D0L:10.13374/.issn1001-053x.2012.s1.011 第34卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.34 Suppl.1 2012年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2012 Accu一Roll轧管机热轧奥氏体无缝钢管的数值模拟与 工艺参数优化 宋仁伯黄帅张凯 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:songrb@mater..usth.cdu.cm 摘要根据钢管斜轧过程的变形特点，利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件对Accu-Roll轧管机热轧奥氏体无缝钢管的轧制 过程进行有限元数值模拟.通过模拟仿真计算，分析无缝钢管截面的变形特点及轧制力和应力应变分布的变化规律，通过将 模拟结果与实测数据进行比较，验证了模型的可靠性.模拟结果表明，在轧制过程中孔型形状不当易造成双鼓形，整个轧制过 程中最大轧制应力为403.4MPa,最大等效应力值为231.8MPa 关键词无缝钢管：热轧：有限元法；计算机模拟 分类号TG335.71 Finite element simulation and processing parameter optimization on hot-rolled austenitic seamless steel tubes by Accu-Roll pipe mill SONG Ren-bo,HUANG Shuai,ZHANG Kai School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:songrb@mater.ustb.edu.cn ABSTRACT Based on the deformation characteristics of steel tubes in the process of skew rolling,finite element software ANSYS/ IS-DYNA was applied to simulate the rolling process of hot-rolled austenitic seamless steel tubes by Accu-Roll pipe mill.The deforma- tion characteristics of tube section and the variation law of rolling force and strain-stress were obtained by finite element analysis.The simulation results were compared with the measured data,and the model was proved to be reliable.The results of simulation show that the unfitted shape of pass can bring out the overlap:during the rolling process,the maximum rolling stress is 403.4 MPa,and the max- imum equivalent stress is 231.8 MPa. KEY WORDS seamless tubes;hot rolling;finite element method;computer simulation 国内生产奥氏体不锈钢无缝钢管普遍采用热穿 考虑到多种物理量间的相互影响。因此，有限元模 孔+冷拔或冷轧技术，国外全部采用热挤压技术 拟仿真技术是有效研究轧制等金属塑性变形的重要 2000年之后，国内部分新建的生产线才开始采用热 工具. 挤压生产奥氏体不锈钢无缝钢管.随着技术的发 本文采用有限元软件ANSYS./LS-DYNA作为主 展，热轧工艺开始应用于奥氏体不锈钢管的生产中， 要工具，模拟Accu-Roll轧管机热轧奥氏体无缝钢管 但由于奥氏体不锈钢的加工范围窄0，塑性较差， 的斜轧过程。通过有限元的方法研究无缝钢管在轧 在缺乏精确分析的条件下，实际生产中不得不以反 制过程中截面的变形特点以及应力应变的分布规 复试验来决定轧制生产工艺流程.借助有限元模拟 律，将实际生产中的数据与模拟结果进行比较，分析 仿真技术可以对Accu-Roll轧管机热轧奥氏体不锈 工艺参数对轧制过程的影响，实现了对不锈钢无缝 钢无缝钢管的轧制过程进行动力学分析，同时还能 钢管产品工艺参数的优化以及质量的预报. 收稿日期：20120207
