（材料学专业论文）铜管四辊行星轧制工艺有限元模拟研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 最近出现了一种新的轧管工艺s t p 轧管工艺，其核心设备为四辊行星轧机，又 称k r m 轧管机，其结构和工作原理与三辊行星轧机( p s w 轧机) 类似。与三辊行星轧 机相比，采用四辊行星轧机轧制铜管的* l n 速度更快，可以大大提高生产效率；而且管 坯变形更均匀，轧出的产品质量更好。 目前，铜管四辊行星轧制工艺尚处于摸索阶段，轧制过程中材料的流动机制、管坯 的变形过程以及温度场分布等也有待研究。本文借助商业非线性有限元分析软件 m s c m a r c ，对t p 2 紫铜管四辊行星轧制过程进行了可视化数值仿真模拟分析，为探索铜 管四辊行星* l n 工艺提供了一种有效途径。 建立合理有效的铜管四辊行星轧制有限元模型是正确进行模拟分析的关键。首先， 在充分了解四辊行星轧机的结构和工作原理的基础上，建立四辊行星轧机* l n 的运动学 模型，推导出轧辊转速的计算公式，为设定合理的模拟轧制工艺参数提供理论依据；而 后，通过g l e e b l e 压缩实验获得t p 2 紫铜在不同温度、不同变形速率下的流动应力，为 有限元模拟提供准确的材料模型；进一步给出合理的初边条件和边界条件及其在有限元 分析软件中的设置处理方法，对有限元分析中所需的各种参数进行调试，最终建立起合 理的t p 2 紫铜管四辊行星轧制有限元分析模型。 通过模拟分析获得了铜管四辊行星* l n 管坯变形过程及材料的流动机理。四辊行星 * l n 过程中坯料既沿着圆周方向旋转，又沿着轧制线前进。而管坯横断面的变形一个是 从圆形到圆四边形再回规圆形的过程。与三辊行星轧制相比，四辊行星轧制管坯的反复 弯曲应力显著减小，进而大大减小了在管坯表面形成裂纹的可能性。 给出了塑性变形热和摩擦热内热源计算方法，及热边界条件的处理方法，建立了铜 管四辊行星轧制温度场数学模型。通过对四辊轧制过程进行热力耦合模拟分析，获得了 变形区管坯的温度场分布。 模拟分析了轧辊辊形、轧辊转速以及摩擦系数对轧制过程的影响。通过模拟分析得 到实际生产过程中可以通过改变轧辊辊形、提高轧辊转速、增大摩擦系数等办法提高轧 匍j 速度。 关键词：四辊行星轧制；铜管；有限元模型；热力耦合分析 铜管四辊行星轧制工艺有限元模拟研究 r e s e a r c ho nf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no ff o u r - r o l lp l a n e t a r yr o l l i n g p r o c e s so fc o p p e rt u b e s a b s t r a c t an e w p r o c e s sf o rs e a m l e s st u b ep r o d u c t i o nc a l l e ds e a m l e s st u b ep r o c e s s ( s t p ) c o m e s i n t oo u rh o r i z o n t h ek e ye q u i p m e n ti saf o u r - - r o l lp l a n e t a r yr o l l i n gm i l l ，w h i c hi sa l s oc a l l e d k o c k sr e d u c t i o nm i l l ( k r m ) t h es t r u c t u r ea n do p e r a t i o np r i n c i p l eo ff o u r - r o l lp l a n e t a r y r o l l i n gm i l li ss i m i l a rt ot h et h r e e r o l lp l a n e t a r yr o l l i n gm i l l c o m p a r e df o u r - r o l lp l a n e t a r y r o l l i n gw i t ht h r e e - r o l lp l a n e t a r yr o l l i n g ，t h er o l l i n gs p e e di sf a s t e ra n d t h ed e f o r m a t i o no ft u b e i sm o r eu n i f o r m ，h i g h e re f f i c i e n c ya n db e t t e rq u a l i t yw i l lb eg a i n e da sar e s u l t r e s e a r c ho nf o u r - r o l lp l a n e t a r yr o l l i n gp r o c e s so fc o p p e rt u b ei ss t i l li ni t si n i t i a ls t a g e