厚壁鋼管張力減徑過程的變形規(guī)律研究

李熹平，林 軍

（1.浙江師范大學(xué) 工學(xué)院，浙江 金華 321004；2.山東大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061）

厚壁鋼管張力減徑過程的變形規(guī)律研究

李熹平1，林 軍2

（1.浙江師范大學(xué) 工學(xué)院，浙江 金華 321004；2.山東大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061）

荒管壁厚和張力系數(shù)是張力減徑工藝的重要參數(shù)，對成品鋼管質(zhì)量具有直接影響。針對20機(jī)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(jìn)行數(shù)值模擬，得到了張力減徑過程中金屬的流動(dòng)規(guī)律，研究討論了鋼管內(nèi)多邊形的形成機(jī)理，總結(jié)了荒管壁厚和張力系數(shù)對張力減徑工藝的影響規(guī)律。

機(jī)械制造；鋼管；張力減徑；變形規(guī)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(jī)架中對荒管進(jìn)行連續(xù)軋制的過程，也是鋼管生產(chǎn)中的最后一道熱變形工序。在這一過程中，采用適當(dāng)?shù)目仔拖盗校够墓芡鈴降靡赃B續(xù)減縮，同時(shí)憑借機(jī)架系列中軋輥轉(zhuǎn)速比例的調(diào)節(jié)，可以取得預(yù)定的壁厚變化。張力減徑工藝具有軋制速度高、產(chǎn)品規(guī)格范圍大等優(yōu)點(diǎn)，目前已得到廣泛應(yīng)用。在張力減徑過程中，鋼管周向變形不均勻，導(dǎo)致鋼管內(nèi)表面由圓形變?yōu)槎噙呅危谲堉浦泻癖阡摴軙r(shí)，該現(xiàn)象尤為嚴(yán)重[1]。為了改善和消除鋼管的內(nèi)多邊形缺陷，需要實(shí)時(shí)測量張力減徑過程中鋼管各個(gè)部位的應(yīng)力、應(yīng)變及溫度等場量，但在生產(chǎn)現(xiàn)場，測量這些數(shù)據(jù)往往比較困難且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此利用數(shù)值模擬技術(shù)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(chǎn)品的壁厚精度，目前國內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)利用有限元法針對鋼管張力減徑過程的壁厚變化規(guī)律進(jìn)行了大量的研究工作[2-6]，并取得了較大的進(jìn)展。

導(dǎo)致鋼管內(nèi)表面由圓形變?yōu)槎噙呅蔚囊蛩刂饕熊堓伩仔汀埩Ψ植记闆r、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(shù)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(nèi)多邊形的形成機(jī)理，得到了荒管壁厚和張力系數(shù)對鋼管內(nèi)多邊形程度的影響規(guī)律，可為提高產(chǎn)品的壁厚精度和形狀精度提供理論指導(dǎo)。

1 設(shè)備主要參數(shù)及熱力耦合有限元模型的建立

1.1 設(shè)備主要參數(shù)

本文在建立張力減徑有限元模型時(shí)，設(shè)定的張力減徑機(jī)組的機(jī)架個(gè)數(shù)為20，軋輥的名義直徑設(shè)定為345mm，相鄰機(jī)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(shù)對鋼管內(nèi)多邊形的影響規(guī)律，在其他參數(shù)相同的情況下，本文選取了9種不同壁厚的荒管及對應(yīng)的張力系數(shù)進(jìn)行有限元模擬，其具體數(shù)值如表1所示。

表1 荒管壁厚與張力系數(shù)數(shù)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(shè)為剛性體，鋼管為彈塑性體，材料為20鋼，長度取4.8m。根據(jù)軋輥與鋼管的對稱性，將模型進(jìn)行簡化，取鋼管的1/6進(jìn)行計(jì)算模擬。采用8節(jié)點(diǎn)等參單元對網(wǎng)格離散，鋼管兩側(cè)對稱面上的節(jié)點(diǎn)位移為零。進(jìn)行有限元計(jì)算分析時(shí)設(shè)定的邊界條件設(shè)定如表2所示。