第 34 卷 增刊 1 2012 年 6 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 Suppl． 1 Jun． 2012 Accu--Roll 轧管机热轧奥氏体无缝钢管的数值模拟与 工艺参数优化 宋仁伯 黄 帅 张 凯 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083 通信作者，E-mail: songrb@ mater． ustb． edu． cn 摘 要 根据钢管斜轧过程的变形特点，利用 ANSYS /LS--DYNA 有限元软件对 Accu--Roll 轧管机热轧奥氏体无缝钢管的轧制 过程进行有限元数值模拟． 通过模拟仿真计算，分析无缝钢管截面的变形特点及轧制力和应力应变分布的变化规律，通过将 模拟结果与实测数据进行比较，验证了模型的可靠性． 模拟结果表明，在轧制过程中孔型形状不当易造成双鼓形，整个轧制过 程中最大轧制应力为 403. 4 MPa，最大等效应力值为 231. 8 MPa． 关键词 无缝钢管; 热轧; 有限元法; 计算机模拟 分类号 TG335. 71 Finite element simulation and processing parameter optimization on hot-rolled austenitic seamless steel tubes by Accu-Roll pipe mill SONG Ren-bo ，HUANG Shuai，ZHANG Kai School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: songrb@ mater． ustb． edu． cn ABSTRACT Based on the deformation characteristics of steel tubes in the process of skew rolling，finite element software ANSYS / LS-DYNA was applied to simulate the rolling process of hot-rolled austenitic seamless steel tubes by Accu-Roll pipe mill． The deformation characteristics of tube section and the variation law of rolling force and strain-stress were obtained by finite element analysis． The simulation results were compared with the measured data，and the model was proved to be reliable． The results of simulation show that the unfitted shape of pass can bring out the overlap; during the rolling process，the maximum rolling stress is 403. 4 MPa，and the maximum equivalent stress is 231. 8 MPa． KEY WORDS seamless tubes; hot rolling; finite element method; computer simulation 收稿日期: 2012--02--07 国内生产奥氏体不锈钢无缝钢管普遍采用热穿 孔 + 冷拔或冷轧技术，国外全部采用热挤压技术． 2000 年之后，国内部分新建的生产线才开始采用热 挤压生产奥氏体不锈钢无缝钢管． 随着技术的发 展，热轧工艺开始应用于奥氏体不锈钢管的生产中， 但由于奥氏体不锈钢的加工范围窄［1］，塑性较差， 在缺乏精确分析的条件下，实际生产中不得不以反 复试验来决定轧制生产工艺流程． 借助有限元模拟 仿真技术可以对 Accu-Roll 轧管机热轧奥氏体不锈 钢无缝钢管的轧制过程进行动力学分析，同时还能 考虑到多种物理量间的相互影响． 