小。蛇形轧制错位量可对轧后弯曲抑制产生明显的效果,在一定范围内,复合板的弯曲曲率随错位量的增大而减小。当初始板厚为 50 mm、层厚比
4、为 2:3、压下量为 30 mm、轧制温度为 400、异速比为 1.05 和错位量为 30 mm 时,轧后复合板接近平直。关键词:蛇形轧制复合;弯曲曲率;镁/铝复合板;有限元;轧制复合实验中图分类号:TG335.81 文献标识码:A 文章编号:1007-2012(2023)03-0046-07doi:10.3969/j.issn.1007-2012.2023.03.007Study on bending curvature after magnesium/aluminum plates snake rolling bondingJIANG Lian-yun,MA Qi-qi,XUE Zhi-w
5、ei,LI Yang-hui,WEI Yao-yu,ZHANG Hua-jun(School of Mechanical Engineering,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024,China)Abstract:Aiming at the bending problem of Mg/Al composite plates after rolling bonding,the snake rolling bonding technology was put forward to reduce the bending
6、 curvature after rolling and improve the interface bonding strength.The bending curvature variation laws of the composite plate after the snake rolling bonding process were studied with different roll offsets,roll speed ratios,reductions,thickness ratios and rolling temperatures by the finite elemen
7、t software ANSYS LS-DYNA,and the accuracy of the finite element results was verified by rolling bonding experiment.The results show that compared with asynchronous rolling,the snake rolling can effectively reduce the ben-ding curvature of composite plates after rolling.Under the same rolling conditi
8、on,the bending curvature after asynchronous rolling increa-ses with the increase of speed ratio,and decreases with the increase of reduction and layer thickness ratio.The roll offset in snake rolling has obvious effect on the inhibition of bending after rolling,within a certain range,the bending cur
9、vature of the composite plate decreases with the increase of roll offset.The rolled composite plate is nearly flat when the initial thickness of plate is 50 mm,the layer thickness ra-tio is 2 3,the reduction is 30 mm,the rolling temperature is 400,the different speed ratio is 1.05 and the roll offse
