斜轧穿孔顶头的有限元模拟及失效分析
钢管斜轧穿孔过程的三维有限元数值模拟及分析
收稿日期:2007-10-05;修订日期:2007-10-15作者简介:谢玲玲(1978-),女,安徽工业大学助教,硕士。
钢管斜轧穿孔过程的三维有限元数值模拟及分析谢玲玲,黄贞益,王 萍(安徽工业大学金属材料与加工重点实验室,安徽 马鞍山 243002)摘 要:本文以某厂狄舍尔(D i escher)穿孔机为研究对象,应用DEFORM -3D 非线性有限元分析软件对实心圆坯二辊斜轧穿孔过程进行了三维热力耦合数值模拟,通过分析圆坯的应力应变场和温度场及顶头穿孔过程中的温度场分布特征,得出管坯最大应力、应变、温度最高处位于管坯与轧辊、导盘接触区。
顶头轴向温度梯度明显,头部温度最高。
为改善顶头的工作环境和提高其使用寿命提供了理论依据。
关键词:斜轧;顶头;应力应变场;温度场;数值模拟中图分类号:TG 335 7 文献标识码:A 文章编号:1001-196X (2007)06-0043-053D -FE M nu m erical si m ulation and analysisin pi p e cross -rolli n g piercing processX I E L i n g -li n g ,HUANG Zhen -y,i WANG Ping(K ey Lab ofM ate rials and P rocessing ,Schoo l o fM ater i a ls Science &Eng i neer i ng in A nhui U nivers it yof T echno l ogy ,M a anshan 243002,Ch i na)Ab strac t :T he paper takes som e factory s D iescher punch press as a sub j ec t for study ,and uses DEFOR M,anon-linear FE M analysis so ft wa re ,for 3D heat-force coup l ed nume rica l si m u lati on for the cross-ro lli ngpro cess o f the round b l oom.Through the ana l y si s o f the cha racte ristics of the stress-stra i n fi e l d d istri buti on and te m pe ra t ure fi e l d o f the round b l oom and the temperature field o f t he p l ug i n pierci ng process ,peop l e f ound t hat the m ax i m a l stress and stra i n as w ell as t he m ax i m a l te m perature appear at t he area w here the billet and ro ller con tact ;the ax ia l te m pera t ure g radient of pl ug is c l ear w it h m ax i m al te m pe rature a t head part .A ll the resu lts have afforded theo ry basis f o r i m prov i ng t he wo rking cond iti on and the serv ice life o f the p l ug.K ey words :cross -ro lli ng;p l ug ;stress -stra i n fie l d ;temperat ure fi e l d ;nu m er i ca l si m u l a ti on1 前言斜轧穿孔是热轧无缝钢管生产的第一道变形工序,顶头在穿孔过程中直接与高温管坯接触,其受力复杂,要承受压应力、轴向力和表面摩擦力等作用,工作温度也较高。
穿孔机力能参数的计算方法
