純銅棒材三輥螺旋軋制過程數值模擬

張宏軒，王瑞雪，謝君賢，程 明,3

（1.中國科學院 金屬研究所，遼寧 沈陽 110016；2.廣東冠邦科技有限公司，廣東 佛山 528311；3.廣東精藝金屬股份有限公司，廣東 佛山 528311）

純銅棒材三輥螺旋軋制過程數值模擬

張宏軒1，王瑞雪1，謝君賢2，程 明1,3

（1.中國科學院 金屬研究所，遼寧 沈陽 110016；2.廣東冠邦科技有限公司，廣東 佛山 528311；3.廣東精藝金屬股份有限公司，廣東 佛山 528311）

三輥螺旋軋機適合于多品種、小批量、難變形材料的小尺寸管棒材開坯。通過對三輥螺旋軋制輥形設計和軋制過程進行研究，根據軋輥輥形計算方程，獲得三輥螺旋軋機軋輥各段輥形參數。采用Simufact. Forming軟件模擬了純銅棒材三輥螺旋軋制過程。結果顯示，純銅棒材在三輥螺旋軋制過程中的變形規律為圓形—三角形—圓形的連續過程，軋件在變形段溫度可達360℃左右，在軋輥與軋件接觸區域內的最大應力為590MPa，最大等效塑性應變為3.8。軋輥在Z軸方向上所受最大載荷為43kN，而在X、Y軸方向上的最大載荷為350kN。Z方向的軸向力有助于銅棒的軸向咬入和拋出，X、Y方向的徑向力主要起到減徑和定徑的作用。

三輥螺旋軋制；輥形；純銅棒材；軋制力；數值模擬

1 引言

近二十年來，水平連鑄-行星軋制的生產方法在制冷空調用管的生產上取得了可喜的成果，生產效率、綜合成品率等指標都有了較大幅度的提高，而制造成本和綜合能耗有所下降，而且水平連鑄更換合金牌號困難，適用于具有較大產量的規模化生產，而對于多牌號、小規模的產品可能會得不償失。此外，由于該生產方式生產設備和工藝技術的限制，所能生產的產品規格受到一定的局限。

針對于三輥行星軋機的復雜結構與運動特征，三輥螺旋軋機更適合于多品種、小批量、難變形材料的小尺寸管棒材開坯。與傳統的擠壓法相比，加工效率和生產成本具有顯著優勢。目前市場上對一些多規格、小批量棒材的需求，為這種軋機的推廣提供了市場機會。但國內外關于三輥螺旋軋制這項技術的研究還不多［1］。因此，本文通過數值模擬的方法來對這一軋制過程進行研究，探討其中的工藝規律。

2 三輥螺旋軋輥輥形設計

［2］中介紹的斜軋軋輥輥形計算方程和文獻［3］提出的輥形設計流程，用Matlab設計程序求解軋輥的各段輥形曲線，如圖1所示。結合文獻［4-5］給出的以直線相連的三輥螺旋軋制輥形的基本尺寸（螺旋角16.5°、后錐角3°、軋輥長度105mm、軋輥最大直徑114mm、均整段長度66mm）。通過模擬試軋，獲得以弧線相連的三輥螺旋軋制軋輥輥形尺寸，如圖2所示。這與文獻［6］設計的三輥斜軋機輥形類似，可用于進一步的數值模擬計算。

圖1 軋輥各段輥形曲線

圖2 弧線相連的三輥螺旋軋輥輥形

3 三輥螺旋軋制的有限元模型建立及參數優化

3.1 軋輥及坯料有限元模型的建立

三輥螺旋軋機模型主要由三個120°平均分布的軋輥、棒坯、喂料小車與套管構成，如圖3所示。模型中考慮到了軋輥自身軸線與棒坯軸線調整形成旋轉角α和傾斜角β，如圖4所示。

