CN113070342B - 一种不锈钢复合板轧制残余应力控制方法 - Google Patents
一种不锈钢复合板轧制残余应力控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113070342B CN113070342B CN202110527506.8A CN202110527506A CN113070342B CN 113070342 B CN113070342 B CN 113070342B CN 202110527506 A CN202110527506 A CN 202110527506A CN 113070342 B CN113070342 B CN 113070342B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- plate
- rolling
- base plate
- stainless steel
- residual stress
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 title claims abstract description 131
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 53
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 title claims abstract description 53
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 32
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims description 31
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 49
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims abstract description 19
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 claims abstract description 14
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims abstract description 12
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 49
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 14
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 14
- 238000005098 hot rolling Methods 0.000 claims description 6
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 5
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910000746 Structural steel Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 2
- 238000011960 computer-aided design Methods 0.000 claims 2
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 claims 1
- 238000009958 sewing Methods 0.000 claims 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 3
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 abstract description 3
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 38
- 230000008676 import Effects 0.000 description 8
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 229910000851 Alloy steel Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 3
- 229910000963 austenitic stainless steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 3
- 229910000975 Carbon steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 239000010962 carbon steel Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000010612 desalination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000013535 sea water Substances 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21B—ROLLING OF METAL
- B21B1/00—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations
- B21B1/38—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations for rolling sheets of limited length, e.g. folded sheets, superimposed sheets, pack rolling
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21B—ROLLING OF METAL
- B21B37/00—Control devices or methods specially adapted for metal-rolling mills or the work produced thereby
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21B—ROLLING OF METAL
- B21B1/00—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations
- B21B1/38—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations for rolling sheets of limited length, e.g. folded sheets, superimposed sheets, pack rolling
- B21B2001/383—Cladded or coated products
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21B—ROLLING OF METAL
- B21B1/00—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations
- B21B1/38—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations for rolling sheets of limited length, e.g. folded sheets, superimposed sheets, pack rolling
- B21B2001/386—Plates
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/20—Recycling
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
- Metal Rolling (AREA)
Abstract
本发明公开了一种不锈钢复合板轧制残余应力控制方法，属于异质金属复合板轧制加工过程的有限元模拟仿真技术领域，该方法主要通过建立不锈钢复合板由基板和覆板构成的轧制坯料、轧辊以及推板的物理模型，并在有限元分析软件DEFORM的前处理模块中，设定材料的属性，运动及边界条件。然后在后处理模块对轧制后的模拟结果进行求解分析，获取了不同轧制工艺下的不锈钢复合板界面附近残余应力的数据。该方法可用于替代实际轧制生产过程，不仅可以实现对实际生产的不锈钢复合板残余应力的预测和控制，而且还可以节省大量的生产时间和成本，具有较大的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及异质金属复合板轧制加工过程的有限元模拟仿真技术领域，尤其是一种不锈钢复合板轧制残余应力控制方法。
背景技术
近些年来，随着科学技术的飞速发展，材料的服役环境越来越严苛，传统单一的金属材料已经很难满足实际生产需求，这就对新型材料的性能提出了更高的要求。不锈钢复合板是将不锈钢作为复材，普碳钢作为基材，通过爆炸焊、轧制、堆焊等制备方法将不锈钢与低合金钢牢固地结合起来而获得的一种双金属层状复合材料。这种材料不仅具有不锈钢的耐蚀性、抗氧化性等优点，还具备高强度、高刚度、抗疲劳、耐磨等普碳钢的优点。不锈钢复合板已被广泛地应用于桥梁、船舶、海水淡化和油气输送管线等与腐蚀相关的领域。