穿孔机力能参数的计算轧制压力、顶头轴向负荷、轧制扭矩和轧制功率是钢管斜轧机工具设计和设备设计中的主要参数。
由于斜轧过程中存在有必要应变和多余应变两类变形，因此使得斜轧时力能参数约计算复杂化。
目前对这一问题尚不能在理论上作严格的数学处理，而只能用各种近似的简化处理方法，并忽略多余加变的影响．把复杂的应变情况理想化。
计算各种形式斜轧机轧制功率的方法与步骤一样，即可根据：(1)金属对轧辊的压力计算；(2)单位能耗曲线计算。
按金属对轧辊的压力计算，即根据求出的总轧制力，算出轧制力矩和轧制功率。
为求总压力，计算合属的变形抗力和平均单位压力，计算轧辊与轧件的接触面积是主要的环节。
计算步骤与方式大体与纵轧相同，但应注意斜轧本身所具有的一系列特点，例如必须引入径向压下量、螺距、滑移系数等参量，要考虑顶头袖向力、接触面宽度变化、送进角等因素。
斜轧机轧制力计算公式目前有四种类型：(1)借用纵轧板材的单位压力公式；(2)根据斜轧本身的变形特点，用塑性力学的工程计算法推导出的理论式；(3)用数值法导出的理论式，如有限元法、上限法、变分法；(4)经验公式。
第1种方法虽然是把斜轧过程简化成纵轧过程，不甚合理，但这种方法目前仍被工程界广为采用，后两种根据斜轧特点所推导的理论式，由于在推导中作了大量的简化假定，其准确性有待于实践验证。
接触面积的计算为计算总轧制压力，须确定接触面积。
这里研究在辊式斜轧机上穿孔时的接触面积计算。
由于沿变形区长度，接触表面的宽度是变化的(见图3—1)，在确定接触面积时需将变形区长度L分成若干等分，而在每一△L段内将接触面积近似地看作为一梯形。
从而总的接触面积为各梯形面积之和,即:图3-1 穿孔时的接触面积 12i i b b l F ++∆=∑ 〔3—1) 式中 i b 、1i b +——在分点i 及1i +上的接触宽度；l ∆ ——分点i 及1i +间的距离。
3.1 变形区长度的确定变形区的长度为由入口断面到出口断面的距离。
斜轧穿孔过程力能参数理论计算研究
摘 要 ：由于 穿 孔 机 力 学 性 能 直 接 影 响 无缝 钢管 的 产 品质 量 和 品种 规 格 ， 目前 国 内 外 对 斜 轧 穿 孔 过 程 力 的特 性 而
研 究 很 不 充 分 。为 此 ， 对 斜 轧 穿 孔 过 程 中 计 算 力 能 参数 的经 验 公 式 和 模 拟 计 算 力 能 参 数 的有 限 元 方 法 进 行 了 针
ｃ ｕｓ ｆｔ ｍ ｐｉｉａ ｏｒ ｕｌ ｓ ａ ａ ｙ ｅ ａ ｅ ｏ ｈｅ ｅ ｒｃ ｌｆ ｍ ａ ｉ ｎ ｌ ｚ ｄ．
中 图分 类号 ：码 ：Ａ
Ｔｈｅ ｒ ｔｃ ｌＣａ ｃ ｌ ｔｏ ｆＦｏ ｃ ｒ ｍ ｅ ｅ ｓ ｉ ｅ ｃｎｇ Ｐｒ ｃ ｓ ｏ ｅ ｉａ ｌ ｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｒ ｅＰａ ａ ｔ ｒ ｎ Ｐｉｒ ｉ ｏ ｅ ｓ
第 ３ Ｏ卷
第 ３期
吉 林 大 学 学 报 （ 息 科 学 版） 信
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ ｉｎ Ｕｎ ｖ ｒ ｉ （ ｎ ｏ ｍａ ｉ ｎ Ｓ ｉｎ ｅＥｄ ｔｏ ） ｏ ｒ ａ ｌ ｉ ｅ ｓｔ Ｉ ｆ ｒ ｔｏ ｃ ｅ ｃ ｉ ｎ ｏ Ｊｉ ｙ ｉ
高合金钢管穿孔顶头的失效分析
高合金钢管穿孔顶头的失效分析苏惠超１，薛建国１，王光朋２，郑坚敏１，黄贞益２，刘广华２，尹桂全２，（１．宝山钢铁股份有限公司宝钢分公司，上海２０１９００；２．安徽工业大学材料科学与工程学院，安徽马鞍山２４３００２）摘要：介绍了高合金钢管穿孔顶头的主要失效形式，对失效顶头断口进行了ＳＥＭ和光学金相分析、Ｘ射线荧光光谱化学成分分析等测试，探讨了顶头开裂的主要原因。
通过适当调整Ｎｂ、Ｃｏ、Ｗ等元素的含量，提高顶头铸造质量等，使穿孔顶头的使用寿命有所提高。
