工藝參數(shù)對(duì)貨叉扁鋼寬展系數(shù)的影響

杜金龍，張貴杰，王立亞

(1. 華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063009 ;2. 華北理工大學(xué) 理學(xué)院，河北 唐山 063009)

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工藝參數(shù)對(duì)貨叉扁鋼寬展系數(shù)的影響

杜金龍1，張貴杰1，王立亞2

(1. 華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063009 ;2. 華北理工大學(xué) 理學(xué)院，河北 唐山 063009)

扁鋼；寬展系數(shù)；數(shù)值模擬

為準(zhǔn)確地估計(jì)貨叉扁鋼的寬度尺寸，利用有限元軟件DEFORM對(duì)扁鋼精軋過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。根據(jù)模擬結(jié)果分析了不同溫度和摩擦系數(shù)對(duì)寬展系數(shù)的影響，并通過曲線擬合的方式得到了貨叉扁鋼寬展系數(shù)的數(shù)學(xué)模型，為制定合理的工藝參數(shù)、提高產(chǎn)品的尺寸精度提供可靠的理論依據(jù)。

軋制過程中的寬展有時(shí)希望得到，有時(shí)并不希望，這主要根據(jù)軋制產(chǎn)品的寬面特點(diǎn)而定。當(dāng)用寬度較小的鋼坯軋制成寬度較大的成品時(shí)，必須設(shè)法增大寬展。若用大斷面坯料軋成小斷面成品時(shí)，則不需要有寬展。不論在哪種情況下，希望或不希望有寬展，都必須掌握寬展變化規(guī)律以及正確計(jì)算寬展數(shù)學(xué)模型，并且正確地估計(jì)寬展對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、改善生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有著重要的作用[1]。

1 寬展及其影響因素

坯料在軋制過程中，高度方向上承受著軋輥下壓的作用力，致使高度方向尺寸減小，減小下來的體積，將按照阻力最小的方向沿著坯料的橫向和縱向流動(dòng)。沿橫向流動(dòng)的部分使軋件寬度的尺寸發(fā)生變化，這部分就叫做寬展。通常情況下，將軋件的絕對(duì)寬展稱為寬展，即在寬度方向線尺寸的變化稱為寬展。

影響金屬在變形區(qū)內(nèi)沿縱向及橫向流動(dòng)的數(shù)量關(guān)系的因素很多，但這些因素都是建立在最小阻力定律和體積不變規(guī)律的基礎(chǔ)之上。經(jīng)過綜合分析，影響寬展諸因素的實(shí)質(zhì)可歸納為2個(gè)方面：一是高向體積移動(dòng)，二是變形區(qū)內(nèi)軋件變形的縱橫阻力比，即變形區(qū)內(nèi)軋件應(yīng)力狀態(tài)中的σ3/σ2關(guān)系(σ3為縱向壓縮主應(yīng)力，σ2為橫向壓縮主應(yīng)力)。變形區(qū)內(nèi)軋件的應(yīng)力狀態(tài)取決于多種因素，這些因素可以通過變形區(qū)的形狀和軋輥的形狀反映軋件變形區(qū)縱橫阻力比[2-4]。

該項(xiàng)研究對(duì)不同工藝參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)安排，利用數(shù)值模擬的方法分析了不同溫度和摩擦系數(shù)對(duì)軋件寬度尺寸的影響，通過測(cè)量軋件各道次的寬度尺寸，計(jì)算了不同溫度和摩擦系數(shù)軋件的寬展系數(shù)，并對(duì)不同參數(shù)下各道次的寬展系數(shù)曲線進(jìn)行擬合，在模擬參數(shù)范圍內(nèi)分別得到了寬展系數(shù)數(shù)學(xué)模型，為實(shí)踐生產(chǎn)提供了理論參考。