t h ef l o wm e c h a n i s mo ft h em a t e r i a l 、t h ed e f o r m a t i o na n dt e m p e r a t u r ef i e l do ft h et u b en e e d t 0b es t u d i e d w i t ht h ea i do ft h ec o m m e r c i a ln o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r em s c m a r c ，a v i s i b l en u m e r i cs i m u l a t i o na n da n a l y s i so ft h ef o u r - r o l lp l a n e t a r yr o l l i n gp r o c e s so ft p 2p u r e c o p p e rt u b ei sc a r r i e do u ti n t h i st h e s i s ，w h i c hp r o v i d e sa ne f f e c t i v ew a yt oe x p l o r et h e f o u r - r o l lp l a n e t a r yr o l l i n gp r o c e s so fc o p p e rt u b e s e s t a b l i s h m e n to far e a s o n a b l ea n de f f e c t i v ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ff o u r - r o l lp l a n e t a r y r o l l i n gp r o c e s so fc o p p e rt u b ei st h ek e ys t e po ff es i m u l a t i o n f i r s t ，k i n e m a t i c sm o d e l l i n go f t h er o l l i n gp r o c e s si sp e r f o r m e da n dt h es p e e do fr o l l e ri sc a l c u l a t e dt os e tr e a s o n a b l er o l l i n g p a r a m e t e r s b a s e do i laf u l lu n d e r s t a n d i n go ft h e s t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h e f o u r - r o l lp l a n e t a r yr o l l i n gm i l l t h e nt h r o u g ht h eg l e e b l ec o m p r e s s i o nt e s t ，s t r e s s e so ft p 2 p u r ec o p p e ra td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sa n d s t r a i nr a t e sa r eo b t a i n e d ，w h i c hp r o v i d e sa na c c u r a t e m a t e r i a lm o d e lf o rt h ef es i m u l a t i o n r e a s o n a b l ei n i t i a lc o n d i t i o n 、b o u n d a r yc o n d i t o n sa n d s e t t i n go ft h e s ec o n d i t i o n si nt h es o f t w a r ea r eg i v e ni nt h i st h e s i s t h ef m i t ee l e m e n tm o d e lo f f o u r - r o l lp l a n e t a r yr o l l i n gp r o c e s so ft p 2p u r ec o p p e rt u b ei se s t a b l i s h e da tl a s tt h r o u g h s e v e r a la d j u s t m e n t sa n dt e s t so ft h em o d e lp a r a m e t e r s t h ec h a r a c t e r i s t i co fd e f o r m a t i o na n dt h em a t e r i a lf l o wm e c h a n i s md u r i n gt h er o l l i