冷轧工作辊是带钢生产过程中的重要部件,对成品带钢的表面质量和表面性能具有决定性作用。随着高档汽车和家电面板对表面质量要求的不断提高,工作辊表面形貌的演变规律受到了空前的重视。但研究手段主要基于现场测试与数理统计,得到的半理论半经验模型缺乏基础性理论支撑;工作辊表面形貌的磨损与衰减只是基于轧制工艺参数的经验性预估,演变过程难以有效预测。本文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过程及规律进行了研究。从工作辊表面形貌的测量与表征入手,研究了轧制界面微观复杂的力学耦合行为,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,分析了工作辊表面形貌的演变规律;最后基于仿真理论搭建了冷轧工作辊表面形貌的预测系统,研究了工作辊表面形貌的演变过程,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特性,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,主要研究工作及成果体现为以下几个方面:(1)跟踪测量与表征了生产现场所用电火花毛化工作辊的表面形貌。初步分析了冷轧工作辊表面形貌的演变规律。基于实测的初始表面形貌特征,仿制了工作辊和带钢的表面形貌样件,并利用白光干涉仪对样件的三维表面形貌进行了测量,为轧制界面混合润滑及动态演变特性分析奠定了基础。针对工作辊及带钢表面高斯滤波中线或中面确定过程中存在的边缘效应,提出了相似轮廓拓延法,有效抑制了直接卷积算法和快速Fourier变换算法实现高斯滤波过程中的边缘效应,增加了边缘数据的可靠性。(2)以电火花毛化工作辊表面形貌为初始条件,综合考虑实际生产中的材料特性及轧制工艺参数,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中三维点接触确定性混合润滑微观模型,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了压力分布信息。(3)结合轧制过程中工作辊表面形貌磨损的现场实测结果以及物理机制,采用元胞自动机方法建立了表面微观形貌磨损过程的动态仿真模型。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验证了模型的有效性。最后对工作辊表面形貌和表征参数的演变规律进行了分析,为工作辊表面形貌的预测奠定基础。(4)在工作辊表面形貌磨损理论的基础上,搭建工作辊表面形貌的预测系统,对轧制过程中工作辊表面形貌的演变过程进行了有效的预测,并分析得到了工作辊服役期内工作辊表面形貌的演变过程,为生产过程中工作辊及带钢表面形貌的控制提供基础。