徐海亮 于路強 楊 力 穆樹亮 米 楠

(中冶京誠工程技術(shù)有限公司 北京100176)

Assel軋機軋制過程的有限元模擬

徐海亮①于路強 楊 力 穆樹亮 米 楠

(中冶京誠工程技術(shù)有限公司 北京100176)

以Assel軋機結(jié)構(gòu)特征和軋制鋼管的工藝條件為基礎(chǔ)，采用彈塑性有限元法，建立了軋件與3個軋輥的全三維有限元模型，真實模擬了Assel軋機軋制過程中毛管的變形過程。通過仿真計算，對材料的變形過程及應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)等有了直觀的了解，并對軋輥的受力進行分析，為后續(xù)的設(shè)計研究提供理論基礎(chǔ)。

Assel軋機 三輥軋管機 有限元模擬 變形過程

1 引言

Assel軋機是無縫鋼管生產(chǎn)的一種主要變形工具，其結(jié)構(gòu)特征是3個互成120度均布在垂直于軋制中心線平面內(nèi)的三個軋輥和一根芯棒組成相對封閉的環(huán)狀孔型；軋輥軸線相對于軋制中心線在垂直方向和水平方向均傾斜一定角度，分別稱作輾軋角和喂入角(或稱送進角)。軋輥形狀呈錐形，中間有一個凸起的圓滑過渡段稱作輥肩，軋制時三個軋輥與長芯棒共同完成集中變形，實現(xiàn)較大的壓下量，延伸系數(shù)可達2左右。

由于借助軋輥的離合調(diào)整就可以改變孔型尺寸，特別適合小批量、多品種的生產(chǎn)方式。適宜軋制高精度的中厚壁鋼管，軋出的荒管外徑公差≤±0.5%，壁厚公差可達±5%。

2 工藝參數(shù)及有限元模型的建立

三輥軋管過程的有限元分析以彈塑性力學為基礎(chǔ)，計算中采用更新的Lagrange算法，Prandtl-Reuss流動方程以及Von Mises屈服準則處理軋制過程中的三維大變形問題。以此建立數(shù)學模型，分析軋管過程的金屬流動和模具受力等。為了節(jié)約計算時間，對模型進行了簡化，主要關(guān)注毛管的變形過程，因此可忽略變形工具即軋輥和芯棒等的變形，在分析過程中僅把毛管作為變形體，而把軋輥和芯棒等作為剛體處理。毛管的長度以建立穩(wěn)定軋制狀態(tài)為依據(jù)，僅取長度900mm。三輥軋管機的有限元模型如圖1所示。

其中，為了模擬實際現(xiàn)場的毛管送入，在毛管尾部設(shè)置推板，按毛管的實際前進速度將毛管推入孔型，待毛管完成一次咬入后，推板停止前進，毛管靠軋輥的曳入力繼續(xù)前進實現(xiàn)二次咬入，并最終完成軋制。模型的工藝參數(shù)如表1所示。

圖1 三輥軋管機有限元模型

表1 三輥軋管機工藝參數(shù)匯總

3 模擬結(jié)果分析

根據(jù)以上三輥軋管機的有限元模型設(shè)定，對模型進行數(shù)值模擬仿真，得出了軋管過程中鋼管的變形特點，以及金屬流動的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)等。

3.1 毛管的橫向變形過程及三角形效應(yīng)分析

從毛管橫斷面方向看，金屬流動變化從入口到出口如圖2所示。(圖示均為從毛管出口方向觀看，視圖中毛管順時針方向旋轉(zhuǎn)，3個軋輥逆時針同向旋轉(zhuǎn)。)

注：①以軋輥的理論中心點為原點，軋制線方向為-Z方向。

②從左到右，截面相對位置分別為Z+120，+20，-20，-100(左下角圖中截面線所示)

由圖可知，管子橫斷面在變形區(qū)明顯經(jīng)歷一個由厚壁圓環(huán)過渡到“三角形”再到薄壁圓環(huán)的過程。在入口錐，由于毛管內(nèi)徑大于芯棒直徑，外徑小于由3個軋輥行成的輪廓直徑，毛管首先被壓縮減徑；當毛管內(nèi)徑與芯棒間的間隙消除后，即從毛管頭部進入輥肩處開始，毛管開始進行輾軋減壁，并在輾軋段反復(fù)碾壓，直到離開輾軋段；在軋輥輾軋段毛管產(chǎn)生明顯的三角形效應(yīng)，產(chǎn)生的一個原因是：毛管在三向壓力作用下，橫向(即毛管軸向)變形受到限制，金屬向軋輥輥縫流出一部分，使得在變形區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)三角形效應(yīng)；毛管從輾軋段進入出口錐段開始，三個軋輥形成的變形區(qū)開口度逐漸增大，孔型封閉性變差，在輾軋段被約束的金屬在出口錐得到釋放并逐漸歸圓。在輾軋段彎曲變形越嚴重或三角形效應(yīng)越明顯的毛管(對應(yīng)D/S較大的毛管)，要使截面歸圓，其所需要的路程就越長，即所需的出口錐長度越長。歸圓后荒管的外徑就越大，內(nèi)徑擴徑值也較大。

