全浮动芯棒摩擦对钢管壁厚均匀性影响的有限元分析

摘 要：全浮动芯棒连轧过程中，芯棒因不受控制，处于自由浮动状态；与之相邻的钢管的受力状态、变形情况等和二者之间的摩擦力密切相关。文章利用商用有限元软件SuperForm建立的有限元模型，着重研究了不同芯棒摩擦条件对钢管壁厚均匀性的影响。周向上，荒管外径呈“V”字形分布，而壁厚呈“M”字形分布；纵向上，荒管外径、壁厚均随芯棒摩擦系数的增大而增大。

关键词：全浮动；摩擦；芯棒；壁厚

中图分类号：TG335 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）27-0008-03

1 有限元模型的建立

金属塑性加工中，工具与工件的接触面上要发生相对滑动或有相对滑动的趋势，于是，在此接触面上就存在阻碍这种滑动的摩擦[1-3]。由于芯棒的速度不断变化，再加上芯棒和毛管各处的表面状况、润滑状况不尽相同，因此实际上的芯棒摩擦系数在整个连轧过程中是变化的。根据宝钢“竹节”攻关组测得的数据，芯棒摩擦系数一般在0.06～0.14之间波动[4]。赵志毅等对宝山钢铁股份有限公司的全浮动芯棒连轧管机组各机架轧制压力、芯棒运动速度等一系列参数进行了综合测试，分析了轧件与芯棒间的摩擦状态，并推算出两者间在各机架处的摩擦系数（为0.033～0.074）[5]，该系数沿轧制方向呈增大的趋势。作者综合两家意见，取芯棒与毛管间摩擦系数为0.03、0.07、0.11，分三组实验，研究不同芯棒摩擦系数的对荒管壁厚均匀性的影响。实验方案如表1所示：

本实验模型基于宝钢Φ140mm全浮动芯棒连轧管机组的Φ195mm孔型参数，由Φ218mm×18.75mm规格的毛管，轧制Φ195mm×10.25mm规格的荒管[6]。毛管长度选取时，根据毛管横截面面积和荒管横截面面积之比，即总的延伸系数？滋总=1.9，一方面要考虑保证轧件能够通过稳定轧制区，另一方面也要考虑缩短计算时间，这里取L=1800mm，两辊间距为300mm。轧辊与毛管之间摩擦系数，根据宝钢现场生产数据设置为0.3；芯棒直径Dd=171.5mm。模拟的其他工艺参数基于现场实测的数据参见表2。由于连轧过程变形具有对称性，故只研究毛管橫截面的1/4即可[7-11]。网格划分采用8节点6面体等参单元，横截面上32个单元，长度上划分190个单元，单元间距约9.5mm，共计6080个单元，连轧过程的有限元模型如图1所示，模拟CPU时间约一天。

2 不同芯棒摩擦系数对荒管尺寸精度的影响

在建立模型时，沿毛管纵向上每隔三层单元作一横向切片（单元集合），模拟结束时，从结果文件中提取出所作的切片，利用SuperForm中的相关命令将各切片单元转化为外轮廓线；然后再利用SuperForm与CAD接口，将各切片的外轮廓线导出为.DWG文件；利用CAD方便快捷的测量荒管的壁厚与外径[12]。荒管外径及壁厚的CAD测量图如图2所示。

2.1 某一芯棒摩擦系数时不同角度壁厚沿纵向的分布情况

图3是芯棒摩擦系数为0.07时，不同角度的壁厚沿荒管纵向的分布情况。由图可以看出，荒管壁厚横向上分布极不均匀，30°及60°方向上的壁厚最厚，0°及90°方向上的壁厚最薄，两者之差约达到了0.4mm，是名义10.25mm壁厚的4%。可见，在孔型优化时注意增大侧壁区30°及60°方向上的压下量、减小孔顶压下量，以获得横向壁厚更加均匀的荒管。