表2 邊界條件

根據(jù)各機(jī)架金屬秒流量相等的原則及荒管與成品鋼管的壁厚，計(jì)算出各架軋輥的轉(zhuǎn)速，建立所需的張力模型。剛性推板推動(dòng)鋼管進(jìn)入第一機(jī)架后，推板停止運(yùn)動(dòng)，鋼管依靠軋輥摩擦進(jìn)入后續(xù)機(jī)架。

2 結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力應(yīng)變和溫度分析

將上述建立的有限元分析模型和設(shè)定的邊界條件分別在Marc軟件設(shè)定，獲得了壁厚17mm的鋼管軋制時(shí)的變形情況。圖2為鋼管在第10機(jī)架變形區(qū)的等效應(yīng)變、等效應(yīng)力和溫度分布圖。從圖中可知，鋼管產(chǎn)生的等效應(yīng)變、等效應(yīng)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(chǎn)生的變形小于內(nèi)表面變形；輥縫處的等效應(yīng)力小于輥底處的等效應(yīng)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(zhuǎn)換為熱量；鋼管內(nèi)表面溫度基本不變，說明內(nèi)表面通過對流和熱輻射與外界進(jìn)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(jìn)行鋼管張力減徑的有限元計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)，劃分的有限單元網(wǎng)格產(chǎn)生畸變，單元節(jié)點(diǎn)與其徑向位置偏離較大，由此會(huì)導(dǎo)致在Marc自帶的后處理模塊中計(jì)算成品鋼管壁厚時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。因此，本文將有限元計(jì)算獲得的結(jié)果文件導(dǎo)入到CAD軟件中進(jìn)行壁厚測量，能充分保證測量的準(zhǔn)確性。鋼管周向壁厚按圖3所示位置進(jìn)行測量。

圖4為本文經(jīng)過計(jì)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(xiàn)了內(nèi)多邊形現(xiàn)象，壁厚越小，出現(xiàn)的內(nèi)多邊形現(xiàn)象越嚴(yán)重。分析產(chǎn)生內(nèi)多邊形的原因主要有如下3點(diǎn)：

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

（2）軋輥運(yùn)動(dòng)時(shí)，其橫截面上不同位置的線速度導(dǎo)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(yīng)力[7-9]，而在輥底處形成軸向拉應(yīng)力，并且越靠近輥縫和輥底位置，摩擦引起的附加應(yīng)力越大。

（3）鋼管橫截面上的溫度場分布也會(huì)對金屬的周向流動(dòng)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(dòng)不均勻。

2.3 荒管壁厚和張力系數(shù)對鋼管內(nèi)多邊形程度的影響規(guī)律

影響成品鋼管在張力減徑過程中產(chǎn)生的內(nèi)多邊形程度的因素較多，但一般認(rèn)為荒管壁厚和張力系數(shù)起主要作用。在其他因素不變的情況下，鋼管的變形會(huì)隨著其壁厚的增加逐漸呈現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，鋼管產(chǎn)生內(nèi)多邊形的現(xiàn)象趨于嚴(yán)重；而鋼管變形不均勻的現(xiàn)象則會(huì)隨著張力系數(shù)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(chǎn)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(dāng)荒管壁厚為15.5mm和16mm時(shí),相應(yīng)的,其周向壁厚方差分布達(dá)到1.04和1.05，鋼管的內(nèi)多邊形程度較高。當(dāng)荒管壁厚增加到16.5mm～18mm時(shí),成品鋼管的周向壁厚方差比壁厚為15.5mm和16mm時(shí)減小了1/3；當(dāng)荒管壁厚進(jìn)一步增加到22mm和24mm時(shí)，其周向壁厚方差在0.14附近，說明此時(shí)鋼管壁厚分布最好。經(jīng)本文作者進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)荒管壁厚繼續(xù)增加時(shí)，成品鋼管的壁厚并不繼續(xù)減小，因此采用張力減徑工藝生產(chǎn)該種型號的成品鋼管時(shí)，荒管的壁厚控制在20mm～24mm之間為宜。

3 結(jié)論

（1）通過對厚壁鋼管張力減徑過程的數(shù)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(shù)對成形后鋼管壁厚分布不均的影響規(guī)律。結(jié)果表明，當(dāng)荒管壁厚為22mm和24mm時(shí)，成形成品鋼管的周向壁厚方差在0.14左右，說明此時(shí)鋼管壁厚分布最好，成品管內(nèi)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(xué)基金資助項(xiàng)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(shù)研究