2 計(jì)算模型的確定

2.1 幾何模型的建立

貨叉扁鋼精軋過程采用450軋機(jī)5道次連軋的方式進(jìn)行。奇數(shù)道次為平輥軋制，偶數(shù)道次為箱型孔立軋。由于扁鋼軋制為對(duì)稱模型，所以為節(jié)約計(jì)算時(shí)間，建立1/4軋制模型，軋件XY和XZ面為對(duì)稱面，-X向?yàn)檐堉品较?。在DEFORM仿真過程中，選取與某鋼廠現(xiàn)場(chǎng)軋制時(shí)所選用材料屬性相似的35號(hào)鋼進(jìn)行模擬試驗(yàn)，DEFORM材料庫中選取對(duì)應(yīng)材料為AISI-1 035[1 300-2 000F(700-1 100 ℃)]，軋件尺寸H×B×L=35 mm×62.5 mm×500 mm。各道次軋輥尺寸、轉(zhuǎn)速等如表1所示，利用DEFORM軟件建立的扁鋼軋制模型如圖1所示。

表1 軋輥尺寸和轉(zhuǎn)速

圖1 軋制模擬圖形

2.2 初始條件和邊界條件的設(shè)置

初始條件：現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)時(shí)采用加熱爐對(duì)扁鋼加熱，出爐后經(jīng)過大概15 s的時(shí)間開始連軋。對(duì)初始加熱溫度設(shè)置為850 ℃、900 ℃、950 ℃、1 000 ℃、1 050 ℃。為保證高精度軋制，按照軋件開軋時(shí)的實(shí)際溫度分布對(duì)軋件進(jìn)行初始溫度設(shè)置。以加熱到950 ℃時(shí)為例，開軋時(shí)軋件內(nèi)部和外部溫度分布如圖2所示。

(a) 軋件內(nèi)部溫度分布 (b) 軋件外部溫度分布

邊界條件：由于軋件為1/4模型，軋件XZ和XY2個(gè)面為對(duì)稱面，其余4個(gè)自由面與周圍環(huán)境產(chǎn)生的對(duì)流和輻射換熱，設(shè)置軋件與空氣的綜合換熱系數(shù)α=0.17 kW/(m2·℃)，設(shè)置軋件與軋輥之間的熱傳遞系數(shù)為11 kW/(m2·℃)。

接觸條件：該項(xiàng)研究采用庫倫摩擦，數(shù)值取0.3、0.35、0.4、0.45、0.5。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 不同溫度下的寬展系數(shù)擬合公式

選取摩擦系數(shù)為0.4，并選取溫度為850 ℃、900 ℃、950 ℃、1 000 ℃、1 050 ℃的數(shù)據(jù)組，測(cè)量不同溫度下經(jīng)過不同道次軋制后軋件的寬度尺寸，然后根據(jù)寬展系數(shù)公式(1)計(jì)算出不同溫度下各道次軋件的寬展系數(shù)，如表2所示

(1)

式中：

ω—寬展系數(shù)；

b—軋件變形后尺寸；

B—軋件變形前尺寸。

表2 軋件的寬展系數(shù)/℃

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)得到不同溫度下的各道次寬展系數(shù)曲線，如圖3所示。由圖3可知：隨著軋制過程的進(jìn)行，各道次的壓下率減小，軋件的寬展系數(shù)在第2道次達(dá)到最大值，隨后逐漸減小，整體呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)；隨著溫度的升高，金屬的流動(dòng)應(yīng)力減小，流動(dòng)性能增強(qiáng)，軋件各道次的寬展系數(shù)逐漸增大。

圖3 不同溫度下的寬展系數(shù)曲線

根據(jù)圖3的寬展系數(shù)，將不同溫度的下的第1道次寬展系數(shù)進(jìn)行曲線擬合，如圖4所示，得到寬展系數(shù)關(guān)于溫度的擬合曲線公式(2)。

ω=0.253 06+0.001 43T—6.285 7×10-7T2

(2)

