大棒材軋制對孔隙性缺陷壓合的模擬方法研究

王旭林等

摘要：根據(jù)撫順特鋼大棒材軋制環(huán)節(jié)中，產(chǎn)品芯部裂縫等孔隙性缺陷現(xiàn)象進行客觀分析，結(jié)合軋件內(nèi)部孔隙分布規(guī)律，配合體積可壓合塑性有限元理論實現(xiàn)材質(zhì)密度變化狀況模擬演示。事后將試驗結(jié)果整理完全，并切實掌握軋制工藝環(huán)節(jié)中對部件芯部孔隙性缺陷壓合的影響狀況，將內(nèi)部轉(zhuǎn)化規(guī)律記錄清晰，這對于規(guī)模化的大棒材工藝技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量改進來說意義重大，并且為后期工業(yè)可靠、穩(wěn)定發(fā)展創(chuàng)造動力支持因素。

關(guān)鍵詞：相對密度；孔隙性問題；塑性有限元；大棒材；模擬方法

在型鋼軋制工程中，有關(guān)大棒材軋制技術(shù)一直受到業(yè)內(nèi)人士的廣泛重視，一方面由于其收獲顯著的經(jīng)濟效益成果，而另外就是其內(nèi)部技術(shù)缺陷長期影響成品質(zhì)量，為了盡可能消除棒材芯部孔隙性缺陷因素，需要在內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形過程中實施閉合處理，現(xiàn)有的實踐方案在完全遵循軋制工業(yè)流程的基礎(chǔ)上，配合現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬演算活動。但涉及傳統(tǒng)的有限元分析手段，其對材質(zhì)孔洞的幾何閉合適應(yīng)能力有所不足，并且伴隨材質(zhì)內(nèi)部孔洞與特征尺寸比值逐漸減小現(xiàn)象，有關(guān)求解難度將不斷提升，加上試驗研究活動普遍存在局限特征，因此完全有必要探尋某種簡單直觀的實踐驗證方法，為優(yōu)化軋制技術(shù)提供更加可靠的指導(dǎo)經(jīng)驗。

1.棒材芯部相對密度與孔隙性特征分析

鑄造環(huán)節(jié)中，實際棒材芯部產(chǎn)生的孔隙狀況呈現(xiàn)分散樣式，結(jié)合某種密度效能研究，能夠?qū)⑻囟ú课坏娜毕輭汉锨闆r完全梳理。因為材質(zhì)密度特征比較多樣，為了保證模擬動作的簡易效果，需要適當引進密度函數(shù)資料，具體表達公式為相對密度值=材料既定密度值/理想密實狀態(tài)下的密度值，其中密度單位統(tǒng)一選取為每立方米一千克。因為相對密度值的選取范圍在零和一之間，而材質(zhì)內(nèi)部孔隙特征存在，并呈現(xiàn)不斷增大趨勢，因此相對密度值一定會有所降低。這類孔隙性缺陷完全可以依照參數(shù)特征來描述，就是指軋制變形過程中響度密度增加量較多，實際材質(zhì)孔隙性壓合的質(zhì)量效果就越優(yōu)良。涉及塑性變形因素，在疏松環(huán)境下的密度變化效率可以用此類公式表示：三個主應(yīng)變增量共同產(chǎn)生的相對密度增量之和/相對密度既定值。

2.可壓縮性材料的剛塑性和棒材軋制有限元應(yīng)用模式分析

可壓縮材料在延展粉末冶金產(chǎn)品多孔塑性理念之后，配合剛塑性可壓縮有限元模型實現(xiàn)階段流程模擬演練，在每個增量步驟實施前，按照工件內(nèi)部變形情況對材質(zhì)密度效應(yīng)進行演算和更新，這類手段比較適用于高密度材料壓實要求。