不锈钢复合板高温轧制过程极其复杂，同时轧制过程中由于基材和复材的热物性差异较大，在轧制时容易出现变形不协调的现象，这将导致轧制复合后的板材中存在一定的残余应力。在实际生产中，工厂往往只能根据传统的梯度钻孔、X射线衍射等方法来测定轧后复合板的残余应力。但是这样不仅耗时较长、测量难度大、同时成本也高。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种不锈钢复合板轧制残余应力控制方法，能够在工艺参数准确受控的情况下很好地模拟复合板的轧制过程，所得残余应力数据可以较好地指导实际工业生产，从而实现轧后残余应力的优化控制。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种不锈钢复合板轧制残余应力控制方法，通过建立不锈钢复合板轧制坯料、轧辊以及推板的物理模型，并在有限元分析软件DEFORM的前处理模块中，设定材料的属性，运动及边界条件；然后在后处理模块中对轧制后的模拟结果进行求解分析，获取不同轧制工艺下的不锈钢复合板界面附近残余应力的数据，实现对实际生产的不锈钢复合板残余应力的预测和控制。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述控制方法具体包括以下步骤：
步骤1，建立轧制过程的物理模型：
根据实际中的不锈钢复合板轧制过程，设计出轧辊、轧制坯料以及推板的形状尺寸；所述轧制坯料包括基板和覆板，分别对基板和覆板进行尺寸设计，再利用CAD计算机辅助设计软件建立出二维模型，并保存为DXF文件；
步骤2，建立轧制过程有限元模型：
将步骤1中构建的二维模型DXF文件导入DEFORM-2D中，在程序设置条件里面选择平面应变模式，轧制坯料采用四面体单元划分有限元网格，物体对象形式定义为弹塑性体，轧辊和推板均设定为刚体；复合坯料的轧制方式采用基板-覆板-覆板-基板堆叠对称轧制，为了简化运算，选择复合坯料的1/2进行求解分析，定义覆板的下底面为对称平面，轧辊位于基板的上方，覆板位于基板的下侧；
步骤3，设定材料参数：
轧制复合坯料的基板采用普通碳素结构钢板，覆板采用不锈钢板；当DEFORM的材料库中没有轧制坯料所对应的材料参数时，通过普通碳素结构钢板和不锈钢板的化学成分，利用JMATPRO软件分别计算出基板和覆板的材料性能参数，并保存为KEY文件；将含有材料信息的KEY文件导入到DEFORM软件中，构建出轧制坯料的材料数据库，完成轧制坯料材料属性的设定；
步骤4，设定物块定位和接触边界条件：
在物块定位模块中利用偏移和干涉命令，设定基板、覆板以及推板的位置关系，保证物块之间不发生相互干涉；设定基板、覆板、推板相互之间的接触关系；设定利用干涉条件设定轧制各道次压下距离，即轧辊沿着轧制坯料厚度方向的偏移距离；计算轧制总压下率；
步骤5，设定初始及运动边界条件：
在一般命令模块中设定轧制基板和覆板的初始热轧温度，在性质模块中设定基板和覆板的应变速率；在工具动作模块中设定轧辊的轧制速度；通过位移-时间关系来控制推板与基板、推板与覆板的相对运动；设定基板的上表面、基板与覆板侧表面为热交换面，并设定热交换系数；
步骤6，求解分析和后处理：
经过对创建作业的求解分析后，在后处理模块中可获得不锈钢复合板的残余应力数值，通过对比不同轧制工艺的残余应力，优化出最佳轧制工艺。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述基板、覆板、推板相互之间的接触关系，是利用干涉条件设定基板和轧辊相互接触，覆板和基板接触贴合，基板和推板接触贴合，覆板和推板接触贴合；基板和轧辊、基板和覆板、基板与推板、覆板与推板之间的摩擦类型为剪切摩擦，并设定剪切摩擦系数；复合界面处需设定粘接缝合条件产生粘结点。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤3中，所述材料性能参数包括但不限于杨氏模量、热传导率、热容、泊松比、线膨胀系数。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤4中，所述轧制总压下率为总偏移距离与起始基板厚度加上起始覆板4厚度之和的比值。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤4中，所述轧制总压下率为70%。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤5中，所述轧制温度的范围为1000～1200℃，所述应变速率为1s-1，轧制速度1500mm/s。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
1、本发明通过建立不锈钢复合板轧制坯料、轧辊以及推板的物理模型，并在有限元分析软件DEFORM的前处理模块中，设定材料的属性，运动及边界条件；然后在后处理模块中对轧制后的模拟结果进行求解分析，获取不同轧制工艺下的不锈钢复合板界面附近残余应力的数据，能够实现对实际生产的不锈钢复合板残余应力的预测和控制。
2、本发明能够在工艺参数准确受控的情况下很好地模拟复合板的轧制过程，所得残余应力数据可以较好地指导实际工业生产，从而实现轧后残余应力的优化控制。
3、本发明可用于替代实际轧制生产过程，不仅可以实现对实际生产的不锈钢复合板残余应力的预测和控制，而且还可以节省大量的生产时间和成本，具有较大的实用价值。
附图说明
