大型筒節(jié)軋制成型過程三維數(shù)值模擬

趙強

（四川建筑職業(yè)技術學院，四川 德陽 618000）

1 有限元模型的建立

1.1 幾何模型簡化

根據(jù)大型筒節(jié)軋機結構和成形過程，大型筒節(jié)軋制有限元模型的建立包含驅動輥、芯輥、大型筒節(jié)和抱輥。本文研究的大型筒節(jié)質量、軸向長度長、壁厚較大，特別是軸向長度尺寸遠遠超過了壁厚尺寸，導致有限元計算單元太多，為了提高有限元計算的速度，對有限元模型進行簡化。

根據(jù)簡化后的模型軸向長度必須超過兩倍筒節(jié)壁厚的條件，本文采用取大型筒節(jié)軸向長度的一半的模型結合剛性對稱面進行模型建立[1]，同時，本文主要關注大型筒節(jié)的軋制變形，不研究驅動輥、芯輥和抱輥的變形，所以軋輥都簡化為剛性輥。

1.2 單元網(wǎng)格劃分與材料定義

大型筒節(jié)有限元模型采用8 節(jié)點六面體單元，首先在平面中建立大型筒節(jié)端面環(huán)形圖形，再沿著環(huán)形圖形的圓周方向，用正方形網(wǎng)格進行均分，再沿軸線方向擴展為大小一致且均勻的六面體單元，最后用SUBDIVIDE 命令在邊部寬展變形較大處進行細分。將Q235 的材料參數(shù)導入到有限元分析材料庫中，并將其設置為大型筒節(jié)毛坯的材料。

1.3 邊界條件定義

大型筒節(jié)軋制成型過程中，驅動輥既要轉動又要進給，采用有限元控制節(jié)點和輔助節(jié)點實現(xiàn)，控制節(jié)點根據(jù)工藝要求，負責驅動輥的壓上運動，輔助節(jié)點控制軋制過程中驅動輥的轉速。芯輥是固定輥，只用設置好轉速即可。抱輥起支撐筒節(jié)的作用，在軋制的過程中，筒節(jié)尺寸會不斷的擴大，導致抱輥需要做跟隨運動，采用控制節(jié)點對抱輥運動控制。大型筒節(jié)軋制過程中，筒節(jié)和各軋輥之間存在接觸摩擦，本文采用庫倫摩擦模型，設置大型筒節(jié)和軋輥之間的摩擦系數(shù)為0.35。由于大型筒節(jié)成型采用的是熱軋的生產(chǎn)方式，所以設計大型筒節(jié)初始軋制溫度為1 200 ℃，并且設置筒節(jié)與軋輥之間的接觸傳熱系數(shù)、大型筒節(jié)與空氣之間輻射換熱系數(shù)。

1.4 定義分析

設置有限元分析步數(shù)和軋制時間，選用大變形，運用熱力耦準靜態(tài)模塊進行分析[2]。

2 模擬結果分析

2.1 三維結果分析

根據(jù)建立好的大型筒節(jié)軋制熱力耦合有限元模型，提交分析后，在后處理模塊提取得到大型筒節(jié)軋制后成形云圖，如圖1 所示。

圖1 大型筒節(jié)軋制后成形

理想狀態(tài)下，大型筒節(jié)軋制變形結束后只有直徑的擴大，分別為外徑6 330 mm，內徑5 530 mm，軸向應該保持3 750 mm 的長度。提取軋制模擬結果后發(fā)現(xiàn)，軋制結束時，大型筒節(jié)實際最大外徑為6 271.75 mm，最小外徑為6 260.17 mm，軸向最大、最小長度分別為3 812 mm和3 713 mm，大型筒節(jié)軸向長度產(chǎn)生了伸展變形，并通過進一步計算得出，伸展變形量體積約占到大型筒節(jié)總體積的1%，并且端面伸展變形是不均勻的，這將導致后續(xù)的機加量多出近2 t，降低產(chǎn)品成材率。

2.2 寬展變形分析

提取大型筒節(jié)軋制有限元模擬模擬結果，發(fā)現(xiàn)軋制結束時的大型筒節(jié)軋制端面寬展變形后的形狀與魚尾相似[3]，如圖2 所示。提取圖2 中大型筒節(jié)端面各節(jié)點寬展量，繪制曲線，如圖3 所示。圖3 中，橫坐標表示筒節(jié)壁厚方向，坐標正方向對應筒節(jié)內表面，坐標負方向對應筒節(jié)外表面，縱坐標是端面節(jié)點沿筒節(jié)軸向的寬展變形量。

圖2 端面魚尾形狀

圖3 端面節(jié)點寬展量

從圖3 的結果中發(fā)現(xiàn)，筒節(jié)端面最大寬展變形位置出現(xiàn)在外圓表面附近，約32 mm，最小寬展變形位置出現(xiàn)在內圓表面，約-19 mm，壁厚中心處幾乎不發(fā)生變形。

2.3 軋制溫度分析

大型筒節(jié)開軋溫度為1 200 ℃，在軋制結束后，發(fā)現(xiàn)大型筒節(jié)有限元模型各節(jié)點溫度都發(fā)生了變化，筒節(jié)端面和軸向溫度隨時間變化情況如圖4 所示。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)有如下規(guī)律，軋制終了時，筒節(jié)上最低溫度為817 ℃，最高溫度為1 049 ℃。筒節(jié)內外表面與溫度較低的軋輥接觸，并且與周圍介質進行了熱交換，溫度下降明顯。在整個軋制過程中，還發(fā)現(xiàn)當溫度節(jié)點進入軋制變形區(qū)后，在摩擦功和塑性變形功的作用下，溫度有小幅度回升，因此在整個軋制過程中各節(jié)點溫度呈現(xiàn)階梯狀的溫度變化趨勢。并且還發(fā)現(xiàn)次外層節(jié)點和次內層節(jié)點在向外傳遞熱量和軋制變形產(chǎn)生熱量的綜合作用下，溫度下降速度卻略小于中心節(jié)點，甚至在軋制開始階段出現(xiàn)溫度升高的現(xiàn)象[4]。

圖4 典型節(jié)點溫度

大型筒節(jié)軸向方向溫度分布，由于摩擦功和塑性變形功的作用不明顯，溫度階梯升高趨勢不明顯，并且與周圍介質進行了大量的熱交換，使軸向節(jié)點的溫度呈整體下降趨勢。

為了提高筒節(jié)軋后的組織性能，大型筒節(jié)軋制后應該有比較均勻的溫度分布，通過分析，總結出兩種控制措施：①縮短軋制時間，減少筒節(jié)內外表面對外熱量的交換損失，但是受到總壓下量和軋機的能力限制，時間縮短有限；②提高與筒節(jié)接觸的軋輥溫度，減少筒節(jié)與軋輥間的接觸換熱，但是，軋輥溫度不能提高太多，因為隨著溫度的升高，軋輥的強度會下降，影響筒節(jié)軋制成形效果[5]。現(xiàn)場生產(chǎn)的時候，建議可以將兩種措施結合。

3 結論

本文建立筒節(jié)軋制過程多體接觸非線性熱力耦合有限元三維模型，根據(jù)有限元后處理結構，對大型筒節(jié)軋制過程中的寬展變形和溫度場變量分布情況進行了分析，同時還驗證了大型筒節(jié)軋制過程中鍛透性和咬入條件等工藝條件，對大型筒節(jié)軋制工藝研究提供了理論上的指導。