全浮動芯棒摩擦對鋼管壁厚均勻性影響的有限元分析

摘 要：全浮動芯棒連軋過程中，芯棒因不受控制，處于自由浮動狀態；與之相鄰的鋼管的受力狀態、變形情況等和二者之間的摩擦力密切相關。文章利用商用有限元軟件SuperForm建立的有限元模型，著重研究了不同芯棒摩擦條件對鋼管壁厚均勻性的影響。周向上，荒管外徑呈“V”字形分布，而壁厚呈“M”字形分布；縱向上，荒管外徑、壁厚均隨芯棒摩擦系數的增大而增大。

關鍵詞：全浮動；摩擦；芯棒；壁厚

中圖分類號：TG335 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）27-0008-03

1 有限元模型的建立

金屬塑性加工中，工具與工件的接觸面上要發生相對滑動或有相對滑動的趨勢，于是，在此接觸面上就存在阻礙這種滑動的摩擦[1-3]。由于芯棒的速度不斷變化，再加上芯棒和毛管各處的表面狀況、潤滑狀況不盡相同，因此實際上的芯棒摩擦系數在整個連軋過程中是變化的。根據寶鋼“竹節”攻關組測得的數據，芯棒摩擦系數一般在0.06～0.14之間波動[4]。趙志毅等對寶山鋼鐵股份有限公司的全浮動芯棒連軋管機組各機架軋制壓力、芯棒運動速度等一系列參數進行了綜合測試，分析了軋件與芯棒間的摩擦狀態，并推算出兩者間在各機架處的摩擦系數（為0.033～0.074）[5]，該系數沿軋制方向呈增大的趨勢。作者綜合兩家意見，取芯棒與毛管間摩擦系數為0.03、0.07、0.11，分三組實驗，研究不同芯棒摩擦系數的對荒管壁厚均勻性的影響。實驗方案如表1所示：

本實驗模型基于寶鋼Φ140mm全浮動芯棒連軋管機組的Φ195mm孔型參數，由Φ218mm×18.75mm規格的毛管，軋制Φ195mm×10.25mm規格的荒管[6]。毛管長度選取時，根據毛管橫截面面積和荒管橫截面面積之比，即總的延伸系數？滋總=1.9，一方面要考慮保證軋件能夠通過穩定軋制區，另一方面也要考慮縮短計算時間，這里取L=1800mm，兩輥間距為300mm。軋輥與毛管之間摩擦系數，根據寶鋼現場生產數據設置為0.3；芯棒直徑Dd=171.5mm。模擬的其他工藝參數基于現場實測的數據參見表2。由于連軋過程變形具有對稱性，故只研究毛管橫截面的1/4即可[7-11]。網格劃分采用8節點6面體等參單元，橫截面上32個單元，長度上劃分190個單元，單元間距約9.5mm，共計6080個單元，連軋過程的有限元模型如圖1所示，模擬CPU時間約一天。

2 不同芯棒摩擦系數對荒管尺寸精度的影響

在建立模型時，沿毛管縱向上每隔三層單元作一橫向切片（單元集合），模擬結束時，從結果文件中提取出所作的切片，利用SuperForm中的相關命令將各切片單元轉化為外輪廓線；然后再利用SuperForm與CAD接口，將各切片的外輪廓線導出為.DWG文件；利用CAD方便快捷的測量荒管的壁厚與外徑[12]。荒管外徑及壁厚的CAD測量圖如圖2所示。

2.1 某一芯棒摩擦系數時不同角度壁厚沿縱向的分布情況

圖3是芯棒摩擦系數為0.07時，不同角度的壁厚沿荒管縱向的分布情況。由圖可以看出，荒管壁厚橫向上分布極不均勻，30°及60°方向上的壁厚最厚，0°及90°方向上的壁厚最薄，兩者之差約達到了0.4mm，是名義10.25mm壁厚的4%。可見，在孔型優化時注意增大側壁區30°及60°方向上的壓下量、減小孔頂壓下量，以獲得橫向壁厚更加均勻的荒管。