图1是本发明不锈钢复合板物理模型示意图；
图2是本发明中不锈钢复合板模型表面特征示意图；
图3是本发明中划分完网格后的不锈钢复合板的模型示意图；
图4是本发明中轧制模拟过程中的残余应力云图；
图5是本发明中轧制模拟不锈钢复合板界面两侧应力变化规律图一；
图6是本发明中轧制模拟不锈钢复合板界面两侧应力变化规律图二；
其中，1、轧辊，2、基板，3、推板，4、覆板，5、复合界面，6、对称面。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明：
本发明的实施例是以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方法和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下面的实施例。
Deform是一套专门用于金属塑性成形有限元模拟的仿真软件，通过在计算机上模拟不锈钢复合板的轧制过程，对模拟后的结果进行求解分析，可获得轧后复合板残余应力场。根据模拟得到的残余应力的数据对轧制工艺进行优化，这对工业生产实践和提高不锈钢复合板品质具有重要指导意义。
实施例1
如图1-6所示，一种不锈钢复合板轧制残余应力控制方法，按如下步骤依次进行：
步骤1，建立轧制过程的物理模型：
首先根据实际中的轧制过程，设计出轧辊1、基板2、覆板4、推板3的形状尺寸。其中，轧制坯料由基板2和覆板4组成，需根据实际工厂生产来分别设定基板2和覆板4的尺寸。然后，再利用CAD计算机辅助设计软件建立出二维模型，并保存为DXF文件。其中，基板2的尺寸为长150mm×宽25mm、覆板4的尺寸为长150mm×宽10mm、轧辊1的直径为φ750mm、推板3的尺寸为长45mm×宽10mm。
步骤2，建立轧制过程有限元模型：
将构建的二维模型DXF文件导入DEFORM-2D中，在程序设置条件里面选择平面应变模式，轧制坯料基板2和覆板4采用四面体单元划分有限元网格，划分完的基板2节点数1092，总元素1001。覆板4的基板2节点数1107，总元素976。这里，为了便于模拟出残余应力的分布情况，将物体对象形式定义为弹塑性体，轧辊1和推板3均均设定为刚体。复合坯料的轧制方式采用基板2-覆板4-覆板4-基板2堆叠对称轧制，为了简化运算，选择复合坯料的1/2进行求解分析，定义覆板4的下底面6为对称平面，轧辊1位于基板2的上方，覆板4位于基板2的下侧。此时，在操作界面上轧制坯料（基板2和覆板4）的总厚度为35mm。
步骤3，设定材料参数：
轧制坯料的基板2采用14Cr1MoR低合金容器钢，覆板4采用316L奥氏体不锈钢。由于DEFORM的材料库中没有基板2和覆板4所对应的材料参数，通过低合金钢板和不锈钢板的化学成分，可以利用JMATPRO软件分别计算出基板2和覆板4的杨氏模量、热传导率、热容、泊松比、线膨胀系数等材料性能参数，并保存为KEY文件。将含有材料信息的KEY文件导入到DEFORM软件中，构建出轧制坯料的材料数据库，完成坯料材料属性的设定。
步骤4，设定物块定位和接触条件：
在物块定位模块中利用偏移和干涉等命令，设定基板2、覆板4以及推板3的位置关系，保证物块之间不发生相互干涉。设定基板2、覆板4、推板3相互之间的接触关系，其中，利用干涉条件设定基板2和轧辊1相互接触，覆板4和基板2接触贴合，基板2和推板3接触贴合，覆板4和推板3接触贴合。基板2和轧辊1、基板2和覆板4、基板2与推板3、覆板4与推板3之间的摩擦类型为剪切摩擦，其中，基板2和轧辊1摩擦系数为1.20、基板2和覆板4摩擦系数为1.20、推板3与基板2的摩擦系数系数为0.08，推板3与覆板4的摩擦系数系数为0.08。这样在推板受力时才能保证推动基板2和覆板4同时向轧辊方向进行运动。同时为了避免在轧制时发生基板2和覆板4发生错位，复合界面5处需设定粘接缝合条件产生粘结点。利用干涉条件设定轧制各道次压下距离，轧制坯料各道次厚度变化为35-30-25-20-16-13-10.5mm，轧制总压下率为70%。
步骤5，设定初始及运动边界条件
在一般命令模块中设定轧制基板2和覆板4的初始热轧温度为1000℃。在性质模块中设定基板2和覆板4的应变速率为1s-1。在工具动作模块中设定轧辊1的轧制速度为1500mm/s，推板的运动速度为300mm/s。通过位移-时间关系来控制推板3与基板2、推板3与覆板4之间的相对运动。设定基板2的上表面、基板2与覆板4侧表面为热交换面，并设定热交换系数系数为20Kw/(m2·℃)。
步骤6，求解分析和后处理
经过对创建作业的求解分析后，在后处理模块中可获得轧制温度1000℃下不锈钢复合板基板2和覆板4中的残余应力数值。
实施例2
如图1-6所示，一种不锈钢复合板轧制残余应力控制方法，按如下步骤依次进行：
步骤1，建立轧制过程的物理模型：
首先根据实际中的轧制过程，设计出轧辊1、基板2、覆板4、推板3的形状尺寸。其中，轧制坯料由基板2和覆板4组成，需根据实际工厂生产来分别设定基板2和覆板4的尺寸。然后，再利用CAD计算机辅助设计软件建立出二维模型，并保存为DXF文件。其中，基板2的尺寸为长150mm×宽25mm、覆板4的尺寸为长150mm×宽10mm、轧辊1的直径为φ750mm、推板3的尺寸为长45mm×宽10mm。