2.2 不同摩擦系数时壁厚及外径的周向分布情况

图4为芯棒摩擦系数分别为0.03、0.07以及0.11时，荒管长度1/2处的切片的外径沿1/4横截面周向的分布情况。由图可以看出，在某一芯棒摩擦系数时，荒管外径沿横截面周向分布是不均匀的：从孔顶到辊缝处是先减小后增大的，45°侧壁区的荒管外径最小，即呈“V”字形分布，且这一趋势随着摩擦系数的增大愈发明显。这是因为连轧机组为两辊平立交错布置的，在径向上0°或者90°方向上的金属仅发生4次压缩变形，而45°侧壁区金属累计受轧辊的8次辗压变形；且最后一机架虽然是圆孔型，但是仍然存在孔型开口，这就使得在45°侧壁区荒管外径最小，而0°或者90°方向上荒管外径存在最大值。由图还可以看出，以45°侧壁区为分界线，荒管外径分别随着摩擦系数的增大而减小、随着摩擦系数的增大而增大。

图5为摩擦系数分别为0.03、0.07以及0.11时，荒管长度1/2处的切片的壁厚沿荒管1/4横截面周向的分布情况。由图可以看出：（1）某一摩擦系数下，荒管壁厚沿横截面周向分布是不均匀的：从孔顶（辊缝）到45°侧壁区先增大再减小，从45°侧壁区到辊缝（孔顶）也是先增大再减小，在45°侧壁区有一个极小值，壁厚整体分布趋势为“M”型。这是因为孔型周向压下不均，各机架从孔顶至辊缝处径向压下量逐渐减小，8机架连轧结果就是孔顶（0°和90°方向上）荒管壁厚较小；而45°侧壁区经过8机架累积压下量较大，荒管壁厚在此处出现一个极小值。（2）虽然荒管壁厚平均值是随着芯棒摩擦系数的增大而增大的，但是荒管横向壁厚绝对值、横向壁厚相对值是基本保持不变的（横向壁厚绝对值约为0.3mm、横向壁厚相对值约为2.9%）。

2.3 不同摩擦系数时壁厚及外径的纵向分布情况

图6为摩擦系数分别为0.03、0.07以及0.11时，荒管外径沿纵向分布情况。由图可以看出，在某一芯棒摩擦系数下，荒管的外径沿钢管纵向从头至尾是逐渐增大的。这可能是由于连轧过程中钢管的温度降低，塑性变差，变形抗力增大，外径随之增大[13-15]。由图还可以看出，随着摩擦系数的增大，荒管外径在纵向上也是增大的。

图7为摩擦系数分别为0.03、0.07以及0.11时，荒管壁厚沿纵向分布情况。可以看出，荒管壁厚在纵向上分布也是不均匀的，从头至尾沿荒管纵向壁厚总体趋势是增大的；且随着芯棒摩擦系数的增大，壁厚的增大趋势愈加明显。芯棒摩擦系数为0.03时，荒管头尾最大壁厚与最小壁厚差值仅为0.16mm；而芯棒摩擦系数为0.11时，该差值为0.28mm，增大了近75%。由此可见，改善芯棒润滑条件，可以有效减轻全浮动芯棒连轧管的纵向壁厚不均匀度。endprint

3 结束语

本文研究了连轧过程中芯棒摩擦对荒管壁厚精度等的影响，揭示其规律性，主要的结论有：

（1）荒管外径沿横截面周向、纵向分布都是不均匀的。周向上，荒管外径随着摩擦系数的增大，从0-90°上呈“V”字形分布愈加明显；纵向上，荒管外径随芯棒摩擦系数的增大而增大。

（2）荒管壁厚沿横截面周向、钢管纵向分布也都是不均匀的。沿横截面周向呈“M”形分布；在纵向上从头至尾有增厚趋势，且芯棒摩擦系数为0.11时，较芯棒摩擦系数为0.03时壁厚不均增大了近75%。

综上，改善芯棒润滑条件，可以有效减轻全浮动芯棒连轧管的纵向壁厚不均。

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