n g p r o c e s sa r eo b t a i n e dt h r o u g ht h ea n a l y s i so fs i m u l a t i o n t h em a t e r i a l f l o w sb o t hi n t h e c i r c u m f e r e n t i a la n da x i a ld i r e c t i o n s t h ed e f o r m a t i o nr u l eo ft h ec r o s s s e c t i o no ft h ec o p p e r t u b ei s ：t h eo r i g i n a ls h a p ei sac i r c l e ，t h e nt u m st ob eaq u a d r a n g l ea n df i n i a l l yac i r c l ea g a i n c o m p a r e dw i t ht h e t h r e e - r o l l p l a n e t a r yr o l l i n gp r o c e s s ，t h eb e n d i n g s t r e s so ft h et u b e d e c r e a s e sg r e a t l yd u r i n gt h ef o u r r o l lp l a n e t a r yr o l l i n gp r o c e s s ，r e d u c i n gt h ep o s s i b i l i t yo ft h e g e n e r a t i o no fc r a c k s 大连理工大学硕士学位论文 t h ec a l c u l a t i o nm e t h o d so fi n t e r n a lh e a tr e s o u r c e si n c l u d i n gt h ep l a s t i cd e f o r m a t i o nh e a t a n dt h ef r i c t i o nh e a ta n d 也er e a s o n a b l eh e a tb o u n d a r ym o d e l sa r ep u tf o r w a r di nt h i st h e s i s t h e nat e m p e r a t u r ef o r e c a s tt 1 1 e o r e t i c a ls y s t e mo ft h ef o u r - r o l lp l a n e t a r yr o l l i n gp r o c e s si s b u i l t t h et e m p e r a t u r ef i e l di so b t a i n e dt h r o u g ht h ea n a l y s i so fs i m u l a t i o n i n f l u e n c eo fp r o c e s sp a r a m e t e r s ，s u c ha sr o l l e rr o t a t i o n a ls p e e d ，c o e f f i c i e n to ff i c t i o na n d r o l l e rp r o f i l e ，u p o nt h er o l l i n gp r o c e s si sa n a l y z e d e x i ts p e e do ft u b ec a nb ei n c r e a s e db y c h a n g i n gt h er o l l e rp r o f i l e ，i n c r e a s i n gr o l l e rr o t a t i o n a ls p e e do rf r i c t i o n k e yw o r d s ：f o u r - r o l lp l a n e t a r yr o l l i n g ；c o p p e rt u b e ；f i n i t ee l e m e n tm o d e l ； t h e r m a l - m e c h a n i c a la a n a l y s i s m 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：靼趣垂t f q r 日期：礁翌星：堇 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 储繇咎隧逵 导师签名：主呈= ! 兰耋 丛年鱼月日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1引言 铜管材是重要的铜力n - l ：材之一，在人们的生产生活中有着广泛的应用，如空调用内 螺纹管、无氟冰箱铜管、电力工业用冷凝铜管、以及输油、输水、输气用的铜管道等等。 