圖2 金屬橫截面變形歷程圖

圖3為毛管在輾軋段某截面(輥肩部劇烈變形區(qū))外表面圓周上所有節(jié)點的三向主應(yīng)力曲線圖。

圖3 主變形區(qū)毛管同一外圓周各節(jié)點三向主應(yīng)力狀態(tài)

由圖可知，在軋輥與芯棒共同構(gòu)成的變形區(qū)內(nèi)，金屬在輥肩處受到劇烈的徑向壓縮，產(chǎn)生軸向和周向的流動趨勢，但同時在這兩個方向受到摩擦力和外端金屬的阻礙作用，因此變形金屬處于3向壓應(yīng)力狀態(tài)，這有利于對金屬中體積型和面型缺陷的壓合，提高金屬的塑性；在輥縫區(qū)，金屬處于3向拉應(yīng)力狀態(tài)；而在集中變形與輥縫之間的過渡區(qū)，金屬處于復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)。

3.2 毛管的縱向變形狀態(tài)

從縱向(即毛管軸向)看毛管變形，可以根據(jù)變形區(qū)內(nèi)金屬的不同變形特點，對軋輥各段的變形作用進行區(qū)分，有助于軋輥的孔型設(shè)計，使軋輥的形狀更加有利于向提高金屬性能的方向流動。

圖4 毛管縱截面變形示意圖

3.3 軋制力和軋制力矩曲線

軋制力和軋制力矩是軋制過程的重要參數(shù)，也是軋輥等設(shè)計的基礎(chǔ)，通過有限元模擬可以很方便的獲取對應(yīng)工況下的軋制力和軋制力矩圖，如圖5所示。

圖5 軋制力和軋制力矩變化歷程圖

由圖5可知，軋制力和軋制力矩的變化規(guī)律類似，金屬在咬入階段的軋制力逐漸增加，在入口錐范圍內(nèi)增加速度較慢，進入輥肩后，數(shù)值快速增加；在頭部金屬旋出輾軋段，進入出口錐且開始與軋輥脫離，進入穩(wěn)定軋制階段；從金屬尾部咬入入口錐開始，軋制力開始下降，直到管子完全旋出出口錐，軋制力變?yōu)榱悖瓿梢淮诬堉啤?/p>

4 結(jié)論

通過對三輥軋管機的有限元模擬仿真得出以下結(jié)論，為今后繼續(xù)研究打下基礎(chǔ)。

1)在變形過程中金屬流動呈現(xiàn)明顯的從厚壁圓環(huán)->三角形->薄壁圓環(huán)的過程。

2)集中變形區(qū)金屬處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，可提高成品管的機械性能。

3)保證軋輥輾軋段的足夠長度和輾軋段輥面母線與芯棒母線平行，有助于減少鋼管表面螺旋紋和減少鋼管的壁厚不均。

[1]金如崧.三輥軋管工藝技術(shù)的發(fā)展[J].鋼管，2005(3).

[2]應(yīng)富強，張更超，潘孝勇.三維有限元模擬技術(shù)在金屬塑性成形中的應(yīng)用[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2003(5).

[3]成海濤.無縫鋼管缺陷與預(yù)防.成都：四川科技技術(shù)出版社，2007.

[4]劉勁松，張士宏，肖寒，李毅波.MSC.MARC在材料加工工程中的應(yīng)用.北京：中國水利水電出版社，2010.

FEM Simulation of Rolling Process in Assel Mill

Xu Hailiang Yu Luqiang Yang Li Mu Shuliang Mi Nan

(Capital Engineering & Research Incorporation Limited, Beijing 100176)

Based on the structure and technological parameter of Assel mill, established the finite element model of tube and three rollers by using elastic-plastic FEM, which is aimed at real simulation the tube deformation during the Assel mill rolling. By analyzing the results, the flow of tube’s metals, the status of stress and strain has intutively understand. And also, the force on each roller were analyzed, which provided a theoretical basis for the subsequent design and research.

Assel mill 3-Rolls tube rolling mill FEM simulation Deform process

TG333.8 TB115

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.06.010

2014-07-19)

①徐海亮，男，1982年出生，畢業(yè)于燕山大學，工學碩士，機械工程師，主要從事無縫鋼管生產(chǎn)設(shè)備方面的機械設(shè)計工作