厚壁鋼管張力減徑過程的變形規律研究

李熹平，林 軍

（1.浙江師范大學 工學院，浙江 金華 321004；2.山東大學 材料科學與工程學院，山東 濟南 250061）

厚壁鋼管張力減徑過程的變形規律研究

李熹平1，林 軍2

（1.浙江師范大學 工學院，浙江 金華 321004；2.山東大學 材料科學與工程學院，山東 濟南 250061）

荒管壁厚和張力系數是張力減徑工藝的重要參數，對成品鋼管質量具有直接影響。針對20機架鋼管張力減徑過程建立熱力耦合有限元模型，并選擇9種不同壁厚的鋼管進行數值模擬，得到了張力減徑過程中金屬的流動規律，研究討論了鋼管內多邊形的形成機理，總結了荒管壁厚和張力系數對張力減徑工藝的影響規律。

機械制造；鋼管；張力減徑；變形規律；熱力耦合；有限元模擬

0 引言

張力減徑工藝是在前后布置的一系列軋輥機架中對荒管進行連續軋制的過程，也是鋼管生產中的最后一道熱變形工序。在這一過程中，采用適當的孔型系列，使荒管外徑得以連續減縮，同時憑借機架系列中軋輥轉速比例的調節，可以取得預定的壁厚變化。張力減徑工藝具有軋制速度高、產品規格范圍大等優點，目前已得到廣泛應用。在張力減徑過程中，鋼管周向變形不均勻，導致鋼管內表面由圓形變為多邊形，在軋制中厚壁鋼管時，該現象尤為嚴重[1]。為了改善和消除鋼管的內多邊形缺陷，需要實時測量張力減徑過程中鋼管各個部位的應力、應變及溫度等場量，但在生產現場，測量這些數據往往比較困難且費時費力，因此利用數值模擬技術來掌握上述場量在張力減徑過程中的變化是非常必要的。為了提高產品的壁厚精度，目前國內外許多學者已經利用有限元法針對鋼管張力減徑過程的壁厚變化規律進行了大量的研究工作[2-6]，并取得了較大的進展。

導致鋼管內表面由圓形變為多邊形的因素主要有軋輥孔型、張力分布情況、荒管壁厚及軋制溫度等。本文采用基于MSC.MARC的有限元分析方法，建立了鋼管張力減徑過程的有限元熱力耦合分析模型，在其他參數相同的情況下，研究了不同壁厚鋼管的張力減徑過程，分析了鋼管內多邊形的形成機理，得到了荒管壁厚和張力系數對鋼管內多邊形程度的影響規律，可為提高產品的壁厚精度和形狀精度提供理論指導。

1 設備主要參數及熱力耦合有限元模型的建立

1.1 設備主要參數

本文在建立張力減徑有限元模型時，設定的張力減徑機組的機架個數為20，軋輥的名義直徑設定為345mm，相鄰機架間的距離為320mm，荒管的外圓直徑為180mm，成品鋼管直徑為79mm。為了研究荒管壁厚及張力系數對鋼管內多邊形的影響規律，在其他參數相同的情況下，本文選取了9種不同壁厚的荒管及對應的張力系數進行有限元模擬，其具體數值如表1所示。

表1 荒管壁厚與張力系數數值

1.2 有限元模擬模型建立

三輥張力減徑的熱力耦合有限元模型如圖1所示，軋輥設為剛性體，鋼管為彈塑性體，材料為20鋼，長度取4.8m。根據軋輥與鋼管的對稱性，將模型進行簡化，取鋼管的1/6進行計算模擬。采用8節點等參單元對網格離散，鋼管兩側對稱面上的節點位移為零。進行有限元計算分析時設定的邊界條件設定如表2所示。

表2 邊界條件

根據各機架金屬秒流量相等的原則及荒管與成品鋼管的壁厚，計算出各架軋輥的轉速，建立所需的張力模型。剛性推板推動鋼管進入第一機架后，推板停止運動，鋼管依靠軋輥摩擦進入后續機架。

2 結果分析

2.1 應力應變和溫度分析

將上述建立的有限元分析模型和設定的邊界條件分別在Marc軟件設定，獲得了壁厚17mm的鋼管軋制時的變形情況。圖2為鋼管在第10機架變形區的等效應變、等效應力和溫度分布圖。從圖中可知，鋼管產生的等效應變、等效應力以及軋制過程中的溫度分布并不均勻。在軋輥約束下，鋼管外表面產生的變形小于內表面變形；輥縫處的等效應力小于輥底處的等效應力。從鋼管的溫度分布云圖可以看出，鋼管的外表面由于與處于較低溫度的軋輥的接觸，溫度迅速下降較多；鋼管中間部分的溫度升高，但幅度不大，主要是由于鋼管變形，部分變形功轉換為熱量；鋼管內表面溫度基本不變，說明內表面通過對流和熱輻射與外界進行的能量交換較少。