关键词：高合金钢管；穿孔顶头；失效分析；开裂；显微组织中图分类号：ＴＧ１１３．１２文献标识码：Ｂ文章编号：１００１－２３１１（２００７）０２－００３９－０５ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＦａｉｌｕｒｅｏｆＰｌｕｇＵｓｅｄｆｏｒＰｉｅｒｃｉｎｇｏｆＨｉｇｈＡｌｌｏｙＳｔｅｅｌＴｕｂｅＳｕＨｕｉｃｈａｏ１，ＸｕｅＪｉａｎｇｕｏ１，ＷａｎｇＧｕａｎｇｐｅｎｇ２，ＺｈｅｎｇＪｉａｎｍｉｎ１，ＨｕａｎｇＺｈｅｎｙｉ２，ＬｉｕＧｕａｎｇｈｕａ２，ＹｉｎＧｕｉｑｕａｎ２（１．ＳｔｅｅｌＴｕｂｅＣｏ．，ＢａｏｓｈａｎＩｒｏｎ＆ＳｔｅｅｌＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１９００，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＡｎｈｕｉＩｎｄｕｅｔｒｉａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｍａａｎｓｈａｎ２４３００２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｅｓｃｒｉｂｅｄａｒｅｔｈｅｃｏｍｍｏｎｌｙ－ｅｎｃｏｕｎｔｅｒｅｄｔｙｐｅｓｏｆｆａｉｌｕｒｅｏｆｔｈｅｐｌｕｇａｓｕｓｅｄｆｏｒｐｉｅｒｃｉｎｇｏｆｈｉ－ａｌｌｏｙｓｔｅｅｌｔｕｂｅ．ＭｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｐｌｕｇｆｒａｃｔｕｒｅａｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｗｉｔｈＳＥＭａｎｄｏｔｈｅｒｏｐｔｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｓａｎｄＸｒａｙｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃｍｅｔｈｏｄｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙｔｏｉｄｅｎｔｉｆｙｔｈｅｍａｉｎｃａｕｓｅｓｒｅｓｐｏｎｓｉｂｌｅｆｏｒｔｈｅｓａｉｄｆａｉｌｕｒｅ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｅｓｕｌｔ，ｃａｓｔｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｐｌｕｇｉｓｉｍｐｒｏｖｅｄｂｙｍｅａｎｓｏｆａｄｊｕｓｔｉｎｇｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｅｌｅｍｅｎｔｓｌｉｋｅＮｂ，ＣｏａｎｄＷ，ｈａｖｉｎｇｌｅｄｔｏｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｓｅｒｖｉｃｅｓｐａｎｏｆｔｈｅｐｌｕｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｈｉｇｈａｌｌｏｙｓｔｅｅｌｔｕｂｅ；Ｐｉｅｒｃｉｎｇｐｌｕｇ；Ｆａｉｌｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓ；Ｃｒａｃｋｉｎｇ；Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ０前言顶头是热轧无缝钢管生产中的关键工具。
有限元模拟法分析斜轧扩管机变形特点
１ ０ ８ ，Ｃ ｉａ ． ｉｎｉ Ｐｐ （ ｒｕ ）Ｃ ｒ ｏａｉｎ ｔ． ｉｎｉ ３ ０ ０ ，Ｃ ｉａ） ０ ０ ３ ｈｎ ；４ Ｔ ａｊ ｉｅ Ｇ ｏ ｐ ｏｐ ｒｔ ，Ｌｄ，Ｔａ ｊ ｎ ｏ ｎ ０ ３ １ ｈｎ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ａｄ ｒ ｓ ｉ ｇ ｔ ｅ￣ ７ ０ ｓｒ ｃ ： ｄ ｅ ｓｎ ｈ ｂ ２ ｍｍ ｏ ａ ｙ ｅ ｐ ｎ ｉ ｇ ｐ ｐ ｌ， ｅ ｅ ａ ｔｍａ ｈ ｍｏ ｅ ｓ ｓ ｔｕ ， ｎ ｈ ｉ — ｒ ｔ ｒ ｘ ａ ｄ ｎ ｉ ｅ ｍｉ ｒ ｌ ｖ ｎ ｔ ｄ ｌ ｅ ｐ ａ ｄ ｔ ｅ ｓ ｍｕ ｌ ｉ
ｌ ｔｏ ａ ｉ ｎ ａｎａ ｙｓｓｉ ｎｄｕｃ ｅ ｔ ｈｅ ３－ ｆｎｉｅ ｅｌ ｅ ｉ ｕ ａｔｏｎ ｔ ｃｈｎ ｏ ｙ，ｂ ｌ ｉ ｓｃｏ ｔ ｄ ｗｉｈ ｔ Ｄ ｉ ｔ ｅｍ ｎｔｓ ｍ ｌ ｉ ｅ ｏｌ ｇ ｙ ｗｈｉ ｈｅ ｓｅｅ ｐｅ ｄｅ ｏ ｍ ａ ｉ ｎ ｃｈ ｔ ｔ ｌｐｉ ｆ ｒ ｔｏ
