变厚度区薄板轧制的辊缝设定模型与试验.pdf

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第22卷第3期2014年6月材料科学与工艺MATERIALSSCIENCE&TECHNOLOGYllVol22lll3Jun.2014变厚度区薄板轧制的辊缝设定模型与试验余伟,孙广杰,张飞(北京科技大学高效轧制国家工程研究中心,北京100083)摘要:为实现高精度的变厚度轧制,需要对变厚度轧制的厚度控制模型进行研究.基于离散化的控制思想和轧制弹跳方程建立了一种TRB变厚度区轧制辊缝设定模型,用于单机架可逆式四辊冷轧机厚度控制系统.研究了辊缝变化的非线性规律,基于误差分析提出了确定离散区间的方法;给出了一种TRB辊缝控制系统结构以及空载辊缝闭环和负载辊缝闭环的控制方程,并在实验四辊轧机上进行了单厚度过渡区的TRB轧制.结果表明,采用离散化的辊缝设定方法可以实现TRB板的50mm变厚度区,尺寸最大厚度偏差为0.08mm,长度偏差<1mm.关键词:模型;辊缝设定;离散化;薄板;变厚度区轧制中图分类号:TG460.2520文献标志码:A文章编号:1005-0299(2014)03-0041-05RollgapsettingmodelandexperimentforrollingsheetwithvariablegaugezoneYUWei,SUNGuangjie,ZHANGFei(NationalEngineeringResearchCenterforAdvancedRollingTechnology,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)Abstract:Forthepurposeofhighaccuracyvariablegaugerolling,thegaugecontrolmodelshouldbestudied.Arollgapsettingmodelforvariablegaugerollingisestablishedbasedonthediscretizationcontrolideaandspringequationforrollingmill,andusedinthegaugecontrolsystemofareversiblefourhighcoldrollingmill.Therollgapnonlinearlawisstudiedandthediscreteintervalisdeterminedbythemethodoferroranalysis.ATRBrollgapcontrol⁃⁃systemstructure,andaloadfreeclosedloopandloadedroll⁃gapclosedloopcontrolformulaisbuilt.ThesinglevariablegaugezoneTRBsheetsarerolledbylaboratoryfourhighcoldrollingmill.Theresultsshowthatthemaximumthicknessdeviationin50mmvariablegaugezoneofTRBsheetisbelow0.08mm,andthelengthdeviationbelow1mmbytherollgapsettingcontrolmethod.Keywords:model;sheet;rollgapsetting;discretization;variablegaugezonerolling收稿日期:2012-10-15.基金项目:国家自然科学基金资助项目(51274036).作者简介:余伟(1968-),男,博士,副研究员.通信作者:余伟⁃,Email:yuwei@nercar.ustb.edu.cn.开发节能、环保和安全的汽车已成为人们的共识,而汽车轻量化已经成为节能的重要环节.研究表明:若汽车质量减轻10%,则油耗减少4%~5%[1].同国外相比,我国同档次汽车较国外汽车重10%~30%[2],可见,汽车轻量化对我国具有更迫切的现实意义.近年来,提高材料强度一直是汽车轻量化的方向,从第一代IF钢、DP钢、TRIP钢[3-5],第二代汽车用高强钢TWIP钢[6],以及现在开发的第三代高强度钢[7-8],使材料的强度和塑性不断提高,但是依靠强度减少质量的方法受到刚度和抗弯等性能的限制;在此基础上,低密度高强度钢的开发应运而生[9].