因此，有限元模 拟仿真技术是有效研究轧制等金属塑性变形的重要 工具． 本文采用有限元软件 ANSYS /LS-DYNA 作为主 要工具，模拟 Accu-Roll 轧管机热轧奥氏体无缝钢管 的斜轧过程． 通过有限元的方法研究无缝钢管在轧 制过程中截面的变形特点以及应力应变的分布规 律，将实际生产中的数据与模拟结果进行比较，分析 工艺参数对轧制过程的影响，实现了对不锈钢无缝 钢管产品工艺参数的优化以及质量的预报． DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.s1.011
增刊1 宋仁伯等：Accu-Rol轧管机热轧奥氏体无缝钢管的数值模拟与工艺参数优化 61 因此，不论定义了多少个节点，刚性体仅有六个自由 1斜轧过程有限元实体模型的建立 度，作用在刚性体上的力和力矩由每个时刻的节点 本文模拟的是Accu-Roll轧管机热轧奥氏体不 力和力矩合成，然后计算刚性体的运动，再转换到节 锈钢无缝钢管的轧制过程.Accu-Roll轧管机的孔 点位移 型由2个轧辊，2个导盘和一个芯棒构成.Accu-Roll 轧管被定义为变形体，选用*MAT_PLASTIC._ 轧管机的特点是轧辊形状呈锥形，轧辊轴线与轧制 KINEMATIC材料本构模型，该模型与应变率相关， 线呈空间交叉，既有送进角，又有辗轧角，空间结构 可考虑失效.通过在0（仅随动硬化）和1（仅各向同 比较复杂回，这就决定了该轧机变形区构成的特殊 性硬化)间调整硬化参数来选择各向同性或随动硬 性.图1为Accu-Roll轧管机的空间布置. 化.应变率用Cowper--Symonds模型来考虑，屈服 AN 应力（σ，）可用与应变率有关的因数来表示，公式 如下： a,=[+()门(，+BE,). (1) 式中，o。为初始屈服应力，g为应变率，C为Cowper-一 Symonds应变率参数，s为有效塑性应变，B为硬化 参数，E,为塑性硬化模量，可由下式给出： EnE Eo=E-Eun (2) 式中，E为弹性模量，Em为切线模量. 图1轧管机空间变形区示意图.1一芯棒：2一轧管：3一轧辊 由式(1)和(2)可知，该模型需要输入的参数包 4一导盘 括密度(DENS)、弹性模量(E)、泊松比(NUXY)、初 Fig.I Schematic diagram of deformation space of pipe mill:1- 始屈服应力（σo)、切线模量(Em)、硬化参数(B)、 mandrel:2-pipe:3-roll:4-guide disc 应变率参数(C)以及应变率()等因.在不考虑加 实验中轧管、轧辊、芯棒及导盘单元类型选用的 工硬化和应变率影响的条件下，轧管材料321奥氏 是8节点的S0LID164单元同.相对于分析对象轧 体不锈钢的力能参数分别为：DENS=8× 管的变形，轧辊、导盘及芯棒的变形很小，可将轧辊、 103kgm-3,E=1.2×10"Pa,NUXY=0.3,wo= 导盘、芯棒的可接触表面定义为刚性体.刚性模型 50MPa,Ean=80MPa,o(强度极限)=80MPa. 在显示动力学分析中有着非常重要的意义，用刚性 Accu-Roll二辊斜轧系统的工艺参数来源于某 模型定义有限元模型中刚性部分可大大缩减显示分 公司的生产线，主要参数如下：(1)钢管入口（毛管） 析的计算时间，这是由于定义了一个刚体后，刚体内 中168mm×18mm,出口（荒管）中159mm×12mm; 所有节点的自由度都耦合到刚性体的质量中心上. (2)轧管机的参数选择见表1. 表1轧机的参数选择 Table 1 Parameters of the rolling mill 送进 碾轧 出口速度/ 轧辊转数/ 轧辊 导盘 导盘 导盘转数/ 椭圆度 角/() 角/() (m.s-1) (r'min-) 距离/mm 厚度/mm 距离/mm (rmin-1) 10 12 0.8 117.7 151 150 160 16 1.06 本文主要采用的是扫略的方式可，对建立好的 2有限元模型相关参数的确定 有限元模型进行网格划分，利用LESIZE尺寸控制 命令分别对钢管、轧辊、导盘和芯棒的轴向、周向、径 2.1接触类型的定义 向尺寸进行控制.图2为己划分网格的有限元 本实验采用的是面面自动接触的方式确定实体 模型. 单元接触表面方向，进行接触计算圆.轧管、轧辊
