熱連軋圓鋼成品孔型的有限元分析

張小勇,陳 果,周家林

(1.武漢鋼鐵股份有限公司條材總廠,湖北武漢,430050;2.武漢科技大學材料與冶金學院,湖北武漢,430081)

武漢鋼鐵股份有限公司條材總廠棒材分廠(以下簡稱棒材廠)在生產φ10～φ40 mm普碳圓鋼過程中,成品機架有雙半徑圓弧和切線擴張角兩種孔型可選。根據雙半徑圓弧法設計的孔型,其成品圓度高、尺寸公差小,但圓弧擴張部位易磨損,在軋件充滿孔型時,輥縫斜線直徑會超出公差范圍;而根據切線擴張角法設計的孔型則具有作圖簡單、便于制作軋槽樣板等特點。實際生產中,由于精軋機組采用的是橢圓-圓孔型,軋件在孔型中發生復雜的三維變形,孔型前后金屬斷面差異大、軋件尺寸難以精確計算,所以兩種成品孔型的選用大多依據生產經驗。有限元仿真在材料加工與成型技術中的廣泛應用,為優化孔型設計、縮短設計時間、全面提高產品質量提供了條件[1]。

本文根據棒材廠φ16 mm圓鋼的軋制規程,應用ANSYS/LS-DYNA大變形彈塑性顯式分析動力學模塊,對終軋機架在分別采用雙半徑圓弧和切線擴張角兩種成品孔型條件下的熱連軋過程進行有限元模擬,對軋件在不同孔型中的流動規律、等效應力、應變場等進行了對比分析。

1 連軋孔型

1.1 預軋孔型

棒材廠連軋機組采用平立交替的布置方式,全線共22架軋機,分為開坯、粗軋、中軋和精軋4個機組,其中精軋機組由6架φ300 mm預應力軋機組成。在φ16 mm圓鋼生產過程中,精軋機組孔型系統選用的是圓-橢圓-圓孔型。對于終軋機架成品圓孔型,在生產過程中備有雙半徑圓弧和切線擴張角兩種孔型。但對于成品前機架,在生產過程中只備有一種孔型,即單圓弧橢圓孔型。預軋橢圓孔型的具體參數如表1所示,孔型如圖1所示。

表1 預軋橢圓孔型參數Table 1 Parameters of oval groove

圖1 φ16 mm圓鋼成品前孔型Fig.1 The groove ofφ16 mm unfinished round steel

1.2 成品孔型

在棒材廠生產φ16 mm圓鋼的兩種成品孔型中,根據雙半徑圓弧方法設計的孔型在圓弧擴張部位采用的是大半徑圓弧擴張,而根據切線擴張角法設計的孔型在圓弧擴張部位采用的是切線擴張。兩種孔型的擴張角度均為30°。成品孔型的具體參數如表2所示,孔型如圖2所示。

表2 成品孔型參數Table 2 Parameters of finished groove

圖2 φ16 mm圓鋼成品孔型Fig.2 The groove ofφ16 mm finished round steel

2 有限元模型的建立

2.1 定義模型單元和材料特性

本文模擬鋼種為45號鋼,圓鋼的成品規格為φ16 mm。根據棒材廠在該類產品生產過程中的精軋機組軋制參數建立有限元模型,具體參數如表3所示。

在軋制過程中兩種孔型的軋制條件相同,為簡化計算,可以假定軋件的溫度為1 000℃。建模時,軋件和軋輥的材料特性參數如表4所示。考慮到預軋的軋件和軋輥孔型都具有對稱性,為減少求解規模、加快求解速度,可取軋件的1/4來建立軋件模型。同時,為了節約計算時間,軋輥可按剛性輥建模,不考慮其彈性變形。但同隱式分析的軋輥表現形式不同,對剛性軋輥也要進行單元劃分[2]。

表3 軋制參數Table 3 The rule of rolling mill

表4 軋制模型中的有限元參數Table 4 Parameters of FEM in model rolling

在ANSYS前處理器中建立軋制模型,坯料和軋輥均采用SOL ID164單元進行網格劃分。機架間的軋輥間距為250 mm,定義的單元長度為5 mm,用掃掠的方法進行網格劃分[3]。劃分軋件網格時,考慮到軋件在連軋機組中要有足夠的長度才能夠穩態軋制,所以定義的軋件長度要略大于軋輥的間距,取為300 mm,并沿長度方向分成32等分,寬度和高度方向各分成32等分。因此,在建立的有限元模型中共采用了27 256個單元和32 857個節點。

模擬時,軋件以一定的初始速度向軋輥運動,進入輥縫后依靠與軋輥的接觸摩擦完成軋制過程。軋件定義為理想的彈塑性材料,軋輥與坯料之間的接觸摩擦采用庫侖摩擦模型[4],庫侖摩擦系數為

式中:μS為靜摩擦系數;μD為動摩擦系數;D為指數衰減系數;v為接觸面間的相對速度。如果D=0或v=0,則μC=μS,即庫侖摩擦系數等于靜摩擦系數。

軋件與軋輥之間的接觸定義為自動面對面接觸,設軋件為接觸面、軋輥為目標接觸面。軋件與軋輥間的靜摩擦系數設為0.3,動摩擦系數設為0.28。建立的有限元模型如圖3所示。

圖3 最后兩道次軋制圓鋼有限元模型Fig.3 FEM model of the last two processes

2.2 確定時間步長

LS-DYNA中采用的顯式中心差分法是有條件穩定的,即只有當時間步長小于臨界時間步長時才穩定[5-6]。但如果時間步長過小,又將顯著增加計算時間,所以為保證計算的穩定性,時間步長的控制十分重要。臨界時間步長可由下式確定:式中:ωmax為最大自然角頻率為單元特征長度,與網格的劃分疏密有關;C為應力波在單元中傳播的速度,對于金屬材料,C=其中,E為彈性模量ν,為泊松比ρ,為材料密度。