步骤2，建立轧制过程有限元模型：
将构建的二维模型DXF文件导入DEFORM-2D中，在程序设置条件里面选择平面应变模式，轧制坯料基板2和覆板4采用四面体单元划分有限元网格，划分完的基板2节点数1092，总元素1001。覆板4的基板2节点数1107，总元素976。这里，为了便于模拟出残余应力的分布情况，将物体对象形式定义为弹塑性体，轧辊1和推板3均均设定为刚体。复合坯料的轧制方式采用基板2-覆板4-覆板4-基板2堆叠对称轧制，为了简化运算，选择复合坯料的1/2进行求解分析，定义覆板4的下底面6为对称平面，轧辊1位于基板2的上方，覆板4位于基板2的下侧。此时，在操作界面上轧制坯料（基板2和覆板4）的总厚度为35mm。
步骤3，设定材料参数：
轧制坯料的基板2采用14Cr1MoR低合金容器钢，覆板4采用316L奥氏体不锈钢。由于DEFORM的材料库中没有基板2和覆板4所对应的材料参数，通过低合金钢板和不锈钢板的化学成分，可以利用JMATPRO软件分别计算出基板2和覆板4的杨氏模量、热传导率、热容、泊松比、线膨胀系数等材料性能参数，并保存为KEY文件。将含有材料信息的KEY文件导入到DEFORM软件中，构建出轧制坯料的材料数据库，完成坯料材料属性的设定。
步骤4，设定物块定位和接触条件：
在物块定位模块中利用偏移和干涉等命令，设定基板2、覆板4以及推板3的位置关系，保证物块之间不发生相互干涉。设定基板2、覆板4、推板3相互之间的接触关系，其中，利用干涉条件设定基板2和轧辊1相互接触，覆板4和基板2接触贴合，基板2和推板3接触贴合，覆板4和推板3接触贴合。基板2和轧辊1、基板2和覆板4、基板2与推板3、覆板4与推板3之间的摩擦类型为剪切摩擦，其中，基板2和轧辊1摩擦系数为1.20、基板2和覆板4摩擦系数为1.20、推板3与基板2的摩擦系数系数为0.08，推板3与覆板4的摩擦系数系数为0.08。这样在推板受力时才能保证推动基板2和覆板4同时向轧辊方向进行运动。同时为了避免在轧制时发生基板2和覆板4发生错位，复合界面5处需设定粘接缝合条件产生粘结点。利用干涉条件设定轧制各道次压下距离，轧制坯料各道次厚度变化为35-30-25-20-16-13-10.5mm，轧制总压下率为70%。
步骤5，设定初始及运动边界条件：
在一般命令模块中设定轧制基板2和覆板4的初始热轧温度为1100℃。在性质模块中设定基板2和覆板4的应变速率为1s-1。在工具动作模块中设定轧辊1的轧制速度为1500mm/s，推板的运动速度为300mm/s。通过位移-时间关系来控制推板3与基板2、推板3与覆板4之间的相对运动。设定基板2的上表面、基板2与覆板4侧表面为热交换面，并设定热交换系数系数为20Kw/(m2·℃)。
步骤6，求解分析和后处理
经过对创建作业的求解分析后，在后处理模块中可获得轧制温度1100℃下不锈钢复合板基板2和覆板4中的残余应力数值。
实施例3
如图1-6所示，一种不锈钢复合板轧制残余应力控制方法，按如下步骤依次进行：
步骤1，建立轧制过程的物理模型：
首先根据实际中的轧制过程，设计出轧辊1、基板2、覆板4、推板3的形状尺寸。其中，轧制坯料由基板2和覆板4组成，需根据实际工厂生产来分别设定基板2和覆板4的尺寸。然后，再利用CAD计算机辅助设计软件建立出二维模型，并保存为DXF文件。其中，基板2的尺寸为长150mm×宽25mm、覆板4的尺寸为长150mm×宽10mm、轧辊1的直径为φ750mm、推板3的尺寸为长45mm×宽10mm。
步骤2，建立轧制过程有限元模型：
将构建的二维模型DXF文件导入DEFORM-2D中，在程序设置条件里面选择平面应变模式，轧制坯料基板2和覆板4采用四面体单元划分有限元网格，划分完的基板2节点数1092，总元素1001。覆板4的基板2节点数1107，总元素976。这里，为了便于模拟出残余应力的分布情况，将物体对象形式定义为弹塑性体，轧辊1和推板3均均设定为刚体。复合坯料的轧制方式采用基板2-覆板4-覆板4-基板2堆叠对称轧制，为了简化运算，选择复合坯料的1/2进行求解分析，定义覆板4的下底面6为对称平面，轧辊1位于基板2的上方，覆板4位于基板2的下侧。此时，在操作界面上轧制坯料（基板2和覆板4）的总厚度为35mm。
步骤3，设定材料参数：
轧制坯料的基板2采用14Cr1MoR低合金容器钢，覆板4采用316L奥氏体不锈钢。由于DEFORM的材料库中没有基板2和覆板4所对应的材料参数，通过低合金钢板和不锈钢板的化学成分，可以利用JMATPRO软件分别计算出基板2和覆板4的杨氏模量、热传导率、热容、泊松比、线膨胀系数等材料性能参数，并保存为KEY文件。将含有材料信息的KEY文件导入到DEFORM软件中，构建出轧制坯料的材料数据库，完成坯料材料属性的设定。
步骤4，设定物块定位和接触条件：
