基于有限元分析的管材軋制過程質量控制研究

沈紅偉

（滄州師范學院機械與電氣工程學院，河北 滄州 061001）

隨著經濟的快速發展和城市化進程步伐的加快，我國對鋼管等工業產品的需求逐漸增加。滄州管道裝備的發展突飛猛進，在石油、天然氣等相關領域應用廣泛，鋼管軋制技術的設備和管材的軋制工藝對鋼管的質量至關重要。目前管材的軋制技術具有尺寸精度高、表面質量好、材料利用率高、工藝柔性好、管材力學性能好等優點，軋制過程中，軋制力的大小、軋輥的彈性變形對管材的尺寸精度和軋制的穩定性等造成影響。管材減徑是鋼管生產中的精軋工序，其工藝水平的高低直接關系到成品的質量和成材率，研究減徑過程中軋件的內部應力及應變分布規律，正確選擇軋輥的結構及其軋制力的分布規律，對于制定合理的軋管工藝具有重要的意義。

隨著滄州市管道裝備的迅猛發展，鋼管管材的軋制過程質量控制對滄州市鋼管企業的發展至關重要。以滄州市某企業的鋼管減徑軋制過程為例，對管材軋制過程的質量控制進行有限元分析研究。應用SolidWorks 三維建模軟件和Deform有限元分析軟件建立鋼管管材減徑軋制過程的三維軋制模型，建立模型時，要充分考慮所需的建模參數、邊界條件等因素。對鋼管管材減徑軋制過程進行有限元數值模擬計算，設置模擬的基本計算參數，對鋼管和軋輥進行網格劃分。通過鋼管管材減徑軋制過程的有限元數值模擬計算，研究分析軋制過程中管材的變形規律，在不同減徑量、減壁量、送進量及摩擦系數等工藝參數下鋼管管材的應力、應變的變化規律，以及軋輥軋制力的變化規律。最后通過不同工藝參數下的模擬計算結果比較分析，確定最佳工藝參數。

1 管材軋制的有限元模型建立

以滄州市某企業的鋼管軋制過程為例，建立鋼管減徑四輥軋制過程的部分研究模型。首先應用SolidWorks 三維建模軟件建立鋼管和軋輥的三維模型，保存為STL 文件，導入Deform 有限元模擬軟件中進行分析研究，建立模型時，要充分考慮所需的建模參數、邊界條件等因素。

1.1 Deform 有限元模擬的建模參數

鋼管減徑的四輥軋制模型在建模時要設置好各個建模參數，為后續有限元模擬奠定基礎，如表1 所示。

表1 鋼管和軋輥的建模參數

1.2 Deform 有限元模擬的假設條件和邊界條件

1.2.1 模型的基本假設條件

模型在模擬計算時，要考慮鋼管管材軋制過程中的復雜性和條件的局限性，對軋制過程進行一定的合理化假設：忽略軋制過程中軋輥產生的彈性變形，假設軋輥為剛體；軋輥與鋼管之間的摩擦符合庫侖摩擦定律；假設軋輥在軋制過程中溫度不變，鋼管的溫度各部分都相同；取鋼管和軋輥接觸的二分之一為模擬研究對象。

1.2.2 模型的邊界條件

有限元模型的邊界條件設置如表1 所示，包含了有限元模擬中的各個物理量，如鋼管的密度、彈性模量、屈服應力、塑性強化模量、泊松比、摩擦系數等，根據現場實際的軋制條件，選取鋼管的速度為0.5m/s，軋輥和鋼管的溫度保持不變，且鋼管的各部位溫度相同，設定鋼管的溫度場為650℃。

2 管材軋制的有限元數值模擬

對鋼管管材減徑軋制過程進行有限元數值模擬，該模擬模型為四輥軋制模型，兩個水平軋輥和兩個立軋輥，模擬時選擇其中的一個水平軋輥和一個立軋輥作為模擬研究模型進行計算分析。

2.1 網格劃分

在Deform 軟件中利用網格劃分工具對鋼管進行網格劃分，如圖1 所示，左邊是鋼管的三維有限元模型，右邊是對整個鋼管的網格劃分，劃分網格總數為1440 個有限單元。

圖1 鋼管管材的網格劃分

在Deform 軟件中利用網格劃分工具對兩個軋輥分別進行網格劃分，如圖2 所示，左邊是兩個軋輥及鋼管的三維有限元模型，右邊是對兩個軋輥及鋼管的網格劃分，水平軋輥的劃分網格總數為1632 個有限單元，立軋輥的劃分網格總數為2200 個有限單元。

圖2 兩個軋輥的網格劃分

2.2 有限元數值模擬

在Deform 軟件中對鋼管管材的軋制過程設置有限元模擬參數，如圖3 所示，設置鋼管、水平軋輥和立軋輥的運動參數，設置軋制過程的模擬控制參數等。

圖3 有限元模擬參數設置

完成模擬參數設置之后進行數據檢測并生成，然后運行數據進行有限元數值模擬計算，如圖4 所示。

圖4 有限元數值模擬計算

3 管材軋制的模擬計算結果分析

通過鋼管管材減徑軋制過程的有限元數值模擬計算，對不同減徑量、減壁量、送進量及摩擦系數等工藝參數下鋼管管材的應力、應變的變化規律，以及軋輥軋制力的變化規律進行研究分析。

