無縫管高速冷軋三維有限元熱力耦合分析

趙鐵勇，蔡黎明，陸明紅，展京樂，曾祥杰

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710018；2.浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州 313012)

0 前言

冷軋是生產高精度無縫管主要成形手段之一，該成形工藝具有道次變形量大、金屬成材率高，較高的內外表面質量以及優越的物理、力學性能等諸多優點，其產品廣泛應用于石油化工、航空航天、核電、汽車工業等領域[1]。

冷軋管坯可通過擠壓、穿孔等工藝獲得，冷軋過程中，管坯在由錐形芯棒和變斷面的輥環構成的環形間隙內經過數十次的往復軋擠[2]，外徑和壁厚同時得到冷加工并逐漸減小至目標值。在每一次往復行程中，管坯的外徑和壁厚根據設定的變形制度均得到一定程度的減小。由此可見，這些小的成形步最終經過多次的應變積累實現壁厚、外徑和機械性能的一致性[3]。

1 模型建立

本文借助有限元通用軟件建立了管材冷軋過程的三維熱力耦合模型，模型的離散圖如圖1中所示。上、下軋輥為環孔型，沿理論軋制中心線對稱布置，軋輥的槽底直徑沿圓周連續變化，軋輥及芯棒的建模數據如圖2中所示。作為變形體定義的管坯自身無法完成旋轉和移動動作，為滿足這一工藝過程，在模型中靠近待軋制管坯的尾端設置一剛性平面推板，通過設定推板和管坯之間的接觸關系，帶動管坯在極限位置完成回轉和送進動作。上、下軋輥在任意時刻既要繞自身軸線旋轉，同時沿軋制中心線方向按照設定的速度平移，因涉及多道次往復軋制分析，軋輥的運動方向和平移速度方向呈現周期性的轉換，軟件中通過預先設定的以時間為自變量的函數表來控制軋輥的旋轉方向和平移速度方向。該分析中共完成了30次往復軋制模擬，得到了一個完整的變形錐體段。管坯外徑尺寸為Φ87 mm，壁厚為7 mm，成品管尺寸Φ64 mm，壁厚為4 mm，每個往復行程的送進量為13.5 mm，機架的軋制速度為120次/min。軋件材質為1Cr18Ni9Ti，其變形抗力曲線如圖3中所示，其它計算參數見表1。

圖1 三維有限元離散模型

圖2 孔型曲線和芯棒曲線

圖3 1Cr18Ni9Ti流動應力曲線

表1 計算參數

2 仿真結果

經過數十個往復行程的軋制過程后，管材的前端部完成變形過程進入尺寸精整區域。由圖4a中可以看出，軋后管材表面的溫度沿變形區的分布是不均勻的，管材表面的溫度沿變形區呈明顯的梯度分布。從管材入口側到出口側溫度逐漸升高，在設定的變形制度下，管材出口端的最高溫度達到83.5 ℃。由于分析時未考慮冷卻液及管材向周圍環境的對流換熱，該溫度值為理論最高值。根據工廠實際生產時的測量，管材末端的溫度約為78.6 ℃，如圖4 b中所示。管材表面溫度的峰值點對應輥環相對ET位的旋轉角度約為145°，對應變形區位置約60%處。由工模具的設計曲線可以看出，該位置處盡管管徑仍未達到設定值，但壁厚值已經接近成品管尺寸，由此可見，塑性功對管材溫度升高的貢獻很大，而摩擦功的比重要小得多。根據Abe[8]等人的研究發現，軋制界面間的油膜厚度與管材的溫度有直接的聯系。管材內外表面與工模具之間的油膜厚度隨管材界面溫度的升高而均呈減小的趨勢，而高速軋機軋制次數較快，如果不采取適當的控制冷卻，必然會導致管材的溫升較大，從而惡化工模具和管材之間的潤滑效果，造成軋制缺陷。因此掌握管材軋后溫度沿變形區的分布，可以采取更加合理措施對輥環及管坯進行冷卻和潤滑，保證高精度無縫管的生產需要。軋制速度、送進量、工模具的設計參數以及冷卻液流量等因素均會影響軋后管材的溫度分布，每個軋制參數對軋后管材溫度的影響規律還需要更進一步的研究。

圖4 管材表面溫度的分布

軋制力沿變形區的分布是軋機設計和工模具設計過程中非常重要的參數，工模具局部區域承受較大的集中應力，勢必加劇工模具的磨損和過早的破壞，降低工具的使用壽命，這是工模具設計過程中必須避免的。傳統的二維計算方法僅能夠表征軋制應力沿變形錐體段方向的基本分布情況，無法給出每個斷面上應力的實際分布。三維有限元分析手段能夠提供更詳細的應力分布情況，為工模具的設計及軋制實際提供有益的指導。圖5中給出了軋后等效應力場沿變形區的三維分布。沿著變形區方向等效應力的最大值均位于軋輥槽底部區域，每個截面沿槽底向側壁開口處應力呈現出明顯的減小。縱觀整個變形區，開口處有一條明顯的應力低谷帶。在軋輥槽底出現幾個應力集中區域，最大應力值約為1 300 MPa，局部應力集中勢必引起工具的局部磨損過快甚至破壞。為改善工模具的受力狀況，應減小送進量，同時工模具曲線的設計數據需要進一步的優化，避免集中壓下。等效應變的分布規律與等效應力的分布基本類似，如圖6中所示。

圖5 等效應力分布云圖

圖6 等效應變分布云圖

圖7 軋制力沿變形區的分布

管材的溫度對軋制力也有著重要的影響，文獻顯示在軋制更小規格的管材時，在不考慮冷卻液的效果時，管材表面的最高溫度達到290 ℃，此時材料流動應力模型中必須考慮溫度的影響才能得到更加真實的力的分布，實際工作中由于冷卻液對管材表面的持續冷卻作用，管材表面溫度值應遠低于這個數值。

3 結論

建立了皮爾格軋機冷軋過程的三維熱力耦合模型，研究了管材高速軋制時的金屬復雜的變形行為，該模型可綜合考察摩擦系數、送進量、軋制速度等因素對管材塑性變形行為的影響，為實際生產和工模具提供重要的理論支持，主要結論如下：

(1)高速LG60軋機軋制過程中管材的表面溫度最高達到83.5 ℃，與實測值吻合較好。管材表面的溫度呈一定的梯度分布規律，且在變形區約60%位置處達到最高值，在截面周向方向，管材的溫度分布比較均勻，未呈現明顯的梯度。

(2)沿變形區等效應力的峰值主要集中在軋槽底部附近范圍內，分布不均勻，其分布規律與工模具的設計有關。側壁開口處存在較為明顯的卸載區，沿軋制方向上、下軋輥間出現一帶狀低應力區，該應力帶越靠近出口，應力值越小。截面圓周方向上等效應力值由槽底向開口處逐漸減小，等效應變的分布與應力分布呈現類似的規律。

(3)軋制力在變形的初期階段迅速達到峰值，在峰值附近波動至變形區一半位置后逐漸減小，在進入精整區后達到最小。該分布趨勢有利于充分利用金屬的塑性，得到尺寸精確的成品管，但要結合等效應力的分布，通過優化工模具的設計參數和軋制工藝制度盡量減小應力局部集中，延長工模具的使用壽命。