胡玉坤,李啟堯
(邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河北 邢臺(tái) 054000)
隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,中國(guó)鋼鐵企業(yè)的技術(shù)也隨之邁入一個(gè)新臺(tái)階,在連鑄連軋生產(chǎn)過(guò)程中,軋件寬度的控制精度對(duì)于降低能耗,提高產(chǎn)品質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用[1]。為了適應(yīng)市場(chǎng)的變化以滿足用戶對(duì)不同寬度規(guī)格產(chǎn)品的需求,生產(chǎn)商需要小規(guī)模、多規(guī)格地進(jìn)行加工生產(chǎn),結(jié)果導(dǎo)致設(shè)備制造的成本增加而且生產(chǎn)效率低下。為了使用較窄的坯料生產(chǎn)出較寬的產(chǎn)品,需要對(duì)窄帶鋼進(jìn)行增寬軋制,這種方法稱為強(qiáng)迫寬展法[2],就是帶鋼在孔型中軋制時(shí),使其在寬向上產(chǎn)生附加的增長(zhǎng)。由于孔型的緣故使得帶鋼的寬展變得極為復(fù)雜,目前對(duì)強(qiáng)迫寬展過(guò)程中孔型傾角的研究較少,因此研究孔型傾角對(duì)窄帶鋼強(qiáng)迫寬展的影響很有意義,對(duì)生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)作用。
帶鋼軋制的過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的非線性、多變量之間強(qiáng)耦合的過(guò)程,單純采用實(shí)驗(yàn)法研究會(huì)導(dǎo)致材料和設(shè)備的浪費(fèi),增加研究成本,隨著有限元理論不斷的發(fā)展與完善,采用數(shù)值模擬方法是近年來(lái)軋制理論研究的趨勢(shì),基于有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬可節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本、縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期[3]。本文基于DEFORM-3D軟件對(duì)孔型傾角對(duì)窄帶鋼強(qiáng)迫寬展的影響進(jìn)行了研究。
本文依據(jù)某廠強(qiáng)迫寬展軋制生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)基于DEFORM-3D軟件,利用其中的Shape-Rolling模塊實(shí)施數(shù)值模擬,因強(qiáng)迫寬展軋制屬于異型輥軋制,軟件中無(wú)直接對(duì)應(yīng)的模型,因此本文先利用SolidWorks進(jìn)行建模,再導(dǎo)入DEFORM-3D軟件中實(shí)施模擬計(jì)算[4]。
模型采用四機(jī)架布置形式,第一機(jī)架采用帶孔型軋輥軋制,第二機(jī)架采用平輥軋制,第三、四機(jī)架重復(fù)第一、二機(jī)架的布置,第三、四機(jī)架的軋制過(guò)程與第一、二機(jī)架的軋制過(guò)程幾乎相同。因此,為了提高計(jì)算效率我們僅對(duì)前兩機(jī)架的軋制過(guò)程進(jìn)行建模分析。其中第一機(jī)架軋輥外徑為700mm,內(nèi)徑為680mm,孔型寬度為250mm,輥面長(zhǎng)度為780mm,第二機(jī)架軋輥直徑為720mm,輥面長(zhǎng)度為780mm。軋件為長(zhǎng)方體,長(zhǎng)度為800mm,寬度為500mm,厚度為150mm。
圖1 軋輥孔型
經(jīng)過(guò)多次模擬計(jì)算,發(fā)現(xiàn)采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格時(shí),網(wǎng)格質(zhì)量較高,準(zhǔn)確度較高,在利用有限元法分析軋制過(guò)程時(shí),網(wǎng)格生成的密度將直接決定著模擬計(jì)算的精度與速度,更會(huì)影響后續(xù)模擬計(jì)算分析結(jié)果的準(zhǔn)確度,模型劃分的網(wǎng)格數(shù)越多,模擬計(jì)算結(jié)果越準(zhǔn)確,數(shù)據(jù)越接近實(shí)際生產(chǎn)的情況[5]。但與此同時(shí),模擬計(jì)算時(shí)間延長(zhǎng),所需存儲(chǔ)量加大,對(duì)電腦的計(jì)算速度提出了更高的要求。但若模型劃分的網(wǎng)格過(guò)于稀疏又會(huì)使模擬計(jì)算結(jié)果不夠準(zhǔn)確。