摘 要 ：以 中７ ０ｍｍ斜轧扩管机 为研 究对象 ，应用三维有 限元模拟仿 真技 术 ，对斜轧 扩管过程进行 了建模 ２ 与仿真分析 ，获得 了钢管 的变形数 据 ，在此基础上计算 了斜轧扩管 的主变形和附加变形 ，从 变形 的角度说明了辗 轧角 Ｊ和轧辊 在垂 直方 向的调整距离 ｈ取值及 相应工 具设 计 的合 理性 。研究 结 果有助 于了解斜轧 扩管 的工艺 实 Ｂ
ｄ ｔ ｒ ｂ ａ ｎ ｄ．Ｂａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒ ｓ ｈ ｏ ｈ ａ ｄ ｒ ｓ ａ ｃ ｃ ｉ ｉｉ ｓ ｈ ｉ ｅ ｏ ｍａ ｉ ｎ ａ ｄ ｔ ｅ ａ ｄ ｔｏ ａ ａａ ａ ｅ ｏ ｔｉ ｅ ｓ ｄ ｏ ｈ ｅ ｕ ｆ ｔ ｅ ｓ ｉ ｅ ｅ ｒ ｈ ａ ｔｖ ｔｅ ．ｔ ｅ ｍａ ｎ ｄ ｆ ｒ ｔｏ ｎ ｈ ｄ ｉｉ ｎ ｌ ｄ ｆ ｒ ｔ ｎ ｏ ｅ ｐ ｐ ｏ ａ ｙ ｅ ｐ ｎ ｉ ｇｐ ｏ ｅ ｓａ ｅ ｃ ｌ ｕ ａ ｅ ， ｎ ｃ ｏ ｄ ｎ ｌ ， ｈ ａ ｉ ｎａ ｉ ｅ ｏ ｅ ｅ ｍｉ ａ ｉ ｎ ｅ ｏ ｍａ ｉ ｆｔ ｉ ｅ ｒ ｔ ｒ ｘ ａ ｄ ｎ ｒ ｃ ｓ ｒ ａ ｃ ｌ ｔ ｄ ａ ｄ ａ ｃ ｒ ｉ ｇ ｙ ｔ ｅ ｒ ｔｏ ｌ ｉ ｓ ｒ ｔ ｒ ｎ ｔｏ ｏ ｈ ｔｅｏ ｅｔ ａ ｖ ｍｅ ｔ ｆ ｈ ｏｌ ｈａ ｅｌ ｓｔｅｃｒｅ ｆ ｈ ａｕ ｓｏ ｅａ ｇｅＢ ａ ｄｔｅａｊ ｓ ｌ ｉｔ ｃ ｆ ｒ ｃ ｌ ｔ ｔ ａ ａ ｖ ｉ ｍｏｅ ｎ ｅｒｌ ｓｗ ｌ ａ ｈ ｏｒ— ｏｔ ｓ
无缝钢管穿孔顶头失效的分析
顶 头 的 金 相 组 织 ， 以看 到 ， 者 Ｈ１ 基 体 组 织 可 前 ３钢
Ｍ ｉ ｒ — ｎ ｌ ｓｓ ｔ ｄ ｆ ｅ ｅ ｅ ｉ ｎ ｆ ｐ ｅ ｃｎｇ ｃ ｏ ａ ａ ｙ ｉ ａ ｉｆ ｒ ｎｔ ｒ ｇ ｏ ｏ ｉ ｒ ｉ
粗大 ， 后者裂纹周围的组织更加粗丈 。在 ４ ０ ０ 倍显 微镜下对晶粒度 评级 ， 前者约为 ４ 级 ， ～５ 后者 约为
３ ～４级
进 一步 地观 察 ， 现顶头钢基体与钼合金的焊 发
缝 组 织 具 有 典 型 的 共 晶 组 织 特 征 ， 图 ３ 而 钼 合 如 ； 金 的组 织投 有发 现 明 显 的异 常 特 征 ， 裂 顶 头 中的 开 ２３ 硬 度 测 试 ． 用 洛 氏硬 度 计 分 别 测 试 未 用 过 的顶 头 和 开 裂 顶 头 的 硬 度 ， 得 的 结 果 是 未 用 过 的 顶 头 的 Ｈ１ 测 ３ ３ 分 析 与 讨 论 钼 合金 徽 裂 纹两 侧 组 织如 图 ４ 。
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７弓 一７
第 １ ６卷 第 ６期
；磁 毖
穿 共 擞
特 殊钢 ・ ７・ ３
・工 艺 技 术 交 流 ・
无缝钢 管 穿孔顶 头失 效的分 析
明 文 龙 张 菁 一 周 风 云
＿ 理 大 ． ？４０） 工 学 武 ３７ 卫 。４
开裂顶头 的晶粒 都很粗大 ， 且分 布很不均 匀 ， 并 这 样顶头钢 基体的塑性 变形 很不均 匀， 应力集 中程度
图 ３ 顶头焊 缝 层 的共 晶组织
ｐ ｉ ｔ Ｘ ０ ｏｎ ４ ０
ｘ４０ ０
加大 ， 裂纹很 容易沿 晶界产生和扩 展 。 ３ ４ 热疲 劳裂 纹本来 只是 一种表 面裂纹 ， 顶头 ＋ 但 还 要 承 受 机 械 外 力 的 作 用 ， 头 对 钢 管 坯 料 进 行 穿 顶 孔， 承受 的机械 外力 为一种 典型 的接 触应 力 ， 表 其 层 为 压 应 力 ， 向 内则 为 拉 应 力 ； 一 方 面 ， 头 穿 略 另 顶
斜轧穿孔中壁厚不均的有限元模拟及实验研究
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钢 管 $--$ 年 ’ 月 第 %" 卷第 % 期
钢管的精度除与生产方法有关外，还与生产 钢管的材料性能、钢管尺寸及对其质量的要求有 关。钢管的直径精度反映钢管的椭圆度，壁厚精 度反映钢管的壁厚均匀度。除此之外，斜轧无缝 钢管质量还包括钢管内外表面有无缺陷、钢管的 机械性能等。因此，钢管的表面质量、尺寸精度 和机械性能是代表钢管质量的主要指标。 文献 ! " # 对各种轧管机精度进行了分析对比， 认为热轧钢管机组可以看成是由许多环节组成的 一条工艺线，在工艺线上的每一个工序 （ 即环
