5356鋁合金三輥連軋過程的數(shù)值模擬

孫 彬, 馬保棟, 柯長奮

(沈陽大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110044)

5356高鎂鋁合金是一種熱處理不可強(qiáng)化鋁合金[1],該合金具有較好的塑性、斷裂韌性、耐蝕性和可焊接性,并且和大部分鋁基合金有較好的兼容性[2-3],被廣泛用作Al-Mg系鋁合金鋁基焊接填充材料[4-5].5356鋁合金含鎂量高、易吸氣、易氧化、成分偏析明顯[6-7]、強(qiáng)度高和塑性低,但鋁合金焊桿的連鑄連軋生產(chǎn)技術(shù)目前還存在很多技術(shù)難點,國內(nèi)軌道交通鋁合金車體焊接用5356鋁合金焊絲90%以上需要從德國VAW公司、美國Alcoa公司、日本KOK公司等公司進(jìn)口[8-9].

引進(jìn)國外機(jī)械合金連鑄連軋設(shè)備價格昂貴且不含技術(shù),使我國5356鋁合金焊桿的生產(chǎn)技術(shù)仍停留在半連續(xù)鑄錠-擠壓和水平連鑄狀態(tài),限制了我國連鑄連軋生產(chǎn)鋁合金焊絲桿的技術(shù)發(fā)展.國內(nèi)制造商生產(chǎn)電工圓鋁桿連軋機(jī)組主要為三輥Y型軋機(jī),盡管和國外意大利Properzi 三輥Y型連鑄連軋設(shè)備類似,但采用國產(chǎn)Y型軋機(jī)軋制5356機(jī)械合金桿一直沒有成功.軋制5356鋁合金焊絲桿對軋機(jī)的機(jī)架強(qiáng)度、剛度和軋輥的強(qiáng)度有很高要求,軋制過程中軋件變形溫度、軋制速度、鋁合金模擬模型以及應(yīng)力應(yīng)變的本構(gòu)關(guān)系,目前仍沒有可以借鑒的參數(shù).

連軋過程道次多(一般7～15個道次),過程復(fù)雜,靠實驗很難完成,文中借助Deform 3D軟件進(jìn)行9機(jī)架三輥Y型軋機(jī)9道次熱連軋的5356鋁合金桿直徑為9.5 mm有限元數(shù)值模擬,揭示變形過程中的溫度場、應(yīng)力應(yīng)變場和軋制力變化情況,為高性能鋁合金焊絲桿連軋設(shè)備及連軋成形制備技術(shù)的國產(chǎn)化替代提供參考.

1 模型建立

1.1 有限元模型

構(gòu)建如圖1所示的9道次三輥連續(xù)軋制成形鋁合金線桿(直徑為9.5 mm)模型,軋件截面形狀為梯形,截面積為1 080 mm2,長度為1 000 mm,軋輥名義直徑為255 mm.軋輥孔型系統(tǒng)1道次為開坯“弧圓”孔型,2～9道次為成組型“弧三角-圓”孔型,其中奇道次為圓孔型,偶道次為弧三角孔型,連續(xù)軋制孔型系統(tǒng)軋制參數(shù)(終軋速度為2.3 m·s-1)如表1所示.為減少計算時間,相鄰道次軋輥中心距離縮短至170 mm,為使軋件平穩(wěn)的咬入軋輥,在鋁合金梯形軋件左端設(shè)置支撐輥和推板,軋件咬入軋輥后推板停止運(yùn)動.

圖1 9道次連續(xù)軋制成形鋁合金線桿(直徑為9.5 mm)模型Fig.1 Model of 9.5 mm aluminum alloy wire rod formed by 9-pass continuous rolling

表1 連續(xù)軋制孔型系統(tǒng)軋制參數(shù)(終軋速度為2.3 m·s-1)Table 1 Rolling parameters of continuous rolling pass system (at a finishing speed of 2.3 m·s-1)