在物块定位模块中利用偏移和干涉等命令，设定基板2、覆板4以及推板3的位置关系，保证物块之间不发生相互干涉。设定基板2、覆板4、推板3相互之间的接触关系，其中，利用干涉条件设定基板2和轧辊1相互接触，覆板4和基板2接触贴合，基板2和推板3接触贴合，覆板4和推板3接触贴合。基板2和轧辊1、基板2和覆板4、基板2与推板3、覆板4与推板3之间的摩擦类型为剪切摩擦，其中，基板2和轧辊1摩擦系数为1.20、基板2和覆板4摩擦系数为1.20、推板3与基板2的摩擦系数系数为0.08，推板3与覆板4的摩擦系数系数为0.08。这样在推板受力时才能保证推动基板2和覆板4同时向轧辊方向进行运动。同时为了避免在轧制时发生基板2和覆板4发生错位，复合界面5处需设定粘接缝合条件产生粘结点。利用干涉条件设定轧制各道次压下距离，轧制坯料各道次厚度变化为35-30-25-20-16-13-10.5mm，轧制总压下率为70%。
步骤5，设定初始及运动边界条件
在一般命令模块中设定轧制基板2和覆板4的初始热轧温度为1200℃。在性质模块中设定基板2和覆板4的应变速率为1 s-1。在工具动作模块中设定轧辊1的轧制速度为1500mm/s，推板的运动速度为300 mm/s。通过位移-时间关系来控制推板3与基板2、推板3与覆板4之间的相对运动。设定基板2的上表面、基板2与覆板4侧表面为热交换面，并设定热交换系数系数为20 Kw/(m2·℃)。
步骤6，求解分析和后处理
经过对创建作业的求解分析后，在后处理模块中可获得轧制温度1200℃下不锈钢复合板基板2和覆板4中的残余应力数值。
按照本发明的控制方法，实施例1-3获得了不同轧制温度下不锈钢复合板的残余应力数值，如图5、6所示。通过轧后不锈钢复合板残余应力变化规律进行研究，在基板2中竖直方向分布的轧制残余应力变化的数值变化范围：1000℃为8～27MPa，1100℃为-10～4MPa，1200℃为-16～3MPa。随着轧制温度的升高，基板2中残余应力均先升高后降低，残余应力数值逐渐减小。同样地，覆板4中竖直方向分布的轧制残余应力变化的数值变化范围：1000℃为22～37MPa，1100℃为8～17MPa，1200℃为-4~9MPa。随着轧制温度的升高，覆板4中残余应力在轧制温度为1000℃呈现升高的趋势，而1100和1200℃则随复合界面越远，其残余应力逐渐降低。因此，当轧制温度为1200℃时，基板2和覆板4中轧制残余应力数值最小，且变化范围最小，此时轧制温度最佳。
综上所述，本发明能够在工艺参数准确受控的情况下很好地模拟复合板的轧制过程，所得残余应力数据可以较好地指导实际工业生产，从而实现轧后残余应力的优化控制。
Claims (4)
1.一种不锈钢复合板轧制残余应力控制方法，其特征在于：通过建立不锈钢复合板轧制坯料、轧辊（1）以及推板（3）的物理模型，并在有限元分析软件DEFORM的前处理模块中，设定材料的属性、运动及边界条件；然后在后处理模块中对轧制后的模拟结果进行求解分析，获取不同轧制工艺下的不锈钢复合板复合界面附近残余应力的数据，实现对实际生产的不锈钢复合板残余应力的预测和控制；
所述控制方法具体包括以下步骤：
步骤1，建立轧制过程的物理模型：
根据实际中的不锈钢复合板轧制过程，设计出轧辊（1）、轧制坯料以及推板（3）的形状尺寸；所述轧制坯料包括基板（2）和覆板（4），分别对基板（2）和覆板（4）进行尺寸设计，再利用CAD计算机辅助设计软件建立出二维模型，并保存为DXF文件；
步骤2，建立轧制过程有限元模型：
将步骤1中构建的二维模型DXF文件导入DEFORM-2D中，在程序设置条件里面选择平面应变模式，轧制坯料采用四面体单元划分有限元网格，物体对象形式定义为弹塑性体，轧辊（1）和推板（3）均设定为刚体；复合坯料的轧制方式采用基板（2）-覆板（4）-覆板（4）-基板（2）堆叠对称轧制，为了简化运算，选择复合坯料的1/2进行求解分析，定义覆板（4）的下底面（6）为对称平面，轧辊（1）位于基板（2）的上方，覆板（4）位于基板（2）的下侧；
步骤3，设定材料参数：
轧制坯料的基板（2）采用普通碳素结构钢板，覆板（4）采用不锈钢板；当DEFORM的材料库中没有轧制坯料所对应的材料参数时，通过普通碳素结构钢板和不锈钢板的化学成分，利用JMATPRO软件分别计算出基板（2）和覆板（4）的材料性能参数，并保存为KEY文件；将含有材料信息的KEY文件导入到DEFORM软件中，构建出轧制坯料的材料数据库，完成轧制坯料材料属性的设定；所述材料性能参数包括但不限于杨氏模量、热传导率、热容、泊松比、线膨胀系数；
步骤4，设定物块定位和接触边界条件：
在物块定位模块中利用偏移和干涉命令，设定基板（2）、覆板（4）以及推板（3）的位置关系，保证物块之间不发生相互干涉；设定基板（2）、覆板（4）、推板（3）相互之间的接触关系；利用干涉条件设定轧制各道次压下距离，即轧辊（1）沿着轧制坯料厚度方向的偏移距离；计算轧制总压下率；
所述基板（2）、覆板（4）、推板（3）相互之间的接触关系，是利用干涉条件设定基板（2）和轧辊（1）相互接触，覆板（4）和基板（2）接触贴合，基板（2）和推板（3）接触贴合，覆板（4）和推板（3）接触贴合；基板（2）和轧辊（1）、基板（2）和覆板（4）、基板（2）与推板（3）、覆板（4）与推板（3）之间的摩擦类型为剪切摩擦，并设定剪切摩擦系数；其中，基板（2）和轧辊（1）摩擦系数为1.20、基板（2）和覆板（4）摩擦系数为1.20、推板（3）与基板（2）的摩擦系数为0.08，推板（3）与覆板（4）的摩擦系数为0.08；复合界面（5）处需设定粘接缝合条件产生粘结点；
步骤5，设定初始及运动边界条件：
