铝带轧制关键工艺的研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 2.68MB 75 页 15积分
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摘 要
目前，现有的许多轧制工艺与技术已经无法满足用户对一般铝带精度的要求。
本文通过对铝带轧制过程中板厚控制与拉伸弯曲矫直技术这两个关键工艺的研
究，提出了控制铝带出口厚度及平整度的新方法，并通过计算机软件进行了仿真
与分析。
一方面，本文根据铝带轧制厚度控制的基本理论，分析轧制过程中对出口厚
度的影响因素，对比常用的 AGC 自动厚度控制，采用模糊 PID 控制方法，用
MATLAB/SIMULINK 软件对铝带厚度控制进行模糊 PID 仿真，并分析了仿真结果，
优化了控制模型。
另一方面，本文研究了连续拉伸弯曲矫直原理，以及铝带制造企业常用的一
些铝带矫直机组的结构特点。经过分析各类常见的板形误差，选择合适的铝带板
形误差的评价标准，用于对铝带板形质量进行评估；通过分析铝带弹塑性力学行
为，对弹塑性有限元本构方程进行了推导，并利用 ABAQUS 软件建立两弯一矫方
式的拉弯矫直过程有限元模型，对其矫直过程的应力应变图进行分析，验证了该
方式的有效性。
通过对以上两个铝带轧制关键工艺的研究，结果发现：在铝带板厚控制过程
中使用模糊 PID 的控制方法要优于传统的 AGC 控制方法，包括传统的 PID 控制方
法；而经过两弯一矫方式矫正过的铝带，会发生由弹性变形到塑性变形的过程，
从而降低了因为内部残余应力产生而出现铝带弯曲的可能性，得到了更好的平直
度。
关键词：板厚控制 模糊 PID 控制 拉伸弯曲矫直 有限元 平直度
ABSTRACT
Currently, the modern manufacturing of raw materials is very high precision. Many
of the existing rolling process and the technology have been unable to meet the user
requirements of the general accuracy of strip. Based on the strip during rolling, this
paper researched the two key process which were AGC(automatic gauge control) and
tension leveling technology, and explored to give control of thickness and flatness of
strip exit of modern methods. Finally, it carried out the simulation and analysis by
computer software.
On the one hand, based on the strip thickness control of the basic theory of rolling,
this paper analyzed rolling process factors on the export of thickness. Compared
common AGC automatic thickness control, it introduces a new method of modern
intelligent control. Through the use of fuzzy PID control method and simulating the
aluminum strip thickness control by MATLAB / SIMULINK software, it analysised
simulation of the results,and optimized the control model.
On the other hand, in this paper, the principle of continuous tension leveling had
been researched. And the structural characteristics of aluminum strip straightening
machine in some aluminum strip manufacturers also had been researched. After
comparing common shape error, it selected the appropriate aluminum strip shape error
of the evaluation criteria. This paper analyzed elastic-plastic mechanical behavior of
aluminum strip, and derived the elastic-plastic finite element method. It established the
finite element model of process of stretch bending for the type of two bend and one
correction by ABAQUS software. It also analysised and researched the diagram of the
stress-strain.
By these two key processes of aluminum strip rolling, it is found that the Fuzzy
PID control method is superior to the traditional method of AGC control, including
traditional PID control method, and the aluminum strip which is corrected by the way of
two bend and one correction had been changed from elastic deformation to plastic
deformation. So that the possibility of bending aluminum strips which is because of the
internal residual stress will be reduced. And it can get a better flatness.
