【CJME论文推荐】太原理工大学黄庆学教授团队：变厚度轧制力能与变形参数的预测与分析

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引用论文

Liu, Y., Wang, Z., Wang, T. et al. Prediction and Analysis of the Force and Shape Parameters in Variable Gauge Rolling. Chin. J. Mech. Eng. 35, 88 (2022). https://doi.org/10.1186/s10033-022-00759-4
https://cjme.springeropen.com/articles/10.1186/s10033-022-00759-4(戳链接，下载全文)

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研究背景及目的

变厚度轧制是指在轧制过程中连续动态地上下调节轧辊辊缝，获得厚度连续变化钢板的新技术。若以等效性能的变厚度钢板替换普通钢板，可在建造桥梁主梁翼缘、腹板等上节约钢材达30%，在制造汽车加强梁、仪表板底横梁等零件时减重达40%。采用轧制方式获得的变厚度钢板具有减轻结构重量、减少焊缝、生产效率和成材率高等优点，在汽车制造业、建筑业、造船和桥梁业已初步得到成功应用，并且需求量日益增长。但变厚轧制为非稳态过程，轧制力和力矩、前滑等力能与变形参数变化复杂且机理尚未明确，致使变厚过渡区形状尺寸精度差，影响产品后续加工和使用。本文获得趋厚与趋薄轧制中高精度力能和变形参数，实现过渡区厚度、长度和位置的高精度轧制。

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试验方法

本项目考虑轧辊移动和轧件变形特点，首先根据质量守恒定律分别建立趋厚与趋薄轧制变形运动许可的速度场。采用MY线性屈服准则比塑性功率建立了内部塑性变形功率；根据轧件与轧辊接触面上的摩擦应力与切向速度不连续量为数学上的共线矢量关系，由共线矢量内积法获得摩擦功率；构建了考虑前后张力影响的张力功率。从而，分别建立依赖中性角的趋厚与趋薄轧制总功率泛函，分别进行变分研究，求解最小值，获得基于变分解法的变厚度轧制过程中轧制力、轧制力矩和应力状态影响系数等参数解析模型，然后利用热轧中厚板MAS轧制和冷轧TRB实验数据验证模型准确性。最后利用该模型分析了在趋厚与趋薄轧制中不同工艺参数对咬入角、中性点位置、各个功率、应力状态影响系数的影响规律。‍‍

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结果

获得变厚度轧制动态过程中变形区的速度场、总功率泛函、轧制力、轧制力矩、中性角等力能和变形参数模型，基于该模型阐明轧制工艺参数对力能和变形参数的变化机理，咬入角和中性角在增厚轧制时减小，在减薄轧制时增大。增厚轧制时，中性点向入口移动，应力状态影响系数增大；减薄轧制时，中性点向出口移动，应力状态影响系数减小；摩擦系数对应力状态效应系数影响显著。内部塑性变形功率和剪切功率占总功率的比重较大，摩擦功率占的比重较小，各个功率在增厚轧制时随轧制时间的增加而减小，在减薄轧制时随轧制时间的增加而增加，且内部塑性变形功率变化明显，摩擦功率变化较小。基于本项目获得趋厚与趋薄轧制中高精度力能和变形参数，开发微跟踪和厚度控制策略，可实现过渡区厚度、长度和位置的高精度轧制。

图1 典型变规轧制原理图

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结论

1）考虑连续非稳态轧制时轧辊上移或下移的影响，建立了满足运动许可条件的速度场和应变速率场，构建了轧制力、轧制力矩和应力状态影响系数的解析模型。

2）通过对中厚板热轧中MAS轧制和冷轧TRB轧制试验中的轧制力预测值与实测值的比较，表明该解析模型具有良好的预测精度。因此，本模型可用于研究连续非稳态轧制过程。

3）咬入角和中性角在增厚轧制时减小，在减薄轧制时增大。增厚轧制时，中性点向入口移动，减薄轧制时，中性点向出口移动。咬入角和中性角是微跟踪策略的基本参数，微跟踪策略决定了变厚板过渡区的长度。

4）增厚轧制时应力状态影响系数增大，减薄轧制时应力状态影响系数减小。摩擦系数对应力状态效应系数影响显著。基于力能参数和轧机弹跳方程开发厚度控制策略，它决定了变厚钢板过渡区的厚度。

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前景与应用

变厚度钢板由厚变薄和由薄变厚的过渡区形状和尺寸不仅决定了服役时的承载能力，也影响到后续加工生产和模具设计，这就要求对轧件厚度和长度同时进行连续的高精度控制。过渡区厚度需要根据轧机弹跳方程和轧制力、轧制力矩等力能参数制定针对性的厚度控制策略；长度需要根据前后滑等变形参数制定合理的微跟踪策略。所以，本文得到不同工艺参数下的高精度力能与变形参数，是获得良好变厚度钢板过渡区形状的关键。

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团队带头人介绍

黄庆学，博士，教授，博士生导师，中国工程院院士，原太原理工大学校长。现任先进金属复合材料成形技术与装备教育部工程中心主任、中国工程科技发展战略山西研究院院长，兼任中国机械工程学会副理事长、现代冶金装备学科首席带头人、中国机械工程学会塑性工程学会理事长、山西省机械工程学会理事长等职务。主要从事金属材料成形技术与高端装备智能化研究，先后承担国家重点研发计划（973）、基础加强（GF973）等重大项目、省部级项目以及国家特大型企业攻关项目70余项。在中厚板轧制、矫正及剪切三大类关键装备技术研发方面取得突破，成果应用于中国宝武集团、太重集团等数十家企业。以第一完成人获国家技术发明二等奖1项、国家科技进步二等奖2项。入选国务院特殊津贴专家、新世纪百千万人才工程国家级人才，获“何梁何利基金”科学与技术进步奖、全国“五一”劳动奖章、全国优秀科技工作者等荣誉称号。

作者介绍

刘元铭（本文第一作者），博士，副教授，硕士生导师，主要从事塑性加工先进技术与成形过程数学模型开发等方面的研究。主持国家自然科学基金青年项目、博士后科学基金面上资助项目、山西省应用基础面上青年基金项目、山西省科技重大专项课题、“智能机器人”与“高性能制造技术与重大装备”国家重点研发计划子课题、国家重点实验室开放课题等各类项目8项。以第一作者（或通讯作者）发表学术论文10余篇，以第一发明人授权国家发明专利5项，转化1项。获2021年山西省科技进步一等奖，2020年中国机械工业科技进步二等奖。

团队研究方向

（1）高品质金属复合板高效制备原理与技术基础；

（2）不锈钢精密极薄带轧制技术及装备研发；

（3）装备设计理论及机器人技术；

（4）难变形高温合金成形技术与装备研发；

（5）金属精密微成形；

（6）碳纤维复合材料开发及其应用。

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作      者：刘元铭责任编辑：谢雅洁责任校对：向映姣审      核：张   强

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