在一般命令模块中设定轧制基板（2）和覆板（4）的初始热轧温度；在性质模块中设定基板（2）和覆板（4）的应变速率为1 s-1；在工具动作模块中设定轧辊（1）的轧制速度为1500mm/s，推板的运动速度为300 mm/s；通过位移-时间关系来控制推板（3）与基板（2）、推板（3）与覆板（4）的相对运动；设定基板（2）的上表面、基板（2）与覆板（4）侧表面为热交换面，并设定热交换系数为20Kw/(m2·℃)；步骤6，求解分析和后处理：
经过对创建作业的求解分析后，在后处理模块中获得不锈钢复合板的残余应力数值，通过对比不同轧制工艺的残余应力，优化出最佳轧制工艺。
2.根据权利要求1所述的一种不锈钢复合板轧制残余应力控制方法，其特征在于：步骤4中，所述轧制总压下率为总偏移距离与起始基板厚度加上起始覆板厚度之和的比值。
3.根据权利要求1所述的一种不锈钢复合板轧制残余应力控制方法，其特征在于：步骤4中，所述轧制总压下率为70%。
4.根据权利要求1所述的一种不锈钢复合板轧制残余应力控制方法，其特征在于：步骤5中，所述初始热轧温度的范围为1000～1200℃。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110527506.8A CN113070342B (zh) | 2021-05-14 | 2021-05-14 | 一种不锈钢复合板轧制残余应力控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110527506.8A CN113070342B (zh) | 2021-05-14 | 2021-05-14 | 一种不锈钢复合板轧制残余应力控制方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113070342A CN113070342A (zh) | 2021-07-06 |
| CN113070342B true CN113070342B (zh) | 2022-06-07 |
Family
ID=76616932
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110527506.8A Active CN113070342B (zh) | 2021-05-14 | 2021-05-14 | 一种不锈钢复合板轧制残余应力控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113070342B (zh) |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS52116710A (en) * | 1976-03-27 | 1977-09-30 | Asahi Chem Ind Co Ltd | Heat treatment for removing residual stress of clad plate |
| CN105598178A (zh) * | 2015-12-28 | 2016-05-25 | 北京科技大学 | 基于数值模拟的复合板界面结合强度的工艺参数控制方法 |
| CN108062427B (zh) * | 2017-08-24 | 2021-04-20 | 中国航发北京航空材料研究院 | 基于数值计算的梯度控速降低涡轮盘锻造残余应力的方法 |
| CN109002677A (zh) * | 2018-10-16 | 2018-12-14 | 北华航天工业学院 | 一种基于二维仿真分析的多步加工残余应力获取方法 |
| CN110814028B (zh) * | 2019-10-23 | 2021-07-23 | 首钢集团有限公司 | 一种预测非对称组坯轧制复合板结合面处变形渗透的方法 |
-
2021
- 2021-05-14 CN CN202110527506.8A patent/CN113070342B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113070342A (zh) | 2021-07-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Li et al. | On the simulation scalability of predicting residual stress and distortion in selective laser melting | |
| Gao et al. | The effect of deposition patterns on the deformation of substrates during direct laser fabrication | |
| CN105117547A (zh) | 微铣削镍基高温合金预测残余应力的仿真方法 | |
| CN110489931A (zh) | 一种基于切削过程仿真的薄壁微铣削力预测方法 | |
| Afazov et al. | Mathematical modeling and implementation of residual stress mapping from microscale to macroscale finite element models | |
