基于有限元分析的管材轧制过程质量控制研究

沈红伟

（沧州师范学院机械与电气工程学院，河北 沧州 061001）

随着经济的快速发展和城市化进程步伐的加快，我国对钢管等工业产品的需求逐渐增加。沧州管道装备的发展突飞猛进，在石油、天然气等相关领域应用广泛，钢管轧制技术的设备和管材的轧制工艺对钢管的质量至关重要。目前管材的轧制技术具有尺寸精度高、表面质量好、材料利用率高、工艺柔性好、管材力学性能好等优点，轧制过程中，轧制力的大小、轧辊的弹性变形对管材的尺寸精度和轧制的稳定性等造成影响。管材减径是钢管生产中的精轧工序，其工艺水平的高低直接关系到成品的质量和成材率，研究减径过程中轧件的内部应力及应变分布规律，正确选择轧辊的结构及其轧制力的分布规律，对于制定合理的轧管工艺具有重要的意义。

随着沧州市管道装备的迅猛发展，钢管管材的轧制过程质量控制对沧州市钢管企业的发展至关重要。以沧州市某企业的钢管减径轧制过程为例，对管材轧制过程的质量控制进行有限元分析研究。应用SolidWorks 三维建模软件和Deform有限元分析软件建立钢管管材减径轧制过程的三维轧制模型，建立模型时，要充分考虑所需的建模参数、边界条件等因素。对钢管管材减径轧制过程进行有限元数值模拟计算，设置模拟的基本计算参数，对钢管和轧辊进行网格划分。通过钢管管材减径轧制过程的有限元数值模拟计算，研究分析轧制过程中管材的变形规律，在不同减径量、减壁量、送进量及摩擦系数等工艺参数下钢管管材的应力、应变的变化规律，以及轧辊轧制力的变化规律。最后通过不同工艺参数下的模拟计算结果比较分析，确定最佳工艺参数。

1 管材轧制的有限元模型建立

以沧州市某企业的钢管轧制过程为例，建立钢管减径四辊轧制过程的部分研究模型。首先应用SolidWorks 三维建模软件建立钢管和轧辊的三维模型，保存为STL 文件，导入Deform 有限元模拟软件中进行分析研究，建立模型时，要充分考虑所需的建模参数、边界条件等因素。

1.1 Deform 有限元模拟的建模参数

钢管减径的四辊轧制模型在建模时要设置好各个建模参数，为后续有限元模拟奠定基础，如表1 所示。

表1 钢管和轧辊的建模参数

1.2 Deform 有限元模拟的假设条件和边界条件

1.2.1 模型的基本假设条件

模型在模拟计算时，要考虑钢管管材轧制过程中的复杂性和条件的局限性，对轧制过程进行一定的合理化假设：忽略轧制过程中轧辊产生的弹性变形，假设轧辊为刚体；轧辊与钢管之间的摩擦符合库仑摩擦定律；假设轧辊在轧制过程中温度不变，钢管的温度各部分都相同；取钢管和轧辊接触的二分之一为模拟研究对象。

1.2.2 模型的边界条件

有限元模型的边界条件设置如表1 所示，包含了有限元模拟中的各个物理量，如钢管的密度、弹性模量、屈服应力、塑性强化模量、泊松比、摩擦系数等，根据现场实际的轧制条件，选取钢管的速度为0.5m/s，轧辊和钢管的温度保持不变，且钢管的各部位温度相同，设定钢管的温度场为650℃。

2 管材轧制的有限元数值模拟

对钢管管材减径轧制过程进行有限元数值模拟，该模拟模型为四辊轧制模型，两个水平轧辊和两个立轧辊，模拟时选择其中的一个水平轧辊和一个立轧辊作为模拟研究模型进行计算分析。

2.1 网格划分

在Deform 软件中利用网格划分工具对钢管进行网格划分，如图1 所示，左边是钢管的三维有限元模型，右边是对整个钢管的网格划分，划分网格总数为1440 个有限单元。

图1 钢管管材的网格划分

在Deform 软件中利用网格划分工具对两个轧辊分别进行网格划分，如图2 所示，左边是两个轧辊及钢管的三维有限元模型，右边是对两个轧辊及钢管的网格划分，水平轧辊的划分网格总数为1632 个有限单元，立轧辊的划分网格总数为2200 个有限单元。

图2 两个轧辊的网格划分

2.2 有限元数值模拟

在Deform 软件中对钢管管材的轧制过程设置有限元模拟参数，如图3 所示，设置钢管、水平轧辊和立轧辊的运动参数，设置轧制过程的模拟控制参数等。

图3 有限元模拟参数设置

完成模拟参数设置之后进行数据检测并生成，然后运行数据进行有限元数值模拟计算，如图4 所示。

图4 有限元数值模拟计算

3 管材轧制的模拟计算结果分析

通过钢管管材减径轧制过程的有限元数值模拟计算，对不同减径量、减壁量、送进量及摩擦系数等工艺参数下钢管管材的应力、应变的变化规律，以及轧辊轧制力的变化规律进行研究分析。

