接触摩擦对H型钢万能轧制影响的仿真分析

孙会朝,周俊陵,许荣昌,王文生,康永林

(1.莱芜钢铁集团有限公司技术研发中心,山东莱芜,271104;2.北京科技大学材料科学与工程学院,北京,100083)

随着我国H型钢需求量的不断增长,国内H型钢产量也在不断增加,H型钢的品种规格得到进一步完善。随着H型钢轧制理论研究不断深化,国内众多研究者采用有限元方法对H型钢轧制过程进行研究。朱国明等[1-4]采用弹塑性热力耦合有限元方法,完成大型H型钢全轧程三维热力耦合仿真分析,并在全轧程仿真结果的基础上,对大型H型钢轧后残余应力进行了仿真分析,结合仿真结果提出了控制大型H型钢残余应力的方法和手段;奚铁等[5-6]借助有限元分析软件SuperForm对H型钢开坯轧制和万能轧制过程进行了模拟;徐旭东等[7-8]利用有限元分析方法对H型钢轧制和轧后冷却过程进行二维温度场的模拟,同时采用显式动力学有限元分析的方法,模拟了不同变形参数下H型钢的万能轧制过程。

H型钢的断面比较复杂,轧制过程中轧件内的力场对产品的性能起决定性作用,力场直接决定成型过程,同时在力的作用下产生的变形功又会迅速引起温度的变化。为此,本文利用ANSYS有限元软件,以大型H型钢生产线为基础,采用热力耦合弹塑性有限元方法建立万能轧制有限元仿真分析模型,并对不同摩擦系数下的多种工况进行了仿真分析,以期为H型钢万能轧制提供理论依据。

1 模拟计算条件

选择HN800 mm×300 mm连轧过程的第4连轧道次的UF道次作为研究道次。图1为UF轧机孔型图和轧件尺寸示意图。表1为连轧道次的主要轧制条件。该道次轧制仿真分析的初始温度场通过全轧程热力耦合的方法得到,图2为轧件断面温度场的分布云图。

图1 UF轧机孔型和轧件尺寸(mm)示意图Fig.1 Sketch of the pass system and stock dimension of UF rollingm ill

表1 连轧道次的主要计算边界条件Table 1 Main calculation border conditions for continuous rolling process

图2 轧件断面温度场分布云图Fig.2 Temperature distribution of stock section

2 仿真分析

2.1 工况

在H型钢的仿真分析过程中采用库仑摩擦,在轧制仿真过程中材料的摩擦系数对轧制力、金属流动等均会产生影响。在热轧过程中材料的摩擦系数一般定为0.35左右。为了针对摩擦系数对H型钢轧制过程的影响进行研究,特人为改变摩擦系数,确定的不同工况如表2所示。

表2 不同工况下的摩擦系数Table 2 Friction coefficient of each model

2.2 X方向金属的流动

在建立有限元模型过程中,X为腹板宽度方向,Y为翼缘宽展方向,Z为轧制方向。图3为调整摩擦系数后各工况X方向位移的计算结果。由图3可看出,摩擦系数的改变对H型钢稳定轧制阶段X方向的位移影响不大,其断面整体位移分布状态基本不变。

2.3 Y方向翼缘宽展仿真

图4为各工况Y方向稳定轧制阶段断面节点位移云图。由图4可看出,摩擦系数的改变对H型钢断面Y方向的位移分布趋势影响不大,但其宽展量发生明显变化。按照翼缘宽展量和摩擦系数的关系作曲线,不难看出,随着摩擦系数的增加,翼缘宽展量降低,且呈线性关系。

图3 X方向位移云图Fig.3 Contours of X-displacement

图4 Y方向位移云图Fig.4 Contours of Y-displacement

摩擦系数的增加,导致翼缘宽展的增大,这一点可以通过翼缘内侧金属与水平辊端部侧面相接触进行分析。在变形区内的金属,其翼缘内侧与水平辊端部侧面存在接触,水平辊的旋转会造成翼缘部位金属向R角方向流动,并导致腿部宽展量减少。而摩擦系数越大,金属向R角方向流动越强,其宽展量也就越小。同时,在R角部位的翼缘内侧,随着摩擦系数的增加,向R角部位的流动越大。图5为翼缘宽展量和摩擦系数之间的关系曲线。

图5 摩擦系数与翼缘宽展量的关系Fig.5 Relationship between friction coefficient and flange spreading

2.4 前后滑

图6为不同摩擦系数下稳定轧制阶段变形区内部金属在轧制方向节点速度的等值面云图。由图6可看出,随着摩擦系数的逐渐增加,前滑区域逐渐增大。同时,随着摩擦系数的减小,前滑区首先从腹板中心部位开始减小,并向腿腰连接部位逐渐收缩。因此,H型钢腹板和翼缘是一个整体,不能单独考虑。

图6 变形区内轧制方向节点速度等值面云图Fig.6 Isosurface contours of node velocity along rolling direction

2.5 轧制力仿真

图7 不同摩擦系数下水平辊轧制力的变化曲线

Fig.7 Rolling force curve of horizontal roller

图8 不同摩擦系数下立辊轧制力的变化曲线Fig.8 Rolling force curve of vertical roller

图9 摩擦系数对水平辊轧制力的影响Fig.9 Effect of friction coefficient on rolling force of horizontal roller

提取不同摩擦系数下的轧制力进行仿真,仿真结果如图7、图8所示。由图7、图8可看出,随着摩擦系数的增加,无论水平辊轧制力还是立辊轧制力,均明显增强,但轧制力曲线形状仍旧保持原来的状态。图9、图10为不同摩擦系数下稳定轧制阶段水平辊和立辊轧制力的变化曲线。由图9、图10可看出,稳定轧制阶段水平辊和立辊轧制力与摩擦系数呈正比,即摩擦系数越大,稳定轧制阶段水平辊和立辊轧制力越大。

图10 摩擦系数对立辊轧制力的影响Fig.10 Effect of friction coefficien t on rolling force of vertical roller

3 结论

(1)摩擦系数的改变对H型钢断面Y方向的位移分布趋势影响不大,但其宽展量发生明显变化。

(2)随着摩擦系数的逐渐增加,前滑区域逐渐增大。

(3)随着摩擦系数的增加,无论水平辊轧制力还是立辊轧制力,均明显增强。

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