增刊 1 宋仁伯等: Accu--Roll 轧管机热轧奥氏体无缝钢管的数值模拟与工艺参数优化 1 斜轧过程有限元实体模型的建立 本文模拟的是 Accu-Roll 轧管机热轧奥氏体不 锈钢无缝钢管的轧制过程． Accu-Roll 轧管机的孔 型由 2 个轧辊，2 个导盘和一个芯棒构成． Accu-Roll 轧管机的特点是轧辊形状呈锥形，轧辊轴线与轧制 线呈空间交叉，既有送进角，又有辗轧角，空间结构 比较复杂［2］，这就决定了该轧机变形区构成的特殊 性． 图 1 为 Accu-Roll 轧管机的空间布置． 图 1 轧管机空间变形区示意图． 1—芯棒; 2—轧管; 3—轧辊; 4—导盘 Fig． 1 Schematic diagram of deformation space of pipe mill: 1 ! mandrel; 2 !pipe; 3 !roll; 4 !guide disc 实验中轧管、轧辊、芯棒及导盘单元类型选用的 是 8 节点的 SOLID164 单元［3］． 相对于分析对象轧 管的变形，轧辊、导盘及芯棒的变形很小，可将轧辊、 导盘、芯棒的可接触表面定义为刚性体． 刚性模型 在显示动力学分析中有着非常重要的意义，用刚性 模型定义有限元模型中刚性部分可大大缩减显示分 析的计算时间，这是由于定义了一个刚体后，刚体内 所有节点的自由度都耦合到刚性体的质量中心上． 因此，不论定义了多少个节点，刚性体仅有六个自由 度，作用在刚性体上的力和力矩由每个时刻的节点 力和力矩合成，然后计算刚性体的运动，再转换到节 点位移［4］． 轧管被定义为变形体，选用* MAT_PLASTIC_ KINEMATIC 材料本构模型，该模型与应变率相关， 可考虑失效． 通过在 0( 仅随动硬化) 和 1( 仅各向同 性硬化) 间调整硬化参数来选择各向同性或随动硬 化［5］． 应变率用 Cowper--Symonds 模型来考虑，屈服 应力( σy ) 可用与应变率有关的因数来表示，公式 如下: σy = [ ( 1 + ε · ) ] C ( σ0 + βEpεeff p ) ． ( 1) 式中，σ0为初始屈服应力，ε · 为应变率，C 为Cowper-- Symonds 应变率参数，εeff p 为有效塑性应变，β 为硬化 参数，Ep为塑性硬化模量，可由下式给出: Ep = EtanE E － Etan ． ( 2) 式中，E 为弹性模量，Etan为切线模量． 由式( 1) 和( 2) 可知，该模型需要输入的参数包 括密度( DENS) 、弹性模量( E) 、泊松比( NUXY) 、初 始屈服应力( σ0 ) 、切线模量( Etan ) 、硬化参数( β) 、 应变率参数( C) 以及应变率( ε ·) 等［6］． 在不考虑加 工硬化和应变率影响的条件下，轧管材料 321 奥氏 体不锈钢的力能参数分别为: DENS = 8 × 103 kg·m － 3 ，E = 1. 2 × 1011 Pa，NUXY = 0. 3，σ0 = 50 MPa，Etan = 80 MPa，σb ( 强度极限) = 80 MPa． Accu--Roll 二辊斜轧系统的工艺参数来源于某 公司的生产线，主要参数如下: ( 1) 钢管入口( 毛管) 168 mm × 18 mm，出口( 荒管) 159 mm × 12 mm; ( 2) 轧管机的参数选择见表 1． 表 1 轧机的参数选择 Table 1 Parameters of the rolling mill 送进 角/ ( °) 碾轧 角/( °) 出口速度/ ( m·s － 1 ) 轧辊转数/ ( r·min － 1 ) 轧辊 距离/mm 导盘 厚度/mm 导盘 距离/mm 导盘转数/ ( r·min － 1 ) 椭圆度 10 12 0. 8 117. 7 151 150 160 16 1. 06 本文主要采用的是扫略的方式［7］，对建立好的 有限元模型进行网格划分，利用 LESIZE 尺寸控制 命令分别对钢管、轧辊、导盘和芯棒的轴向、周向、径 向尺 寸 进 行 控 制． 图 2 为已划分网格的有限元 模型． 2 有限元模型相关参数的确定 2. 1 接触类型的定义 本实验采用的是面面自动接触的方式确定实体 单元接触表面方向，进行接触计算［8］． 轧管、轧辊、 ·61·