另外,汽车构件服役多受非均匀性载荷,为结构优化与变截面加工材料提供了应用前景[10-11],为非均匀厚度材料应用和汽车减重提供了空间.早期,采用激光拼焊板(TailorWeldingBlanks)是一种重要的汽车减重方法;其后德国R.Kopp教授等人[12]提出了连续变截面板TRB(TailorRollingBlanks),这是一种纵向厚度周期性变化的板材,由厚度保持不变的等厚度区和厚度连续变化的变厚度区组成,可应用于车身的梁、柱、板等部件,既可以减轻车重,还可优化车身结构提高安全性,节约制造材料和后期的能源消耗[13-14].21世纪初,国外开始在汽车设计和制造中采用该技术[15].国内对TRB的研究才刚刚起步,刘相华等[16-18]做了很多前期研究工作.TRB制备以变厚度轧制技术为基础,即轧制过程中通过改变辊缝值实现变厚度区轧制,其轧制过程示意图如图1所示.TRB板轧制过程中需要带载调节轧机辊缝,并对轧件进行实时的在线跟踪定位[19],因此,TRB板的轧制必须有合理、精确的辊缝设定模型,快速响应的液压伺服系统以及稳定的辊缝控制系统.本文研究TRB轧制的辊缝设定模型以及控制方法,在此基础上进行实验室轧制,为精确TRB板的轧制控制系统开发及产品工业化生产提供重要的基础数据.轧辊轧制方向图1TRB板轧制过程示意图1TRB板变厚度区轧制辊缝设定模型对于TRB变厚度区轧制,轧制过程中出口厚度的连续变化导致常规轧制辊缝计算模型不再适合.轧件出口厚度连续变化的TRB变厚度区如图2所示.采用了离散化的辊逢设定计算方法,把图2中的增厚区和减薄区划分为n个区间,以每个区间轧机出口的轧件厚度(hi)进行辊逢的设定计算.轧件出口方向轧件出口方向ihiihi(a)减薄区(b)增厚区图2TRB变厚度区离散化示意图对于图2中所示的第i个区间,设定辊缝值(Si)可以通过轧机弹跳方程进行计算:Si=hi-FiM.(1)式中:Si为第i个区间的设定辊缝;hi为第i个区间轧机出口的轧件厚度;Fi为第i个区间的轧制力;M为轧机等效刚度.在等张力及忽略轧辊压扁的条件下,轧制力(Fi)可以由简化的Bland-Ford-Hill轧制力计算模型得到[10],此时轧制力可表示为Fi=Fpi+Fei.(2)式中:Fpi,Fei分别为塑性区、弹性区的轧制力,kN.则第i个区间的辊缝值可以由式(1)和式(2)联立得到:Si=hi-Fpi+FeiM.(3)其中:Fpi=QFikmbR(H-hi);Fei=4.4×10-4kmWkmRhi;QFi=1.08+(1.79μRH-1.02)H-hiH.式中:QFi为轧制力外摩擦影响系数;km为平均变形抗力,MPa;b为带钢宽度,mm;R为轧辊半径,mm;H为入口的带钢厚度,mm;W为轧件塑性系数;μ为摩擦因数.在变厚度区内,对每个离散区间运用式(3)进行空载辊缝的计算,得到各区间起始位置的设定辊缝.经过离散化后,设定空载辊缝必须满足TRB的尺寸精度要求.另外,还需要考虑尽可能减少轧机控制计算机的计算量.根据减薄区几何参数可将其分为若干个等长度的离散区间,根据辊缝设定模型得到某个初步确定的离散区间内辊缝的理想变化曲线.试验采用的离散方法如下:在每个离散区间的中间位置取点计算进一步离散后的辊缝,并计算前、后离散时该点的最大差值δh.设TRB轧制设定辊缝中允许的最大厚度误差为δ,若δh>δ,则离散区间不满足轧制精度要求,需要进一步的离散.如图3所示,在对非线性的变厚度TRB离散处理时,对变厚度区的某一区间,理想的辊缝如实线曲线AC所示,而直线AC为根据设定模型的辊缝控制曲线,在AC的中间取B点,B点的理想曲线和模型控制曲线之间有最大的差值δhB,若δhB>δ,则需要对区间AC进一步离散处理;在BC的中点D,若D点的计算精度满足δhD<δ,则说明离散区间满足轧制精度要求.按此方法,直到所离·24·材料科学与工艺第22卷散区间的长度能满足精度要求.最后的各离散区间长度可能是非均匀的,可以提高辊缝控制系统最高的计算效率.辊缝/mm长度/mmABDδh>δδh<δC图3TRB变厚度区离散处理原理2TRB轧制辊缝动态控制方法TRB板变厚度轧制的关键是辊缝控制.