热连轧圆钢成品孔型的有限元分析

2010-01-29张小勇周家林

武汉科技大学学报 2010年4期

张小勇,陈果,周家林

(1.武汉钢铁股份有限公司条材总厂,湖北武汉,430050;2.武汉科技大学材料与冶金学院,湖北武汉,430081)

武汉钢铁股份有限公司条材总厂棒材分厂(以下简称棒材厂)在生产φ10～φ40 mm普碳圆钢过程中,成品机架有双半径圆弧和切线扩张角两种孔型可选。根据双半径圆弧法设计的孔型,其成品圆度高、尺寸公差小,但圆弧扩张部位易磨损,在轧件充满孔型时,辊缝斜线直径会超出公差范围;而根据切线扩张角法设计的孔型则具有作图简单、便于制作轧槽样板等特点。实际生产中,由于精轧机组采用的是椭圆-圆孔型,轧件在孔型中发生复杂的三维变形,孔型前后金属断面差异大、轧件尺寸难以精确计算,所以两种成品孔型的选用大多依据生产经验。有限元仿真在材料加工与成型技术中的广泛应用,为优化孔型设计、缩短设计时间、全面提高产品质量提供了条件[1]。

本文根据棒材厂φ16 mm圆钢的轧制规程,应用ANSYS/LS-DYNA大变形弹塑性显式分析动力学模块,对终轧机架在分别采用双半径圆弧和切线扩张角两种成品孔型条件下的热连轧过程进行有限元模拟,对轧件在不同孔型中的流动规律、等效应力、应变场等进行了对比分析。

1 连轧孔型

1.1 预轧孔型

棒材厂连轧机组采用平立交替的布置方式,全线共22架轧机,分为开坯、粗轧、中轧和精轧4个机组,其中精轧机组由6架φ300 mm预应力轧机组成。在φ16 mm圆钢生产过程中,精轧机组孔型系统选用的是圆-椭圆-圆孔型。对于终轧机架成品圆孔型,在生产过程中备有双半径圆弧和切线扩张角两种孔型。但对于成品前机架,在生产过程中只备有一种孔型,即单圆弧椭圆孔型。预轧椭圆孔型的具体参数如表1所示,孔型如图1所示。

表1 预轧椭圆孔型参数Table 1 Parameters of oval groove

图1 φ16 mm圆钢成品前孔型Fig.1 The groove ofφ16 mm unfinished round steel

1.2 成品孔型

在棒材厂生产φ16 mm圆钢的两种成品孔型中,根据双半径圆弧方法设计的孔型在圆弧扩张部位采用的是大半径圆弧扩张,而根据切线扩张角法设计的孔型在圆弧扩张部位采用的是切线扩张。两种孔型的扩张角度均为30°。成品孔型的具体参数如表2所示,孔型如图2所示。

表2 成品孔型参数Table 2 Parameters of finished groove

图2 φ16 mm圆钢成品孔型Fig.2 The groove ofφ16 mm finished round steel

2 有限元模型的建立

2.1 定义模型单元和材料特性

本文模拟钢种为45号钢,圆钢的成品规格为φ16 mm。根据棒材厂在该类产品生产过程中的精轧机组轧制参数建立有限元模型,具体参数如表3所示。

在轧制过程中两种孔型的轧制条件相同,为简化计算,可以假定轧件的温度为1 000℃。建模时,轧件和轧辊的材料特性参数如表4所示。考虑到预轧的轧件和轧辊孔型都具有对称性,为减少求解规模、加快求解速度,可取轧件的1/4来建立轧件模型。同时,为了节约计算时间,轧辊可按刚性辊建模,不考虑其弹性变形。但同隐式分析的轧辊表现形式不同,对刚性轧辊也要进行单元划分[2]。

表3 轧制参数Table 3 The rule of rolling mill

表4 轧制模型中的有限元参数Table 4 Parameters of FEM in model rolling

在ANSYS前处理器中建立轧制模型,坯料和轧辊均采用SOL ID164单元进行网格划分。机架间的轧辊间距为250 mm,定义的单元长度为5 mm,用扫掠的方法进行网格划分[3]。划分轧件网格时,考虑到轧件在连轧机组中要有足够的长度才能够稳态轧制,所以定义的轧件长度要略大于轧辊的间距,取为300 mm,并沿长度方向分成32等分,宽度和高度方向各分成32等分。因此,在建立的有限元模型中共采用了27 256个单元和32 857个节点。

模拟时,轧件以一定的初始速度向轧辊运动,进入辊缝后依靠与轧辊的接触摩擦完成轧制过程。轧件定义为理想的弹塑性材料,轧辊与坯料之间的接触摩擦采用库仑摩擦模型[4],库仑摩擦系数为

式中:μS为静摩擦系数;μD为动摩擦系数;D为指数衰减系数;v为接触面间的相对速度。如果D=0或v=0,则μC=μS,即库仑摩擦系数等于静摩擦系数。

轧件与轧辊之间的接触定义为自动面对面接触,设轧件为接触面、轧辊为目标接触面。轧件与轧辊间的静摩擦系数设为0.3,动摩擦系数设为0.28。建立的有限元模型如图3所示。