Keywords：AGC, Fuzzy PID Control, Tension Leveling, Finite Element,
Flatness
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ................................................... 1
§1.1 课题的背景 ............................................... 1
§1.2 国内外研究现状 ........................................... 2
§1.3 研究目的及意义 ........................................... 3
§1.4 铝材的相关物理特性与力学特性 ............................. 3
§1.5 课题主要研究内容 ......................................... 4
第二章 板厚控制工艺 ............................................. 5
§2.1 铝带轧制厚度控制的基本原理 ............................... 5
§2.2 铝带轧制厚度的影响因素 ....................................6
§2.2.1 铝带入口厚度对铝带出口厚度的影响 ..................... 6
§2.2.2 轧辊偏心对铝带出口厚度的影响 ......................... 7
§2.2.3 轧机刚度对铝带出口厚度的影响 ......................... 8
§3.2.4 轧制工艺条件对铝带出口厚度的影响 .................... 10
§2.3 铝带自动厚度控制(AGC) ................................... 12
§2.3.1 前馈控制 ............................................ 12
§2.3.2 监控控制 ............................................ 13
§2.3.3 间接测厚控制 ........................................ 14
§2.3.4 张力控制 ............................................ 14
§2.3.5 流量控制 ............................................ 15
§2.4 铝带厚度智能控制 ........................................ 16
§2.4.1 基于模糊控制的厚度计自动板厚控制 .................... 16
§2.4.2 基于神经网络的自适应板厚控制 ........................ 16
§2.5 本章小结 ................................................ 17
第三章 模糊 PID 板厚控制仿真分析 ................................ 18
§3.1 PID 控制器的基本原理 .....................................18
§3.1.1 PID 算法的数字实现 ...................................18
§3.1.2 PID 控制器采样周期的选择 .............................19
§3.1.3 传统 PID 控制的特点 .................................. 19
§3.2 模糊控制方法 ............................................ 20
§3.2.1 模糊控制介绍 ........................................ 20
§3.2.2 模糊控制系统的工作原理 .............................. 20
§3.3 模糊 PID 控制控制器的设计 ................................ 21
§3.3.1 模糊 PID 控制器的结构 ................................ 22
§3.3.2 模糊 PID 参数整定规则 ................................ 23
§3.3.3 模糊控制器的模糊化 .................................. 24
§3.3.4 模糊 PID 控制器隶属函数的描述 ........................ 24
§3.3.5 模糊 PID 控制器的控制规则 ............................ 27
§3.4 模糊 PID 控制仿真 ........................................ 28
§3.4.1 被控对象传递函数的建立 .............................. 29
§3.4.2 传统 PID 控制器的仿真 ................................ 30
§3.4.3 模糊 PID 控制器的仿真 ................................ 31
§3.4.4 试验结果分析 ........................................ 33
§3.5 本章小结 ................................................ 34
第四章 拉弯矫直工艺 ............................................ 35
§4.1 连续拉伸弯曲矫直 .........................................35
