厚壁管微张力减径过程有限元计算分析和实验研究.doc

厚壁管微张力减径过程有限元计算分析和实验研究  摘要：本文通过弹塑性有限元对厚壁钢管微张力减过程中的壁厚变化作了计算分析，并与实验结果进行了对照，证明了用弹塑性有限元分析微张力减径过程是可行的，并得出一些结论，这对于用有限元手段开发新品种，推广微张力减径技术有重要的意义。 关键词：钢管 微张力? 减径? 有限元? 实验 ? 钢管的精度有直径精度和壁厚精度。直径精度反映出来的是钢管的椭圆度，壁厚精度反应出来的是钢管的壁厚均匀度。生产钢管时，除了内外表面质量外，最重要的就是钢管的壁厚均匀度。引起壁厚不均的原因很多，但工艺参数是主要原因。由于对壁厚不均的研究分析理论不是十分成熟，国内不少工厂在很多情况下都以正公差进行生产，因此钢管的实际重量常超过理论重量，使得金属消耗大大增加。由于微张力减径是热轧的最后一道环节，它直接决定钢管的直径公差，并对壁厚公差起关键作用。为了能更准确地反映钢管的微张力减径过程，把仿真结果与实际结果统一起来，本文着重对TZ355微张力减径机组厚壁管实验的品种进行有限元分析和研究。本文的有限元计算是在燕山大学杜凤山教授开发的EPFEP3 大变形弹塑性有限元程序上进行的。 ? 1．微张力减径有限元仿真计算的边界条件和工艺参数 由于三个轧辊轧制的对称性，所以取轧件的六分之一进行研究。 轧辊直径：355mm 机架间距：325mm 机架数：7 轧辊材料：无限冷硬球墨铸铁 轧辊角位移增量：α=0.01091rad 磨擦层厚度：0.1mm 屈服函数：y=50+300ln(ep+1)Mpa 磨擦系数：0.4 单元：八节点六面体等单元 节点数量：26×48=1248 轧制温度：950 坯料尺寸：φ108mm×15mm 材料：20# 张力情况：张力分布采用斜梯形分布，通过三维解析法编制程序对通过每一机架的前后张力进行计算，然后平均分配到每节点上： ? φ108×15，材料：20#（张力系数：0.268） 机架号 1 2 3 4 5 6 7 张力(N/每节点) 120 260 320 250 180 90 0 ? φ108×15，材料：20#（张力系数：0.134） 机架号 1 2 3 4 5 6 7 张力(N/每节点) 60 130 160 125 90 45 0 ? φ108×15，材料：20#（张力系数：0.134） 机架号 1 2 3 4 5 6 7 张力(N/每节点) 0 0 0 0 0 0 0 ? 设计孔型参数表 （机架间距：325mm? 轧辊理想直径：355mm） 机架序号 半长轴a 半长轴b 刀具直径 距离 椭圆度 1 53.218 51.218 108.966 27.063 1.0325 2 51.585 49.927 105.710 27.174 1.0332 3 49.977 48.389 102.414 26.829 1.0328 4 48.418 46.898 99.222 26.482 1.0328 5 46.909 45.453 96.128 26.133 1.0320 6 45.749 44.894 92.827 20.018 1.0191 7 45.137 44.950 89.900 0 1 ? 加工孔型参数表 机架序号?? 2a(mm) 2b(mm) 1 合乎样板 合乎样板 2 合乎样板 93.83 3 99.50 96.76 4 96.50 93.74 5 93.35 90.80 6 90.30 89.80 7 89.80 90.16 ? ? 2.微张力减径有限元仿真计算结果的处理和分析 我们将有限元计算的各节点的信息直接与Autocad接口,可得到轧件的三维变形图，经处理可得到完整的稳态变形图。我们取第十五层截面作为研究对象。共可得到各品种通过各机架的稳态变形图。 考虑到轧辊的对称性，我们反轧件的六分之一作为研究对象，在横向取均匀的十点作计算分析（见图1）。根据机架轧辊的布置，点1通过机架1时为轧辊孔型底部，通过机架2时为轧辊辊缝处，同样以此类推，……，通过机架7时为轧辊孔型底部。对于点10则相反，通过机架1时为轧辊辊缝处，通过机架2时为轧辊孔型底部，同样以此类推，……，通过机架7时为轧辊辊缝处。以下为3个轧制品种通过每一机架后10点的壁厚变化。 ? φ108×15（系列1），材料：20#（张力系数：0） ? 第一架 第二架 第三架 第四架 第五架 第六架 第七架 点1 15.22 15.56 15.00 15.92 15.36 16.26 15.46 点2 15.18 15.52 15.04 15.93 15.36 16.22 15.45 点3 15.15 15.47 15.28 15.91 15.50 16.24 15.60 点4 15.16 15.48 15.47 15.89