雙金屬?gòu)?fù)合無(wú)縫鋼管三輥連軋成型過(guò)程的數(shù)值模擬

顧 瑄，馬 敘，王獻(xiàn)抗

(1.天津交通職業(yè)學(xué)院，天津 300110；2. 天津理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300384；3. 天津理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300384)

雙金屬?gòu)?fù)合無(wú)縫鋼管三輥連軋成型過(guò)程的數(shù)值模擬

顧 瑄1，馬 敘2，王獻(xiàn)抗3

(1.天津交通職業(yè)學(xué)院，天津 300110；2. 天津理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300384；3. 天津理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300384)

通過(guò)Y型三輥二道次冷軋不銹鋼/碳鋼無(wú)縫管雙金屬?gòu)?fù)合材料成型過(guò)程模擬，得到了雙金屬?gòu)?fù)合無(wú)縫鋼管界面處的結(jié)合強(qiáng)度，繪制了無(wú)縫鋼管成型過(guò)程中的軸向應(yīng)力、徑向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力，并且對(duì)成型鋼管的管徑與壁厚分布進(jìn)行了說(shuō)明。研究成果可為復(fù)合無(wú)縫鋼管成型的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

雙金屬?gòu)?fù)合無(wú)縫鋼管；三輥兩道冷軋；數(shù)值模擬

0 前言

不銹鋼/碳鋼雙金屬?gòu)?fù)合無(wú)縫鋼管復(fù)合材料成型過(guò)程模擬是呈多重非線性。目前，關(guān)于冷軋雙金屬?gòu)?fù)合無(wú)縫鋼管內(nèi)應(yīng)力的分布，暫時(shí)還沒(méi)有相關(guān)理論文獻(xiàn)的報(bào)道，由于缺乏理論的分析，在試制雙金屬無(wú)縫鋼管時(shí)，設(shè)計(jì)的工藝參數(shù)只能用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)來(lái)生產(chǎn)復(fù)合無(wú)縫鋼管。

本文研究的復(fù)合無(wú)縫鋼管對(duì)象為外層不銹鋼、內(nèi)層碳鋼，通過(guò)研究復(fù)合鋼管軋制成型過(guò)程，得到了界面處粘結(jié)復(fù)合機(jī)理，并獲得了坯料軋制過(guò)程中的內(nèi)應(yīng)力分布以及內(nèi)應(yīng)力與成型管的直徑、壁厚的影響。研究成果可為生產(chǎn)復(fù)合管類或板材類的工藝提供理論參考。

1 有限元模型與邊界條件

雙金屬?gòu)?fù)合無(wú)縫鋼管三輥兩道次冷軋過(guò)程的有限元模型如下圖1所示，生產(chǎn)復(fù)合無(wú)縫鋼管的坯料由外層碳鋼Q235、內(nèi)層SUS316L不銹鋼組成。管坯的材料模型均采用由實(shí)驗(yàn)獲得的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變材料曲線。在計(jì)算中，采用了多個(gè)線性動(dòng)力強(qiáng)化材料模型和米塞斯屈服準(zhǔn)則，采用了直接約束法來(lái)匹配接觸算法。

圖1 鋼管軋制過(guò)程有限元模型Fig.1 Finite element model of two cold-rolling

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 界面結(jié)合強(qiáng)度分析

在雙金屬?gòu)?fù)合鋼管界面位置，復(fù)合鋼管的等效應(yīng)力分布如圖2所示?？梢灾?，在無(wú)縫鋼管的界面位置，平均等效應(yīng)力為400MPa，最大的等效應(yīng)力可達(dá)420MPa。結(jié)合區(qū)域的界面粘結(jié)強(qiáng)度，使用下面的公式確定[1]:

σ=f1σt1+f2σt2

式中，σ為復(fù)合鋼管的界面處的結(jié)合應(yīng)力強(qiáng)度值；σt1為外層管坯316L不銹鋼的塑性硬化變形抗力應(yīng)力值；σt2為內(nèi)層管坯Q235鋼塑性硬化變形抗力應(yīng)力值；f1為外層管坯不銹鋼覆層厚度的權(quán)值；f2為內(nèi)層管坯Q235鋼基層厚度的權(quán)值。通過(guò)上述公式可評(píng)估復(fù)合鋼管軋制成型后界面處的粘結(jié)強(qiáng)度，由粘結(jié)強(qiáng)度來(lái)判斷鋼管的復(fù)合效果。