1.2 邊界條件設(shè)置

將模型加載于Deform 3D軟件進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分,設(shè)置軋件為塑性體,軋輥、支撐輥和推板為剛性體,軋件網(wǎng)格劃分類型為4面體,網(wǎng)格數(shù)量為200 000個.熱連軋軋件材料為5356鋁合金,其流變應(yīng)力本構(gòu)方程如式(1)所示,式中為不同變形條件下的應(yīng)變率,s-1;T為溫度,K;σ為流變應(yīng)力,MPa;R為摩爾氣體常數(shù),為8.314 J·mol-1·K-1;sin h(x)為雙曲正弦函數(shù).設(shè)置泊松比為0.3,楊氏模量為68 900 MPa,導(dǎo)熱系數(shù)為180.2,熱輻射系數(shù)為0.7,塑性功向熱變換率為0.9,軋輥、推板和支撐輥為Deform 3D材料庫H13鋼.

=6.557 2×1012[sinh(0.014 26σ)]4.952 656exp(-187 682/RT).

(1)

設(shè)定軋件的初始溫度為510 ℃,軋輥溫度為60 ℃,環(huán)境溫度為20 ℃;設(shè)定軋輥旋轉(zhuǎn)方向為逆時針,按連續(xù)軋制延伸比設(shè)置軋輥軋制鋁合金線桿不同終軋速度,分別為:1.4、1.7、2.0、2.3、2.6、2.9 m·s-1,設(shè)置小推板速度為22 mm·s-1,運(yùn)動行程為90 mm;設(shè)定連續(xù)軋制過程軋件和軋輥間剪切摩擦系數(shù)為0.3～0.45.將乳化液與軋件之間的熱交換耦合在軋輥和軋件之間,取綜合換熱系數(shù)為9.5～120.

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 軋件溫度場分析

終軋速度為2.3 m·s-1條件下,9道次熱連軋軋件溫度場分布如圖2所示,從圖2可以看出,軋件9道次熱連軋開軋溫度為521 ℃,終軋溫度為247 ℃,隨著軋制的進(jìn)行,軋件整體溫度在逐漸均勻下降,因軋件與軋輥熱交換,軋件接觸變形區(qū)溫度低于軋件整體溫度.在軋件接觸變形區(qū)、軋件中心和輥縫位置取5個點,取點位置如圖3所示,對所取點追蹤研究軋件溫度場變化情況,其結(jié)果如圖4所示.

圖2 9道次熱連軋軋件溫度場分布Fig.2 Temperature distribution 9 roll-pass hot rolling rolled piece

圖3 軋件不同位置取點Fig.3 Taking points at different positions of rolling pieces

圖4 9道次熱連軋軋件不同位置溫度場5點追蹤Fig 4 Temperature field tracking of 9 roll-pass hot rolling piece at different positions

從圖4可以看出,軋制過程中軋件橫截面中心位置點3因塑性變形熱而升溫,其溫度高于軋件整體溫度4～13 ℃,軋制結(jié)束后軋件中心熱量向軋件邊緣擴(kuò)散,軋件橫截面整體溫度逐漸趨于均勻.文獻(xiàn)[10]通過對于金屬軋制過程中熱加工圖的建立與分析得到的結(jié)論和本文圖4結(jié)果一致.而且由于三輥軋機(jī)呈正Y型和倒Y型交替布置的特點,奇道次軋制過程,位于輥縫區(qū)的點2和點5溫度高于接觸變形區(qū)的點1和點4,偶道次軋制過程,位于輥縫區(qū)的點1和點4溫度高于接觸變形區(qū)的點2和點5.

圖5 不同終軋速度下軋件整體溫度變化趨勢Fig.5 Variation trend of the overall temperature of rolled pieces at different finishing speeds

2.2 軋制速度對溫度場的影響

不同終軋速度條件下,軋件整體溫度變化趨勢如圖5所示,從圖中可以看出,終軋速度為2.9、2.6、2.3、2.0、1.7、1.4 m·s-1時,終軋溫度分別為403、383、374、358、332、309 ℃;終軋速度由2.9 m·s-1降低至1.4 m·s-1,軋件整體溫度在降低的同時降低幅度也在增加,軋件偶道次溫降幅度大于奇道次的變化趨勢越來越明顯.

軋制過程中軋輥和軋件熱交換如式(2)[11]所示,

ΔQ=hy(t-tw)FΔτ.

