棒材多道次軋制過程數(shù)值模擬

侯潔

（一重集團(tuán)大連設(shè)計(jì)研究院有限公司， 遼寧　大連　116600）

試（實(shí)）驗(yàn)研究

棒材多道次軋制過程數(shù)值模擬

侯潔

（一重集團(tuán)大連設(shè)計(jì)研究院有限公司， 遼寧大連116600）

以棒材軋制過程為研究對(duì)象，運(yùn)用Marc商用有限元軟件建立了典型孔型下的棒材多道次軋制模型。通過數(shù)值模擬得到了金屬變形規(guī)律、溫度場(chǎng)及力能參數(shù)等。模擬結(jié)果不僅可以深入分析軋件金屬在各種孔型中的變形機(jī)理，還可以為實(shí)際生產(chǎn)和工藝優(yōu)化提供有效參考。

棒材軋制工藝參數(shù)MARC

棒材在制造業(yè)、交通業(yè)、建筑業(yè)等行業(yè)中應(yīng)用廣泛，對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著重要作用。隨著鋼鐵去產(chǎn)能的進(jìn)一步擴(kuò)大，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，促進(jìn)先進(jìn)生產(chǎn)工藝和軋制技術(shù)不斷發(fā)展[1]。對(duì)棒材軋制而言，由于其孔型的多樣性，常規(guī)的軋制理論及解析計(jì)算具有一定的局限性，有限元技術(shù)通過將求解未知場(chǎng)變量的連續(xù)介質(zhì)劃分若干單元，可以適應(yīng)各種復(fù)雜形狀和外部條件，對(duì)工程問題求解出相對(duì)真實(shí)的相關(guān)參量[2]。

對(duì)棒材軋制過程進(jìn)行多道次數(shù)值模擬，不僅可以在軋線設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)可軋產(chǎn)品范圍、軋制工藝參數(shù)、生產(chǎn)能力等進(jìn)行評(píng)估，為軋機(jī)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考；還可以對(duì)現(xiàn)有軋線產(chǎn)品的溫度場(chǎng)和力能參數(shù)等進(jìn)行計(jì)算分析，優(yōu)化軋制工藝和生產(chǎn)方案。

1　多道次軋制模型的建立

棒材的熱軋成形過程是一個(gè)包含多物理場(chǎng)的復(fù)雜問題，具有材料非線性、幾何非線性以及邊界條件非線性等特點(diǎn)。由于棒材多道次軋制的連續(xù)性，剛塑性有限元法無法體現(xiàn)軋件的彈性變形以及各道次軋后的殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變，因此，本文以彈塑性有限元為基礎(chǔ)，建立了考慮軋件溫度場(chǎng)和金屬大變形的熱力耦合分析模型。

本文采用某棒材廠精軋過程（第12—17道次）的實(shí)際軋制數(shù)據(jù)，軋件材質(zhì)為Q235，坯料截面尺寸為Φ165 mm，經(jīng)粗軋后截面尺寸為Φ42 mm，成品截面尺寸為Φ22 mm，工藝參數(shù)包括軋制道次、孔型尺寸、軋件尺寸以及軋件溫度和軋制速度等，具體數(shù)值如表1所示。

表1　棒材精軋過程軋制工藝參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，運(yùn)用MARC有限元軟件[3-4]對(duì)該精軋過程中橢圓-圓，圓-橢圓等6個(gè)道次的軋制過程進(jìn)行建模及仿真，為同時(shí)保證有限元的計(jì)算精度和計(jì)算效率，對(duì)各個(gè)道次的軋制模型設(shè)定如下：

1）軋件材料采用Von Mises屈服準(zhǔn)則，金屬流動(dòng)采用Prandtl-Reuss法則；

2）基于軋輥與軋件的對(duì)稱性，采用1/2模型；

3）由于軋輥輥型的復(fù)雜性，并且軋輥的彈性變形相對(duì)軋件的彈塑性變形而言所占比重很小，因此，假設(shè)軋輥為剛體；

4）軋件溫度計(jì)算的邊界條件包括：熱輻射、軋制變形功、與軋輥接觸熱傳導(dǎo)以及與空氣對(duì)流換熱[5]；

5）軋件與軋輥摩擦類型為剪切摩擦；

6）為方便軋件順利咬入，建立一個(gè)剛性面作為軋件的恒速推板，該剛性面的速度應(yīng)小于軋輥轉(zhuǎn)速，當(dāng)軋件順利咬入后，剛性面脫離；

