熱連軋過程耳子問題模擬研究★

段 華，郝艷臣，苗強(qiáng)強(qiáng)，張金耀，韓軍倉，張云長，朱艷春

（太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

試（實）驗研究

熱連軋過程耳子問題模擬研究★

段 華，郝艷臣，苗強(qiáng)強(qiáng)，張金耀，韓軍倉，張云長，朱艷春

（太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

對TC4鈦合金熱連軋過程出現(xiàn)耳子的問題進(jìn)行了模擬研究，發(fā)現(xiàn)孔型設(shè)計不合理及軋制速度不匹配是導(dǎo)致熱連軋過程中耳子產(chǎn)生的主要原因。通過有限元模擬對孔型及軋制速度進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，很好地解決了棒材軋制過程出現(xiàn)的耳子問題，對進(jìn)一步指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)具有重要的工程意義。

棒材連軋 有限元模擬 耳子 優(yōu)化設(shè)計

在棒材的熱連軋過程中經(jīng)常會出現(xiàn)一些表面質(zhì)量問題，例如耳子、麻面、劃痕等。國內(nèi)許多學(xué)者針對這些缺陷進(jìn)行了探索探究。溫東［1］研究了高速線材成形的表面質(zhì)量問題，包括麻面、劃痕、分層、裂紋等缺陷，并指出入口導(dǎo)衛(wèi)要對正孔型、安裝牢靠、保證軋件線對中，同時還要提高坯料加熱質(zhì)量，均勻溫度，以解決這些表面質(zhì)量問題。孫先焦和徐春柳［2］對高速線材表面的耳子、裂紋、分層等缺陷進(jìn)行了探討，指出選擇合適的寬展系數(shù)、完善孔型設(shè)計、合理分配下壓量能較好地避免或改善缺陷的產(chǎn)生。圓鋼在生產(chǎn)中經(jīng)常會因為存在刮傷、凹坑、不圓度超標(biāo)的問題而使產(chǎn)品報廢或者增加生產(chǎn)成本的問題。趙少金和黃振國［3］分析了圓鋼表面的多種質(zhì)量問題，認(rèn)為采用拉套軋制，可避免成品頭尾冒耳的存在。張少軍和逯登堯［4］對棒材表面的三角口裂紋和直線形裂紋進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)加強(qiáng)連鑄拉鋼操作、正確使用保護(hù)渣、加強(qiáng)中間包的烘烤可有效避免棒材表面裂紋的出現(xiàn)。然而，關(guān)于鈦合金棒材軋制過程的缺陷研究報道較少，為了改善鈦合金棒材的成形質(zhì)量，本文對鈦合金棒材熱連軋過程進(jìn)行模擬分析，針對軋制過程中出現(xiàn)的耳子問題展開系統(tǒng)研究，分析缺陷產(chǎn)生的原因，利用有限元方法優(yōu)化軋制參數(shù)，為鈦合金棒材軋制工藝的制定提供指導(dǎo)。

1 連軋孔型系統(tǒng)的建立

鈦合金棒材連軋生產(chǎn)機(jī)組采用4機(jī)架三輥Y型軋機(jī)，孔型系統(tǒng)為平三角-圓-平三角-圓。應(yīng)用有限元模擬軟件DEFORM-3D對鈦合金棒材連軋過程進(jìn)行模擬仿真，圖1為四道次熱連軋模型。長為500 mm的鈦合金棒材劃分網(wǎng)格數(shù)為95 000。給定軋件初始軋制溫度為950℃，軋輥表面溫度為300℃。坯料直徑為25 mm，經(jīng)4道次軋制成直徑為20 mm的棒料。輥速度按照秒流量規(guī)則設(shè)定。

圖1 四道次熱連軋模擬模型

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 孔型對耳子的影響研究

根據(jù)圖1所示模型對鈦合金連軋過程進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)第二道次棒料出現(xiàn)了輕微的耳子，如下頁圖2所示。觀察第二道次成形情況，發(fā)現(xiàn)其他部位成形較好，只有輥縫部位出現(xiàn)了輕微的耳子，這可能是第二道次變形量偏大造成的。為了進(jìn)一步印證耳子產(chǎn)生的原因，對第二道次的應(yīng)變結(jié)果進(jìn)行了提取，如下頁圖3所示。從圖3不難看出，金屬向輥縫處流去，在輥縫位置應(yīng)變達(dá)到最大值，說明第二道次的變形量過大，導(dǎo)致多余的金屬流向輥縫而產(chǎn)生耳子。因此，對第二道次的孔型進(jìn)行修正，降低第二道次的變形量，并重新進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)第二道次的耳子消失，成形效果良好。

圖2 四道次熱連軋模擬模型

圖3 第二道次應(yīng)變分布圖

2.2 軋制速度對耳子的影響研究

經(jīng)過四個道次的連軋模擬，發(fā)現(xiàn)在第四道次再次出現(xiàn)耳子，并且較第二道次嚴(yán)重，如圖4所示?？傮w來看，前兩個道次變形情況較好，說明前兩個道次的變形量和前后軋機(jī)間的速度設(shè)定合理，唯有第四道次出現(xiàn)了嚴(yán)重的耳子現(xiàn)象，觀察第四道次應(yīng)變云圖（圖5），清楚地看到金屬劇烈地流向輥縫處，因此首先考慮的是孔型問題。修改第三、四道次孔型參數(shù)，適當(dāng)提高第三道次變形量，降低第四道次變形量，重新對連軋過程進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)耳子確實明顯減輕了，但是并未完全消失，如圖6所示。

圖4 四道次連軋成形截面

圖5 第四道次應(yīng)變分布圖

圖6 孔型修正后第四道次出現(xiàn)的耳子

除了孔型問題，耳子的出現(xiàn)可能還與軋制速度有關(guān)。根據(jù)秒流量定理可知，軋機(jī)的速度與軋件截面積有關(guān)，由于對每道次速度的核算，是根據(jù)孔型面積推算的，實際軋制過程中軋件并未完全充滿孔型，近似計算可能導(dǎo)致推算出的各道次速度不準(zhǔn)確，因此根據(jù)每道次軋件截面積重新計算各道次軋輥速度，將其輸入模型進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)耳子徹底消失了（見圖7），說明孔型軋制速度對軋制的成形性同樣具有重要影響。圖8（見第36頁）為順利軋制后獲得的鈦合金棒材，外形尺寸較好。

圖7 順利軋制后前四道次棒材截面

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2015.06.06

TG337.6

A

1672-1152（2015）06-0016-02

2015-11-02

博士啟動基金資助項目（20132016）；省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目（2015288）；校級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目（xj2014075）

段華（1995—），男，在讀本科生，主要研究方向為先進(jìn)軋制技術(shù)。E-mail：804430144@qq.com

朱艷春（1982—），女，博士，講師，主要研究方向：難變形材料先進(jìn)成形技術(shù)與計算機(jī)仿真。E-mail：lzlzyc@163.com