斜轧穿孔过程中的缺陷控制及数值研究
２ｌ ６・
工 程 科 技
斜轧 穿孔过程 中的缺 陷控 制及数值研 究
赵 华 清
（ 天 津铜 管集 团股份有 限公 司， 天津 ３ ０ ０ ４ ５ ０ ）
摘 要： 随着＿ ｒ － ＿ ， ｌ ｋ 技 术的不断发展 ， 钛合金凭借着 自身 良好的力学性能与 工艺性 能 ， 在我 国实现 了较为广泛 的应 用， 而这 一应用就对 轧制工艺提 出了更 高的要 求， 为此笔者 以某： ｒ － ） － － ￣ ｋ管斜 轧穿孔过程为对 象 ， 对斜轧 穿孔过程 中的缺 陷控 制及数值研 究进行 了具体论述 ， 希望这一论述 内容 能够为我 国钛合金的更广泛应用带来一定帮助。 关键词 ： 钛合金管 ； 斜轧 穿孔 ； 缺陷控制
Hale Waihona Puke 作 为拥有低密度 、 高熔点 、 高 比强度 、 耐腐蚀 、 无磁性 、 生物相容 验 ， 试验结果最终通过 电子显微镜收集 。 ２ ． ６观察与摄影 性 良好等一 系列优点 的优质金属 ， 钛合金主要具备挤压 、 斜轧穿孔 、 焊接三种制备方法 ， 而这其中的斜轧穿孔制备方法具 备着 较为明显 在 金相 试验 的观察 与 摄 影环 节 ，笔 者选 择 了型 号 Ａ ｘ — ｏ ｖ ｅ ｒ ｔ ２ ０ Ｏ Ｍ Ａ Ｔ的 金 相 显微 镜 。 的优势 ， 不过值得注意的是 ， 由于钛合金本 身变形 抗力较大 ， 这 就使 ｉ 得 尾卡 、 穿偏尾卡 、 中卡 、 包棒 、 链带 、 偏心等缺 陷在钛 合金的斜轧穿 ２ ． ７ 结果分析 孔过程 中较 为常见 ， 而为 了尽可 能避免这类缺 陷的出现 ， 正是 本文 在完成一 系列金 相试 验后 ， 我们 就能够结 合试验结果 完成斜 轧 就斜轧穿孔过程 中的缺 陷控制及数值展开具体研究的原因所在 。 穿孔后的钛管加工条件的求 出， 并 以此分析 出相关 加工过程 中存在 １斜轧穿孔过程及金属变形阶段 的缺陷 ， 而笔者实 际进行 的金相 实验得 出了管坯 内部散热性较差 的 １ ． １ 斜轧穿孔过程 缺陷， 针对 这一缺陷 ， 通过 降低轧辊速度 的方法就 能够有效 解决该 在钢材 的轧 制中 ， 横轧 、 纵 轧 以及斜 轧是最 主要 的三种 轧制方 问题 。 式， 这其 中的斜 轧不同于纵 轧和横轧 ， 轧件本身需要 在转 动前进 中 ３ 斜轧穿孔有限元模 拟仿 真 为 了能够较 好完成 本文就斜 轧穿孔 过程缺 陷控 制及数 值展 开 进行轧 制 ， 这 一轧制过程 中轧件 本身处于螺 旋运动状 态 ， 无 缝钢管 的生产制造最多采用的辨识斜 轧这一轧制方式［ 】 １ 。 的研 究 ， 笔者选择 了有 限元法完 成这一研究 的具体需求 ， 这里 的有 １ ． ２ 斜 轧穿孔金属变形 阶段 限元法指 的是基于变分原理求解偏微 分方程 的数值计算 方法 ， 通过 对 于斜轧穿孔的整个过程来说 ， 这一过程可 以细分为不稳定 轧 建立斜轧穿孔 的有 限元模型并设 定边界条件与初始 条件 ， 我们 就可 制过程 、 中间稳定过 程 、 第二个不稳定轧制过程 三个 阶段 ， 这其 中的 以通 过对有 限元模型 的模 拟结过分析 取得具体造 成斜 轧穿孔 过程 不稳定轧制过程指的是坯料前端逐渐填满变形 区的阶段 ； 而 中间稳 缺陷的数值 ， 而通过 对这相关 数值 的修改 ， 我们 自然就 能够较 好完 定则属 于斜轧穿孔金属变形最重要 的一个 阶段 ， 斜轧穿孔 的很 多缺 成本 文研 究的需求 。 陷便 出现于这一 阶段 ； 而对于第二个 不稳 定轧制过程 来说 ， 坯料 末 在具 体 的斜 轧 穿孔 的有 限 元模 型 建 立 中 ，笔 者采 用 了 Ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ 端慢慢离开 变形 区是这一 阶段 的主要 内容田 。 Ｗｏ ｒ ｋ ｓ 完成具体 的建模操作 ， 并在模 型建立完成后 将其导入 了有 限 ２ 斜轧穿孔后管材的实验研究 元软件 Ｄ Ｅ Ｆ Ｏ Ｒ Ｍ 中，这样我们就 能够在这一软件 中逐步 完成相关 为了较好完 成本文就斜轧穿孔 过程 中的缺陷控 制及数值 展开 数值的求得 。