3.1 管材軋制過程中的應力分析

在鋼管管材上選取11 個不同位置的點，每個位置對應不同的減徑量、減壁量和鋼管咬入軋輥的送進量，對摩擦系數為0.4 和0.3 分別進行軋制過程的研究，分析其軋制規律。如圖5 所示，當摩擦系數為0.4 時，鋼管的壓應力最大值在鋼管與孔型頂部接觸區域，為80.17Mpa，鋼管的壓應力最小值在鋼管與輥縫接觸區域，為13.54Mpa。當摩擦系數為0.3時，鋼管的壓應力最大值與最小值出現的區域與前者相同，其最大值為80.14Mpa，最小值為7.03Mpa。由圖可見，摩擦系數越大，鋼管的壓應力值稍大，對應力的影響規律較小。

圖5 鋼管不同點、不同摩擦系數的應力分布

針對鋼管管材上11 個不同位置的點，選取4 個不同時刻，研究分析不同的減徑量、減壁量和送進量下軋制過程的應力分布規律。如圖6 所示，鋼管在剛進入軋輥孔型時，減徑量、減壁量和送進量都較小，鋼管部分點沒有接觸軋輥，應力較小，最大值只有42.76Mpa，當鋼管逐漸進入軋輥，各個點與軋輥接觸均勻時，減徑量、減壁量都較穩定，送進量逐漸增大，鋼管各點的應力也逐漸穩定，最大值大約都在80Mpa，且其余點的應力值也較穩定。

圖6 鋼管不同點、不同時刻的應力分布

3.2 管材軋制過程中的應變分析

同樣針對鋼管管材上11 個不同位置的點，研究分析不同的減徑量、減壁量和送進量下，摩擦系數分別為0.4 和0.3，鋼管軋制過程的應變分布規律。如圖7 所示，當摩擦系數為0.4 時，鋼管的壓應變最大值在鋼管與孔型頂部接觸區域，為0.021，鋼管的壓應變最小值在鋼管與輥縫接觸區域，為0.0002。當摩擦系數為0.3 時，鋼管的壓應變最大值與最小值出現的區域與前者相同，其最大值為0.017，最小值為0.0002。由圖可見，摩擦系數越大，鋼管的壓應變值稍大，對應變的影響規律較小。在鋼管剛接觸軋輥時，鋼管與輥縫區域接觸，減徑量、減壁量很小，送進量較小，鋼管發生壓扁變形，應變量較小，隨著鋼管的送進量逐漸增大，鋼管與軋輥的接觸逐漸均勻，減徑量、減壁量也趨于穩定，應變值也逐漸均勻，在0.02 左右波動。

圖7 鋼管不同點、不同摩擦系數的應變分布

3.3 管材軋制過程中的軋制力分析

在鋼管管材上選取5 個不同位置的點，研究分析不同減徑量、減壁量下軋輥軋制力的變化規律。如圖8 所示，第1 點為鋼管剛咬入軋輥時的軋制力，此時的軋制力最大，為1094KN，送進量很小，減徑量為4mm，減壁量為0.059mm；第2 點為鋼管少部分咬入軋輥時的軋制力，此時的軋制力較大，為1038KN，送進量較小，減徑量為4.5mm，減壁量為0.049mm；第3 點為一半鋼管咬入軋輥時的軋制力，此時的軋制力較穩定，為1009KN，送進量增大，減徑量為4mm，減壁量為0.045mm；第4 點為鋼管大多部分咬入軋輥時的軋制力，此時的軋制力較小，為985KN，送進量較大，減徑量為0.5mm，減壁量為0.038mm；第5 點為鋼管全部咬入軋輥時的軋制力，此時的軋制力最小，為974KN，送進量最大，減徑量為0.3mm，減壁量為0.009mm。由此可見，軋輥的軋制力在鋼管咬入軋輥初期最大，隨著鋼管逐漸咬入并進入穩定軋制，軋輥的軋制力逐漸減小至最小值。

圖8 不同減徑量、不同減壁量的軋制力分布

4 管材軋制的工藝參數優化

通過對鋼管管材的四輥軋制過程進行有限元數值模擬，研究分析了在不同減徑量、減壁量、送進量和摩擦系數等工藝參數下鋼管管材的應力、應變及軋輥軋制力的變化規律，從而對鋼管管材軋制的工藝參數進行優化。如前所述，當鋼管一半咬入軋輥時其應力、應變較為穩定均勻，軋輥的軋制力也趨于穩定，此時的減徑量、減壁量、送進量最佳，同時研究分析了兩個摩擦系數下的軋制規律，當摩擦系數為0.3 時軋制過程更為平穩均勻。由此優化給出工藝參數的合理參考值：減徑量為4mm，減壁量為0.045mm，送進量為管材的一半，摩擦系數為0.3，此時的軋制規律最優。