轧制界面复杂力学行为与轧辊表面形貌演变机理

The principals and rules of wear of the roll textured surface are the key point of accurately controlling the strip surface topography. However, current research work on the wear and attenuating law of the roll textured surface topography still rely on semi-empirical model which based on industrial testing and mathematical statistics, the study of wear mechanism of the roll microtopography has no breakthrough. The project aims at the changing process of roll surface topography, considering the complex micromechanics of rolling interface, employing the method combined with experiments, theoretical analyses and numerical simulation. With these measures, the model for mixed lubrication with three-dimensional asperities in rolling contacts and the surface topography wear model based on the cellular automata can be established. Then, they can be used to analyse and forecast the roll surface topography wear process under different conditions, and also can reveal the attenuation mechanism of textured roll surface topography under the combined effects of friction, wear and lubrication. Finally the models can help us derive the general rules of the roll surface topography. The research will build up a theoretical foundation for the roll surface topography of the wear-resistant design and process control, and the basic scientific theoretical system of the strip surface topography control and modern strip rolling theory will be further perfected.

轧辊表面形貌演变机理及规律预测是精确控制带钢表面形貌的关键科学问题，目前对于轧辊表面形貌磨损和衰减规律的研究仍为基于现场测试与数理统计的半理论半经验模型，轧辊微观形貌磨损机理模型的建立与研究工作尚未取得突破性进展。本项目拟针对轧辊表面形貌的变化过程，从轧制界面微观复杂的力学耦合行为入手，采用实验、理论研究和数值模拟相结合的方法，建立能反应真实轧辊粗糙表面与带钢接触状态的确定性三维微观混合润滑模型，及基于元胞自动机的轧辊表面形貌磨损模型，实现对不同工况下轧辊表面形貌磨损过程的分析和预测，以揭示在摩擦、磨损、润滑的综合作用下，毛化轧辊表面形貌的衰减机理，总结轧辊表面形貌变化的一般规律，为轧辊表面形貌的耐磨损设计与过程控制奠定理论基础。从而进一步完善带钢表面形貌控制基础科学理论体系，丰富现代板带轧制理论与技术。

采用工业生产现场测试、理论分析、实验室试验和数值模拟等相结合的方法，对冷轧界面微观复杂力学行为作用下工作辊表面形貌的演变规律进行了研究。从轧制界面微观复杂的力学耦合行为入手，建立了综合考虑摩擦、磨损、润滑在内的三维点接触确定性混合润滑微观模型，分析了微观接触区域油膜厚度及接触压力的分布；在此基础上建立了基于元胞自动机的工作辊表面微观形貌磨损过程的动态仿真模型，分析工作辊表面形貌的演变过程；最后基于仿真规律与实测数据建立冷轧工作辊表面形貌的预测模型，研究了工作辊表面形貌的演变规律，揭示了在摩擦、磨损、润滑的综合作用下，毛化工作辊表面形貌的衰减机理，为轧制过程中工作辊表面形貌的耐磨损设计与过程控制奠定了较好的理论基础，进一步完善了带钢表面形貌控制基础科学理论体系。.具体研究内容及成果主要包括：.（1）以电火花毛化工作辊表面形貌为初始条件，开展了轧制过程中轧制界面润滑状态的研究。根据混合润滑理论，采用有限元方法建立了轧制过程确定性三维微观混合润滑模型，计算了轧制接触区的油膜厚度和接触压力分布，为后续工作辊表面形貌动态磨损模型的建立提供压力分布信息。.（2）以现场使用的轧辊钢（9Cr2Mo）和Q345轧件为典型研究材料，利用MRH-3高速环块磨损试验机确定了工作辊表面粗糙度衰减的主要影响因素及其主要影响规律，并为轧制界面的确定性混合润滑模型和后续动态仿真模型提供验证。.（3）在 Archard 磨损模型基础上采用元胞自动机方法建立表面微观形貌的磨损过程动态特征模型，对工作辊表面轮廓和粗糙度参数的衰减规律进行了分析，为工作辊表面形貌的预测奠定基础。.（4）基于所建立的微观混合润滑模型和元胞自动机磨损模型，建立了工作辊表面粗糙度衰减过程的数学模型，实现轧辊微观表面形貌的预报，并分析得到工作辊服役期内工作辊表面形貌的演变机理与规律。