綜上所述,考慮到計(jì)算機(jī)的性能、模擬分析的速率及計(jì)算結(jié)果的精確度,最終將軋件劃分為24000個(gè)網(wǎng)格,軋輥劃分為14400個(gè)網(wǎng)格。
DEFORM-3D軟件自帶強(qiáng)大的材料數(shù)據(jù)庫(kù),軋件選用常用材料Q235,在高溫軋制時(shí),軋件的變形抗力小,并且在軋制過(guò)程中軋件的塑性變形很大,彈性變形相對(duì)塑性變形來(lái)說(shuō)極小可以忽略不計(jì),故將軋件設(shè)置成塑性材料,軋件的溫度設(shè)置為1150℃。軋輥在軋制過(guò)程中的未發(fā)生屈服現(xiàn)象,變形相對(duì)于軋件來(lái)說(shuō)較小,不考慮軋輥的彈性壓扁和彈性撓曲,因此軋輥設(shè)置為剛性材料,軋輥的溫度設(shè)置為60℃,速度設(shè)置為20r/min。
模擬邊界條件設(shè)置,軋制過(guò)程中除了壓下量、軋制溫度、軋制速度外,摩擦因數(shù)、傳熱系數(shù)也會(huì)影響模擬計(jì)算的結(jié)果,選擇合適的參數(shù)可提高模擬計(jì)算的準(zhǔn)確度,因高溫軋制時(shí)可能有粘結(jié)現(xiàn)象產(chǎn)生,接觸面采用剪切摩擦更為準(zhǔn)確,根據(jù)生產(chǎn)中的實(shí)際情況將摩擦系數(shù)設(shè)置為0.5,傳熱系數(shù)設(shè)置為5kW·m2·K-1。因軋件的初始速度為0,為了使軋件順利咬入實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)軋制,模型建立時(shí)在軋件尾部設(shè)置一剛性推板,推板具有一定的速度,該速度小于平穩(wěn)軋制的速度,在推板助力作用下,軋件順利實(shí)現(xiàn)咬入,然后釋放該推板,在摩擦力作用下軋件進(jìn)入穩(wěn)態(tài)軋制階段。
表1 不同孔型傾角下R1寬展
為了研究孔型傾角對(duì)窄帶鋼寬度的影響,采用單一變量法,只使孔型傾角產(chǎn)生變化,而摩擦系數(shù)、壓下率等其它各參數(shù)均保持不變,孔型傾角分別取25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°進(jìn)行數(shù)值模擬。
為了驗(yàn)證模型的可靠性,采用該模型對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬,通過(guò)模擬計(jì)算數(shù)據(jù)與生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)對(duì)比,發(fā)現(xiàn)兩者在結(jié)果上吻合度較高,所以采用此模型分析孔型傾角對(duì)窄帶鋼強(qiáng)迫寬展的影響是可信的。
軋件在帶孔型的軋輥中軋制時(shí),軋件中部的壓下量大于邊部的壓下量,所以軋件中部網(wǎng)格的橫向伸長(zhǎng)大于邊部網(wǎng)格的橫向伸長(zhǎng),中部的應(yīng)變明顯大于邊部,說(shuō)明強(qiáng)迫軋制對(duì)軋件寬度的影響明顯。在不同孔型傾角的軋制下,軋件在橫向上變形的規(guī)律基本一致,但是孔型傾角不同,截面處軋制力則不同,軋機(jī)橫向應(yīng)變也會(huì)隨之發(fā)生變化。模擬計(jì)算結(jié)果表明,孔型傾角對(duì)軋件的寬展影響明顯,隨著孔型傾角的增大,軋件的寬度變化規(guī)律是先增大后減小,在孔型傾角為45°時(shí)軋件的寬展達(dá)到最大值。且孔型傾角小于45°時(shí)軋件寬度增長(zhǎng)的趨勢(shì)大于孔型傾角45°~55°時(shí)軋件寬度下降的趨勢(shì),結(jié)果見(jiàn)表1。模擬計(jì)算結(jié)果說(shuō)明孔型傾角為45°時(shí),工藝設(shè)計(jì)最優(yōu),孔型傾角小于45°時(shí),孔型傾角對(duì)軋件的寬展作用更加顯著。