辊缝控制过程中,通过距离轧机出口处的实时厚度测量和速度测量(或间接的距离测量),结合式(3)可以得到变厚度区不同位置的、实时的设定空载辊缝;通过安装于液压缸的位移传感器实时监测空载辊缝(Sc),与设定的空载辊缝(Sg)进行比较,确定空载辊缝的液压压下调节量(ΔS),建立压下位置闭环控制.压下位置闭环用于减少TRB板轧制空载辊缝设定的延时误差和液压设备误差,从而得到准确的轧制设定空载辊缝.液压压下调节量(ΔS)可用下式表达:ΔS=Sc(t)-Sg(t),(4)式中:Sg(t)为t时刻设定的空载辊缝;Sc(t)为t时刻在线监测的空载辊缝.轧制过程中,通过式(4)得到实时的ΔS,通过调整液压压下使得ΔS<ε(ε为空载辊缝的允许误差),得到满足要求的空载辊缝值Sc(t).在TRB变厚度轧制过程中,压下量实时变化导致轧机等效刚度发生复杂变化,式(3)中的轧机刚度模型没有充分考虑这些因素.为了避开轧机等效刚度变化因素的影响,在压下位置闭环控制的基础上,进一步采用负载辊缝的闭环控制.在忽略轧件弹性恢复及轧辊压扁的条件下,理想负载辊缝曲线即为设定的TRB目标厚度曲线.采用安装于轧辊辊颈处的位移传感器可获得较为准确的实时负载辊缝,将其与设定的TRB厚度进行比较,获得负载辊缝调节量:Δ′S=M+WMhg(t)-hc(t)[].(5)式中:Δ′S为基于负载辊缝的液压压下调节量,即动态调整量;W为轧件塑性系数W=F/Δh;hg(t)为t时刻设定的TRB厚度;hc(t)为t时刻在线监测的负载辊缝.通过式(5)可计算需要调节的液压缸压下量,直到反馈的负载辊缝与设定的TRB板厚度的差值满足精度要求时为止.3单过渡区TRB板轧制试验TRB轧制试验采用Φ360mm/Φ160~400mm四辊可逆式实验冷轧机.该轧机可实现单片带张力轧制,轧机刚度为5000kN/mm,轧机配有液压AGC系统,液压压下系统的频率为20Hz.试验前,在已有液压AGC系统基础上开发以动态辊缝设定和控制为主要内容的位置控制(APC)模块,编写了TRB轧制的辊缝多点设定、轧辊实时压下和闭环辊缝动态控制程序.在变厚度轧制中,辊缝变化曲线是通过轧机的带载压下速度和轧制线速的配合得到,通过对液压伺服阀编程控制,使液压压下速度满足变厚度轧制要求.试验通过安装于轧机出口处的高精度测厚仪(分辨率1μm)和测速仪(精度0.1%)来跟踪定位轧件,通过安装于液压缸及工作辊颈处的高精度的位移传感器在线监测负载辊缝变化,并通过控制计算机在线调整液压缸以控制辊缝变化.选择某钢厂生产的3.2mm厚冷轧原料DC05板进行TRB轧制.实验板料尺寸为700mm×100mm.实验方案与钢板参数如表1所示.表1实验方案和TRB钢板参数mm编号变厚度区长度变厚度区起始厚度变厚度区结束厚度1503.02.02503.02.53502.03.04502.53.0根据变厚度区间离散方法确定了每个离散区间的长度为5mm,计算离散点的设定厚度和辊缝.采用上述控制方法和控制模型进行轧制试验.轧后钢板变厚度区沿轧制方向的实际厚度和设定厚度的对比如图4所示.轧制的板材各个区域过度圆滑,变厚度区的长度精度较高,可以达到<1mm,这说明轧制中轧件跟踪定位模型计算准确.变厚度区实际厚度变化趋势符合设定要求,实际厚度与设定厚度最大偏差为0.08mm.同时,通过1号、3号和2号、4号的试验实测值与设定值的对比可以发现:变厚度区倾斜角较小时,实验轧制钢板的尺寸精度更高,特别是在等厚度区向变厚度区变化的区域体现了更好的尺寸精度.这可·34·第3期余伟,等:变厚度区薄板轧制的辊缝设定模型与试验能与采用的轧制压力模型没有考虑轧辊的弹性压扁有一定的关系.3.503.002.502.001.50020406080100厚度/mm长度/mm设定值实测值(a)3.0~2.0mm减薄3.503.002.502.001.50020406080100厚度/mm长度/mm设定值实测值(b)3.0~2.5mm减薄3.503.002.502.001.50020406080100厚度/mm长度/mm设定值实测值(c)2.0~3.0mm增厚3.503.002.502.001.50020406080100厚度/mm长度/mm设定值实测值(d)2.5~3.0mm增厚图4TRB板设定厚度与实际厚度对比图4结论1)提出了TRB薄板变厚度区轧制的离散辊缝设定模型,确定了一种合理的离散区间计算方法.2)在离散化辊缝设定模型基础上,在常规AGC基础上建立了TRB板变厚度控制的空载辊缝闭环和负载辊缝闭环的控制系统结构和控制方程.3)在实验轧机实现了TRB薄板轧制试验,轧件50mm长度的变厚度区控制精度<1mm,各变形区实际厚度与设定厚度差≤0.08mm,说明变厚度区辊缝设定模型和轧件跟踪定位模型满足实际轧制要求.