為了將棒材芯部孔隙性不足對壓合的制約效果總結(jié)完整，結(jié)合鋼廠坯料固定尺寸標準對工序?qū)崿F(xiàn)簡化，其中表層相對密度定義為0.99，芯部結(jié)構(gòu)密度為0.85，借助對稱特定效應(yīng)分析，具體研究對象選取坯料的四分之一即可。軋輥按照既定剛性特征實現(xiàn)平輥向下軋制，注意其與棒材接觸摩擦模型采用剪切式類型。因為整個工業(yè)過程中存在咬入條件限制，大多數(shù)單道次相對變形量最大值不能超過既定值的三成，所以壓下量的調(diào)節(jié)必須設(shè)置在原力道的四成以下。按照上述步驟完善有限元模型搭建工藝，同時分析棒材芯部相對密度值對整個表層變化狀況的影響，最后科學(xué)總結(jié)孔隙性缺陷壓合方案。

3.模擬結(jié)果的檢驗與改進

壓下量控制是軋制工序中比較常見的調(diào)節(jié)手段，利用模擬流程獲取的棒材中心到結(jié)構(gòu)表面的相對密度值變化規(guī)律資料，能夠?qū)⒉煌夹g(shù)途徑對棒材芯部的壓實程度實現(xiàn)客觀評價，進而切實鞏固材質(zhì)內(nèi)部穩(wěn)定質(zhì)量，適當為工藝改進效果提出相關(guān)經(jīng)驗指導(dǎo)。

3.1.單道次軋制流程中，實際壓下量對芯部孔隙性缺陷壓合效果研究

為確保壓下量對棒材芯部孔隙性缺陷壓合影響得到完整梳理，有關(guān)部門決定采取單道次模式，配合遞增式壓下量轉(zhuǎn)換分別完成軋制過程模擬。試驗最后環(huán)節(jié)呈現(xiàn)出這樣一類現(xiàn)象，在單道次軋制工藝中，當壓下量越大，芯部密度值就會上升，孔隙性壓合作用就越強烈。當壓下量低于既定力道的百分之五時，棒材中心相對密度就基本沒有什么變化，當壓下量高于百分之十時，棒材中心相對密度值會呈線性增加規(guī)律，這類活動的最高極限值僅僅停留在0.93范圍之內(nèi)。

3.2.總壓下量值穩(wěn)定情況下，道次壓下量分配對芯部孔隙性缺陷壓合程度驗證

因為在軋制工序中存在明顯的咬入條件限制現(xiàn)象，正常狀況下，不同道次軋制的相對變形量的峰值不會超過百分之三十，就算壓下量適當提升，但棒材芯部相對密度不能正常提升，所以單道次的軋制技術(shù)調(diào)整始終存在局限性，這就要利用多道次軋制活動來適當補充。經(jīng)過有關(guān)試驗結(jié)果分析，在多道次軋制環(huán)境中，總壓下量既定值保持不變，棒材芯部孔隙性改善作用不僅與道次結(jié)構(gòu)相對壓下量的最大值存在聯(lián)系，同時還與其所在道次的出現(xiàn)順序息息相關(guān)。有關(guān)技術(shù)人員總結(jié)出相關(guān)規(guī)律，當相對壓下量的最大值差距情況不大時，相對壓下量最大值所在道次出現(xiàn)的次序與芯部壓合程度存在明顯影響關(guān)聯(lián)，只要有關(guān)道次排列順序越靠前，實際壓合狀態(tài)就更穩(wěn)定。這類現(xiàn)象主要是因為小壓下量軋制工序中，涉及高密度表層金屬材質(zhì)會變薄，對后續(xù)道次的控制質(zhì)量有所制約。所以，在制定模擬方案活動中，為強化芯部壓合水準，應(yīng)該盡量將軋制道次減少處理，并且增加最大相對道次的壓下量；當總壓下量與道次相對壓下量最大值比較接近時，相關(guān)道次設(shè)置應(yīng)保證靠前排列。

4.結(jié)語

經(jīng)過上述實踐經(jīng)驗補充，撫順特鋼棒材軋制工藝壓下量已經(jīng)做出合理改善，令后期產(chǎn)品芯部孔隙性缺陷問題大大減少，這個活動過程清晰地驗證了模擬方法的可靠價值和實用功效，并且適當縮減經(jīng)濟投入空間范圍，為后期規(guī)模化的生產(chǎn)活動創(chuàng)造先決條件，滿足國家機械制造事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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