值得注意的是 ， 在这一造成斜轧穿孔过 程缺陷数值 的 的研究 ， 我们就需要展 开斜轧穿孔后 管材的实验研 究 ， 而这一研 究 求得 中 ， 我们还 需要完成边 界条件 与初 始条件 的设 定工 作 ， 这里笔 需要得到金相学的支 持才 能够实现较好展开 。 对于应用金相学展开 者选择 了以时间增量控制方式计算步长的设定方式 。 的试验来说 ， 取样 、 镶嵌 、 磨光、 抛光 、 腐蚀 、 观察 与摄影等是这 一试 在对斜轧 穿孔有限元模拟仿真结果进 行的分析 中 ， 笔者发 现本 验的具体流程。 文所研究 的某工厂钛管斜轧穿孔过程 中 ， 轧辊头 部与轧件尾部 发生 ２ ． １ 取样 了剧烈摩擦 ， 这种摩擦 就使 得这一过程 的温度过 高 ， 此外 ， 这 一过程 在应用金相学试 验的取样环节 中， 遵循 原则是保证这一流程工 的钛 坯加热温度 、 钛坯转 动都处 于合理状态 ， 为此 笔者建议 该 企业 序较好完成 的关键 ， 遵循相关技术标准 、 选择代表性部位 、 在破损处 改变轧辊 的剪切摩擦系数和顶头 与轧件的换热 系数 ， 这样就 能够保 取样进行失效分析是这一取样主要需要遵循 的原则 。 ； 证其钛管斜轧穿孑 Ｌ 能够较 高质量完成 。 ２ ． ２ 镶嵌 ４ 结 论 而在应 用金相学试验 的镶嵌 环节 中 ， 电镀 、 化 学镀 、 机械夹 持 、 在本 文就斜轧穿孔过程 中的缺陷及数值研究 中， 笔者详 细论述 热镶嵌 和冷镶嵌等都属于这一环节可 以采取 的具 体镶 嵌方法 ， 这 里 了斜 轧穿孔过 程及 金属变形 阶段 、斜轧穿孔后 管材 的实验研究 、 斜 希望这 一系列 内容能够 为相关从业 笔 者采用 了冷镶嵌 法 ， 通过配制一定 固化剂的树脂 ， 完成 了这一 工 轧穿 孔有 限元模 拟仿真等内容 ， 序 的操作【 引 。 人员 带来 一定启 发。 ２ ． ３磨光 参考文献 １ １ 尹 元德 ， 李胜祗 ， 康永林， 王鹏展， 王向东， 李 国涛． 工艺参数 对二 辊斜 在应用金相学试验 的磨光环节 中 ， 砂轮 片 、 砂轮 和金刚石磨 盘 ｆ ９ ２厚 壁 管 分 层 缺 陷 的 影 响 『 Ｊ ］ ． 材 料 科 学 与 工 艺， ２ ０ １ ４ 以及各类砂 纸磨料是这一环节 的主角 ， 而这一磨光环节 还可以细分 轧 延 伸 大 口径 Ｐ 为手工与机械 两类 ， 而在本文 的研究 中 ， 笔 者选择 了磨 光用 耐水砂 （ ６ ） ： １ ２ ３ — １ ２ ８ ． 纸作为模具 ， 进行 了手工打磨 ， 这一过程 中笔者使新磨 痕方 向与 旧 【 ２ 】 王付杰， 双远 华， 胡建华， 孙京超 ， 王 清华． 三辊斜轧 穿孔工 艺的数值 磨 痕方 向垂 直 ， 以此实现了磨光 正确信息 的逐步获得 。 模拟与 实验分析『 Ｊ １ ． 热加 工工艺， ２ ０ １ ４ （ ９ ） ： ９ ５ — ９ ８ ， １ ０ ５ ． ２ ． ４抛 光 ［ ３ 】 刘雨龙 ， 王辅 忠． 二辊斜 轧 穿孔过 程金属 变形缺 陷有 限元 分析…． 在应用金相学试验 的抛光 环节 中 ， 微粉悬浮液 、 喷雾抛光剂 、 抛 中 国 冶金 ， ２ ０ １ ３ （ ８ ） ： １ ４ — １ ９ ． ４ １ 尹 元德 ， 李 胜祗 ， 康永林， 王鹏展， 王 向 东， 李国涛． 二辊斜轧延伸 大 Ｉ ３ ＇ 光膏等松散磨料是这一环节 的主角 ， 而笔者在这一 环节 中选择 了机 ［ 械抛光的方法与微粉悬 浮液磨料 ， 并在完成抛 光后 通过显微镜进行 径 Ｐ ９ ２厚 壁 管 分 层 缺 陷 倾 向 性研 究 ｆ Ｊ ］ ． 钢铁， ２ ０ １ ２ （ １ ０ ） ： ５ ２ — ５ ６ ， ６ ５ ． 了质量检查 ， 这样就能够保证后续试 验的更好 展开 。
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第25卷第3期
2007年5月
物理测试 Physics Examination and Testing
Vol.25,No.3May 2007
作者简介:黄贞益(19662),男,硕士,教授; E 2m ail :huangzhenyi @ ; 修订日期:2006211214