圖3 三輥螺旋軋制空間模型

圖4 旋轉角α和傾斜角β示意圖

坯料頭部采用錐形方便咬入。在Simufact中，除坯料外，模具默認H13模具鋼，剛性體。套管在實際中不存在，模擬仿真時棒坯長度遠小于實際軋制長度，故需對棒坯進行徑向支撐與約束。截取棒坯長度120mm，直徑50mm。軋輥的剪切摩擦摩擦系數0.95，套管摩擦系數0.01。軋輥轉速50r/min，喂料小車速度40mm/s。初始溫度20℃，工件和軋輥間熱傳導系數401W/（m2·K），工件和環境間熱輻射與熱對流系數0.25。軋制材料模型選取材料庫自帶的銅材料AISI為C11000。

3.2 三輥螺旋軋輥輥形參數優化

三輥軋機軋輥的輥形和傾斜角α、螺旋角β、棒材初始直徑和成品直徑相關。

圖5為初選螺旋角β=18°［2］、棒料初始直徑50mm、不同傾斜角和斷面縮減率的模擬軋制過程，由圖可見，傾斜角α=14°斷面縮減率50%時，軋件不能軋出，其他兩種參數都可以順利軋制，考慮到效率情況，選取傾斜角α=10.5°斷面縮減率40%。

圖5 不同傾斜角和斷面縮減率的模擬結果

在傾斜角α=10.5°、斷面縮減率40%和不同螺旋角的條件下模擬軋制過程，圖6為在不同螺旋角下，分析同一橫截面上等效應力、應變沿徑向分布的情況，可以看出，等效應力和等效應變隨著螺旋角的加大而增大。雖然增大螺旋角會使變形抗力增加，但由于三輥軋制時，坯料容易出現心部疏松，所以適當增大螺旋角，有助于改善軋件心部組織。表1為不同螺旋角所對應的平均扭矩值，可以看出，軋輥的扭矩隨著螺旋角的增加而增大，三輥螺旋軋制過程中，軋件的一次軋制壓下量較大，軋機工作時承受的載荷較大，為降低軋輥扭矩和軋機功率，所以要選取相對較小的螺旋角。綜上所述，三輥螺旋軋機在設計中應該選擇合理的螺旋角，過大會降低軋輥使用壽命，過小又不利于改善心部組織。本文根據模擬結果分析選擇螺旋角β=18°。

圖6 螺旋角對應力、應變的影響

表1 不同螺旋角所對應的平均扭矩值

4 純銅棒材三輥螺旋軋制模擬結果分析

模擬的具體工況參數與上一節相同，圖7和圖8三輥螺旋軋制的等效應力、等效應變分布圖，可以看出，等效應力在接觸區由外向內逐漸減小，變形慢慢滲透到金屬的芯部，在接觸中心應力達到最大，為590MPa（圖7）；變形區會隨著軋輥的轉動而在圓周方向移動，應變云圖分布形狀與三角形相似，最大應變為3.8（圖8）。

圖7 等效應力分布圖

圖8 等效應變分布圖

圖9為軋輥的軋制力變化情況，可以看出，軋輥在Z軸方向上所受最大軋制力為43kN，見圖9（a），在X、Y軸方向上的最大軋制力為350kN，見圖9（b），（c）。Z方向的軸向力有助于銅棒的軸向咬入和拋出，X、Y方向的徑向力主要起到減徑和定徑的作用，對設備剛度和軋輥材料提出一定的要求。

圖9 軋輥各個方向的軋制力變化情況

圖10為模擬軋制過程中溫度場的變化情況。隨著棒坯被咬入減徑后，由于變形熱以及摩擦的作用，棒坯溫度逐漸上升；當通過集中變形段時，在軋輥輥縫的集中變形段溫度可達360℃左右，在集中變形段溫度的升高為充分的動態再結晶的發生創造了重要的條件。

圖10 純銅棒材溫度場分布圖

圖11為不同位置截面形狀的變化情況。可以觀察到，純銅銅棒經歷了從棒坯開始咬入、減徑、平整直到軋出的過程，棒坯的形狀從圓形—三角形－圓形的順序不斷循環。在棒坯被軋輥咬入之后，受到徑向的軋制力作用壓縮減徑，初步的形成一個接近三角形的斷面（圖11B），當棒坯達到輥縫最小的軋輥變形區后，棒材被強制性減徑，此時變形最大，出現三角形壓扁（圖11C）。隨后經過均整段，軋輥母線近似的平行于棒坯的軸線，此時棒坯受力均勻，橫向變形加劇，三角形壓扁逐漸消失（圖11D）。