随着国民经济的发展，铜管的应用领域正在逐步扩大，消费量也逐年增加。在我国的铜 管消费中8 0 以上是紫铜管，合金管所占比例较小。而合金类铜管的消费主要是黄铜管 和白铜管【1 捌。 1 2 铜管生产方法 铜管生产方法主要有以下几种：热挤压冷轧法( 简称挤压法) 、水平连铸行星轧 制法( 简称连铸连轧法) 、热斜轧穿孔冷轧法( 简称斜轧穿孔法) 、上引连铸一冷轧法 ( 简称上引法) 、带坯焊接成型法( 简称焊接法) 【3 ，4 】。目前，国外一些铜管加工企业 大多数采用的是挤压法，而我国的铜管加工企业采用连铸连轧法的较多，也有企业同时 采用两种方法生产铜管。与挤压法和连铸连轧法相比，其它几种铜管生产方法应用的企 业比较少 5 1 。下面分别介绍挤压法和连铸连轧法的工艺流程以及与其它加工方法相比这 两种加工方法的优缺点。 1 2 1 挤压法 挤压法是铜管加工中应用最早的加工方法，经过一百多年的发展，技术已经非常成 熟，应用范围也比较广。挤压法工艺流程为：连续或半连续铸造实心锭坯定尺锯切 感应加热水封无氧化挤压切头尾皮尔格轧管机轧制拉伸精 整、退火。 对于t p 2 紫铜管而言，具体的挤压工艺为：首先半连续或连续铸造实心铸锭坯，将 铸坯锯切成一定长度，再将该实心锭坯加热到8 5 0 9 0 0 ，然后通过挤压机穿孔挤压 成空心管坯，管坯经精整后提供给二辊冷轧机进行冷轧，冷轧成盘后作为盘拉的供料坯 管，经高速圆盘拉拔，再经过精整、退火而完成整个工序过程。 挤压加工方法的最大优点就是工艺灵活、适应性强。能挤压成各种形状的母材，如 管、棒、线、异形材等；而且可以生产几乎涵盖所有铜及铜合金牌号产品以及各种超大 直径、超厚、超薄的铜管产品。目前挤压过程多采用水封无氧化脱皮挤压技术，挤出的 管材质量好，晶粒组织均匀细小，且内外表面光亮无氧化 6 】。 但是，采用挤压法生产铜管也存在以下缺点【6 ，7 】： 制管四辊行星轧制工艺肯| ；l i 元模拟研究 设备投资及维护费用高。厂房占地面积大建设周期长，投资建设条年产1 乃吨的铜盘管光管生产线，采用进口设备大约需投资2 22 亿元。轧管机轧辊制造费用高， 一副国孔型约需2 万美元，维护费用也比较高。 ( 2 1 消耗大。t 十t p 2 紫铜管而言，铸坯挤压前需加热到8 5 0 9 0 0 c ，能源消耗较大。 另外，长时闸挤压生产后挤压筒内衬磨损较大，出会影响挤出管坯的表面质量和尺寸精 度。 ( 3 ) 材料利用率低。挤压的压余、脱皮、穿孔等几何废料较多，造成产品成品率低， 综合成品率仅在7 0 左右。 122 连铸连轧法 连铸连轧法是芬兰奥托昆普公司于2 0 世纪8 0 年代研发出来的一种新型紫铜盘管生 产工艺。这种工艺经过十儿年的发展也已经比较成熟，在我国大约有6 0 的空调制冷铜 管是使用此方法生产的。连铸连轧法工艺流程为：水平连铸空心管坯定尺锯切 铣面行星轧制拉伸精整、退火。 工艺流程图 豳如。_ o m w = 。一一 图11 铸轧工艺流程图 f i g1 1 f l o wc h a r t o f c a s t i n g r o l f i n g 驻拉j 阁11 为采用铸轧工艺生产t p 2 紫铜管的工艺流程图。其生产是将电解铜板、返回 废料和铜磷合金经熔炼、保温后，直接由水平连铸机连续拉铸出3 根空心管坯；将铸坯 锯切成定长：铸坯经铣面后，在二辊行星轧管机轧制；再经过联拉、盘拉等工序达到所 需尺叫；最后经过精整、退火等工序。目前水平连铸管坯尺寸有三种，分别为 中8 0 ) ( 2 0 ) 【1 2 2 0 0 m m 、中9 0 x 2 4 2 3 0 0 0 m m 和0 1 0 2 x 2 5 x 1 8 0 0 0 m m 。 大连理工大学硕士学位论文 与其它铜管加工方法相比，连铸连轧法优点如下 8 9 】： ( 1 ) 设备投资少。与挤压法相比，省去了铸锭加热工序和热挤压工序，大大减少了 占地面积和设备投资。一条年产1 5 万t 铜管生产线的设备投资大约为1 5 亿元，工模具 制造及维护费用较低，一副轧辊制造费约1 万元，修磨一次仅数百元。 ( 2 ) 生产效率高，能耗低。与挤压法相比，连铸连轧法省去了铸坯加热后挤压成铜 管坯的过程，简化了工序的同时大大降低了能耗。而且行星轧制之后的管坯不需退火可 以直接进行拉拔，进一步简化了工序，提高了生产效率。 ( 3 ) 产品质量好。轧管过程中，空心铸锭内外表面和轧出管坯的内外表面均通保护 气体，使管坯在水冷前表面与空气隔离而不被氧化，从而保证管坯表面的高质量。 ( 4 ) 产品精度高。轧管过程中，其变形特点是空心铸锭呈螺旋进给，使管坯壁厚均 匀度大大提高，这是挤压管坯壁厚均匀度所不能比拟的。 ( 5 ) 成品率高。从投料熔铸到加工成中小规格的成品管材，综合成品率高达9 0 左 右，这是挤压法、斜轧穿孔法、上引法达不到的。 但是连铸连轧法也有一定的限制，只能生产中小规格的纯铜成品管材，不能生产中 大规格的铜管材和大多数铜合金管材，目前仅有b 1 0 白铜铸轧技术的开发成果。 综上所述，采用挤压法生产铜管的适用范围比较广，但是投资大，适合大型铜及铜 合金管生产企业。