斜轧穿孔顶头的有限元模拟及失效分析
黄贞益1, 苏惠超2, 薛建国2, 郑坚敏2, 刘广华1,
(1.安徽工业大学材料学院,安徽马鞍山243002;2.上海宝钢钢管分公司,上海210000)
摘 要:应用DEFORM 三维有限元数值模拟软件对狄舍尔穿孔机热轧穿孔过程中的顶头进行了温度场数值模拟,通过模拟和实测分析了顶头开裂、粘钢、塌鼻等失效原因。
关键词:斜轧穿孔;顶头;有限元模拟;失效
中图分类号:T G 142.1+5 文献标识码:A 文章编号:100120777(2007)0320057203
FEM Simulation and F ailure Analysis of Piercing
Plug for Cross R olling
HUAN G Zhen 2yi 1, SU Hui 2chao 2, XU E Jian 2guo 2
ZH EN G Jian 2min 2, L IU Guang 2hua 1
(1.School of Material ,Anhui University of Technology ,Maanshan 243002,Anhui ,China ;2.Shanghai Baosteel Steel Tube Company ,Shanghai 210000,China )
Abstract :The FEM simulation software of DEFORM was used to simulate the temperature distribution of plug for Diese piercer during cross rolling.Based on simulation result and the practical test ,the failure such as cracking ,sticking and collap sing nose were analyzed.
K ey w ords :cross rolling piercing ;plug ;FEM simulation ;failure
斜轧穿孔是热轧无缝钢管生产中最重要的成形
工序,它的任务是将实心的坯料穿成空心的毛管[1]。
而穿孔顶头则是无缝钢管生产中消耗量最大的关键工具之一[2]。
它的质量好坏和寿命高低直接影响钢管生产的效率和钢管的质量。
由于穿孔顶头的工作条件相当恶劣,使得它的使用寿命不长,这影响了钢管的生产效率和钢管的质量,是热轧无缝钢管生产中急需解决的问题。
为了提高穿孔顶头的使用寿命,国内外不少高校、研究院所、企业对穿孔顶头进行过研究,采取了不少的措施,但至今没能有效的地提高穿孔顶头的使用寿命[3]。
本研究利用三维有限元模拟软件DEFORM TM ,对宝钢钢管厂狄舍尔穿孔机穿孔过程顶头的温度场进行了有限元模拟,分析了顶头开裂、粘钢和掉肉等失效原因,并提出一些改进意见。
1 斜轧穿孔顶头失效形式和机理
1.1 顶头开裂
开裂就是在穿孔过程中顶头表面产生裂纹。
开裂使顶头失去光滑的工作表面而不能继续使用。
顶
头开裂是一种热疲劳现象,也是一种低周期疲劳现象。
穿孔时,顶头承受很大的应力,每穿一支钢管,其表面都会产生一定的塑性变形,该塑性变形累计到一定程度时,局部就会产生应力集中,既而产生裂纹核心,在随后的穿孔过程中裂纹不断扩展形成开裂。
1.2 顶头粘钢 顶头粘钢是顶头与管坯这一对摩擦副发生粘着磨损的现象。
粘着磨损严重时会产生两摩擦偶件咬死而不能相对运动,在穿孔过程中就是轧卡。
根据黏着磨损理论,若摩擦偶件只受法向载荷作用,并且存在表面膜时,则不易产生磨损;若同时有切向应力存在,则表面膜会被破坏而发生粘着磨损。
1.3 顶头塌鼻 在穿孔过程中,顶头的尖锥形鼻部局部塌陷成钝圆形或全部塌陷而造成的鼻部消失的现象,即为塌鼻想像。
塌陷的程度一般随着穿管支数的增加而加深。
尖锥形鼻部使顶头保持一种类似炮弹形的流线形外形,这就保证了以比较小的穿孔应力形成毛管内腔。
若顶头鼻部塌陷而失去这种流线型,
则穿孔应力急剧增大,易产生疲劳开裂,导致顶头
报废。
2 模型建立及模拟前处理
采用三维建模软件Pro/E 建立实体模型,根据二辊斜轧原理建立三维模型(图1)。
斜轧模型及工艺参数:轧辊转速为12.5/s ,导盘转速为2.7/s 。