圖11 不同位置截面形狀變化

5 結論

本文利用Matlab計算三輥行星軋機軋輥的各段輥形，通過數值模擬獲得優化的輥形參數。通過對純銅棒材三輥螺旋軋制變形過程的模擬分析，得到以下結果：

（1）確定采用的三輥螺旋軋制軋輥傾斜角α=10.5°、螺旋角β=18°、軋輥長度120mm、后錐角5°、最大直徑119mm。

（2）純銅棒材在三輥螺旋軋制過程中的變形規律為圓形－三角形－圓形的連續過程，在軋輥輥縫的集中變形段溫度可達360℃左右，超過材料的再結晶溫度，能夠有效細化晶粒，提高軋件性能。

（3）在模擬軋制過程中，在軋輥與軋件接觸的區域內，軋件的最大應力為590MPa，最大等效塑性應變為3.8。軋輥在Z軸方向上所受最大載荷為43kN，而在X、Y軸方向上的最大軋制力為350kN。Z方向的軸向力有助于銅棒的軸向咬入和拋出，X、Y方向的徑向力主要起到減徑和定徑的作用，對設備剛度和軋輥材料提出一定的要求。

參考文獻：

［1］李臻熙, 郝夢一. 國內首臺中型高精度三輥螺旋軋機試制成功并通過驗收[J]. 材料工程, 2012(1):98.

［2］朱之超, 王鋼, 趙文. 行星斜軋管機的輥形設計及實驗研究[J]. 鋼管技術, 1983(4):1-19.

［3］郭佛印, 郭琳. 基于VB語言的三輥行星軋機軋輥精整段曲線的設計[J]. 有色金屬加工, 2012, 41(6):39-41.

［4］張新旺. 三輥螺旋軋制成形數值模擬與實驗研究[D]. 機械科學研究總院, 2011:15-22.

［5］陸文林, 張新旺, 吳曉煒, 等. 三輥螺旋軋機軋輥參數[J]. 塑性工程學報, 2013, 20(2):40-43.

［6］李振學, 姚東紅. 三輥斜軋過程數值模擬與實驗對比研究[J]. 精密成形工程, 2011, 4(2):36-39.

Numerical Simulation on Three-roll Helical Rolling Process of Pure Copper Bar

ZHANG Hong-xuan1,WANG Rui-xue1, XIE Jun-xian2, CHENG Ming1,3
（1. Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, Liaoning, China; 2. Guangdong Guanbang Co. Ltd., Foshan 528311, Guangdong, China; 3. Guangdong Jingyi Metal Co. Ltd., Foshan 528311, Guangdong, China）

The three-roll helical rolling mill is suitable for breaking down pipe and rod that is for the material of varieties, small batch and difficult deformation. The roller profile design and rolling process of the three-roll helical rolling mill is investigated in the paper. The calculation equation of roller profile design is established and programmed by Matlab software. After the optimized parameters of the roller profile is obtained, the three-roll helical rolling process is investigated by using Simufact.Forming finite element simulation software. During the three-roll helical rolling process, the cross sections of the pure copper bar start from circle to triangle and then back to circle. And the highest temperature of the deformed billet increases to around 360℃. The maximum stress and strain in the contact area of the roller and billet is about 590MPa and 3.8 respectively. The maximum load along the Z axis of rollers is 43kN. The maximum load along the X and Y axis of rollers is around 350kN. The force in Z axis is contributed to nipping and throwing of the copper bar. The force in X and Y axisis mainly helpful to the diameter reducing and sizing of the bar.

three-roll helical rolling；roller profile；pure copper bar；rolling force；numerical simulation

TG339

A

1009-3842（2016）06-0015-04

2016-07-01

張宏軒（1993-），男，遼寧丹東人，碩士研究生，研究方向為管棒材軋制技術。E-mail: 747839116@qq.com