基于非圆弧理论的精密极薄带轧制力快速预测.docx

精密不锈钢极薄带是微电子、微成型等高端领域的重要工业原料，高精度钢带一般使用多根轧机进行轧制生产。轧制力模型对极薄带的轧制过程控制起着决定性的作用，而轧制力模型的精度主要受到变形抗力和摩擦因数这2个参数的影响。轧制过程中极薄带与轧辐接触变形区的弧长一般远大于轧件厚度，轧辐辑型被压扁为非圆弧形轮廓，将轧辐以圆弧轮廓为假设前提的传统轧制力模型不再适用。针对以上问题，以非圆弧理论为基础，通过推导基于Fleck理论的解析方程，结合计算机编程开发出应用于304不锈钢极薄带的轧制力模型。为优化轧制参数提高轧制力模型的计算精度，考虑到极薄带轧制过程工艺特点是采用较大张力轧制，通过轧制-拉伸试验确定轧件的屈服强度变化并拟合得到相应的变形抗力模型。设计了基于Fleck轧制力模型的摩擦因数计算程序，结合现场采集的轧制过程中的数据，反向计算并拟合关于轧制速度变化的摩擦因数模型。数据显示了在极薄带的轧制过程中，一定范围内摩擦因数随着轧制速度的增大而变小，这是因为随着轧制速度的提升，润滑液更容易被带入到变形区，使得变形区的油膜润滑效果增强。通过计算验证表明，模型的计算值与实测值之间的误差为70%10%,可以满足生产过程中高效率控制需求。2、关键词304不锈钢极薄带；FIeCk理论；变形抗力；摩擦因数；解析模型3、引言精密极薄带是厚度为0oro.1mm的不锈钢带，作为制造微型件的重要原料之一，被广泛应用于电子电路、国防军工、仪器仪表、航空航天等领域。随着时代的进步，工业产品向着微型化发展的速度日益加快，由此促进了微加工、微电子等领域的飞速发展，市场对精密极薄带的需求进一步扩大，对其精度、延展性、耐腐蚀性以及力学性能等指标有了更高的要求。精密极薄带轧制过程中，轧制力模型对制定工艺制度、控制板形板厚等起着重要作用。当前常用的轧制力数学模型建模的方法主要有基于机理分析的模型、基于试验或实际数据的回归模型、人工智能模型以及将机理或回归模型与人工智能结合的模型。这几种方法都有各自的优缺点，基于机理分析的模型普适性最强，它分析轧制过程中的物理规律，将主要的影响因子提取出来，以关键变量构建计算模型，但考虑到轧制过程的复杂性和高度非线性，模型需要一定程度的简化，并与实际数据结合来修改模型中的参数，使模型更符合实际情况；基于试验或实际数据的回归模型也称为经验模型，需要准确地提取出影响轧制过程的因素，并通过适当的函数架构出模型；基于人工智能的模型是以事实和数据作为支撑，它避免了对深层轧制规律的探究，选取合适的参数，并将大量的数据作为输入量对模型进行训练，预测出的结果能够反映统计性规律，具有较高的可信度，但当输入的数据比较发散时，模型可能难以收敛。针对不同的情况，选取适当的建模方法能有效提高模型的精确度。从轧机设计和轧制工艺制定的角度来看，机理模型是最合适的。传统轧制力模型一般假设轧辐在接触变形区仍然保持圆弧形轮廓，轧辐的弹性变形对接触区的轧制压力分布有较大的影响，因此，采用HitChCoCk理论修正弹性变形后的轧辑直径，建立了考虑轧辐弹性压扁的接触区长度公式，在此基础上发展出了经典的BIand-FOrd轧制力模型。但在极薄带的轧制中，人们发现变形区的接触长度远大于轧件厚度，此时轧根轮廓已不再是圆弧形，传统的轧制力模型不再适用。关于非圆弧辐轧制过程的研究，最初OROWANE在试验中发现，当轧辑变形量较大时，轧辐接触区处于中部位置的压下量很小，OROWANE将其称为“扁平区”。随后，JOHNSONKL等对这一现象进行深入研究，发现当轧件厚度减小到一定程度后，在变形区内的一段区域轧辑与轧件会出现黏着现象。FLECKNA等在之前工作的基础上提出了新的轧辑压扁模型，用于求解冷轧箔带的轧制压力与接触轮廓。FLECKNA将变形区划分为入口弹性区、入口塑性区、中性区、出口塑性区和出口弹性区，并假设在中性区内轧辐与轧件之间不发生相对滑动，通过HertZ接触公式计算出了轧辐在变形区内的轮廓。然而，FLECKNA给出的解析模型比较复杂，对于不同的轧制情况计算程序也不相同，导致计算效率较低。基于FIeCk理论，目前出现了很多改进模型和实际应用，例如，langlandsTAM等使用微扰理论和HiIbert变换近似处理FleCk模型。王东城等用分段二次曲线拟合压力分布，从而推导了一套简化模型用于冷轧带钢平整轧制。RENZ等通过试验和有限元分析发现中性区的弹性卸载区可以忽略不计，并建立了压力分布与变形轮廓的显式表达式可用于在线轧制力设定的简化模型。本文结合实验室280mm二十根轧机轧制304不锈钢精密极薄带的过程，以FleCk理论为基础，结合上述文献，推导在极薄带轧制中轧辐变形轮廓与压力分布的显示表达式，并给出完整的计算过程。提高轧制力模型精度的关键在于变形抗力模型和摩擦因数模型，考虑到极薄带轧制工艺特点，以轧制-拉伸试验得到不同变形量下材料的屈服强度，拟合得到变形抗力模型，然后以采集的样本数据反向计算并拟合出摩擦因数模型，优化参数提高极薄带轧制力模型的预测精度。3、精选图表图2计算流程)()420000.10.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7相对变形量)()2Oooo Kx。 Oo 0 8 6 4图5304极薄带变形抗力回归曲线246810121416轧制速度/(m mMr)0,140.1310.12§0.110.100.090.08图7摩擦因数随轧制速度变化趋势4、结论D通过分析极薄带的轧制过程工艺特点，由于采用较大张力进行轧制，以轧制-拉伸试验测定了经过轧制后不同厚度的304不锈钢极薄带的屈服强度，确立了获得轧件变形抗力的试验方法，拟合得到了相应的变形抗力模型。2）由于无法直接测量计算摩擦因数的参数，以非圆弧理论为基础，设计了用于反向计算极薄带轧制摩擦因数的程序。为定量分析摩擦因数的影响因素，建立了以轧制速度为变量的摩擦因数模型。结果表明，在一定范围内，摩擦因数随着轧制速度的提升而减小，这是由于轧制速度提升，润滑液在变形区油膜润滑效果增强，使得摩擦因数在一定程度上有所降低。3）为验证模型的精度，对用于摩擦因数计算的样本数据和另外62个采集数据进行轧制力计算，计算结果与实测值之间的误差范围为这表明模型的精度较高，对实际生产控制具有重要意义。