段 華，郝艷臣，苗強(qiáng)強(qiáng)，張金耀，韓軍倉(cāng)，張?jiān)崎L(zhǎng)，朱艷春

（太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

試（實(shí)）驗(yàn)研究

熱連軋過(guò)程耳子問(wèn)題模擬研究★

段 華，郝艷臣，苗強(qiáng)強(qiáng)，張金耀，韓軍倉(cāng)，張?jiān)崎L(zhǎng)，朱艷春

（太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

對(duì)TC4鈦合金熱連軋過(guò)程出現(xiàn)耳子的問(wèn)題進(jìn)行了模擬研究，發(fā)現(xiàn)孔型設(shè)計(jì)不合理及軋制速度不匹配是導(dǎo)致熱連軋過(guò)程中耳子產(chǎn)生的主要原因。通過(guò)有限元模擬對(duì)孔型及軋制速度進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，很好地解決了棒材軋制過(guò)程出現(xiàn)的耳子問(wèn)題，對(duì)進(jìn)一步指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)具有重要的工程意義。

棒材連軋 有限元模擬 耳子 優(yōu)化設(shè)計(jì)

在棒材的熱連軋過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些表面質(zhì)量問(wèn)題，例如耳子、麻面、劃痕等。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者針對(duì)這些缺陷進(jìn)行了探索探究。溫東［1］研究了高速線材成形的表面質(zhì)量問(wèn)題，包括麻面、劃痕、分層、裂紋等缺陷，并指出入口導(dǎo)衛(wèi)要對(duì)正孔型、安裝牢靠、保證軋件線對(duì)中，同時(shí)還要提高坯料加熱質(zhì)量，均勻溫度，以解決這些表面質(zhì)量問(wèn)題。孫先焦和徐春柳［2］對(duì)高速線材表面的耳子、裂紋、分層等缺陷進(jìn)行了探討，指出選擇合適的寬展系數(shù)、完善孔型設(shè)計(jì)、合理分配下壓量能較好地避免或改善缺陷的產(chǎn)生。圓鋼在生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)因?yàn)榇嬖诠蝹?、凹坑、不圓度超標(biāo)的問(wèn)題而使產(chǎn)品報(bào)廢或者增加生產(chǎn)成本的問(wèn)題。趙少金和黃振國(guó)［3］分析了圓鋼表面的多種質(zhì)量問(wèn)題，認(rèn)為采用拉套軋制，可避免成品頭尾冒耳的存在。張少軍和逯登堯［4］對(duì)棒材表面的三角口裂紋和直線形裂紋進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)加強(qiáng)連鑄拉鋼操作、正確使用保護(hù)渣、加強(qiáng)中間包的烘烤可有效避免棒材表面裂紋的出現(xiàn)。然而，關(guān)于鈦合金棒材軋制過(guò)程的缺陷研究報(bào)道較少，為了改善鈦合金棒材的成形質(zhì)量，本文對(duì)鈦合金棒材熱連軋過(guò)程進(jìn)行模擬分析，針對(duì)軋制過(guò)程中出現(xiàn)的耳子問(wèn)題展開(kāi)系統(tǒng)研究，分析缺陷產(chǎn)生的原因，利用有限元方法優(yōu)化軋制參數(shù)，為鈦合金棒材軋制工藝的制定提供指導(dǎo)。

1 連軋孔型系統(tǒng)的建立

鈦合金棒材連軋生產(chǎn)機(jī)組采用4機(jī)架三輥Y型軋機(jī)，孔型系統(tǒng)為平三角-圓-平三角-圓。應(yīng)用有限元模擬軟件DEFORM-3D對(duì)鈦合金棒材連軋過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，圖1為四道次熱連軋模型。長(zhǎng)為500 mm的鈦合金棒材劃分網(wǎng)格數(shù)為95 000。給定軋件初始軋制溫度為950℃，軋輥表面溫度為300℃。坯料直徑為25 mm，經(jīng)4道次軋制成直徑為20 mm的棒料。輥速度按照秒流量規(guī)則設(shè)定。

圖1 四道次熱連軋模擬模型

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 孔型對(duì)耳子的影響研究

根據(jù)圖1所示模型對(duì)鈦合金連軋過(guò)程進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)第二道次棒料出現(xiàn)了輕微的耳子，如下頁(yè)圖2所示。觀察第二道次成形情況，發(fā)現(xiàn)其他部位成形較好，只有輥縫部位出現(xiàn)了輕微的耳子，這可能是第二道次變形量偏大造成的。為了進(jìn)一步印證耳子產(chǎn)生的原因，對(duì)第二道次的應(yīng)變結(jié)果進(jìn)行了提取，如下頁(yè)圖3所示。從圖3不難看出，金屬向輥縫處流去，在輥縫位置應(yīng)變達(dá)到最大值，說(shuō)明第二道次的變形量過(guò)大，導(dǎo)致多余的金屬流向輥縫而產(chǎn)生耳子。因此，對(duì)第二道次的孔型進(jìn)行修正，降低第二道次的變形量，并重新進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)第二道次的耳子消失，成形效果良好。

圖2 四道次熱連軋模擬模型

圖3 第二道次應(yīng)變分布圖

2.2 軋制速度對(duì)耳子的影響研究

經(jīng)過(guò)四個(gè)道次的連軋模擬，發(fā)現(xiàn)在第四道次再次出現(xiàn)耳子，并且較第二道次嚴(yán)重，如圖4所示。總體來(lái)看，前兩個(gè)道次變形情況較好，說(shuō)明前兩個(gè)道次的變形量和前后軋機(jī)間的速度設(shè)定合理，唯有第四道次出現(xiàn)了嚴(yán)重的耳子現(xiàn)象，觀察第四道次應(yīng)變?cè)茍D（圖5），清楚地看到金屬劇烈地流向輥縫處，因此首先考慮的是孔型問(wèn)題。修改第三、四道次孔型參數(shù)，適當(dāng)提高第三道次變形量，降低第四道次變形量，重新對(duì)連軋過(guò)程進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)耳子確實(shí)明顯減輕了，但是并未完全消失，如圖6所示。

圖4 四道次連軋成形截面

圖5 第四道次應(yīng)變分布圖

圖6 孔型修正后第四道次出現(xiàn)的耳子

除了孔型問(wèn)題，耳子的出現(xiàn)可能還與軋制速度有關(guān)。根據(jù)秒流量定理可知，軋機(jī)的速度與軋件截面積有關(guān)，由于對(duì)每道次速度的核算，是根據(jù)孔型面積推算的，實(shí)際軋制過(guò)程中軋件并未完全充滿孔型，近似計(jì)算可能導(dǎo)致推算出的各道次速度不準(zhǔn)確，因此根據(jù)每道次軋件截面積重新計(jì)算各道次軋輥速度，將其輸入模型進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)耳子徹底消失了（見(jiàn)圖7），說(shuō)明孔型軋制速度對(duì)軋制的成形性同樣具有重要影響。圖8（見(jiàn)第36頁(yè)）為順利軋制后獲得的鈦合金棒材，外形尺寸較好。

圖7 順利軋制后前四道次棒材截面

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2015.06.06

TG337.6

A

1672-1152（2015）06-0016-02

2015-11-02

博士啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目（20132016）；省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（2015288）；校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（xj2014075）

段華（1995—），男，在讀本科生，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)軋制技術(shù)。E-mail：804430144@qq.com

朱艷春（1982—），女，博士，講師，主要研究方向：難變形材料先進(jìn)成形技術(shù)與計(jì)算機(jī)仿真。E-mail：lzlzyc@163.com