接觸摩擦對H型鋼萬能軋制影響的仿真分析

孫會朝,周俊陵,許榮昌,王文生,康永林

(1.萊蕪鋼鐵集團有限公司技術研發中心,山東萊蕪,271104;2.北京科技大學材料科學與工程學院,北京,100083)

隨著我國H型鋼需求量的不斷增長,國內H型鋼產量也在不斷增加,H型鋼的品種規格得到進一步完善。隨著H型鋼軋制理論研究不斷深化,國內眾多研究者采用有限元方法對H型鋼軋制過程進行研究。朱國明等[1-4]采用彈塑性熱力耦合有限元方法,完成大型H型鋼全軋程三維熱力耦合仿真分析,并在全軋程仿真結果的基礎上,對大型H型鋼軋后殘余應力進行了仿真分析,結合仿真結果提出了控制大型H型鋼殘余應力的方法和手段;奚鐵等[5-6]借助有限元分析軟件SuperForm對H型鋼開坯軋制和萬能軋制過程進行了模擬;徐旭東等[7-8]利用有限元分析方法對H型鋼軋制和軋后冷卻過程進行二維溫度場的模擬,同時采用顯式動力學有限元分析的方法,模擬了不同變形參數下H型鋼的萬能軋制過程。

H型鋼的斷面比較復雜,軋制過程中軋件內的力場對產品的性能起決定性作用,力場直接決定成型過程,同時在力的作用下產生的變形功又會迅速引起溫度的變化。為此,本文利用ANSYS有限元軟件,以大型H型鋼生產線為基礎,采用熱力耦合彈塑性有限元方法建立萬能軋制有限元仿真分析模型,并對不同摩擦系數下的多種工況進行了仿真分析,以期為H型鋼萬能軋制提供理論依據。

1 模擬計算條件

選擇HN800 mm×300 mm連軋過程的第4連軋道次的UF道次作為研究道次。圖1為UF軋機孔型圖和軋件尺寸示意圖。表1為連軋道次的主要軋制條件。該道次軋制仿真分析的初始溫度場通過全軋程熱力耦合的方法得到,圖2為軋件斷面溫度場的分布云圖。

圖1 UF軋機孔型和軋件尺寸(mm)示意圖Fig.1 Sketch of the pass system and stock dimension of UF rollingm ill

表1 連軋道次的主要計算邊界條件Table 1 Main calculation border conditions for continuous rolling process

圖2 軋件斷面溫度場分布云圖Fig.2 Temperature distribution of stock section

2 仿真分析

2.1 工況

在H型鋼的仿真分析過程中采用庫侖摩擦,在軋制仿真過程中材料的摩擦系數對軋制力、金屬流動等均會產生影響。在熱軋過程中材料的摩擦系數一般定為0.35左右。為了針對摩擦系數對H型鋼軋制過程的影響進行研究,特人為改變摩擦系數,確定的不同工況如表2所示。

表2 不同工況下的摩擦系數Table 2 Friction coefficient of each model

2.2 X方向金屬的流動

在建立有限元模型過程中,X為腹板寬度方向,Y為翼緣寬展方向,Z為軋制方向。圖3為調整摩擦系數后各工況X方向位移的計算結果。由圖3可看出,摩擦系數的改變對H型鋼穩定軋制階段X方向的位移影響不大,其斷面整體位移分布狀態基本不變。

2.3 Y方向翼緣寬展仿真

圖4為各工況Y方向穩定軋制階段斷面節點位移云圖。由圖4可看出,摩擦系數的改變對H型鋼斷面Y方向的位移分布趨勢影響不大,但其寬展量發生明顯變化。按照翼緣寬展量和摩擦系數的關系作曲線,不難看出,隨著摩擦系數的增加,翼緣寬展量降低,且呈線性關系。

圖3 X方向位移云圖Fig.3 Contours of X-displacement

圖4 Y方向位移云圖Fig.4 Contours of Y-displacement

摩擦系數的增加,導致翼緣寬展的增大,這一點可以通過翼緣內側金屬與水平輥端部側面相接觸進行分析。在變形區內的金屬,其翼緣內側與水平輥端部側面存在接觸,水平輥的旋轉會造成翼緣部位金屬向R角方向流動,并導致腿部寬展量減少。而摩擦系數越大,金屬向R角方向流動越強,其寬展量也就越小。同時,在R角部位的翼緣內側,隨著摩擦系數的增加,向R角部位的流動越大。圖5為翼緣寬展量和摩擦系數之間的關系曲線。

圖5 摩擦系數與翼緣寬展量的關系Fig.5 Relationship between friction coefficient and flange spreading

2.4 前后滑

圖6為不同摩擦系數下穩定軋制階段變形區內部金屬在軋制方向節點速度的等值面云圖。由圖6可看出,隨著摩擦系數的逐漸增加,前滑區域逐漸增大。同時,隨著摩擦系數的減小,前滑區首先從腹板中心部位開始減小,并向腿腰連接部位逐漸收縮。因此,H型鋼腹板和翼緣是一個整體,不能單獨考慮。

圖6 變形區內軋制方向節點速度等值面云圖Fig.6 Isosurface contours of node velocity along rolling direction

2.5 軋制力仿真

圖7 不同摩擦系數下水平輥軋制力的變化曲線

Fig.7 Rolling force curve of horizontal roller

圖8 不同摩擦系數下立輥軋制力的變化曲線Fig.8 Rolling force curve of vertical roller

圖9 摩擦系數對水平輥軋制力的影響Fig.9 Effect of friction coefficient on rolling force of horizontal roller

提取不同摩擦系數下的軋制力進行仿真,仿真結果如圖7、圖8所示。由圖7、圖8可看出,隨著摩擦系數的增加,無論水平輥軋制力還是立輥軋制力,均明顯增強,但軋制力曲線形狀仍舊保持原來的狀態。圖9、圖10為不同摩擦系數下穩定軋制階段水平輥和立輥軋制力的變化曲線。由圖9、圖10可看出,穩定軋制階段水平輥和立輥軋制力與摩擦系數呈正比,即摩擦系數越大,穩定軋制階段水平輥和立輥軋制力越大。

圖10 摩擦系數對立輥軋制力的影響Fig.10 Effect of friction coefficien t on rolling force of vertical roller

3 結論

(1)摩擦系數的改變對H型鋼斷面Y方向的位移分布趨勢影響不大,但其寬展量發生明顯變化。

(2)隨著摩擦系數的逐漸增加,前滑區域逐漸增大。

(3)隨著摩擦系數的增加,無論水平輥軋制力還是立輥軋制力,均明顯增強。

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