连铸连轧法适合于稳定规格的铜管的连续生产，对于变规格变材料管 材的加工适应性很低。但与挤压法相比，采用连铸连轧法生产的铜管产品质量与挤压法 相当，而且连铸连轧法的投资少、能耗低、生产效率高，是目前最具竞争力紫铜管生产 方法。 1 3 铜管行星轧制 1 3 1 三辊行星轧机简介 三辊行星轧机，又称p s w 车l 机，是一种连续轧制的大压下量轧机，也是目前采用连 铸连轧法i j n - r 铜管的核心设备。三辊行星轧机是由德国西马克( s m s ) 公司于1 9 7 4 年 研制成功的，最初用于轧制钢棒材，后来又用于钢管材的轧制。由于三辊行星轧机具有 压下量大、结构紧凑、能耗低等特点，很快被移植到有色棒材的加工中。2 0 世纪8 0 年 代末芬兰的奥托昆普公司将三辊行星轧机成功地应用于铜管的轧制【1 们，极大地提高了铜 管的加工效率。 三辊行星轧机的主要工作部分由安装在回转大盘上的三个互成1 2 0 。分布的锥形轧 辊组成，如图1 2 所示。三个轧辊的轴线与管坯的轴线调整形成一个偏转角0 l 和倾斜角 1 3 ，如图1 3 所示。倾斜角i i p s l 辊与坯料间的夹角，为轧件提供了径向的压力，使轧件发 生径向的压缩变形。增大倾斜角，可以增加断面缩减量，一般设定5 0 。- 5 5 0 。偏转角为 轧件提供轴向向前的作用力，使轧件向前运动。增加偏转角，可以增大轧辊与轧件的接 触面积，增加轧制力。在三辊行星轧制过程中偏转角a 最大可调整1 5 0 。 图1 2 三辊行星轧机正视图 f i g 1 2 f r o n tv i e wo ft h r e e - r o l lp l a n e t a r yr o l l i n gm i l l 图1 3 轧辊与管坯的位置关系 f i g 1 3u b i e t yo fr o l l e ra n dt u b e 1 3 2 四辊行星轧机的结构和工作原理 德国考克斯( k o c k s ) 公司最近又研制出了四辊行星轧机，其结构和工作原理与 三辊行星轧机类似。四辊行星轧机的主要工作部分是4 个9 0 0 均匀分布的圆锥形轧辊， 如图1 4 所示。四个轧辊安装在回转大盘上，并且轧辊轴线和管坯轴线之间存在一个偏 距，如图1 5 所示。 图1 4 四辊行星轧机正视图图1 5 轧辊与管坯的位置关系 f i g 1 4 f r o n tv i e wo ff o u r - r o up l a n e t a r yr o l l i n gm i l l f i g 1 5u b i e t yo f r o l l e ra n dt u b e x 大连理工大学硕士学位论文 四辊行星轧机的传动部分由主传动和辅传动组成，如图16 所示。主传动是由主电 机通过变速箱，经齿轮传动回转大盘，使回转大盘以轧制线为轴线旋转。而装在同转大 盘中的四个轧辊也随着回转大盘的旋转一起绕轧制线公转；另外，由于轧辊上的齿轮与 中心轮啮合使轧辊公转的同时又产生围绕自身轴线的自转。所以四个轧辊既绕着轧制 线公转，又绕着轧辊轴线自转，由此构成了轧辊的行星运动【l “。 辅传动是由辅助电机经齿轮传动给中心轮，使中心轮朝着与回转大盘相反的方向旋 转，从而构成行星差动系统并给轧辊一个附加的自转转速。辅助电机的转速作为控制 因素，通过中心轮叠加到轧辊上，使轧辊的自转速度和公转速度保持一定的匹配关系， 从而保证轧件不会因为变形条件的不同而产生微小的旋转，而是只沿着轧制线做直线前 进运动。 轧辊。 管坯i ： 、中心轮 、辅传动 图16 四辊行星轧机传动示意图 f i g16 t r a n s m i s s i o no f f o u r - r o l l p l a n e t a r yr o l l i n g m i l l 由四辊行星轧机的结构可知，轧辊的公转速度即回转大盘的转速；轧辊的自转速度 为凹转大盘的公转引起的自转转速和中心太阳轮引起的自转转速；而轧辊的绝对转速则 为白转和公转的合成转速。 与三辊行星轧制相比，由于四辊行星轧机轧辊数的增加提高了管坯的喂入速度，进 而提高了管坯的轧制速度，三辊行星轧制管材的正常速度范围在1 0 1 6 m m i n 而四辊 行星轧制可达2 5 - 一4 0 t r d m i n ；另外轧辊数的增加也使管坯受力更均匀，轧制过程更稳定。 所以采用四辊行星轧机将进一步提高生产效率、降低生产成本，提列企业市场竞争力。 铜管四辊行星轧制工艺有限元模拟研究 1 3 3 行星轧机的发展概况 三辊行星轧机和四辊行星轧机都属于大压下量轧机，操作简便、具有良好的连轧性 能、轧制力小、设备运行平稳、无冲击载荷、噪音较小，是管、棒材加工的理想设备。 三辊行星轧机是上世纪7 0 年代发展起来的，又称p s w 轧机，p s w 德文原意是“行 星斜轧机 。1 9 7 4 年，德l 雾s c h l o m e n s i e m a g 公司进行三辊行星轧机实验。1 9 7 5 年，第 一台三辊行星轧机在原联邦德国的h o e s c h 冶金厂投入运行。当时是将三辊行星轧机作为 棒材机组的粗轧机使用的。1 9 7 7 年，瑞典h e l l e f o r s 的s k f 公司的一台三辊行星轧机投产。 