(2)

式中,ΔQ為傳遞的熱量,J;hy為換熱系數(shù);t為軋件溫度,℃;tw為冷卻液溫度,℃;F為接觸散熱面積,mm2;Δτ為接觸時間,s.在其他條件不變的情況下,隨著終軋速度降低,各道次軋輥與軋件之間熱交換時間Δτ變長,傳遞的熱量ΔQ增加,所以各道次軋件溫度呈現(xiàn)下降趨勢;同時由于Δτ變長,軋制過程塑性變形熱對軋件溫降的補(bǔ)償能力越來越弱,所以軋件整體溫度降低幅度在增加;從表1可以看出,由于軋件偶道次壓下量和接觸面積均大于奇道次,所以軋制過程金屬塑性變形熱對偶道次的補(bǔ)償能力要強(qiáng)于奇道次,但是隨著Δτ變大,接觸變形區(qū)散熱面積F偶道次大于奇道次成為軋件溫度降低的主導(dǎo)因素,所以終軋速度為1.4和1.7 m·s-1時,軋件偶道次軋制溫降幅度高于奇道次趨勢較明顯.變形溫度作為影響金屬塑性變形的重要因素之一,將決定金屬塑性加工時變形抗力的大小.通常在合理的變形溫度范圍內(nèi),變形溫度越高,則金屬塑性越好,塑性加工時其變形抗力越小[12],因此以高變形溫度為出發(fā)點,應(yīng)優(yōu)先選擇2.6和2.9 m·s-1的終軋速度.

2.3 軋件應(yīng)力場分析

軋制過程軋件等效應(yīng)力分布如圖6所示,從圖6可以看出,在軋制的過程中產(chǎn)生的應(yīng)力主要集中于軋制區(qū)域,但應(yīng)力達(dá)到最大值是在軋件和軋輥的接觸變形區(qū).在9道次三輥連續(xù)軋制過程中,隨著軋制的進(jìn)行,軋件接觸變形區(qū)等效應(yīng)力在逐漸變大,終軋速度為2.3 m·s-1變形條件下,等效應(yīng)力最大值由1道次98.7 MPa增大至9道次227 MPa,究其原因主要是隨著軋制的進(jìn)行,軋件溫度逐漸降低,其變形抗力增加.

圖6 9道次熱連軋軋件等效應(yīng)力分布Fig.6 Distribution of stress-effective of 9 roll-pass hot rolling piece

軋件接觸變形區(qū)橫截面上等效應(yīng)力分布如圖7所示,可以看出等效應(yīng)力在橫截面上分布均勻,表明軋件在軋制過程中受力均勻.此外軋件接觸變形區(qū)等效應(yīng)力值表面高于內(nèi)部,橫截面上應(yīng)力分布表現(xiàn)為接觸變形區(qū)表層先受力,然后向中心過渡,此結(jié)論與文獻(xiàn)[13]中關(guān)于軋件接觸變形區(qū)橫截面上等效應(yīng)力分布的觀點一致.在終軋速度為2.3 m·s-1變形條件下,在軋件接觸變形區(qū)、軋件中心和輥縫位置取5個點(見圖3),對等效應(yīng)力進(jìn)行5點追蹤,其結(jié)果如圖8所示,可以看出因三輥軋機(jī)正Y型和倒Y型交替布置的特點,奇道次軋制過程中,位于接觸變形區(qū)點1和點4等效應(yīng)力值最大,高于位于輥縫區(qū)點2和點5,偶道次軋制過程中,位于接觸變形區(qū)點2和點5的等效應(yīng)力值最大,高于位于輥縫區(qū)的點1和點4,三輥軋制過程中,軋件“三面受壓、六面變形”的特點可以得到比較均勻的變形.