3.1 管材轧制过程中的应力分析

在钢管管材上选取11 个不同位置的点，每个位置对应不同的减径量、减壁量和钢管咬入轧辊的送进量，对摩擦系数为0.4 和0.3 分别进行轧制过程的研究，分析其轧制规律。如图5 所示，当摩擦系数为0.4 时，钢管的压应力最大值在钢管与孔型顶部接触区域，为80.17Mpa，钢管的压应力最小值在钢管与辊缝接触区域，为13.54Mpa。当摩擦系数为0.3时，钢管的压应力最大值与最小值出现的区域与前者相同，其最大值为80.14Mpa，最小值为7.03Mpa。由图可见，摩擦系数越大，钢管的压应力值稍大，对应力的影响规律较小。

图5 钢管不同点、不同摩擦系数的应力分布

针对钢管管材上11 个不同位置的点，选取4 个不同时刻，研究分析不同的减径量、减壁量和送进量下轧制过程的应力分布规律。如图6 所示，钢管在刚进入轧辊孔型时，减径量、减壁量和送进量都较小，钢管部分点没有接触轧辊，应力较小，最大值只有42.76Mpa，当钢管逐渐进入轧辊，各个点与轧辊接触均匀时，减径量、减壁量都较稳定，送进量逐渐增大，钢管各点的应力也逐渐稳定，最大值大约都在80Mpa，且其余点的应力值也较稳定。

图6 钢管不同点、不同时刻的应力分布

3.2 管材轧制过程中的应变分析

同样针对钢管管材上11 个不同位置的点，研究分析不同的减径量、减壁量和送进量下，摩擦系数分别为0.4 和0.3，钢管轧制过程的应变分布规律。如图7 所示，当摩擦系数为0.4 时，钢管的压应变最大值在钢管与孔型顶部接触区域，为0.021，钢管的压应变最小值在钢管与辊缝接触区域，为0.0002。当摩擦系数为0.3 时，钢管的压应变最大值与最小值出现的区域与前者相同，其最大值为0.017，最小值为0.0002。由图可见，摩擦系数越大，钢管的压应变值稍大，对应变的影响规律较小。在钢管刚接触轧辊时，钢管与辊缝区域接触，减径量、减壁量很小，送进量较小，钢管发生压扁变形，应变量较小，随着钢管的送进量逐渐增大，钢管与轧辊的接触逐渐均匀，减径量、减壁量也趋于稳定，应变值也逐渐均匀，在0.02 左右波动。

图7 钢管不同点、不同摩擦系数的应变分布

3.3 管材轧制过程中的轧制力分析

在钢管管材上选取5 个不同位置的点，研究分析不同减径量、减壁量下轧辊轧制力的变化规律。如图8 所示，第1 点为钢管刚咬入轧辊时的轧制力，此时的轧制力最大，为1094KN，送进量很小，减径量为4mm，减壁量为0.059mm；第2 点为钢管少部分咬入轧辊时的轧制力，此时的轧制力较大，为1038KN，送进量较小，减径量为4.5mm，减壁量为0.049mm；第3 点为一半钢管咬入轧辊时的轧制力，此时的轧制力较稳定，为1009KN，送进量增大，减径量为4mm，减壁量为0.045mm；第4 点为钢管大多部分咬入轧辊时的轧制力，此时的轧制力较小，为985KN，送进量较大，减径量为0.5mm，减壁量为0.038mm；第5 点为钢管全部咬入轧辊时的轧制力，此时的轧制力最小，为974KN，送进量最大，减径量为0.3mm，减壁量为0.009mm。由此可见，轧辊的轧制力在钢管咬入轧辊初期最大，随着钢管逐渐咬入并进入稳定轧制，轧辊的轧制力逐渐减小至最小值。

图8 不同减径量、不同减壁量的轧制力分布

4 管材轧制的工艺参数优化

通过对钢管管材的四辊轧制过程进行有限元数值模拟，研究分析了在不同减径量、减壁量、送进量和摩擦系数等工艺参数下钢管管材的应力、应变及轧辊轧制力的变化规律，从而对钢管管材轧制的工艺参数进行优化。如前所述，当钢管一半咬入轧辊时其应力、应变较为稳定均匀，轧辊的轧制力也趋于稳定，此时的减径量、减壁量、送进量最佳，同时研究分析了两个摩擦系数下的轧制规律，当摩擦系数为0.3 时轧制过程更为平稳均匀。由此优化给出工艺参数的合理参考值：减径量为4mm，减壁量为0.045mm，送进量为管材的一半，摩擦系数为0.3，此时的轧制规律最优。