它被用作棒材和线材机组的粗轧设备，主要用来轧制轴承钢。1 9 7 7 年至1 9 8 0 年，进行 了三辊行星轧机轧制无缝钢管的一系列试验。1 9 8 2 年，日本三洋特钢公司将一台三辊行 星轧机用作半成品轧机，用来生产直径1 0 0 一1 6 0 m m 的特殊钢圆棒。1 9 8 3 年，德国 e s c h w e i l e r 钢管厂安装了一台轧制钢管的三辊行星轧机。不久全连续生产管材的三辊行 星轧机机组在美国正式投入运行【1 3 , 1 4 】。 2 0 世纪8 0 年代芬兰奥托昆普公司研制开发了一种新型紫铜盘管开坯工艺：水平连 铸一行星轧管法，简称连铸连轧法。在此生产线上，铜管坯的轧制就是采用德国施罗曼 一西马克公司研制的三辊行星轧机来实现的。三辊行星轧机已经成为铜管铸轧生产线的 核心部分。1 9 9 2 年韩国l u c k y 金属公司首次在国际上采用连铸连轧技术进行铜管工业化 生产，三辊行星轧机开始真正应用到铜管材的加工生产之中。1 9 9 4 年新乡无氧铜材总厂 ( 后改制为金龙集团精密铜管股份有限公司) 将该技术引入我国，极大地提高了铜管的 加工效率，使三辊行星轧机在有色金属加工中的应用更加深入【l 5 1 。 在国内，三辊行星轧机的理论研究和工业性生产也取得了很大的发展。1 9 7 8 年底， 上海冶金设计研究院研制成功三辊行星轧机的试验样机，证实了国外报道该轧机具有的 特点。1 9 8 0 年沈阳有色金属加工厂也研制出一台三辊行星实验轧机。随后上海第一铜棒 厂与上海冶金设计院研制的0 9 0 m m 的三辊行星轧机用于黄铜的行星轧制开坯。在黑色金 属加工方面，主要有北京科技大学设计的s x 一6 0 三辊行星轧机在郑州金属制品研究所获 得实验成功，充分证实了该类轧机的优点和可行性，也证实了我国设计制造三辊行星轧 机的能力【1 2 1 。目前我国三辊行星轧机主要应用在有色金属加工生产之中。 四辊行星轧机，又称酬轧管机( k o c k sr e d u c t i o nm i l l 的缩写) ，是继三辊行星 轧机之后出现的新型轧管机，其结构和工作原理与三辊行星轧机类似，是德国考克斯 ( k o c k s ) 公司经过多年努力研发出来的，并于2 0 0 1 年工业试验成功。2 0 0 3 年冶钢集 团的东钢公司与k o c k s 公司签订了合同，决定在东钢公司建设世界上第一套采用k r m 轧管设备的0 11 4 m m 的热轧无缝钢管车间【1 6 1 。2 0 0 7 年河南金龙精密铜管集团股份有限公 司从k o c k s 公司购进了一台四辊行星轧机，用于s l 锘m j o l o o m m 的t p 2 紫铜管。 大连理工大学硕士学位论文 1 3 4 铜管行星轧制的特点 铜管四辊行星轧制过程开始于冷加工结束于热加工。行星轧制的实质是通过对金属 的急剧变形，迫使金属晶粒的急剧破碎与晶界面的滑移产生大量热量，致使轧件变形区 温度急速上升。由于轧制一道次管坯变形量超过9 0 ，使轧件变形区的温度超过铜的再 结晶温度，并发生完全动态再结晶。轧后的铜管具有很好的等轴晶粒状结构，同退火后 的软状态一样，很适合冷拉成壁厚较薄的管材。 故铜管行星轧制的主要优点如下： ( 1 ) 大压下量，高延伸率，行星轧制一个道次变形量可达9 0 以上，这是行星轧制 的最大的特点。 ( 2 ) 能耗低。对铜及铜合金管来说，塑性变形热和摩擦热即可使变形区内的轧件温 度迅速达到铜的再结晶温度以上，故轧制之前管坯不需预热，大大降低了能耗，简化了 设备。轧后铜管可直接进行拉拔，不需退火，进一步降低了能耗。 ( 3 ) 轧出的铜管内部组织均匀细致。由于轧制过程中发生了动态再结晶，轧件的铸 造组织全部变为完全再结晶组织，使轧出铜管的晶粒均匀细致，晶粒尺寸一般为1 5 3 0 微米，这样小的初始晶粒尺寸对于最终的产品表面质量是非常有益的。 “) 轧出的铜管表面质量好。由于轧制过程中变形区温度较高，为了防止管材表面 氧化，轧制过程中在轧机内通入氮气，并且在轧机出口端设置一个冷却装置，轧出的铜 管在氮气的保护下进入水封套快速冷却，到室温才接触空气，保证了轧出的管材不被氧 化，内外表面清洁光亮。 ( 5 ) 具有连轧性。行星s l n 过程中轧件能自动咬入，不需要导向装置，轧出的铜管 不旋转或微转，轧机具有良好的连轧性能，且轧制过程中设备运行平稳，无冲击载荷， 噪音较小。 1 4 行星g l n 理论研究概况 1 4 1三辊行星s l n 理论国内外研究 p s w 车l 机的工业应用引起了学者们的广泛关注。2 0 世界9 0 年代初期三辊行星轧制 的理论研究集中于三辊行星轧管机的结构和运动特点的分析，建立了轧制过程中轧辊的 速度方程【l1 1 ，通过平面断面假设对三辊行星s l n 力能参数进行理论推导计算【1 7 】等。文献 1 2 对三辊行星轧机的基本结构和工作原理及轧机的运动和结构参数进行了概况介绍。 在三辊行星轧机轧辊辊形设计方面，定义沿变形区纵向轧辊表面到轧制中心线的最短距 离的点的集合称为斜轧特征线，其距离值为斜轧特征值【l8 1 ，它们的形态和几何工艺参数 密切相关，控制着每一个螺旋轧制周期的压下量，所以通过斜轧特征线的综合反映，可 铜管四辊行星轧制工艺有限元模拟研究 以研究几何参数对压下量分布形态的影响。