將外層管坯不銹鋼與內(nèi)層管坯碳鋼的變形抗力應(yīng)力值代入上述公式，可求出復(fù)合鋼管的界面粘結(jié)強(qiáng)度，得到粘結(jié)強(qiáng)度約為414 MPa，說(shuō)明在無(wú)縫鋼管的界面處已達(dá)到相互結(jié)合的條件，能實(shí)現(xiàn)無(wú)縫鋼管的界面可靠的結(jié)合。

圖2 復(fù)合鋼管在界面處的等效應(yīng)力Fig.2 Interface equivalent stress below the rolling mill along the circle in NO.2 stand

2.2 應(yīng)力分布及應(yīng)力分布對(duì)成型鋼管直徑和壁厚精度影響的機(jī)理

2.2.1 穩(wěn)定軋制階段應(yīng)力分布

圖3為復(fù)合鋼管軋制過(guò)程的示意圖，圖4為穩(wěn)定軋制階段的鋼管外徑、界面與內(nèi)壁處沿周向的軸向應(yīng)力、徑向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力分布。

圖3 無(wú)縫鋼管軋制過(guò)程示意圖Fig.3 Rolling process diagram

鋼管軋制過(guò)程中的應(yīng)力分布具有如下規(guī)律：

(1)軸向應(yīng)力對(duì)比分析。如圖4a、4c和4e所示，從軸向應(yīng)力分布曲線可以看出，在鋼管的外徑處，輥縫與輥縫臨近區(qū)域分別為拉應(yīng)力與壓應(yīng)力，數(shù)值均為180 MPa。在復(fù)合鋼管的界面，最大的軸向拉應(yīng)力和壓應(yīng)力發(fā)生的位置與外徑一致，但應(yīng)力值略有減小。在鋼管的內(nèi)壁位置，軸向壓應(yīng)力相對(duì)外徑與內(nèi)壁的應(yīng)力值較小，而內(nèi)壁處的拉應(yīng)力則增加，最大拉應(yīng)力為200 MPa，而最大的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力發(fā)生的位置與外徑、界面處一致。

由圖4b、4d和4f可知，管坯經(jīng)第二道次軋制成型時(shí)，外壁處軸向應(yīng)力分布呈現(xiàn)“W”型分布，且應(yīng)力值有正值也有負(fù)值。在第一道次軋輥輥縫臨近區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力，為150 MPa；在第二道次軋輥輥縫處為拉應(yīng)力，為210 MPa。界面與內(nèi)壁有類似的規(guī)律分布。

(2)環(huán)向應(yīng)力對(duì)比分析。如圖4所示，分析鋼管的環(huán)向應(yīng)力分布曲線可知，在第一道次軋輥處，鋼管的外徑、界面與內(nèi)壁處的應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且最大值的位置均發(fā)生在軋輥的輥縫附近處，最小壓應(yīng)力發(fā)生在軋輥的輥縫與軋輥下方位置，且最大環(huán)向壓應(yīng)力分別為100 MPa、40 MPa、30 MPa。在第二道次軋輥處，鋼管的外徑均為壓應(yīng)力，且最大環(huán)向壓應(yīng)力主要集中在第二道次軋輥的下方，數(shù)值為400 MPa，在軋輥的輥縫附近的環(huán)向應(yīng)力相對(duì)其它位置較小。

(3)徑向應(yīng)力對(duì)比分析。徑向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力的大小基本相等，分布規(guī)律較為類似。

圖4 復(fù)合鋼管軋制過(guò)程的三向應(yīng)力曲線Fig.4 Three-dimensional normal stress distribution curve of the double metal composite seamless steel tube in stable rolling stage

2.2.2 應(yīng)力分布對(duì)鋼管軋制后的直徑與壁厚精度的影響

經(jīng)軋制成型后，復(fù)合鋼管的直徑與壁厚的分布如圖5所示。由圖5可知，經(jīng)過(guò)第一道次的軋制，鋼管的外壁在輥縫處有較大的壁厚與直徑。由曲線可知，鋼管在第一道次軋輥的三個(gè)輥縫處產(chǎn)生了三個(gè)小的凸耳，在內(nèi)壁處也同樣產(chǎn)生了三個(gè)小的凸耳，但不明顯。