·62· 北京科技大学学报 第34卷 2.3初始条件的设定 模拟时，先给钢管一个与轧制方向相同的初速 度，待轧辊咬入后，施加在钢管上的初速度变为零 然后钢管在轧辊摩擦力的带动下沿轧制线方向运 动，直至全部轧完。实验所采用的初速度为 0.8ms- 2.4求解过程控制 设定计算时间为8s,输出结果的总步长为100， 当时间累计达到结束时间，计算就会停止. 3斜轧过程的有限元模拟结果分析 图2 Accui--Roll轧管机有限元模型 Fig.2 Finite element model of an Accu-Roll pipe mill 3.1无缝钢管轧制特点 无缝钢管在轧制过程中，导盘和轧辊给予轧件 导盘及芯棒的接触类型都设置为面面自动接触.在 作用力.轧辊的作用力促使轧件在孔型中减径、减 接触实体的定义中，轧辊、导盘及芯棒定义为目标 壁及延伸.导盘对轧件起径向压缩作用，控制轧件 面，轧管定义为接触面.约束导盘和轧辊除绕某一 外径，同时因导盘速度在轧制线上的分量大于轧件 矢量旋转以外的所有自由度，约束芯棒除沿轧制线 的轴向运动速度，故导盘对轧件又产生轴向拉 方向平动以外的所有自由度.轧管不用施加约束， 力o.在Accu-Roll轧管机轧制过程中，存在两次 在轧制过程中通过芯棒对其进行动态约束.选取轧 咬入.第一次咬入是在轧件与轧辊开始接触瞬间， 管上所有节点，将其建立为组件，在组件上施加沿y 由轧辊带动轧件运动并把轧件曳入变形区中：第二 方向的初速度 次咬入是轧件在进入变形区后与芯棒及导盘接触， 2.2摩擦边界条件 轧件需要克服芯棒和导盘阻力才能继续进入变形区 为简化计算，钢管轧制过程的有限元模拟通常 中轧制. 假设变形工具与钢管表面之间仅存在干摩擦，摩擦 由图3可知，轧管进入变性区后在横向方向上 系数()符合库仑定律回，接触面上单位摩擦力() 呈现双鼓形.此时的轧辊是水平布置，导盘是垂直 与接触面上的正压力(P)成正比，即 布置，左右布置的轧辊间距大导致材料受到不均匀 f=uP. (3) 挤压，从而产生不均匀变形，使得孔型与轧辊接触区 在摩擦系数的选择上，根据现场的经验选取轧 的金属向左右延伸，管壁偏厚，形成双鼓形.在实际 辊与钢管的动态摩擦系数山1=0.4，静态摩擦系数 生产中可以通过减小碾轧角或者调整轧辊距离来进 4,=0.45,芯棒与钢管的摩擦系数选取μ=0.2. 行矫正 (a) (c) 图3钢管变形过程示意图.(a)t=0s,芯棒与轧管横截面示意图：(b)t=0s,轧管沿轧制方向示意图：()t=0.4s,芯棒与轧管横截面示 意图：(d)t=0.4s,轧管沿轧制方向示意图 Fig.3 Deformation process of steel pipe:(a)=0s,section of mandrel and pipe:(b)=0s,pipe along the rolling direction:(c)=0.4s,sec- tion of mandrel and pipe:(d)=0.4s,pipe along the rolling direction 3.2单元轧制力分析 在轧制过程中，随着轧件的咬入，单元所受轧制力逐 取沿钢管轴向的8个单元进行研究，所取的位 渐变大.每个单元在塑性变形区所受的轧制力达到 置如图4所示；单元所受轧制力的变化如图5所示. 最大值，各个单元的最大轧制力可认为是轧制过程
北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 图 2 Accui--Roll 轧管机有限元模型 Fig． 2 Finite element model of an Accu--Roll pipe mill 导盘及芯棒的接触类型都设置为面面自动接触． 在 接触实体的定义中，轧辊、导盘及芯棒定义为目标 面，轧管定义为接触面． 约束导盘和轧辊除绕某一 矢量旋转以外的所有自由度，约束芯棒除沿轧制线 方向平动以外的所有自由度． 轧管不用施加约束， 在轧制过程中通过芯棒对其进行动态约束． 选取轧 管上所有节点，将其建立为组件，在组件上施加沿 y 方向的初速度． 2. 2 摩擦边界条件 为简化计算，钢管轧制过程的有限元模拟通常 假设变形工具与钢管表面之间仅存在干摩擦，摩擦 系数( μ) 符合库仑定律［9］，接触面上单位摩擦力( f) 与接触面上的正压力( P) 成正比，即 f = μP． ( 3) 在摩擦系数的选择上，根据现场的经验选取轧 辊与钢管的动态摩擦系数 μd = 0. 4，静态摩擦系数 μs = 0. 45，芯棒与钢管的摩擦系数选取 μ = 0. 2． 2. 3 初始条件的设定 模拟时，先给钢管一个与轧制方向相同的初速 度，待轧辊咬入后，施加在钢管上的初速度变为零． 然后钢管在轧辊摩擦力的带动下沿轧制线方向运 动，直 至 全 部 轧 完． 实验所采用的初速度为 0. 8 m·s － 1 ． 2. 