双金属复合板纵向变厚度异步轧制力学模型与界面变形协调性研究

Cladded longitude profile (CLP) plate is a new type of structural material fabricated by using bimetallic sheets as incoming material through longitude variable gauge rolling technology. CLP plate has broad application prospects in automobile industry, shipbuilding and bridge use because of its functional advantages such as lightweight, abrasion resistance and anti-corrosion performance. However, the traditional variable gauge rolling technology easily causes warping and separating of bonded interface due to the difference of deformation resistances between constituent materials of bimetallic sheets. The project proposes variable gauge asymmetrical rolling technology and aim to solve the following problems: 1) Analyze the geometrical, physical and kinematic relations in the deformation zone during upwards rolling and downwards rolling and develop the theoretical model for longitude variable gauge asymmetric rolling of bimetallic plates. 2) Study on the effects on plastic flow behavior and reduction partition of component metal, warping and interface bonded condition of different layer thickness ratios, speed ratios, roll velocity in vertical direction. 3) Carry out longitude variable gauge asymmetric rolling experiments of bimetallic plates on 650mm cold rolling mill to verify the theoretical model and determine the optimum rolling parameters considering shape precision and interface deformation coordination. This study has important theoretical value and practical significance in guiding the CLP plate industrial production and widening the application of CLP plate.

CLP板是以双金属层状复合板为原料，通过纵向变厚度轧制成形的一种新型结构材料，兼具有轻量化和防腐耐磨等功能化优点，在汽车、造船、桥梁等领域具有广泛应用前景。由于基层与覆层组元金属力学性能差异，传统变厚度轧制工艺极易造成复合界面撕裂分离、轧后翘曲等问题。本课题提出纵向变厚度异步轧制技术，利用异步搓轧效应解决组元金属变形协调问题，重点解决：1)分析趋厚轧制和趋薄轧制变形区内几何、物理、力学关系，建立CLP板变厚度异步轧制理论；2)揭示组元性能差异、层厚比、异速比、轧辊垂直移动速度等参数对变形区内组元金属塑性流动行为及压下率分配、轧后翘曲和界面结合状态的影响规律，建立组元金属界面协调变形条件；3）开展CLP板纵向变厚度异步轧制实验，综合考虑尺寸形状精度和界面结合强度，优化轧制工艺参数并验证数值模拟及理论模型。本项研究对指导CLP板工业生产和拓展双金属复合板深加工应用具有重要的理论价值和实际意义。

本课题围绕双金属复合板纵向变厚度异步轧制过程中组元金属协调变形机理及基础轧制理论模型等核心科学问题，通过理论分析、数值模拟与实验研究，取得了如下研究进展：.(1) 开展了复合板拉伸，剥离及拉剪实验，并基于Cohesive内聚力单元建立了剥离及拉伸实验有限元仿真模型，确定了复合界面Cohesive单元的法向和切向强度及断裂能，并建立了双层金属复合板力学性能模型。.(2) 建立了双金属复合板变厚度异步轧制过程数值仿真模型，模拟分析了入口厚度、组元金属层厚比、压下率、异速比及异径比等工艺参数对变形区内组元金属塑性流动行为、层厚比变化、中性点位置、轧后翘曲等影响规律，揭示了双金属复合板变厚度异步轧制过程组元金属变形协调行为及出口翘曲规律，提出了改善出口翘曲的工艺控制策略。.(3) 基于变形区双金属组元微元体力平衡方程，并推导了适应于冷轧及热轧的双金属变厚度轧制过程轧制力公式，验证了其与同质、等厚度轧制力模型的统一性，并分析了楔形角、覆层厚度等参数对变形区内轧制力的影响。.(4) 基于欧拉构形法及变形区金属质量守恒，建立了复合板层厚比不变及变化两种条件下双金属复合板变厚度轧制过程变形区内水平速度场模型，并分析了覆层、轧辊直径及楔形角对水平速度的影响规律。.(5) 自行设计安装了二辊变厚度异步轧制实验平台，并基于所建立的双金属复合板变厚度异步轧制过程力学模型、变形区水平速度场模型及轧出长度模型，开发了双金属复合板变厚度异步轧制控制系统。.(6) 开展了复合板变厚度轧制实验，验证了有限元数值仿真模型、轧制力学模型及水平速度场模型，实现了周期性双金属变厚度复合板轧制。.本课题将异步轧制技术与变厚度轧制技术相结合，解决双金属复合板变厚度轧制过程组元金属变形协调及出口翘曲问题，为变厚度双金属复合板工业生产提供了理论依据及指导，为双金属复合材料深加工及其拓展应用提供了新途径，应用前景广阔。