大棒材軋制對孔隙性缺陷壓合的模擬方法研究

王旭林等

摘要：根據撫順特鋼大棒材軋制環節中，產品芯部裂縫等孔隙性缺陷現象進行客觀分析，結合軋件內部孔隙分布規律，配合體積可壓合塑性有限元理論實現材質密度變化狀況模擬演示。事后將試驗結果整理完全，并切實掌握軋制工藝環節中對部件芯部孔隙性缺陷壓合的影響狀況，將內部轉化規律記錄清晰，這對于規模化的大棒材工藝技術和產品質量改進來說意義重大，并且為后期工業可靠、穩定發展創造動力支持因素。

關鍵詞：相對密度；孔隙性問題；塑性有限元；大棒材；模擬方法

在型鋼軋制工程中，有關大棒材軋制技術一直受到業內人士的廣泛重視，一方面由于其收獲顯著的經濟效益成果，而另外就是其內部技術缺陷長期影響成品質量，為了盡可能消除棒材芯部孔隙性缺陷因素，需要在內部結構變形過程中實施閉合處理，現有的實踐方案在完全遵循軋制工業流程的基礎上，配合現場試驗和數值模擬演算活動。但涉及傳統的有限元分析手段，其對材質孔洞的幾何閉合適應能力有所不足，并且伴隨材質內部孔洞與特征尺寸比值逐漸減小現象，有關求解難度將不斷提升，加上試驗研究活動普遍存在局限特征，因此完全有必要探尋某種簡單直觀的實踐驗證方法，為優化軋制技術提供更加可靠的指導經驗。

1.棒材芯部相對密度與孔隙性特征分析

鑄造環節中，實際棒材芯部產生的孔隙狀況呈現分散樣式，結合某種密度效能研究，能夠將特定部位的缺陷壓合情況完全梳理。因為材質密度特征比較多樣，為了保證模擬動作的簡易效果，需要適當引進密度函數資料，具體表達公式為相對密度值=材料既定密度值/理想密實狀態下的密度值，其中密度單位統一選取為每立方米一千克。因為相對密度值的選取范圍在零和一之間，而材質內部孔隙特征存在，并呈現不斷增大趨勢，因此相對密度值一定會有所降低。這類孔隙性缺陷完全可以依照參數特征來描述，就是指軋制變形過程中響度密度增加量較多，實際材質孔隙性壓合的質量效果就越優良。涉及塑性變形因素，在疏松環境下的密度變化效率可以用此類公式表示：三個主應變增量共同產生的相對密度增量之和/相對密度既定值。

2.可壓縮性材料的剛塑性和棒材軋制有限元應用模式分析

可壓縮材料在延展粉末冶金產品多孔塑性理念之后，配合剛塑性可壓縮有限元模型實現階段流程模擬演練，在每個增量步驟實施前，按照工件內部變形情況對材質密度效應進行演算和更新，這類手段比較適用于高密度材料壓實要求。

為了將棒材芯部孔隙性不足對壓合的制約效果總結完整，結合鋼廠坯料固定尺寸標準對工序實現簡化，其中表層相對密度定義為0.99，芯部結構密度為0.85，借助對稱特定效應分析，具體研究對象選取坯料的四分之一即可。軋輥按照既定剛性特征實現平輥向下軋制，注意其與棒材接觸摩擦模型采用剪切式類型。因為整個工業過程中存在咬入條件限制，大多數單道次相對變形量最大值不能超過既定值的三成，所以壓下量的調節必須設置在原力道的四成以下。按照上述步驟完善有限元模型搭建工藝，同時分析棒材芯部相對密度值對整個表層變化狀況的影響，最后科學總結孔隙性缺陷壓合方案。

3.模擬結果的檢驗與改進

壓下量控制是軋制工序中比較常見的調節手段，利用模擬流程獲取的棒材中心到結構表面的相對密度值變化規律資料，能夠將不同技術途徑對棒材芯部的壓實程度實現客觀評價，進而切實鞏固材質內部穩定質量，適當為工藝改進效果提出相關經驗指導。

3.1.單道次軋制流程中，實際壓下量對芯部孔隙性缺陷壓合效果研究

為確保壓下量對棒材芯部孔隙性缺陷壓合影響得到完整梳理，有關部門決定采取單道次模式，配合遞增式壓下量轉換分別完成軋制過程模擬。試驗最后環節呈現出這樣一類現象，在單道次軋制工藝中，當壓下量越大，芯部密度值就會上升，孔隙性壓合作用就越強烈。當壓下量低于既定力道的百分之五時，棒材中心相對密度就基本沒有什么變化，當壓下量高于百分之十時，棒材中心相對密度值會呈線性增加規律，這類活動的最高極限值僅僅停留在0.93范圍之內。

3.2.總壓下量值穩定情況下，道次壓下量分配對芯部孔隙性缺陷壓合程度驗證

因為在軋制工序中存在明顯的咬入條件限制現象，正常狀況下，不同道次軋制的相對變形量的峰值不會超過百分之三十，就算壓下量適當提升，但棒材芯部相對密度不能正常提升，所以單道次的軋制技術調整始終存在局限性，這就要利用多道次軋制活動來適當補充。經過有關試驗結果分析，在多道次軋制環境中，總壓下量既定值保持不變，棒材芯部孔隙性改善作用不僅與道次結構相對壓下量的最大值存在聯系，同時還與其所在道次的出現順序息息相關。有關技術人員總結出相關規律，當相對壓下量的最大值差距情況不大時，相對壓下量最大值所在道次出現的次序與芯部壓合程度存在明顯影響關聯，只要有關道次排列順序越靠前，實際壓合狀態就更穩定。這類現象主要是因為小壓下量軋制工序中，涉及高密度表層金屬材質會變薄，對后續道次的控制質量有所制約。所以，在制定模擬方案活動中，為強化芯部壓合水準，應該盡量將軋制道次減少處理，并且增加最大相對道次的壓下量；當總壓下量與道次相對壓下量最大值比較接近時，相關道次設置應保證靠前排列。

4.結語

經過上述實踐經驗補充，撫順特鋼棒材軋制工藝壓下量已經做出合理改善，令后期產品芯部孔隙性缺陷問題大大減少，這個活動過程清晰地驗證了模擬方法的可靠價值和實用功效，并且適當縮減經濟投入空間范圍，為后期規模化的生產活動創造先決條件，滿足國家機械制造事業的可持續發展潛力。

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