根據(jù)體積不變定理,減薄軋制時(shí),軋件在高度方向上尺寸減少,在長(zhǎng)度方向和寬度方向上尺寸都增加[6],因?yàn)槭菍?duì)窄帶鋼實(shí)施增寬軋制,所以我們目標(biāo)是讓金屬質(zhì)點(diǎn)盡可能多的向橫向流動(dòng),增加軋件的寬度。而根據(jù)最小阻力定律可知,金屬質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)由軋制時(shí)所受阻力決定,阻力大的方向金屬質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)慢,阻力小的方向金屬質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)快[7]。綜上所述,第一機(jī)架軋件的出口寬度與變形區(qū)內(nèi)金屬橫、縱向流動(dòng)阻力比值和壓下量有關(guān)。當(dāng)孔型傾角增大時(shí),孔型橫截面積減小,高度方向體積縮減量增大,有利于軋件寬度的增大;但是孔型傾角增大時(shí),作用在傾角接觸面軋制力減小,驅(qū)動(dòng)金屬橫向流動(dòng)的水平分力也減小,不利于軋件寬度的增加。兩方面因素綜合作用的結(jié)果決定了第一機(jī)架軋件的出口寬度。
經(jīng)過(guò)第一機(jī)架孔型輥軋制后,軋件呈狗骨狀,為了滿足使用要求,需用平輥將軋件壓平。以第一機(jī)架的模擬計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)繼續(xù)進(jìn)行平軋模擬,計(jì)算結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)第一機(jī)架不同孔型傾角的軋件再經(jīng)平軋后,軋件截面橫向應(yīng)變變化規(guī)律一致,在軋件槽頂中部和軋件四分之一處橫向應(yīng)變最大,并且隨著孔型傾角的增大,軋件寬度先增大后減小。用第二機(jī)架軋件的出口寬度減去第一機(jī)架軋件的出口寬度可得第二機(jī)架軋件的寬展數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)計(jì)算不同孔型傾角下第二機(jī)架軋件的寬展量在36.2mm~36.7mm之間,差距僅為0.5mm,說(shuō)明在增寬軋制中,孔型傾角對(duì)平輥軋制時(shí)軋件寬展的作用很小。最終第二機(jī)架軋件的出口寬度變化規(guī)律與第一機(jī)架軋件的出口寬度規(guī)律相同,軋件的寬展規(guī)律是先增大后減小,在孔型傾角為45°時(shí)軋件的寬展達(dá)到最大值為565.7mm??仔蛢A角在40°~55°之間時(shí),軋件的寬展變化平緩,孔型傾角在小于40°和大于55°后,軋件的寬展下降明顯,所以在生產(chǎn)中應(yīng)保證孔型角度在40°~55°范圍內(nèi),防止孔型傾角過(guò)小或過(guò)大造成軋件寬展量不足,產(chǎn)生廢品。
通過(guò)對(duì)窄帶鋼在不同孔型傾角下軋制過(guò)程的數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)了不同孔型傾角對(duì)窄帶鋼寬度變化的影響規(guī)律,為實(shí)際生產(chǎn)相關(guān)工藝參數(shù)的設(shè)置提供一定的理論指導(dǎo)。
(1)孔型傾角對(duì)第一機(jī)架軋件的寬度影響較大,對(duì)第二機(jī)架軋件的寬度幾乎沒(méi)有影響。隨著孔型傾角的增大,第一機(jī)架軋件的出口寬展先增大后減小,孔型傾角為45°時(shí)軋件的寬展達(dá)到最大值29.1mm,而孔型傾角對(duì)第二機(jī)架軋件的寬展幾乎沒(méi)有影響,不同孔型傾角下,軋件的寬展均保持在36.2mm~36.7mm之間。
(2)孔型傾角為45°時(shí)設(shè)計(jì)最優(yōu),軋件的寬展達(dá)到最大,且孔型傾角在40°~55°范圍內(nèi),軋件的寬展量保持在較高水平,可以滿足使用需求,但是當(dāng)孔型傾角小于40°或者大于55°后,寬展量急劇減小,所以工業(yè)生產(chǎn)中要及時(shí)檢測(cè)孔型角度,防止偏離目標(biāo)值過(guò)大導(dǎo)致出口寬度不足,降低成材率,增加生產(chǎn)成本。