10、t is 30 mm.Key words:snake rolling bonding;bending curvature;Mg/Al composite plate;finite element;rolling bonding experiment 引言镁合金虽是工程应用中最轻的金属材料,但是与钢、铝合金等传统金属相比,镁合金的绝对强度低、室温塑性变形能力差;并且镁的化学性质很活泼,形成的氧化膜疏松多孔,因此表现出相对较低的耐腐蚀性1-2。复合材料的出现被认为是能极大提高镁合金应用范围的一种经济有效的途径3。镁/铝复合板既可以保留镁合金的高比强度、高比刚度、阻尼减震性能好、电磁屏蔽性能强及能够
11、承受较大的冲击振动负荷等特点,又可以发挥出铝合金良好的抗腐蚀性能。复合板进行热轧时,由于铝合金和镁合金流动性能差异较大,造成铝合金和镁合金变形不协调、轧后弯曲等问题,故轧制工艺对热轧制备高性能镁/铝复合板有重要影响4。蛇形轧制是近十几年来新发展的一种非对称轧制技术,通过增加轧辊错位量,使慢速工作辊对轧件产生一个与弯曲方向相反的作用力,抑制轧件在轧制过程中产生的弯曲变形,并且蛇形轧制的搓轧能力比异步轧制更强,可以获得结合面强度更高的复合板5。ZHANG T 等6通过对比分析 7075 铝合金板的蛇形轧制和常规轧制过程,结果表明蛇形轧制可以有效降低轧板弯曲。江连运等7研究了双层碳钢/不锈钢轧制复合
12、过程,分析了辊速比、错位量、压下量、初始板厚及初始层厚比等工艺参数对复合板弯曲曲率、结合界面塑性应变及轧后层厚比的影响规律,结果表明,与同步轧制相比,蛇形轧制能提高复合板结合界面的塑性应变,降低复合板弯曲曲率。FU Y 等8通过有限元模拟得到蛇形轧制过程中适当的错位量可以有效地减小曲率,然而过大的错位量将增加板的曲率。江连运等9-10建立了厚板同径异速和同速异径蛇形轧制弯曲曲率计算模型,模型与实验结果最大误差不超过 12%,并证明蛇形轧制具有良好的板形调控能力。李小刚等11通过对 Al-Zn-Mg-Cu 合金心部 S 相形貌进行观察,得到板材心部 S 相破碎程度影响规律:蛇形轧制异步轧制对称轧
13、制。因此,可以将蛇形轧制应用在板材轧制复合过程中,获得较为平直的复合板。在轧制实验过程中,影响轧后板材性能的因素非常多,仅依靠实际经验对结果进行预测远不能满足工业生产要求,一般采用有限元法来确定合适的工艺参数。徐龙飞等12利用 DEFORM 软件模拟了高锰钢板蛇形轧制与同步轧制 5 道次冷轧过程,结果表明,与同步轧制相比,蛇形轧制可有效增加高锰钢板的心部渗透性。王天翔等13通过 ABAQUS 有限元软件建立了304 极薄带轧制模型,结果表明,增大张力可以有效促进不锈钢箔材的塑性变形,明显降低所需的轧制力;同时各位置处的剪切变形量随张力的增大略有减小。谢红飙等14对电磁感应加热和轧制过程进行了有
14、限元模拟和实验研究,结果表明,在钛板加热温度为 750850、压下率为 30%48%时,随着钛板加热温度升高和压下率的增加,钛板和铝板的变形量逐渐趋于一致。锅渺等15采用 ABAQUS 有限元软件模拟了不同轧制温度时的新型波-平轧制和传统平轧过程,结果表明波谷处的等效应力和应变明显高于波峰处,平辊轧制的等效应力和应变介于波峰与波谷之间。本文采用有限元模拟了 AZ31B 镁合金和 5052铝合金轧制复合过程,同时结合轧制复合实验研究了不同轧制工艺下的板材弯曲行为,明晰了蛇形轧制错位量对复合板弯曲曲率的影响规律,实现板形的控制,为生产实践提供指导。1 蛇形轧制复合有限元建模有限元建模中,轧件为镁/
15、铝双层金属材料,其中基层材料为 AZ31B 镁合金,复层材料为 5052 铝合金,化学成分如表 1 所示。表 1 5052 铝合金和 AZ31B 镁合金化学成分(%,质量分数)Tab.1 Chemical compositions of 5052 aluminum alloy and AZ31B magnesium alloy(%,mass fraction)合金AlSiCaZnMnCuMgFeCr5052余量0.250.10.10.12.22.80.40.150.35AZ31B3.20.070.041.40.70.01余量 镁/铝板材轧制复合是一个非线性过程,根据参考文献 16,5052 铝
16、合金和 AZ31B 镁合金的基本材料参数分别如表 2 和表 3 所示。采用 ANSYS LS-DYNA 软件进行镁/铝板材蛇形轧制复合模拟,有限元模型如图 1 所示,有限元模型由轧辊、夹送辊和轧件 3 部分组成。由于复合板有较大的宽厚比,宽展极小,可简化为二维平面应变模型。轧件铝合金层在上轧辊一侧,镁合金层在下轧辊一侧。轧件与轧辊间采用 Single Surface 接触,动摩擦表 2 5052 铝合金基本材料参数16Tab.2 Basic material parameters of 5052 aluminum alloy16温度/密度/(kgm-3)泊松比弹性模量/MPa屈服强度/MPa切