(a) 偶道次-弧三角孔型(b) 奇道次-圓孔型

圖8 9道次熱連軋軋件不同位置等效應(yīng)力5點追蹤Fig.8 Five point tracing of equivalent stress at different position of 9 roll-pass hot rolling piece

2.4 軋制速度對應(yīng)力場的影響

不同終軋速度條件下,軋件在各道次接觸變形區(qū)等效應(yīng)力最大值變化趨勢如圖9所示,從圖中可以看出,隨著終軋速度由1.4 m·s-1增加至2.9 m·s-1,軋件各道次接觸變形區(qū)等效應(yīng)力最大值在逐漸降低,1道次等效應(yīng)力最大值由109 MPa降低至91.5 MPa,9道次等效應(yīng)力值由272 MPa降低至200 MPa.結(jié)合圖5可知,隨著軋件整體溫度的增加,軋件變形抗力降低,致使接觸變形區(qū)等效應(yīng)力值逐漸降低.取應(yīng)力水平較低的軋制速度為出發(fā)點,應(yīng)優(yōu)先選擇終軋速度為2.6和2.9 m·s-1.

圖9 不同終軋速度條件下軋件在各道次接觸變形區(qū)等效應(yīng)力最大值變化趨勢Fig 9 Variation trend of maximum effective stress of rolled pieces at different finishing speeds in the contact deformation zone of each pass

2.5 軋制速度對軋制力的影響

不同終軋速度下軋件在各道次的軋制力變化趨勢如圖10所示,從圖中可以看出,在軋制過程中,軋制力整體呈下降趨勢,其中偶道次-弧三角孔型軋制力要高于奇道次-圓孔型,結(jié)合表1可知,這主要是由于弧三角孔型平均壓下量及接觸變形區(qū)面積均高于奇道次-圓孔型所致.當(dāng)軋件終軋速度由1.4 m·s-1增加至2.6 m·s-1時,各道次軋制力隨著終軋速度的增加在逐漸降低,當(dāng)終軋速度由2.6 m·s-1增加至2.9 m·s-1時,2、4、5、6、8道次軋制力降低,而1、3、7道次軋制力增加.

圖10 不同終軋速度下軋件在各道次的軋制力變化趨勢Fig.10 The variation trend of the roll force in each pass of the rolled piece with different finishing speed

在軋制過程中,軋制力內(nèi)在影響因素(絕對壓下量、輥徑、軋件尺寸)不變的情況下,影響軋制力的主要因素為軋制溫度和應(yīng)變率[14].相同應(yīng)變率條件下,軋件溫度升高,塑性得到改善,變形抗力將減小;相同變形溫度條件下,增加軋件應(yīng)變率,變形抗力將增加.當(dāng)軋件終軋速度由1.4 m·s-1增加至2.6 m·s-1時,軋件溫度升高、應(yīng)變率增加,溫度對軋制力的影響占主導(dǎo),因此軋制力依然呈下降趨勢,1道次軋制力由38.4 kN降低至31.3 kN,9道次軋制力由15.8 kN降低至11.4 kN;而當(dāng)終軋速度由2.6 m·s-1增加至2.9 m·s-1時,軋件溫度升高、應(yīng)變率增加,由于2、4、6、8道次軋件壓下量和接觸面積均大于1、3、5、7道次,軋件軋制變形過程產(chǎn)生塑性變形熱較大,對軋件的溫度補(bǔ)償能力較強(qiáng),所以2、4、6、8道次雖然應(yīng)變率在增加,溫度依然為影響軋制力的主導(dǎo)因素,軋制力應(yīng)相應(yīng)降低;而對于1、3、5、7道次,應(yīng)變率為影響軋制力的主導(dǎo)因素,軋制力應(yīng)有所增加.圖10中5道次軋制力沒有增加主要考慮模擬精度不夠所影響.以取軋件軋制力水平較低的軋制速度為出發(fā)點,最優(yōu)終軋速度應(yīng)為2.6 m·s-1.

3 結(jié) 論

借助Deform對5356鋁合金9道次熱連軋數(shù)值模擬,在不改變其他影響因素的前提下,將終軋速度由1.4 m·s-1提升至2.9 m·s-1,通過對比不同軋制速度對軋件溫度、等效應(yīng)力、軋制力的影響得出:隨終軋速度的增加,軋件溫度、等效應(yīng)力逐漸降低;當(dāng)終軋速度從1.4 m·s-1增加至2.6 m·s-1時,軋制力下降;當(dāng)終軋速度從2.6 m·s-1增加到2.9 m·s-1時,偶道次軋制力降低,奇道次軋制力增加.最優(yōu)終軋速度為2.6 m·s-1.