§4.1.1 拉伸弯曲矫直的原理 ...................................35
§4.1.2 拉伸弯曲矫直机的结构特点 ............................ 35
§4.1.3 常见的铝带板形问题 .................................. 38
§4.1.4 板形误差的评价指标 .................................. 39
§4.2 铝带的弹塑性力学行为及相关准则 .......................... 40
§4.2.1 铝带的弹塑性力学行为 ................................ 40
§4.2.2 屈服准则选择 ........................................ 41
§4.2.3 塑性流动法则 ........................................ 46
§4.2.4 塑性强化准则 ........................................ 46
§4.3 弹塑性有限元本构方程的推导 ...............................47
§4.4 本章小结 ................................................ 49
第五章 拉弯矫直过程有限元分析 .................................. 50
§5.1 ABAQUS 有限元软件功能简介 ................................50
§5.2 拉伸弯曲矫直模型的建立 ...................................51
§5.2.1 强化模型的选择 .......................................51
§5.2.2 工作辊与带材间相互作用的确定 .........................52
§5.2.3 单元划分 .............................................53
§5.2.4 参数设置与建模步骤 ...................................55
§5.3 拉弯矫直过程仿真分析 .................................... 56
§5.3.1 拉弯矫直过程应力、应变云图 ...........................57
§5.3.2 铝带拉弯矫直过程中塑性应变分析 .......................59
§5.3.3 铝带拉弯矫直过程中应力分析 ...........................61
§5.4 本章小结 ................................................ 63
第六章 总结与展望 .............................................. 64
§6.1 课题总结 ................................................ 64
§6.2 研究展望 ................................................ 64
附 录 .......................................................... 66
参考文献 ........................................................ 68
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................. 71
致 谢 .......................................................... 72
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题的背景
由于航天、国防、家电、食品包装等工业的飞速发展，对铝带及铝箔的冷轧
板形质量的要求越来越高，需求量也是在不断地增加，铝带连续拉伸弯曲矫直技
术也随之诞生了。连续拉伸弯曲矫直技术利用拉伸应力和弯曲应力的叠加，从而
使材料获得超过其屈服极限的应力，发生弹塑性变形，最终使铝带中的纤维伸长
接近一致的水平，有效改善并消除铝带中存在的各种板形缺陷，铝带质量因此而
得到提高。
我国在板厚控制方面有了许多年的研究，但因为轧机中液压压下控制包含了
各类学科知识，在具体的轧制过程中还是会有许多问题产生[1]。在国内，厚度控制
的检测仪器、系统的软件开发、液压伺服系统的生产水平及精度都与国外存在着
很大的差距。即使通过向国外进口先进的厚度控制系统，在实际的生产过程中很
多功能也并没有完全使用。于此同时，因为铝带厚度受到各种因素影响，使得厚
度控制具有不确定性，数学模型的建立也常常不能够准确表达其控制过程及结果，
所以有必要引进一些先进的控制方法来实现更为精确的厚度控制。传统的 PID 控
制方法对非线性的控制精度非常有限，因此可以将智能控制加入到其中，这样可
以更为有效地提高铝带轧制厚度控制的精度，提高我国铝带轧制质量。
拉弯矫直机组是铝带轧制过程中用到的理想的矫直设备，它可以使铝带在连
续拉伸、弯曲的共同作用下产生塑性延伸，从而使铝带板形质量得到改善。由上
海捷如重工生产的拉弯矫直机目前生产状况良好，但仍然存在诸多需改进的地方。
为了提高国产轧机的轧制水平，改善我国铝带箔材产品的板形质量，提高轧机的
生产效率，我研究所和上海捷如重工合作研究了铝带厚度及平整度控制的理论和
方法。
经过一系列研究发现，我国的铝加工业在今后几年将会形成一大批高精度的
铝带、铝箔以及航空用厚铝板材的生产能力，技术将会大大提高，装备水平也将
大幅升级，中小企业将会受到挤压，有些甚至将被迫退出市场。另外，铝加工能
力很可能会大大超过铝制品企业对铝材的需求，国家很可能会控制铝加工业的增