2.2 成品鋼管的周向壁厚分析

本文在進行鋼管張力減徑的有限元計算過程中發現，劃分的有限單元網格產生畸變，單元節點與其徑向位置偏離較大，由此會導致在Marc自帶的后處理模塊中計算成品鋼管壁厚時會產生較大的誤差。因此，本文將有限元計算獲得的結果文件導入到CAD軟件中進行壁厚測量，能充分保證測量的準確性。鋼管周向壁厚按圖3所示位置進行測量。

圖4為本文經過計算獲得的不同壁厚的鋼管減徑后的壁厚沿周向分布圖。可以看出變形后的成品鋼管的壁厚并不一致，且都出現了內多邊形現象，壁厚越小，出現的內多邊形現象越嚴重。分析產生內多邊形的原因主要有如下3點：

（1）軋輥孔型的橢圓形狀導致張力減徑過程中金屬沿孔型圓周方向的壓下量出現差異，輥底處的壓下量較大而輥縫處壓下量較小；同時，輥底的金屬和輥縫的金屬變形時的流動方式不一樣，輥底金屬向內側流動，而輥縫金屬向外側流動。

（2）軋輥運動時，其橫截面上不同位置的線速度導致了鋼管表面的摩擦力分布不均。圖5給出了變形過程中鋼管表面的摩擦力分布云圖。從圖中可以看出，由于鋼管的線速度小于輥縫處的線速度，而大于輥底處的線速度，由此造成了摩擦力方向在輥縫位置與軋制方向相同，而在輥底位置摩擦力與軋制方向相反，并在輥縫處形成了軸向壓應力[7-9]，而在輥底處形成軸向拉應力，并且越靠近輥縫和輥底位置，摩擦引起的附加應力越大。

（3）鋼管橫截面上的溫度場分布也會對金屬的周向流動過程造成影響，從圖2（c）可以看出，橫截面上的溫度場分布不一致，使金屬變形過程中在其橫截面上流動不均勻。

2.3 荒管壁厚和張力系數對鋼管內多邊形程度的影響規律

影響成品鋼管在張力減徑過程中產生的內多邊形程度的因素較多，但一般認為荒管壁厚和張力系數起主要作用。在其他因素不變的情況下，鋼管的變形會隨著其壁厚的增加逐漸呈現不均勻現象，鋼管產生內多邊形的現象趨于嚴重；而鋼管變形不均勻的現象則會隨著張力系數的增大而逐漸趨于均勻。圖6給出了不同壁厚的荒管在張力減徑條件下,產生的不同周向壁厚方差的對比。可以看出，成品鋼管的周向壁厚方差隨著荒管的壁厚增大呈逐漸減小的趨勢。當荒管壁厚為15.5mm和16mm時,相應的,其周向壁厚方差分布達到1.04和1.05，鋼管的內多邊形程度較高。當荒管壁厚增加到16.5mm～18mm時,成品鋼管的周向壁厚方差比壁厚為15.5mm和16mm時減小了1/3；當荒管壁厚進一步增加到22mm和24mm時，其周向壁厚方差在0.14附近，說明此時鋼管壁厚分布最好。經本文作者進一步研究發現，當荒管壁厚繼續增加時，成品鋼管的壁厚并不繼續減小，因此采用張力減徑工藝生產該種型號的成品鋼管時，荒管的壁厚控制在20mm～24mm之間為宜。

3 結論

（1）通過對厚壁鋼管張力減徑過程的數值分析，分析獲得了軋輥形狀、軋輥不同截面的線速度以及鋼管的溫度場是影響鋼管壁厚不均的主要因素。

（2）通過對不同壁厚鋼管張力減徑過程的有限元模擬，分析獲得了荒管壁厚和張力系數對成形后鋼管壁厚分布不均的影響規律。結果表明，當荒管壁厚為22mm和24mm時，成形成品鋼管的周向壁厚方差在0.14左右，說明此時鋼管壁厚分布最好，成品管內表面較圓。

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Study on deformation rule during stretch reducing process of thick-wall tube

LI Xiping1,LIN Jun2
（1.College of Engineering,Zhejiang Normal University,Jinhua 321004,Zhejiang China；2.School of Materials Science and Engineering,Shandong University,Jinan 250061,Shandong China）

Initial tube thickness and tension coefficient are important parameters in stretch reducing process,which could influence the product quality directly.The thermal－mechanical coupled finite element models with nine initial tubes of different thickness have been established to simulate the process of 20－stand stretch reducing mill.The metal flow rules during the stretch reducing process and forming mechanism of internal polygon have been investigated systematically.The influence rule of initial tube thickness and tension coefficient to stretch reducing process has been summarized.

Thermal－mechanical coupling;Finite element simulation;Stretch reducing;Initial tube thickness

TG356

A

1672－0121（2012）03－0087－03

浙江省自然科學基金資助項目（Q12E050025）

2012-04-24

李熹平（1981-），男，博士，講師，從事材料塑性成形仿真及模具技術研究