图3 最后两道次轧制圆钢有限元模型Fig.3 FEM model of the last two processes

2.2 确定时间步长

LS-DYNA中采用的显式中心差分法是有条件稳定的,即只有当时间步长小于临界时间步长时才稳定[5-6]。但如果时间步长过小,又将显著增加计算时间,所以为保证计算的稳定性,时间步长的控制十分重要。临界时间步长可由下式确定:式中:ωmax为最大自然角频率为单元特征长度,与网格的划分疏密有关;C为应力波在单元中传播的速度,对于金属材料,C=其中,E为弹性模量ν,为泊松比ρ,为材料密度。

从式(2)中可以看出,增大材料密度可以加大时间步长,从而使计算时间缩短,这就是“质量缩放技术”。研究表明,轧件密度的大小对轧制压力的计算结果影响很小。本文通过合适的缩放因子提高了计算效率。

3 模拟结果与分析

3.1 咬入阶段

在精轧阶段成品前机架17H和成品机架18V连轧过程的模拟中,圆柱形轧件前端首先进入配备椭圆孔型轧辊的水平轧机17H,经变形后进入配备圆孔型轧辊的竖直轧机18V。在轧制的开始阶段,轧件与轧辊接触后,其所承受的轧制力逐步增大,当等效应力值大于屈服应力值时,轧件就发生塑性形变。在17H轧机(椭圆孔型)和18V轧机(圆孔型)的咬入阶段,轧件在孔型中的应力、应变如图4所示。

对于水平轧机而言,在咬入阶段,轧件前端的顶部和下部首先与轧辊接触,并随之发生变形,而轧件前端的两侧则最后与轧辊接触,变形较小。由于是圆形轧件进入椭圆孔型,轧件顶部和下部受到的压力较大,变形更为剧烈,所以轧件主要沿轧制方向变形而被拉伸,从而使轧件变长。而轧件芯部金属因受到上下金属的挤压,则主要向两侧辊缝方向流动且变形较小。与变形前相比,变形后的轧件在高度方向被压缩,轧件的截面变成椭圆形。对于竖直轧机而言,由于轧辊方位与水平轧机相垂直,轧件在孔型中的咬入情况与在水平轧机中的咬入情况相反。由图4可以看出,轧件进入孔型时的仿真结果与实际轧制过程中轧件在孔型中的流动特征相符合,所以应用ANSYS/LS-D YNA对棒材连轧过程进行分析是可行的。

3.2 轧制阶段

为了比较双半径圆弧和切线扩张角两种成品孔型的优劣,采用相同的轧件,分别用不同的成品孔型进行了连轧过程的有限元模拟。同时,为了更好地研究轧件在孔型中的变形规律和等效应力、应变的分布情况,分别截取了轧件在不同成品孔型中的横截面图进行分析。在两种成品孔型中轧件横截面上的等效应力和等效应变分布如图5和图6所示。

图6 双半径圆弧成品孔型中轧件的应力、应变图Fig.6 Stress and strain of rolling piece in the dual-radius arc groove

由于成品机架采用的是竖直轧机,轧机轧辊垂直于地面放置,所以在孔型中轧件顶部和底部是塞位方向,轧件两侧是天地方向。从图5和图6中可以看出,稳态轧制时,轧件横截面上的等效应力和等效应变在不同孔型中的分布是不同的。

在切线扩张角成品孔型中,轧件表面的等效应力分布不均匀,在扩张角切线部位和轧件两侧天地部位的应力比较大,而在轧辊辊缝的塞位处以及天地与切线的圆弧过渡段的应力比较小;轧件芯部的等效应力分布不均匀,在扩张角切线部位的应力比较集中,并且在塞位方向的应力大于天地方向的应力。同时,轧件表面的等效应变分布也不均匀,在扩张切线与圆弧相切部位以及天地部位的变形较大,而其余部位的变形较小。个别部位的应变比较集中,这会影响到产品的尺寸精度。

在双半径圆弧成品孔型中,轧件表面等效应力值分布比较均匀,除在塞位处外,其余各部位的等效应力值相等;轧件芯部在双圆弧过渡部位的应力比较集中,并且在塞位方向的应力大于天地方向的应力。另外,轧件表面的等效应变分布比较均匀。

与切线扩张角孔型相比较,在双半径圆弧孔型中,轧件表面的等效应力分布较为均匀,虽然其轧件芯部在双圆弧过渡部位的应力仍比较集中,但比切线扩张角孔型中轧件相同部位的应力集中程度要轻很多,且在天地和塞位方向其等效应力分布也更为均匀。这表明双半径圆弧孔型能够改善轧件表面和芯部的应力分布,特别是对圆弧扩张部位的应力集中程度有很大的改善,轧件总体应变分布均匀。

对于同样采用30°扩张角的两种孔型,经过双半径圆弧孔型轧制的圆钢尺寸精度和表面质量都要更优,但由于轧辊对轧件施加的应力在圆弧扩张处仍然比较集中,必然会增加轧辊轧槽在圆弧扩张部位的磨损,使轧辊轧槽表面磨损不均,进而影响到产品表面质量和尺寸精度,并缩短轧辊的使用寿命。

针对这种情况,棒材厂在现有孔型基础上,采用了材质硬度更高的成品轧辊,从而降低了轧槽表面的磨损程度,同时也延长了轧辊孔型的使用寿命,减少了换辊频率,节约了设备维修成本,产生了很大的经济效益。