經(jīng)過(guò)第二道次軋制后，由于第二道次的軋輥與第一道次軋輥的布置方式相反，故，在第一道次軋制后產(chǎn)生的凸耳剛好處于第二道次軋輥的下方，經(jīng)軋制成型后后，鋼管的凸耳變小。而第二道次軋輥的輥縫位置也出現(xiàn)了三個(gè)較小的凸耳，由曲線可知，經(jīng)過(guò)兩道次的軋制成型，鋼管的直徑與壁厚已經(jīng)非常的接近成型鋼管的標(biāo)準(zhǔn)值。

由圖5可知，在軋制過(guò)程中，鋼管在軋輥下方以及輥縫附近區(qū)域具有較高精度的成型質(zhì)量，而在輥縫處，鋼管的直徑、壁厚與標(biāo)準(zhǔn)值相差較大。由兩道次軋制過(guò)程中鋼管外徑應(yīng)力分布規(guī)律可知，在第一道次軋輥的輥縫位置有較大的軸向拉應(yīng)力，其余兩向應(yīng)力則較??；在軋輥輥縫附近處，存在著較大的環(huán)向和徑向壓應(yīng)力，軸向壓應(yīng)力相對(duì)較小。所以，鋼管軋制成型后的直徑與壁厚質(zhì)量主要由軸向拉應(yīng)力決定。

圖5 復(fù)合鋼管軋制成型后直徑與壁厚分布Fig.5 Curve of the seamless steel tubeforming diameter and wall thickness

3 結(jié)論

(1)通過(guò)研究復(fù)合鋼管軋制成型過(guò)程，得到了界面處粘結(jié)復(fù)合機(jī)理，并獲得了坯料軋制過(guò)程中的內(nèi)應(yīng)力分布以及內(nèi)應(yīng)力對(duì)成型管的直徑、壁厚的影響。研究成果可為生產(chǎn)復(fù)合管類或板材類的工藝提供理論參考。

(2)通過(guò)本文對(duì)成型后復(fù)合鋼管的直徑、壁厚的研究，可為軋輥的設(shè)計(jì)、軋輥的孔型選取以及軋輥個(gè)數(shù)的選取具有一定的參考價(jià)值。

[1] N. D. Lukaschkin，A. P. Borissow. Interface surface behaviour in the upsetting of sandwich metal sheets[J]. Journal of Materials Technology，1996，(61)：292-297.

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[3] 高秀華，李小榮，邱春林等. PQF三輥連軋管機(jī)軋制過(guò)程的三維有限元分析[J].塑性工程學(xué)報(bào), 2009，16(3):107-110.

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[5] 宗家富，張文志，許秀梅，等. 不銹鋼/碳鋼復(fù)合板帶可逆冷軋過(guò)程有限元模擬[J].軋鋼, 2004(6):21-25.

[6] 許秀梅，張文志，宗家富，等. 基于有限元模擬的不銹鋼/碳鋼復(fù)合板極限壓下量研究[J].重型機(jī)械, 2003(6):21-25.

Numerical simulation on double metal composite seamless steel tube forming process of three-roller continuous rolling

GU Xuan1, MA Xu2, WANG Xian-kang3

(1.Tianjin Transportation Vocational College，Tianjin 300110，China；2.School of Material Science & Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China;3.School of Mechanical Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China)

A finite element analysis of the elastic-plastic by applying the MSC.MARC software was put forward, the numerical simulation of the Y shape three roll two cold-rolling stainless steel/carbon steel double metal composite seamless steel tube process was conducted. Based on the numerical simulation, the interface bonding strength during the Y shape three roll two cold-rolling were obtained by the finite element analysis. The distribution of the axial stress, circle stress and radial stress were drawn below the Y shape rolling mill along the circle. The mechanism of the tube cold-rolling process and the effect of the forming steel tube both the diameter and wall thickness accuracy were explained according to the stress distribution. The results of the research can be applied to the design of the technical parameters in the forming process.

double metal composite seamless steel tube; three roll two cold-rolling; numerical simulation

2016-03-04；

2016-03-21

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50975205) ；天津市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(12ZCZDGX00600)

顧瑄 (1973-) ，女，天津交通職業(yè)學(xué)院副教授，研究方向：固體力學(xué)數(shù)值方法及其應(yīng)用。

TG335.7

A

1001-196X(2016)03-0059-04