17、线模量/MPa25030035040045027200.341300143120392001221213760010964.73610098.655.73540075.149.274 第 3 期江连运 等:蛇形轧制复合成形镁/铝板材的弯曲曲率研究表 3 AZ31B 镁合金基本材料参数16Tab.3 Basic material parameters of AZ31B magnesium alloy16温度/密度/(kgm-3)泊松比弹性模量/MPa屈服强度/MPa切线模量/MPa25030035040045017700.3328600134175275001211522570011516.41
18、240096.250.6630080.234.3图 1 蛇形轧制有限元模型Fig.1 Finite element model of snake rolling因数为 0.35,静摩擦因数为 0.4。模拟过程中忽略轧辊和夹送辊的弹性变形,视轧辊和夹送辊为刚性体,且只能绕其轴线旋转;轧件采用双线性各向同性材料。通过调整下轧辊的速度改变异速比(下轧辊速度与上轧辊速度的比值)。蛇形轧制复合的有限元模型中,上轧辊有向轧制出口方向一定的错位量(在一定范围内,不影响轧后复合板的厚度)。具体轧制参数如表 4 所示。2 蛇形轧制复合弯曲曲率的影响规律2.1 轧制温度和错位量对弯曲曲率的影响规律初始板厚 H=5
19、0 mm,层厚比 n=2 3(复层材料厚度与基层材料厚度的比值),异速比 i=1.10,压下量 h=30 mm,辊径 D=450 mm 时,不同轧制温度(T=250、300、350、400 和 450)时复合板的弯曲曲率随错位量的变化情况如图 2 所示。由图2可知,当错位量d=0 mm 时,即异步轧制,表 4 轧制参数Tab.4 Rolling parameters项目参数值轧机参数轧辊直径/mm450上轧辊转速/(rads-1)4.56.3下轧辊转速/(rads-1)4.5夹送辊直径/mm60轧件参数长度/mm500厚度/mm50覆层厚度/mm1030基层厚度/mm4020其他参数动摩擦因数
20、0.35静摩擦因数0.40轧制速度/(ms-1)1压下量/mm1030错位量/mm050轧后复合板在 400 时弯曲曲率最小,这是由于相比于其他温度,在 400 时镁合金和铝合金的变形抗力差最小。当其他工艺条件相同时,轧后复合板的弯曲曲率随着错位量的增大呈现先减小后增大的趋势,不同轧制温度下轧后复合板的弯曲曲率都在错位量 d=30 mm 时取得最小值,表明存在最优的错位量使得弯曲抑制效果最为明显:当 H=50 mm、n=2 3、h=30 mm、T=400、D=450 mm、i=1.10 时,d=30 mm 下的蛇形轧制对弯曲抑制效果最明显,弯曲曲率比异步轧制降低了 10.9%,此时轧后复合板弯
21、曲曲率为 0.598 m-1,蛇形轧制在抑制轧后弯曲方面效果明显。图 2 不同轧制温度和错位量时弯曲曲率分布Fig.2 Bending curvature distribution at different rolling temperatures and roll offsets2.2 异速比和错位量对弯曲曲率的影响规律初始板厚 H=50 mm,层厚比 n=2 3,压下量84塑性工程学报第 30 卷h=30 mm,轧 制 温 度 T=400,辊 径 D=450 mm 时,不同异速比(i=1.05、1.10、1.15、1.20、1.30 和 1.40)时复合板弯曲曲率随错位量的变化情况如图 3
22、 所示。由图 3 可知,当错位量 d=0 mm 时,轧后复合板的弯曲曲率随着异速比的增加而增大。这是由于随着下轧辊速度不断增大,下半部分金属流动速度越来越高于上半部分,使得轧后复合板越来越弯曲。其他工艺条件相同时,复合板的弯曲曲率随着错位量的增大呈现先减小后增大的趋势,不同异速比时轧后复合板弯曲曲率在错位量为25 mm 左右时取得最小值,表明存在合适的错位量使得抑制弯曲效果最为明显:当 H=50 mm、n=2 3、h=30 mm、T=400、D=450 mm、i=1.40 时,d=20 mm 下的蛇形轧制对复合板弯曲的抑制效果最明显,弯曲曲率为 1.139 m-1,比异步轧制减小了 13.1%
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