坯料直径<178mm ,长度400mm ,顶头为宝钢所用的142顶头。
工件材料选择软件材料库中的A
ISI 21045,相当于国内的45钢。
图1 斜轧原理及模型
Fig.1 Principle and model of cross rolling
3 边界条件
轧辊与工件之间的摩擦系数参照文献[4]取
014,导盘与工件之间的摩擦系数取为0.3,顶头与工件之间的摩擦系数取为013。
工件与轧辊、工件与导盘、工件与顶头接触传热系数参照文献[5],均取为20kW/m 2・℃。
4 模拟结果分析
通过穿孔过程模拟,得到了顶头的温度分布情况(图2)。
由图可明显看出,顶头在穿孔过程中由于头部承受较大的压力和摩擦力,而且与管坯紧密接触,不但直接与管坯接触传热,且与管坯剧烈摩擦产生大量的热,而散热条件很差,大量热集中于顶头头部,顶头表面轴向温度梯度明显,顶尖最高温度达到851℃,过渡锥P 5点则为403℃,头部温度显著高于过渡锥温度,从而造成顶头顶部和过渡锥承受很大的热应力。
生产过程中,顶头在穿出管坯时随即喷水冷却,一根毛管完全穿出后,顶头又卸下放入水池进行骤冷,等待下一次穿孔使用。
顶头急冷急热,在严重热
应力交变作用下,很容易造成顶头失效报废。
当顶头穿孔结束受到冷却水的急冷冲击,头部的冷却收
图2 顶头穿入管坯后的温度分布
Fig.2 T emperature distribution of plug after piercing in billet
缩量大于过渡锥部的收缩量,这种收缩不均就很容
易造成顶头头部或过渡锥的开裂[图3(a )]。
当顶头头部温度超到一定程度时,头部金属就会由于软化而与高温管坯粘连,即发生粘钢[图3(b )]。
严重时还会发生头部塌鼻以及掉肉等现象[图3(c ,d )]。
从宝钢钢管厂生产报废的顶头失效形式来看,其中90%以上都是开裂失效。
其余则是头部粘钢、塌鼻和掉肉等失效形式。
另外通过现场测试得到顶头穿孔结束100s 后温度分布状况(图4)。
顶头取样点:鼻尖A ,抛物线段终点B ,
圆弧段终点C ,锥度部分终点D 和均壁段终点E 。
图3 顶头失效形式
Fig.3 F ailure mode of plug
85 物理测试 第25卷
图4 顶头测温位置及温度
Fig.4 T emperature distribution and test points for pluy
由于顶头穿孔结束后温度较高,不方便实测,而是在空冷一段时间后测试。
在空冷阶段,顶头自身将会进行从高温区到低温区的热量传导,使顶头温度趋向均匀。
经过这一段的冷却和热传递之后,从图4中可以明显看出具有两个明显的温度梯度区,即顶头鼻尖与抛物线终点之间、圆弧段终点与锥度部分终点之间,其温差达到140℃以上。
而其余部位温度梯度相对较小。
在快速冷却条件下,较高的温度梯度是造成顶头因温度不均和冷却不均而开裂的重要原因。
因此顶头很容易在头部和过渡锥部形成热裂。
另外由于顶头穿孔工作时间很短,仅10s 左右,顶头表面热量来不及传递到内部,而且内部还有循环冷却水存在,这更加剧了顶头内外温度不均,这也是造成顶头开裂的另一个重要原因。
5 结论
(1)从顶头的温度场有限元模拟和现场测得的顶头温度分布结果来看,模拟与实际温度分布基本一致。
(2)顶头的表面温度不均和内外温度不均,是造成顶头开裂失效的一个重要原因,而顶头头部的局部高温则是造成顶头粘钢和掉肉的重要因素。
参考文献:
[1] 李连诗.钢管塑性变形原理(上册)[M].冶金工业出版社.
1985.
[2] 张才安.无缝钢管生产简明教程[M].北京:机械工业出版社,
1988.
[3] 曹鹏军,许海东,周安若.热穿孔顶头的失效分析及改进措施
建议[J].上海金属,1998,20(3):20223.
[4] WMP van der Aalst.How to Handle Dynamic Change and
Capture Management Information:an Approach Based on Ge2 neric Workflow Models[J].International Journal of Computer
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第3期 黄贞益等:斜轧穿孔顶头的有限元模拟及失效分析。