长速度。所以，我们更需要加快研究铝带轧制工艺的步伐，提高铝带铝箔等制品
的生产质量和效率。
目前，拉伸弯曲矫直机在其他板材领域应用已经很广泛，但在铝带轧制过程
中，如何使用正确的工艺参数来克服轧制线上铝带的波动，并在拉弯矫直过程中
做出适当的调控，还没有严谨而系统的理论基础。在实际铝带的生产过程中，每
铝带轧制关键工艺的研究
2
换一种厚度规格的铝带，现场技术人员就得凭借经验对相关参数做出适当调整。
这种人工调整需要靠长时间工作经验的累积，而且精度控制往往达不到理想的范
围。为了让铝带的延伸率、矫直过程中的张力和压下量能在较大的一个范围中组
合，通常需要通过大量的生产和试验，这样不仅仅会造成大量人力物力的浪费，
同时也限制了铝带的控制精度及轧制效率的提高。为此，对铝带拉弯矫直过程及
拉弯矫直机组工艺参数的研究显得格外重要。
虽然拉伸弯曲矫直机在国内各种金属生产企业中使用的非常广泛，但是我国
的金属加工企业没有完全掌握其关键技术，许多生产线上的关键设备也都长期依
赖国外进口，如果运用到铝带的拉弯矫直上，国内的技术就更需要提高了。
§1.2 国内外研究现状
这些年来，国内外在铝带轧制板厚控制方面取得了很多新的成果，很大程度
上提高了铝带的尺寸精度。为了满足食品包装、家用电器、军事工业等领域的需
要，生产出高精度的铝带产品，国内外都投入了大量精力，研制开发了各种现代
化铝带箔轧机。具有代表性的设备有日本三菱公司研制成功的成对轧辊交叉式的
PC 轧机，日立公司所研制的工作辊可轴向移动的 HC 轧机、CVC 轧机，以及德国
曼内斯曼德马科公司的 UPC 轧机等[2]。这些现代化的轧机都运用了高精度控制手
段，可实现多功能的精密轧制，最高可生产出微米级厚度的铝箔产品。
而拉伸弯曲矫直技术，最先是应用在钢铁工业中，但随着铝加工技术的不断
提高，铝带的平直度和质量要求越来越高，拉弯矫直技术在铝加工行业中受到了
越来越多的关注。通过拉弯矫直后，可以消除铝带表面的纹波，从而进一步提高
铝带的平直度，为后续的铝制品加工提供高质量的铝带。因为铝带的拉伸弯曲矫
直不会产生由于边部的缺陷而造成铝带断裂的现象，所以对于很薄的铝带也是适
用的。
目前国内现有的铝带连续拉伸弯曲矫直机组，大多是从日本、德国以及美国
等技术成熟的国家引进的设备。因为拉伸弯曲矫直机组的机械装置及其运动特性
的复杂程度，每个张力辊调速的同步性、开收卷的张力控制以及延伸率的控制上
难度都很大，机组的电气控制系统研究水平总体偏低。所以，国内的拉弯矫直机
组主要用在对黑色金属的矫直。而对于铝带的矫直，尤其是厚度较薄的，比如空
调铝箔，这样的连续拉伸弯曲矫直才刚起步。
在国际上，拉弯矫直机组以及相应的控制系统开发主要是一些日本、美国和
德国等发达国家的公司，比如日本三菱公司，美国瑞安公司，还有德国施罗曼西
马克[3]等。通过查阅资料，国外连续拉弯矫直机的矫直范围主要是 0.1mm 以上铝
第一章 绪 论
3
带，而对于小于 0.1mm 的铝带，因为屈服极限太小，想要使延伸率得到高精度控
制是非常困难的。
这些年来,国内的铝带轧机设备制造厂通过与国外轧机制造公司合作，吸收了
先进的制造技术，并生产出了各种性能良好的铝箔轧机。
§1.3 研究目的及意义
无论是在热轧还是冷轧上，铝带的厚度控制和板形的控制都已经有了突飞猛
进的进步。但是，现代化的制造业对原材料的精度要求非常高，现有的许多轧制
工艺与技术已经无法满足用户对一般铝带精度的高要求。所以需要研究设计出更
为有效的板厚板形控制工艺，从而获得更高精度要求的铝带产品。
板厚控制与拉伸弯曲矫直技术已经在带钢的生产线上广泛使用。根据金属铝
的特殊材料性能，如何使现有的生产技术更加完善并用于铝带的轧制过程中，就
非常有必要去研究了。在铝带厚度控制上，传统的 AGC 控制方法各有不足的地方，
如果引入现代智能控制方法或许就会有更为理想的控制效果。目前国内一些铝带
轧制制造厂对其拉弯矫直机组的矫直机理还未深入研究，通过对连续拉伸弯曲矫
直原理的研究，对比不同拉伸弯曲方案，优化生产工艺，可以有效提高当前铝带
轧制的生产水平，提高铝带出口的板形质量，提高国产轧机在国际上的竞争力，
改变国内铝带轧机制造厂长期向国外进口设备的现状。
§1.4 铝材的相关物理特性与力学特性
铝的密度为 2.7g/cm3，熔化温度为 660℃，汽化温度为 2060℃，与其他金属不
同点是比重小，塑性和耐蚀性高，导热和导电性高，以及反射能力强。纯铝的机
械性能在很大程度上取决于主要杂质铁、硅和铜的含量。随着这些杂质含量的增
加，其抗拉强度和屈服强度升高。
纯铝可通过冷变形而得到强化，此时，不仅可提高其抗拉强度、屈服强度和
剪切强度，而且能提高其疲劳强度。铝板材的弹性模量为 7100kg/mm2，切变模量
为2700kg/mm2，泊松比为 0.31。
铝在轧制时，整个变形区内部各点的应力状态分布是不均匀的。一般而言，
当有前后张力时，在变形区中部的铝呈三向压应力状态；在靠近入口和出口端，
由于张力的作用，铝呈一向拉应力二向压应力状态[4]，如图 1-1 所示。
摘要：

摘要目前，现有的许多轧制工艺与技术已经无法满足用户对一般铝带精度的要求。本文通过对铝带轧制过程中板厚控制与拉伸弯曲矫直技术这两个关键工艺的研究，提出了控制铝带出口厚度及平整度的新方法，并通过计算机软件进行了仿真与分析。一方面，本文根据铝带轧制厚度控制的基本理论，分析轧制过程中对出口厚度的影响因素，对比常用的AGC自动厚度控制，采用模糊PID控制方法，用MATLAB/SIMULINK软件对铝带厚度控制进行模糊PID仿真，并分析了仿真结果，优化了控制模型。另一方面，本文研究了连续拉伸弯曲矫直原理，以及铝带制造企业常用的一些铝带矫直机组的结构特点。经过分析各类常见的板形误差，选择合适的铝带板形误差的...

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作者：赵德峰 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：75 页 大小：2.68MB 格式：PDF 时间：2024-11-19

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