利用共轭曲面法可以建立p s w $ l 机轧辊的不 干涉条件【1 9 1 ，该方法设计的轧辊可比一般不干涉条件下设计的轧辊直径增大1 5 2 0 ， 从而可以改善轧制工艺条件，对p s w 轧机本身的设计也有一定的意义。三辊行星斜轧机 力能参数方面有学者进行了理论研列2 们。还有学者通过实验分析了轧制速度、延伸率、 偏转角等因素对轧制力能参数的影向【2 1 1 。对于三辊行星轧制过程中轧件的塑性变形行 为，可以通过流函数法进行计算 2 2 】。利用塑性泥为轧制实验原料对三辊行星s l $ l j 棒材进 行实验模拟，可以对比分析轧件变形尺寸、螺旋纹间距和偏转角度等对旋轧棒材坯料的 影响【2 3 1 。而关于铜管三辊行星轧制理论方面的研究比较少，有对铜管三辊行星轧制特点 的分析，以及轧制功率计算 2 4 1 。对铜管材三辊行星轧机芯棒运动的控制的研究及管坯宏 观组织的观测【2 5 】。通过对铜管在三辊行星轧制过程中组织性能的分析，得到铜管性能的 变化【2 6 ，2 7 1 。 在国外方面，在理论分析三辊行星轧制力和轧制功率的基础上，g a r t n e r 弱j 进行了轧 制实验研究轧出预期管材。s i e b k e 等 2 9 】使用传统塑性理论分析了三辊行星轧制的轧制力 和轧制功率，并做了轧制钢管的试验研究。a o y a g i 等 3 0 】观察了材料的流动、轧辊所受的 载荷、轧制过程中在不同端面压缩率下轧辊的压力分布，以及研究了偏转角对轧件出口 速度的影响。n i s h i o 等【3 l 】讨论了在不同偏转角和轧辊外形的轧制产品的质量特性。 a m m e r l i n g 3 2 , 3 3 分析了三辊轧制技术在轧制特殊棒材产品上的应用。r e c a l c a t i 3 4 】介绍了 一种h r m 高减径行星轧机的设备。在h r m 行星式三辊高断面缩减轧机方面，日本川崎 重工以塑性泥为实验材料，完成了刚塑性有限元模拟。l a p o v o k 掣3 5 】使用半对称实验原 理，建立近似对称模型分析，研究稳态下的刚塑性流动规律，此方法可应用于螺旋状三 辊高压延轧机上。文献 3 6 对于棒线材轧制用的三辊行星轧机轧制压力分布进行了论述 分析。国外对于三辊行星轧制的研究主要集中在钢材，时间上主要集中在二十世纪9 0 年代，而对铜管三辊行星轧制过程的研究文献很少。 1 4 2 四辊行星轧制理论研究 四辊行星轧机是继三辊行星轧机p s w 之后出现的新型行星斜轧机，这是轧管技术的 一个新进展 3 7 , 3 8 】。目前，关于四辊行星轧机及其轧管工艺的研究很少，有学者对四辊行 星轧机的结构和工作原理进行了分析，研究了四辊行星轧机的运动特点和轧制时管坯的 轴向速度【3 9 1 。四辊行星轧机轧制的管坯的不转条件可以采用差动普遍关系式导出【4 们。四 辊行星轧机结构紧凑，采用四辊行星轧机进行管材轧制可大幅度降低投资，特别适合中、 小型管材企业的生产【4 。 四辊行星轧制作为一种新的加工工艺，无论是在钢管轧制方面还是在铜管轧制方面 都还未见相关方面的研究。而大多数企业设计新工艺时主要采用反复试验的办法，这种 大连理工大学硕士学位论文 办法不但延长了设计时间而且也大大提高了生产成本。为了加快新工艺的研发进程、优 化加工工艺，对加工过程进行计算机仿真模拟分析已成为工艺研究的一种重要途径。 1 5 行星轧制有限元模拟研究 1 5 1 有限元法简介 有限元法( f e m ) 在塑性加工领域应用比较广泛，其理论也比较成熟和完善。有限元 法的基本思想是将变形区离散为很小的单元，然后在这些小单元内应用塑性条件和虚功 原理，建立应力和位移的关系方程及能耗率泛函表达式，利用多元函数求极值的办法， 找出一组满足总能耗率为最小的速度场即为所求解，然后在以所得位移速度场确定应力 场，这种方法不但求出表面载荷分布，而且还能求出变形区内部的应力分布和位移速度 分布，可以用于分析轧件内部的变形机理，即材料的流动情况。 采用有限元法对金属塑性成形过程进行计算机仿真模拟分析，可以为成形工艺设计 提供理论基础；为正确选用机械设备和模具材料提供理论依据；并且能够预测工件中的 组织性能变化及可能出现的缺陷等。 在塑性变形过程中，如果弹性变形不能忽略并对成形过程有较大的影响时，则为弹 塑性变形问题。在进行弹塑性有限元分析时一般按增量理论进行求解，即将整个载荷分 解为若干增量步，逐渐施加在变形体上。本文对铜管四辊行星轧制过程的分析即是采用 的弹塑性有限元法。 1 5 2 行星轧制过程的有限元模拟研究 台湾有几位学者在三辊行星轧制有限元模拟方面做了许多的工作，但是主要研究的 是钢棒的三辊行星轧制有限元模拟分析。文献 4 2 1 在考虑轧辊外形和轧辊偏转角的基础 上，建立起三辊行星轧制轧机的基本几何模型。使用三维的弹塑性有限元法分析了这种 轧制工艺的变形特点和管坯的应力和应变分布。模拟过程中，提出了一种叫啮合方程的 算法，使用这种方法成功地获得了轧辊和管坯的初始接触状态。文献 4 3 】采用有限单元 法和流函数上界法分析三辊行星轧机的轧制过程。通过三维弹塑性有限单元法重点分析 轧辊的外形轮廓和轧辊与工件之间的实际接触条件，揭示无缝钢管轧制成形过程中的变 形特点。应用更新拉格朗日方程的大变形应变理论模型，可以解决棒材的三辊行星轧制 加工过程模拟分析中遇到的问题脚】。考虑刚性的三个轧辊和变形棒材坯料的接触问题， 采用不同形状的棒材坯料来模拟成形过程，可以获得等效应力、塑性应变分布、轧制力、 入口和出口的轧制速度等【4 5 】，对于钢棒材三辊行星轧制工艺设计很有帮助。关于铜管三 辊行星轧制有限元模拟方面也已经有了一些研究，都是借助有限元分析软件m s c m a r c 铜管四辊行星轧制工艺有限元模拟研究 建立的三辊行星轧机轧制过程有限元模型 4 6 4 7 1 。有对轧制过程中轧件内部应力与应变分 布情况以及轧辊轧制力、轧制扭矩的分析u 3 1 4 。有对三辊行星轧制过程中坯料的受力以 及管坯变形规律的研究【4 8 1 。还有对b 1 0 铜合金管三辊行星轧制过程进行的热力耦合模 拟并从等效应力、等效应变和变形温度等方面将b i o 和t p 2 两种材料的模拟结果进行 了对比1 4 9 , 5 0 。 1 6 课题研究意义、内容及路线 1 6 1 课题研究意义 本课题来源于国家科技部科技攻关计划引导项目：“铜合金管材水平连铸连轧生产 技术及设备的研究与开发”( 项目编号：2 0 0 2 b a 3 2 7 c ) ，和国家自然科学基金资助项目： “连铸铜管坯行星旋轧工艺中的材料流动行为与组织演变规律”( 项目编号：5 0 4 7 4 0 5 9 ) 。 目前还未见有关铜管四辊行星轧制工艺方面的研究文献，而铜管四辊行星轧制工艺 的研究仍处于探索阶段，轧制过程中轧件的变形过程以及材料流动机制等也尚待研究。 以大型非线性有限元分析软件m s c m a r c 为平台，对铜管四辊行星轧制过程进行数值仿 真模拟分析，可以直观、动态地观察到四辊行星轧机的运动过程、管坯形状的变化以及 金属的流动情况，较好地了解铜管四辊行星轧制过程。并且通过对不同的轧制工艺参数 下的铜管四辊行星轧制过程进行模拟分析，可以减少试轧过程、降低研发成本、缩短新 工艺研发周期。 1 6 2 课题研究内容 本文借助商业非线性有限元软件m s c m a r c 对t p 2 紫铜管四辊行星轧制过程进行了 仿真模拟分析。主要研究内容为： ( 1 ) 分析四辊行星轧机结构和工作原理及铜管四辊行星轧制的特点。 ( 2 ) 建立合理的四辊行星轧机几何模型，并根据铜管四辊行星轧制的实际生产过程 设定有效的轧制工艺参数，完成铜管四辊行星轧制有限元模型的建立。 ( 3 ) 根据有限元模拟结果分析铜管四辊行星轧制过程中管坯的变形过程。 ( 4 ) 对铜管四辊行星轧制过程进行热力耦合分析，研究铜管四辊行星轧制过程中变 形区管坯的温度场分布情况。 ( 5 ) 分析对不同的轧制工艺参数，如轧辊辊形、轧辊转速、摩擦系数，对轧制过程 的影响。 1 6 3 课题研究路线 本文的研究路线如图1 7 所示： 大连理工大学硕士学位论文 图1 7 论文主要研究路线 f i g 1 7 m a i nr e s e a r c hr o u t i n eo ft h et h e s i s 铜管四辊行星轧制工艺有限元模拟研究 2 铜管四辊行星轧制有限元模型的建立 2 1引言 建立合理有效的铜管四辊行星轧制有限元模型是正确进行模拟分析的基础和关键。 本章重点介绍了如何建立四辊行星轧机有限元模型以及如何进行管坯外形的设计，通过 二次开发建立了t p 紫铜管的材料模型，并对四辊行星轧制有限元模型中边界条件的处 理以及各个参数的设置进行了分析。 2 2 轧辊转速的计算 轧辊转速是四辊行星轧制工艺中的一个重要参数，所以必须充分了解轧机的结构和 运动过程，以确定各部件间的接触关系。根据四辊行星轧机的结构和传动原理正确计算 出轧辊的转速，以便有限元模型中轧制工艺参数的设置。 四辊行星轧机的传动示意图如图2 1 所示，四辊行星轧机工作时要同时驱动主、辅 电机，使其传动系统形成差动轮系。并且要将主、辅电机调节到恰当的匹配关系，以保 证轧件只做沿着轧制线的前进运动，而不旋转，这样便于在线成卷。 如果轧制时只驱动辅助电机，则四辊行星轧机的传动系统为定轴轮系。这时轧辊没 有公转，只有自转，轧件则既前进又旋转。 如果轧制时只驱动主动电机，则四辊行星轧机的传动系统为行星轮系。这时轧件既 公转又自转，但是不能保证轧件只前进不旋转。 图2 1四辊行星轧机齿轮转动示意图 f i g 2 1 g e a rd r i v i n gs c h e m a t i co ff o u r - r o l lp l a n e t a r yr o l l i n gm i l l 大连理工大学硕士学位论文 设图中齿轮l 、2 、3 、4 、5 、6 的齿数分别为z 1 、z 2 、z 3 、z 4 、z 5 、z 6 ，对应的转 速分别为卜6 22 、3 、4 、5 、6 。 主动电机经变速箱调速，经齿轮1 、2 驱动回转大盘，齿轮2 安装在回转大盘上； 辅助电机经齿轮3 、4