4 求解过程控制 设定计算时间为 8 s，输出结果的总步长为 100， 当时间累计达到结束时间，计算就会停止． 3 斜轧过程的有限元模拟结果分析 3. 1 无缝钢管轧制特点 无缝钢管在轧制过程中，导盘和轧辊给予轧件 作用力． 轧辊的作用力促使轧件在孔型中减径、减 壁及延伸． 导盘对轧件起径向压缩作用，控制轧件 外径，同时因导盘速度在轧制线上的分量大于轧件 的轴 向 运 动 速 度，故导盘对轧件又产生轴向拉 力［10］． 在 Accu-Roll 轧管机轧制过程中，存在两次 咬入． 第一次咬入是在轧件与轧辊开始接触瞬间， 由轧辊带动轧件运动并把轧件曳入变形区中; 第二 次咬入是轧件在进入变形区后与芯棒及导盘接触， 轧件需要克服芯棒和导盘阻力才能继续进入变形区 中轧制． 由图 3 可知，轧管进入变性区后在横向方向上 呈现双鼓形． 此时的轧辊是水平布置，导盘是垂直 布置，左右布置的轧辊间距大导致材料受到不均匀 挤压，从而产生不均匀变形，使得孔型与轧辊接触区 的金属向左右延伸，管壁偏厚，形成双鼓形． 在实际 生产中可以通过减小碾轧角或者调整轧辊距离来进 行矫正． 图 3 钢管变形过程示意图． ( a) t = 0 s，芯棒与轧管横截面示意图; ( b) t = 0 s，轧管沿轧制方向示意图; ( c) t = 0. 4 s，芯棒与轧管横截面示 意图; ( d) t = 0. 4 s，轧管沿轧制方向示意图 Fig． 3 Deformation process of steel pipe: ( a) t = 0 s，section of mandrel and pipe; ( b) t = 0 s，pipe along the rolling direction; ( c) t = 0. 4 s，section of mandrel and pipe; ( d) t = 0. 4 s，pipe along the rolling direction 3. 2 单元轧制力分析 取沿钢管轴向的 8 个单元进行研究，所取的位 置如图 4 所示; 单元所受轧制力的变化如图 5 所示． 在轧制过程中，随着轧件的咬入，单元所受轧制力逐 渐变大． 每个单元在塑性变形区所受的轧制力达到 最大值，各个单元的最大轧制力可认为是轧制过程 ·62·
增刊1 宋仁伯等：Accu-Rol轧管机热轧奥氏体无缝钢管的数值模拟与工艺参数优化 ·63· 中钢管所受的轧制力.随着轧件的继续咬入，观察 接触的塑性变形区，其值为403.4MPa.研究各单元 单元远离轧辊，所受的轧制力减小并趋于一定值. 的最大轧制力可知，在达到稳定轧制后钢管所受轧 其中，最大轧制力出现在轧管与芯棒、轧辊、导盘均 制力变化不大，在接近末端时轧制力逐渐减小. H126265 H126305 H12T405 H12835 H129466 H130605 H131766 H133006 图4典型单元位置 Fig.4 Position of the typical element 05LS-DYNA uer input Element No.A134655 D 130605G127405 B133005 E129455 H126305 0.4 c131755F128355 L125255 03 0.2 0.1 4 时间s 图5典型单元轧制过程轧制力变化图 Fig.5 Changes of rolling force of the typical element in the rolling process 现场的轧制力因为波动难以准确测量，由于电 3.3等效应力云图分析 机工作电流的变化规律与轧制力的变化规律是相同 钢管沿轧制方向的Von-Mises等效应力如图 的，故现场一般采取测量电机的工作电流来取代测 7所示.在轧件变形区域，开始咬入时轧件首先 量现场轧制力.图6为轧制过程工作电流变化曲 和轧辊接触.随着轧辊的咬入，轧件进入轧制段， 线，可以看出在轧制初期随着钢管的咬入，电流急剧 在轧辊的喉颈部位受到导盘作用，此时轧管在轧 增大；轧制进入稳定阶段，电流波动不大，保持稳定 辊、芯棒及导盘的共同作用下壁厚减薄，在径向 状态；随着钢管的末端进入变形区，工作电流逐渐减 上受到压缩应力，轧机组孔型开口部分的材料则 小.工作电流的变化与模拟所得的轧制力变化规律 受到拉应力作用而延伸.从图中可以看出在轧制 是一致的 中的轧件处于较强的二向压应力状态、一向拉应 力状态.轧件通过孔喉后，由于轧件的塑性变形 4000 降低，应力略有减小，最大等效应力也出现在轧 管与芯棒、轧辊及导盘均接触的塑性变形区，其 3000 值为231.8MPa. 2000 3.4等效应变云图分析 轧制过程中的等效应变分布见图8.轧制时 1000 轧管与轧件最先接触，轧管左右发生压扁变形， 而后与导盘接触.在轧制时，钢管边旋转边前进， 0000 0002 00-04 00-06 00.08 时间s 金属受到多次压下变形.上下导盘对变形金属的 图6轧制过程工作电流变化图 横向限制，使钢管截面保持一定的椭圆形状，芯 Fig.6 Change of working current in the rolling process 棒对轧件具有正压力作用，配合轧辊对金属产生
