二輥錐形輥穿孔機(jī)力能參數(shù)的有限元仿真計(jì)算及現(xiàn)場測試

黃賢安， 王 敏

（太原重工技術(shù)中心， 山西 太原 030024）

試（實(shí)）驗(yàn)研究

二輥錐形輥穿孔機(jī)力能參數(shù)的有限元仿真計(jì)算及現(xiàn)場測試

黃賢安， 王 敏

（太原重工技術(shù)中心， 山西 太原 030024）

由于二輥錐形輥穿孔機(jī)軋制變形的復(fù)雜性，導(dǎo)致軋制力、軋制力矩以及頂頭止推力等重要力能參數(shù)的數(shù)學(xué)計(jì)算很困難。應(yīng)用有限元仿真軟件Simufact.forming對二輥錐形輥穿孔機(jī)軋制過程進(jìn)行仿真計(jì)算，可以得到上述力能參數(shù)，并通過與現(xiàn)場測試值的對比驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的正確性，解決了二輥錐形輥穿孔機(jī)的力能參數(shù)計(jì)算問題。

穿孔機(jī) 軋制力 軋制力矩 止推力 有限元

二輥錐形輥穿孔工藝是斜軋穿孔工藝的一種，其能夠穿制高合金鋼和連鑄坯，與其他工藝相比提高了穿孔效率和穿孔質(zhì)量，因此日益受到重視。近年來，新建的軋管機(jī)組大多數(shù)配備了二輥錐形輥穿孔機(jī)。

穿孔機(jī)的力能參數(shù)主要是軋制力、軋制力矩、頂頭止推力等。這些力能參數(shù)是穿孔機(jī)設(shè)備設(shè)計(jì)過程中主要考慮的參數(shù)，其對軋機(jī)零件的剛度、強(qiáng)度以及電機(jī)功率的選擇有直接的影響[1]。

由于二輥錐形輥穿孔機(jī)軋制過程中存在較大的不均勻變形，變形區(qū)和邊界條件又很復(fù)雜，還存在一個(gè)內(nèi)加工工具頂頭，這些因素都使得二輥錐形輥穿孔機(jī)軋制力能參數(shù)的確定復(fù)雜化。目前這一問題尚不能在理論上作嚴(yán)格的數(shù)學(xué)處理，而只能用一些近似的簡化處理方法，把復(fù)雜的變形過程與受力狀態(tài)理想化。

有限元法作為一種數(shù)值計(jì)算分析方法，是20世紀(jì)50年代航空工程結(jié)構(gòu)問題的一種離散數(shù)學(xué)方法。這種方法的主要特點(diǎn)是，對于任何復(fù)雜邊界條件、復(fù)雜結(jié)構(gòu)對象和初始條件，都可以應(yīng)用該方法進(jìn)行求解，特別適合于求解多物理場作用下的超靜定工程問題，包括結(jié)構(gòu)分析、熱分析、電磁分析、流體分析等各種問題[2]。

Simufact.forming是 基 于 MSC.superform 和MSC.superforge開發(fā)出來的先進(jìn)的材料加工及熱處理工藝有限元仿真優(yōu)化平臺。其具有簡單易用、精確、功能強(qiáng)大、求解快、支持六面體網(wǎng)格全自動劃分等優(yōu)點(diǎn)。

以下采用Simufact.forming軟件對太原重工股份有限公司為黑龍江建龍鋼鐵有限公司設(shè)計(jì)并生產(chǎn)的Φ273 mm二輥錐形輥穿孔機(jī)上軋制的某一規(guī)格鋼管的軋制過程進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行對比。

1 有限元仿真計(jì)算

1.1 有限元模型的建立

二輥錐形輥穿孔機(jī)有限元模型建立步驟如下：

1）利用Solidworks軟件建立二輥錐形輥穿孔機(jī)的三維幾何模型，由軋輥、頂頭、導(dǎo)板、推板及軋件組成，如圖1所示。

圖1 幾何模型

2）將此模型另存為stl格式導(dǎo)入到Simufact. forming中。

偏頭痛是臨床中極為常見的神經(jīng)內(nèi)科疾病，患者的臨床表現(xiàn)較為多樣，嚴(yán)重情況下疼痛會導(dǎo)致患者無法進(jìn)行正常的活動，影響患者的生活和工作，目前臨床中主要采用藥物對患者進(jìn)行治療，并且具有較好的臨床療效，但是臨床中使用藥物較多，對于何種藥物為最佳尚沒有確切的研究[1]。