從式(2)中可以看出,增大材料密度可以加大時間步長,從而使計算時間縮短,這就是“質量縮放技術”。研究表明,軋件密度的大小對軋制壓力的計算結果影響很小。本文通過合適的縮放因子提高了計算效率。

3 模擬結果與分析

3.1 咬入階段

在精軋階段成品前機架17H和成品機架18V連軋過程的模擬中,圓柱形軋件前端首先進入配備橢圓孔型軋輥的水平軋機17H,經變形后進入配備圓孔型軋輥的豎直軋機18V。在軋制的開始階段,軋件與軋輥接觸后,其所承受的軋制力逐步增大,當等效應力值大于屈服應力值時,軋件就發生塑性形變。在17H軋機(橢圓孔型)和18V軋機(圓孔型)的咬入階段,軋件在孔型中的應力、應變如圖4所示。

對于水平軋機而言,在咬入階段,軋件前端的頂部和下部首先與軋輥接觸,并隨之發生變形,而軋件前端的兩側則最后與軋輥接觸,變形較小。由于是圓形軋件進入橢圓孔型,軋件頂部和下部受到的壓力較大,變形更為劇烈,所以軋件主要沿軋制方向變形而被拉伸,從而使軋件變長。而軋件芯部金屬因受到上下金屬的擠壓,則主要向兩側輥縫方向流動且變形較小。與變形前相比,變形后的軋件在高度方向被壓縮,軋件的截面變成橢圓形。對于豎直軋機而言,由于軋輥方位與水平軋機相垂直,軋件在孔型中的咬入情況與在水平軋機中的咬入情況相反。由圖4可以看出,軋件進入孔型時的仿真結果與實際軋制過程中軋件在孔型中的流動特征相符合,所以應用ANSYS/LS-D YNA對棒材連軋過程進行分析是可行的。

3.2 軋制階段

為了比較雙半徑圓弧和切線擴張角兩種成品孔型的優劣,采用相同的軋件,分別用不同的成品孔型進行了連軋過程的有限元模擬。同時,為了更好地研究軋件在孔型中的變形規律和等效應力、應變的分布情況,分別截取了軋件在不同成品孔型中的橫截面圖進行分析。在兩種成品孔型中軋件橫截面上的等效應力和等效應變分布如圖5和圖6所示。

圖6 雙半徑圓弧成品孔型中軋件的應力、應變圖Fig.6 Stress and strain of rolling piece in the dual-radius arc groove

由于成品機架采用的是豎直軋機,軋機軋輥垂直于地面放置,所以在孔型中軋件頂部和底部是塞位方向,軋件兩側是天地方向。從圖5和圖6中可以看出,穩態軋制時,軋件橫截面上的等效應力和等效應變在不同孔型中的分布是不同的。

在切線擴張角成品孔型中,軋件表面的等效應力分布不均勻,在擴張角切線部位和軋件兩側天地部位的應力比較大,而在軋輥輥縫的塞位處以及天地與切線的圓弧過渡段的應力比較小;軋件芯部的等效應力分布不均勻,在擴張角切線部位的應力比較集中,并且在塞位方向的應力大于天地方向的應力。同時,軋件表面的等效應變分布也不均勻,在擴張切線與圓弧相切部位以及天地部位的變形較大,而其余部位的變形較小。個別部位的應變比較集中,這會影響到產品的尺寸精度。

在雙半徑圓弧成品孔型中,軋件表面等效應力值分布比較均勻,除在塞位處外,其余各部位的等效應力值相等;軋件芯部在雙圓弧過渡部位的應力比較集中,并且在塞位方向的應力大于天地方向的應力。另外,軋件表面的等效應變分布比較均勻。

與切線擴張角孔型相比較,在雙半徑圓弧孔型中,軋件表面的等效應力分布較為均勻,雖然其軋件芯部在雙圓弧過渡部位的應力仍比較集中,但比切線擴張角孔型中軋件相同部位的應力集中程度要輕很多,且在天地和塞位方向其等效應力分布也更為均勻。這表明雙半徑圓弧孔型能夠改善軋件表面和芯部的應力分布,特別是對圓弧擴張部位的應力集中程度有很大的改善,軋件總體應變分布均勻。

對于同樣采用30°擴張角的兩種孔型,經過雙半徑圓弧孔型軋制的圓鋼尺寸精度和表面質量都要更優,但由于軋輥對軋件施加的應力在圓弧擴張處仍然比較集中,必然會增加軋輥軋槽在圓弧擴張部位的磨損,使軋輥軋槽表面磨損不均,進而影響到產品表面質量和尺寸精度,并縮短軋輥的使用壽命。

針對這種情況,棒材廠在現有孔型基礎上,采用了材質硬度更高的成品軋輥,從而降低了軋槽表面的磨損程度,同時也延長了軋輥孔型的使用壽命,減少了換輥頻率,節約了設備維修成本,產生了很大的經濟效益。

4 結論

(1)應用有限元方法對棒材連軋過程進行模擬分析是可行的,模擬結果與實際生產過程相吻合。

(2)對同樣采用30°擴張角的兩種孔型而言,軋件在雙半徑圓弧成品孔型中的表面受力和總體應變分布更為均勻,軋件的尺寸精度和表面質量更優。

(3)軋件在成品孔型圓弧擴張部位的應力較大,一定程度上增加了軋輥軋槽在圓弧擴張處的磨損,使軋輥軋槽表面磨損不均。采用材質硬度更高的成品軋輥,可以降低軋槽表面的磨損程度,延長軋輥孔型的使用壽命,節約生產成本。

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