2.2 不同摩擦系數時壁厚及外徑的周向分布情況

圖4為芯棒摩擦系數分別為0.03、0.07以及0.11時，荒管長度1/2處的切片的外徑沿1/4橫截面周向的分布情況。由圖可以看出，在某一芯棒摩擦系數時，荒管外徑沿橫截面周向分布是不均勻的：從孔頂到輥縫處是先減小后增大的，45°側壁區的荒管外徑最小，即呈“V”字形分布，且這一趨勢隨著摩擦系數的增大愈發明顯。這是因為連軋機組為兩輥平立交錯布置的，在徑向上0°或者90°方向上的金屬僅發生4次壓縮變形，而45°側壁區金屬累計受軋輥的8次輾壓變形；且最后一機架雖然是圓孔型，但是仍然存在孔型開口，這就使得在45°側壁區荒管外徑最小，而0°或者90°方向上荒管外徑存在最大值。由圖還可以看出，以45°側壁區為分界線，荒管外徑分別隨著摩擦系數的增大而減小、隨著摩擦系數的增大而增大。

圖5為摩擦系數分別為0.03、0.07以及0.11時，荒管長度1/2處的切片的壁厚沿荒管1/4橫截面周向的分布情況。由圖可以看出：（1）某一摩擦系數下，荒管壁厚沿橫截面周向分布是不均勻的：從孔頂（輥縫）到45°側壁區先增大再減小，從45°側壁區到輥縫（孔頂）也是先增大再減小，在45°側壁區有一個極小值，壁厚整體分布趨勢為“M”型。這是因為孔型周向壓下不均，各機架從孔頂至輥縫處徑向壓下量逐漸減小，8機架連軋結果就是孔頂（0°和90°方向上）荒管壁厚較小；而45°側壁區經過8機架累積壓下量較大，荒管壁厚在此處出現一個極小值。（2）雖然荒管壁厚平均值是隨著芯棒摩擦系數的增大而增大的，但是荒管橫向壁厚絕對值、橫向壁厚相對值是基本保持不變的（橫向壁厚絕對值約為0.3mm、橫向壁厚相對值約為2.9%）。

2.3 不同摩擦系數時壁厚及外徑的縱向分布情況

圖6為摩擦系數分別為0.03、0.07以及0.11時，荒管外徑沿縱向分布情況。由圖可以看出，在某一芯棒摩擦系數下，荒管的外徑沿鋼管縱向從頭至尾是逐漸增大的。這可能是由于連軋過程中鋼管的溫度降低，塑性變差，變形抗力增大，外徑隨之增大[13-15]。由圖還可以看出，隨著摩擦系數的增大，荒管外徑在縱向上也是增大的。

圖7為摩擦系數分別為0.03、0.07以及0.11時，荒管壁厚沿縱向分布情況。可以看出，荒管壁厚在縱向上分布也是不均勻的，從頭至尾沿荒管縱向壁厚總體趨勢是增大的；且隨著芯棒摩擦系數的增大，壁厚的增大趨勢愈加明顯。芯棒摩擦系數為0.03時，荒管頭尾最大壁厚與最小壁厚差值僅為0.16mm；而芯棒摩擦系數為0.11時，該差值為0.28mm，增大了近75%。由此可見，改善芯棒潤滑條件，可以有效減輕全浮動芯棒連軋管的縱向壁厚不均勻度。endprint

3 結束語

本文研究了連軋過程中芯棒摩擦對荒管壁厚精度等的影響，揭示其規律性，主要的結論有：

（1）荒管外徑沿橫截面周向、縱向分布都是不均勻的。周向上，荒管外徑隨著摩擦系數的增大，從0-90°上呈“V”字形分布愈加明顯；縱向上，荒管外徑隨芯棒摩擦系數的增大而增大。

（2）荒管壁厚沿橫截面周向、鋼管縱向分布也都是不均勻的。沿橫截面周向呈“M”形分布；在縱向上從頭至尾有增厚趨勢，且芯棒摩擦系數為0.11時，較芯棒摩擦系數為0.03時壁厚不均增大了近75%。

綜上，改善芯棒潤滑條件，可以有效減輕全浮動芯棒連軋管的縱向壁厚不均。

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