式中：

ω—寬展系數(shù)；

T—軋制溫度。

圖4 擬合曲線

3.2 不同摩擦系數(shù)下的寬展系數(shù)擬合公式

選取溫度為950 ℃，摩擦系數(shù)分別為 0.3、0.35、0.4、0.45、0.5 的數(shù)據(jù)組，根據(jù)寬展系數(shù)公式(1)計(jì)算各道次的寬展系數(shù)，如表3所示。

表3 軋件的寬展系數(shù)

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)得到不同摩擦系數(shù)下的各道次寬展系數(shù)曲線，如圖5所示。由圖5可以分析得到：隨著軋制過程的進(jìn)行，軋件的寬展系數(shù)趨于逐漸減小；隨著摩擦系數(shù)的增大，金屬的流動(dòng)應(yīng)力增大，流動(dòng)性能減弱，各道次的寬展系數(shù)逐漸減小。

將不同摩擦系數(shù)下的第1道次寬展系數(shù)進(jìn)行擬合，如圖6所示，得到寬展系數(shù)關(guān)于摩擦系數(shù)的擬合曲線公式(3)。

ω=1.134 11-0.341 43μ+0.314 29μ2

(3)

式中：

ω—寬展系數(shù)；

μ—摩擦系數(shù)。

圖5 不同摩擦系數(shù)下的寬展系數(shù)曲線 圖6 擬合曲線

3.3 不同壓下率下的寬展系數(shù)擬合公式

分析不同壓下率對(duì)寬展系數(shù)的影響，選取相同的軋制溫度為950 ℃，摩擦系數(shù)為0.4，其他條件保持一致，對(duì)扁鋼高精度軋制的第1道次設(shè)置5組不同壓下率，計(jì)算不同壓下率時(shí)的寬展系數(shù)，如表4所示。

表4 軋件的寬展系數(shù)

由表4可以得到，隨著壓下率的增大，寬展系數(shù)逐漸增大。對(duì)不同壓下率下的寬展系數(shù)曲線進(jìn)行擬合，得到寬展系數(shù)關(guān)于壓下率的擬合曲線公式(4)，擬合結(jié)果如圖7所示。

ω=1.029 8+1.57×10-3ε+1.342 86×10-4ε2

(4)

式中：

ω—寬展系數(shù)；

ε—壓下率。

圖7 擬合曲線

4 結(jié)論

(1)根據(jù)模擬結(jié)果分析可知，貨叉扁鋼的寬展系數(shù)隨著溫度和壓下率的增加逐漸增大，隨著摩擦系數(shù)的增大逐漸減小。

(2)通過對(duì)寬展系數(shù)曲線的擬合，在模擬參數(shù)范圍內(nèi)得到了寬展系數(shù)關(guān)于溫度、摩擦系數(shù)和壓下率的計(jì)算公式，為現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)提供了理論指導(dǎo)。

[1] 王延溥, 齊克敏. 金屬塑性加工學(xué)[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社, 2012.

[2] 趙志業(yè). 金屬塑性變形與軋制理論[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社, 2013.

[3] 崔丹丹. 大型環(huán)件軋制數(shù)值模擬及寬展變形研究[D]. 河北：燕山大學(xué), 2013.

[4] 趙章風(fēng), 姚世澤. 扁鋼精軋過程數(shù)值模擬仿真與分析[J]. 機(jī)電工程, 2014, 31(3):271-282.

Effect of Process Parameters on Spread Coefficient of Fork Flat Steel

DU Jin-long1, ZHANG Gui-jie1, WANG Li-ya2

(1. College of Metallurgy and Energy, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063009, China;2.College of Science, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063009, China)

flat steel; spread coefficient; numerical simulation

To accurately estimate the wide size of fork flat steel, the finishing rolling process of flat steel was simulated based on finite element software DEFORM. The effects of different temperature and friction coefficients on metal flow law were analyzed on basis of simulation results, and the mathematical models of spread coefficient of fork steel were obtained by means of curve-fitting. These models provide reliably theoretical basis for the establishment of reasonable process parameters and the improvement of dimensional accuracy of the product.

2095-2716(2017)01-0034-06

TG335.11

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