参考文献:[1]KINERYBL,CAOJ.Ananalyticalmodelfortailorweldedblankforming[J].JournalofManufacturingScienceandEngineering,2003,125(2):344-351.[2]冯飞.中国汽车工业的发展与竞争力分析[R/OL].http://web.tongji.edu.cn/~yangdy/car/paper2.htm.[3]郭卫民,王作成,刘胜,等.润滑条件对温轧含磷IF钢组织性能的影响[J].材料科学与工艺,2011,19(4):59-63.GUOWeimin,WANGZuocheng,LIUSheng,etal.Effectsoflubricateconditiononmicrostructureandmechanicalpropertiesofferriticrolled⁃PaddedIFsteels[J].MaterialsScienceandTechnology,2011,19(4):59-63.[4]汪志刚,赵征志,赵爱民,等.析出相对深冲DP钢组织性能及织构的影响[J].材料科学与工艺,2013,21(5):75-81.WANGZhigang,ZHAOZhengzhi,ZHAOAimin,etal.Effectofparticipationonmicrostructures,mechanicalpropertiesandtextureofdeepdrawingDPsteel[J].MaterialsScienceandTechnology,2013,21(5):75-81.[5]高绪涛,孙蓟泉,赵爱民,等.贝氏体区等温时间对TRIP钢残奥及力学性能影响[J].材料科学与工艺,2011,19(6):123-128.GAOXutao,SUNJiquan,ZHAOAimin,etal.Effectofaustempering⁃isothermaltimeatbainitefieldonretainedausteniteandmechanicalpropertiesinTRIPsteel[J].MaterialsScienceandTechnology,2011,19(6):123-128.[6]易炜发,朱定一,胡真明,等.热轧变形对高碳TWIP钢组织缺陷和力学性能的影响[J].材料科学与工艺,2011,19(5):45-49.·44·材料科学与工艺第22卷YIWeifa,ZHUDingyi,HUZhenming,etal.EffectofhotrollingdeformationonmicrostructuredefectsandmechanicalpropertiesofhighcarbonTWIPsteel[J].MaterialsScienceandTechnology,2011,19(5):45-49.[7]庄宝潼,唐荻,江海涛,等,Mn对汽车用Q&P钢连续冷却转变曲线的影响[J].材料科学与工艺,2011,19(6):39-42.ZHUANGBaotong,TANGDi,JIANGHaitao,etal.EffectofmanganeseonCCTcurveofQ&Psteelforautomobile[J].MaterialsScienceandTechnology,2011,19(6):39-42.[8]CAOWenquan,SHIJie,WANGChang,etal.The3rdgenerationautomobilesheetsteelspresentingwithultrahighstrengthandhighductility[J].AdvancedSteels,2011(3):209-227.[9]SUHDW,KIMNJ.⁃Lowdensitysteels[J].ScriptaMaterialia,2013,68:337-338.[10]李峰,林俊峰,张鑫龙,等.连续变截面直接挤压成形技术研究[J].