3）定義模具及軋件的材料，為節(jié)約計(jì)算時(shí)間，將所有模具定義為剛體。

4）定義溫度條件。

5）軋件的網(wǎng)格初始劃分。

6）定義載荷，主要有軋輥轉(zhuǎn)速及推板上推力和行程。

7）定義模具的摩擦系數(shù)。

8）定義運(yùn)算時(shí)間等參數(shù)。

步驟3）—7）不分先后。

所建立二輥錐形輥穿孔機(jī)的幾何及有限元模型的主要模型參數(shù)如表1所示。

表1 主要模型參數(shù)

1.2 有限元仿真的結(jié)果（見圖2）

由圖2可以看出，仿真的結(jié)果：軋件的出口壁厚約為24.1 mm，直徑約為246.2 mm；最大軋制力約為1 910 kN；最大軋制扭矩約為456.8 kN·m；最大頂頭止推力約為642 kN。

圖2 有限元仿真模擬結(jié)果圖

軋制力、軋制扭矩及頂頭止推力的變化趨勢基本一致：力能數(shù)值在工具與軋件建立接觸前為0值；隨后力能數(shù)值沿曲線逐漸增大；在工具與軋件建立完全的接觸時(shí)到達(dá)某一峰值；在工具與軋件建立完全接觸后到軋件與工具開始脫離接觸時(shí)的這段時(shí)間內(nèi)，力能數(shù)值圍繞這一峰值上下波動，并在此時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)最大值；最后在軋件與工具脫離接觸過程中逐漸下降。這一變化趨勢與實(shí)際軋制過程的一致。

2 軋制力的實(shí)驗(yàn)測量

2.1 實(shí)驗(yàn)測量方法

軋制力的測量采用在穿孔機(jī)壓下螺母的上方安裝4個(gè)自制的壓力傳感器，如圖3-1所示，軋制力為4個(gè)傳感器所測軋制力的總和。頂頭止推力的測量傳感器安裝在閉鎖裝置處，如圖3-2所示。軋制扭矩測量傳感器安裝在主傳動減速機(jī)輸出軸的聯(lián)軸器上，如圖3-3所示。

圖3 傳感器安裝位置圖

2.2 實(shí)驗(yàn)測量參數(shù)

管坯直徑210 mm，管坯長度4 000 mm，出口毛管直徑Φ245～Φ247 mm，壁厚24～25 mm，其余參數(shù)與表1一致。

2.3 實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測量軋制力結(jié)果見表2。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果的對比

仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比見表3。

由表3可以看出，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果非常接近，誤差控制在5%以內(nèi)。

4 結(jié)論

1）采用Simufact.forming有限元仿真軟件對二輥錐形輥穿孔機(jī)軋制過程進(jìn)行仿真，通過軋件截面圖、力能曲線圖可以清晰地看到軋件壁厚、軋件直徑、軋制力、軋制力矩以及頂頭止推力。

表2 實(shí)驗(yàn)測量值

表3 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

2）仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果非常接近，表明采用Simufact.forming計(jì)算的結(jié)果可靠。

[1] 李國禎.現(xiàn)代鋼管軋制與工具設(shè)計(jì)原理[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006：86.

[2] 劉勁松，肖寒，段小亮.SIMUFACT在材料成型與控制工程中的應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2012：4.

（編輯：苗運(yùn)平）

Finite-element Simulation and Site Test of Two Cone Rollers Piercing Mill

Huang Xian'an,Wang Min
（Technology Center of Taiyuan Heavy Industry Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030024）

Due to the complex deformation of two cone rollers piercing mill,the valuable force parameters such as rolling force,rolling turning moment,thrusting force and etc.are very difficult to be mathematical computed.The finite-element simulation software Simufact.forming is used to simulate the process of two cone rollers piercing mill, and the valuabe force parameters as mentioned above can be obtained.Comparing these simulated force parameters with the site test verifies the simulated result.The problem about computing force parameter of two cone rollers piercing mill is be solved.

piercing mill,rolling force,rolling turning moment,thrusting force,finite-element simulation

TG331

A

1672-1152（2017）01-0003-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.01.02

2016-12-27

黃賢安（1980—），男，碩士研究生，現(xiàn)就職于太原重型機(jī)械集團(tuán)有限公司技術(shù)中心軋鋼所，工程師。