7）軋件形狀主要為橢圓或圓形，相對(duì)四面體單元而言，采用六面體單元可以用較小的單元數(shù)目獲得相對(duì)較高的計(jì)算精度，本文首先在軋件橫截面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過延長(zhǎng)度方向拉伸獲得六面體單元。

建立的幾何模型如圖1所示。

2　有限元模擬結(jié)果及分析

各道次出口幾何形狀如圖2所示，可以看出，軋件形狀與軋輥孔型形狀貼合較好，與實(shí)際軋制工況相符，反應(yīng)了軋件金屬的真實(shí)流動(dòng)規(guī)律。

圖1　軋制模擬幾何模型

圖2　軋件各道次出口幾何形狀

2.1溫度場(chǎng)分析

分別以橢圓孔出口和圓形孔出口的溫度場(chǎng)分布為研究對(duì)象，如圖3所示。

軋件出口溫度分布基本呈現(xiàn)中心高、外表低的特點(diǎn)，這與實(shí)際情況是相符的。在軋制中，由于軋件金屬表面存在著熱輻射、與軋輥接觸、與空氣對(duì)流等因素，表面溫度迅速降低。從圖3-1還可以看出，橢圓孔出口軋件的頂部和邊部溫度較低，而1/4處溫度相對(duì)較高，這是由于此處與軋輥接觸面積不足，熱傳導(dǎo)較少形成的。

圖3　軋件出口溫度場(chǎng)分布

2.2力能參數(shù)對(duì)比

精軋各道次從咬入到拋鋼軋制力變化過程如圖4所示，為減少模擬規(guī)模，所取軋件較短，因此各道次穩(wěn)定軋制階段較短，但是仍能反映出真實(shí)軋制情況下的軋制力變化規(guī)律。從圖中還可以看出，第12、14、16道次（入口截面圓形，出口截面橢圓）的軋制力較大，而13、15、17道次（入口截面橢圓，出口截面圓形）的軋制力較小。這是由于出口截面是橢圓時(shí)，軋輥與軋件的接觸面積較大；而出口截面是圓形時(shí)，為了保證截面形狀的尺寸精度，延伸系數(shù)較小，軋輥與軋件的接觸面積較小。

為了驗(yàn)證棒材多道次軋制模擬的準(zhǔn)確性，本文提取了實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)中精軋各道次的軋制力進(jìn)行對(duì)比分析，如下頁(yè)圖5所示。

圖4　精軋各道次軋制力變化曲線

圖5　有限元模擬與實(shí)測(cè)軋制力對(duì)比

從圖5中可以看出，各道次軋制力的有限元模擬值與實(shí)測(cè)值較為接近，最大誤差約為7.6%，具有較高的模擬精度，能夠反映實(shí)際軋制規(guī)律，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)具有較高的指導(dǎo)意義。

3　結(jié)論

1）本文針對(duì)棒材軋制，采用MARC有限元軟件對(duì)精軋過程建立了多道次熱力耦合模型，經(jīng)過模擬計(jì)算，得到了軋件溫度場(chǎng)及力能等參數(shù)。

2）通過與實(shí)測(cè)值對(duì)比，軋制力最大計(jì)算誤差不超過10%，具有較高的計(jì)算精度，所建模型真實(shí)反映了軋件在不同孔型中的彈塑形變形規(guī)律，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有較高的指導(dǎo)意義。

[1]王快社，劉軍帥，梁彥安，等.線棒材生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].甘肅冶金，2004（12）：4-7.

[2]趙雪峰.棒線材軋制模擬系統(tǒng)的研究[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2005：3.

[3]陳火紅，楊劍，薛小香，等.新編marc有限元實(shí)例教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[4]戴曉光.五道次孔型軋制40Cr大圓鋼有限元模擬分析[J].重型機(jī)械，2006（1）：34-38.

[5]向勇，譚建平.棒材熱軋過程的三維溫度場(chǎng)有限元分析[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（12）：1 262-1 266.

（編輯：趙琳琳）

Numerical Simulation of the Bar Rolling with Multiple Passes

HOU Jie
（Dalian Design Institute of CFHI，Dalian Liaoning 116600）

Based on the process of bar rolling，the mode of bar rolling with multiple passes was built by the Marc commercial finite element software.The law of metal deformation，temperature field and energetic parameter got by numerical simulation.The results not only can analyze the the deformation mechanism in the pass of all kinds of rolled pieces，but can also provide the effective reference for actual production and process optimization.

bar rolling，technological parameter，MARC

TG304

A

1672-1152（2016）04-0041-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.04.14

2016-06-13

侯潔（1988—），女，助理工程師，研究方向：冶金連鑄，現(xiàn)就職于一重集團(tuán)大連設(shè)計(jì)研究院有限公司。