材料科学与工艺,2012,20(5):55-59.LIFeng,LINJunfeng,ZHANGXinlong,etal.Researchoncontinuousvariable⁃crosssectiondirectextrusion(CVCDE)[J].MaterialsScienceandTechnology,2012,20(5):55-59.[11]赵立红,江树勇,邢忠文,等.曲面扁壳类汽车覆盖件刚度的控制机制研究[J].材料科学与工艺,2012,20(6):131-135,141.ZHAOLihong,JIANGShuyong,XUNZhongwen,etal.Thecontrolmechanismofthestiffnessofautomotiveshallowshells[J].MaterialsScienceandTechnology,2012,20(6):131-135,141.[12]KOPPR,WIEDNERC,MEYERA.Flexiblerollingforloadadaptedblanks[J].InternationalSheetMetalReview,2005(4):20-24.[13]MEYERA,WIETBROCKB,HIRTG.Increasingofthedrawingdepthusingtailorrolledblanks:Numericalandexperimentalanalysis[J].InternationalJournalofMachineTools&Manufacture,2008,48(4):522-531.[14]CHUANGCH,YANGRJ,LIG,etal.⁃Multidisciplinarydesignoptimizationonvehicletailorrolledblankdesign[J].StructuralMultidisciplinaryOptimization,2008,35(6):551-560.[15]KOPPR,WIEDNERC,MEYERA.Flexiblyrolledsheetmetalanditsuseinsheetmetalforming[J].AdvancedMaterialsResearch,2005,6-8:81-92.[16]LIUXianghua.Prospectsforvariablegaugerolling:technology,theoryandapplication[J].JournalofIronandSteelResearchInternational,2011,18(1):1-7.[17]LIUXianghua,WUZhiqiang,FANGZhi,etal.FromTRBandLPplatetovariablegaugerolling:technology,theory,simulationandexperiment[J].MaterialsScienceForum,2012,706-709:1448-1453.[18]吴志强,刘相华,方智.带材周期变厚度轧制控制系统开发[J].东北大学学报:自然科学版,2011,32(3):388-391.WUZhiqiang,LIUXianghua,FANGZhi.Developingcontrolsystemsforperiodicvariablegaprolling[J].JournalofNortheastUniversity(NaturalScienceEdition),2011,32(3):388-391.[19]白金兰,王军生,王国栋.提高冷轧过程控制轧制力模型的设定精度[J].钢铁研究学报,2006,18(3):21-25.BAIJinlan,WANGJunsheng,WANGGuodong.Improvementinsettingaccuracyofrollingforcemodelduringprocesscontrolofcoldrolling[J].JournalofIronandSteelResearch,2006,18(3):21-25.(编辑程利冬)·54·第3期余伟,等:变厚度区薄板轧制的辊缝设定模型与试验
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