| Adeniji et al. | In-situ calibrated digital process twin models for resource efficient manufacturing | |
| Ruiz et al. | Prediction and control of product shape quality for wire and arc additive manufacturing | |
| Zhang et al. | Filling path planning and polygon operations for wire arc additive manufacturing process | |
| Dang et al. | Incremental bending of three-dimensional free form metal plates using minimum energy principle and model-less control | |
| CN107704657A (zh) | 一种由残余应力释放引起的板类零件翘曲变形的计算方法 | |
| Pasternak et al. | Computer modeling of inhomogeneous media using the Abaqus software package | |
| Bosetti et al. | Identification of johnson–cook and tresca's parameters for numerical modeling of aisi-304 machining processes | |
| CN108416153B (zh) | 自由态与夹紧态下薄壁曲面件加工轨迹映射方法 | |
| CN113070342B (zh) | 一种不锈钢复合板轧制残余应力控制方法 | |
| Liu et al. | A coupled model for the prediction of surface variation in face milling large-scale workpiece with complex geometry | |
| Singh et al. | Investigation of parametric effects on geometrical inaccuracies in deformation machining process | |
| Zuo et al. | A novel incremental sheet bending process of complex curved steel plate | |
| Zhou et al. | Modelling and researching the evolution of stress during arc-directed energy deposition (ADED) hybrid inter-layer hammering | |
| Borovkov et al. | Improving the printing process stability and the geometrical accuracy of the parts manufactured by the additive techniques | |
| Prasanth Kumar et al. | Multi-objective optimization to specify optimal selective laser melting process parameters for SS316 L powder | |
| CN113102515B (zh) | 一种钛钢复合板轧制过程中残余应变的控制方法 | |
| Chen et al. | A new principle of CNC tool path planning for three-axis sculptured part machining—a steepest-ascending tool path | |
| Qin et al. | Control and optimization of bulge defect in incremental forming of cu-Al bimetal | |
| Kim et al. | Determination of proper temperature distribution for warm forming of aluminum sheet materials | |
| Zhao et al. | Evolution analysis of process-induced residual stress during the manufacture of diesel engine block |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |