螺纹钢切分轧制宽展分析

螺纹钢切分轧制宽展分析

1孔型对螺纹钢轧制的影响除了扩大孔型外，二段式螺旋孔系统通常由弧边孔、哑铃孔、切分孔、椭圆孔和成品孔组成。其中弧边方孔、哑铃形孔、切分孔为特征孔型,椭圆孔和成品孔与一般螺纹钢轧制没有什么区别。弧边方孔前可采用菱形孔或椭圆孔,或采用介于两者之间的菱-椭孔。弧边方孔、哑铃形孔、切分孔对切分轧制产品的质量有重要的影响。作者采用三维非线性有限元软件MARC/Autoforge,应用大变形弹塑性热力耦合有限元法模拟分析了轧件在K6～K3孔中的变形及宽展情况,并和实际轧制情况进行了对比,旨在为螺纹钢切分轧制孔型优化提供依据。2有限模型和边界条件2.1mm螺纹钢筋图1为某厂全连续棒材车间二切分轧制生产ϕ16mm螺纹钢筋采用的孔型。K6机架为水平机架,K5机架为立式机架,K4、K3为水平机架,K5与K4机架间配有扭转导卫装置。2.2网格再造技术该孔型系统K7孔为圆孔,故K6孔的来料为ϕ39mm的中间坯。为保证轧制的连续性,各孔的来料均取自上一道次轧后的轧件形状与尺寸。材质为20MnSi。材料的热物理性能参数和变形抗力模型取自MARC材料库。选取轧件长度时应保证轧件长度方向既有一段稳定的变形区域,又不至于因单元数目过多使计算费用太大。一般可取平均接触弧长的3倍左右。K6～K3孔初始单元数目分别为1920～4100。有限元分析的精度和效率与单元密度和单元几何形态之间存在密切关系。切分轧制过程中过度的大变形会造成单元严重畸变,从而使后续增量分析在质量低劣的网格上完成,影响了结果精度,甚至导致分析的中止。网格自动重划分技术,能够纠正因过度变形产生的畸变,自动重新生成形态良好的网格,提高计算精度,保证后续计算正常进行。而MARC/Autoforge软件具有三维网格再造技术,其特点是随着变形的加大和网格畸变进行网格的自动再造,单元网格逐渐细化,单元数目不断增加。但是,应用这一技术必须正确地设置网格再造的各项参数,在参数选择不合适的情况下,单元数会急剧增加,最终由于计算机硬件的限制,使计算进行得极其缓慢,甚至无法进行。因此,必须同时考虑计算的精度和计算费用设置合理的网格再造参数。如K4孔,模拟在内存为1G的计算机上进行,共进行210步,单元数由2190变为13822,耗时123444s。2.3u3000定热和热传导系数轧辊可视为恒温刚性体,初始条件主要是轧件的初始轧制温度。边界条件包括摩擦边界条件与传热边界条件。摩擦条件:工具与轧件接触面上采用库仑摩擦,摩擦系数取0.35～0.4。传热边界条件:轧件的自由表面存在与周围环境的对流与辐射换热,轧件与轧辊接触时存在接触传热,同时,轧件自身塑性变形和轧件与轧辊接触面的摩擦会产生温升。根据实测温度并结合现场条件,轧件与环境的对流换热系数取为0.02kW/(m2·℃)。轧件与环境间的辐射换热系数可根据辐射定律进行转换,热辐射率取0.8。轧件与轧辊之间的接触热传导一般用接触热传导系数来简化处理。本计算过程热传导系数取15kW/(m2·℃)。轧件对称面采用绝热边界处理,即q=0。由于金属变形和接触面的摩擦使轧件产生的温升,其热功转换系数取为0.9。K6、K5轧辊辊径为420mm,K4、K3轧辊辊径365mm,轧辊转速为29.4～54r/s,轧件温度分别为1007℃～1024℃。2.4模型假设的简化实际生产过程为全连续轧制。从K5轧出的弧边方轧件高度与宽度不完全相等,因为轧件高度与宽度不相等,轧件经扭转导卫扭转45°后,其上下与左右均不对称,轧件进下一道咬入时容易扭转或咬偏。模拟过程也存在同样的问题。因此,为简化计算条件,K5采用K6轧出的轧件,研究如何获得形状规整的弧边方形轧件;K4采用完全对称的弧边方轧件为原料,研究对称性良好的弧边方形轧件在K4、K3孔的充满情况。另外,由图1知道,K3孔轧出的双圆并联轧件连接带厚度仅为1mm,这给计算带来很大难度。因此将模型简化为K3孔连接带厚度为3.6mm。简化对K3道次变形程度会有影响,但由于压下金属的体积变化所占比例很小,因此简化对轧制后轧件的形状影响不大。3切分轧轧过程中不均匀变形的定性分析切分轧制过程存在严重的不均匀变形,采用物理模拟的方法仅能对不均匀变形作定性的分析。有限元模拟可以对切分轧制过程中存在的不均匀变形作定量分析。此处重点分析了轧件断面存在的不均匀变形及其分布以及轧件在孔型中的宽展情况。3.1切分道次变形切分道次切分区的金属变形较为剧烈,轧件初始网格的畸变很严重,网格再造后的情况如图2所示。为减少单元数,此处采用了局部网格细化的方法。图3为轧件变形后断面等效塑性应变的分布与大小。由图3可以看出,轧件在K6、K5孔中的变形不大,不均匀变形程度相对较小。在切分道次(K4、K3孔),轧件在切分变形区内的变形较为剧烈,其累积等效塑性应变可达到3以上,而切分变形区以外的地方变形较小,其累积等效塑性应变在0.5以下,此处的金属只是在切分楔的切劈作用下向两边移动。由此可见切分道次有严重的不均匀变形。K6孔轧件中心的累积等效应变最大,K5孔等效应变最大的地方在弧边处。因此,K6孔型磨损较为均匀,K5孔型弧边处磨损较为严重,K4、K3孔型切分楔尖磨损严重。K4孔轧件的累积等效应变大于K3孔,这是由于模型简化造成的,实际上,由轧件压下的不均匀程度看,二者的变形不均匀程度相当。3.2控制板的尺寸尺寸孔型宽展量的控制是切分轧制孔型设计应注意的重要问题。切分轧制孔型宽展大小不仅影响轧制过程的顺利进行,而且对成品的断面形状和尺寸精度有直接的影响。图4可以看出轧件的单边宽展量。K6孔轧出的轧件的尺寸为50.6×24(mm),轧件在K5孔继续轧制,得到轧件的尺寸为32.6×38.8(mm),其宽高相差较大。K5孔轧出的轧件翻转45°后,其上下左右的对称性较差。采用对称性差的弧边方轧件进K4孔进行轧制,轧件容易切偏或发生扭转,不利于轧制过程的顺利进行。如果增加K6孔的来料尺寸,采用ϕ44mm的坯料,K6孔轧出的轧件尺寸为63×24(mm),K6孔的充满度为93%。以K6孔轧出的轧件在K5孔继续轧制,轧出的轧件尺寸为36.6×38.8(mm),轧件基本对称。因此,通过控制上游道次的坯料尺寸可以在一定程度上控制K6、K5孔的宽展大小,从而获得形状规整的弧边方轧件。由图5可以看出轧件在K4、K3孔中轧制后的形状与充满情况。采用对称性良好的弧边方形轧件在K4孔中轧制,所得轧件最大宽度为17.0mm,上下对称面处的宽度为14.5mm,弧边的深度由最初的3.1mm减小到2.5mm。弧边的深度在K3孔进一步减小,由K4孔的2.5mm降到1.6mm。可以看出,弧边方轧件经过K4、K3两道次的轧制后,弧边没有完全消除,轧件边部存在有“月缺”现象。实际生产中,K5～K3孔轧出轧件的断面形状如图6所示。由图6可以看出,实际生产与模拟结果基本一致。通过轧机调整,K5可轧出基本对称的弧边方轧件。采用基本对称的弧边方轧件,经过K4、K3两道次的轧制后,弧边没有完全消除。弧边的存在对产品的质量不利。首先,弧边影响了轧件的断面形状与尺寸精度;其次,有可能造成产品的折叠缺陷。因此,弧边要在K4、K3道次尽量消除。为消除“月缺”现象,弧边方轧件的弧边不能太深,在保证轧件能对中的条件下,弧边要尽可能平缓;另外,K4、K3孔的设计应有利于轧件水平对称面处的宽展。4u3000弧边方轧件形状大小的调整1)轧件在哑铃形孔、切分孔内变形量很大,但变形局限在切分区内,其它地方变形量较小,因此切分轧制存在严重的