增刊 1 宋仁伯等: Accu--Roll 轧管机热轧奥氏体无缝钢管的数值模拟与工艺参数优化 中钢管所受的轧制力． 随着轧件的继续咬入，观察 单元远离轧辊，所受的轧制力减小并趋于一定值． 其中，最大轧制力出现在轧管与芯棒、轧辊、导盘均 接触的塑性变形区，其值为 403. 4 MPa． 研究各单元 的最大轧制力可知，在达到稳定轧制后钢管所受轧 制力变化不大，在接近末端时轧制力逐渐减小． 图 4 典型单元位置 Fig． 4 Position of the typical element 图 5 典型单元轧制过程轧制力变化图 Fig． 5 Changes of rolling force of the typical element in the rolling process 图 6 轧制过程工作电流变化图 Fig． 6 Change of working current in the rolling process 现场的轧制力因为波动难以准确测量，由于电 机工作电流的变化规律与轧制力的变化规律是相同 的，故现场一般采取测量电机的工作电流来取代测 量现场轧制力． 图 6 为轧制过程工作电流变化曲 线，可以看出在轧制初期随着钢管的咬入，电流急剧 增大; 轧制进入稳定阶段，电流波动不大，保持稳定 状态; 随着钢管的末端进入变形区，工作电流逐渐减 小． 工作电流的变化与模拟所得的轧制力变化规律 是一致的． 3. 3 等效应力云图分析 钢管沿轧制方向的 Von-Mises 等效应力如图 7 所示． 在轧件变形区 域，开始咬入时轧件首先 和轧辊接触． 随着轧辊的咬入，轧件进入轧制段， 在轧辊的喉颈部位受到导盘作用，此时轧管在轧 辊、芯棒及导盘的共同作用下壁厚减薄，在径向 上受到压缩应力，轧机组孔型开口部分的材料则 受到拉应力作用而延伸． 从图中可以看出在轧制 中的轧件处于较强的二向压应力状态、一向拉应 力状态． 轧件通过孔喉后，由于轧件的塑性变形 降低，应力略有减小，最大等效应力也出现在轧 管与芯棒、轧辊及导盘均接触的塑性变形区，其 值为 231. 8 MPa． 3. 4 等效应变云图分析 轧制过程中的等效应变分布见图 8． 轧制时 轧管与轧件最先接触，轧管左右发生压扁变形， 而后与导盘接触． 在轧制时，钢管边旋转边前进， 金属受到多次压下变形． 上下导盘对变形金属的 横向限制，使钢管截面保持一定的椭圆形状，芯 棒对轧件具有正压力作用，配合轧辊对金属产生 ·63·
·64· 北京科技大学学报 第34卷 强制性径向变形.随着钢管进入孔喉，钢管进一 减径，平均直径减小，钢管出现延伸，壁厚也随之 步被压扁，轧辊孔型壁与钢管的接触表面不断增减小，这与参考文献1]中钢管的应变规律是一 加，至一定程度后在径向接触应力的作用下开始 致的. 图7钢管轧制过程中的等效应力分布云图（单位：P) Fig.7 Equivalent stress distribution in the rolling process (unit:Pa) fringe levels 8.891 图8钢管轧制过程中的等效应变分布图 Fig.8 Equivalent strain distribution in the rolling process 依据 4结论 本文利用有限元软件ANSYS/LSDYNA对 参考文献 Accu Roll斜轧无缝钢管的生产过程进行了模拟，得 [1]Lu YY,Wang L G,Huang Y.Upsetting-extruding process of 出如下结论： austenitic stainless steel flange with tubular billet.Forg Stamping Technol,2008,33(3):4 (1)轧管进入变形区后在横向方向上易呈现双 (卢曰杨，王雷刚，黄瑶.奥氏体不锈钢管坯辙挤法兰工艺 鼓形，在实际生产中可以通过减小碾轧角或者调整 锻压技术，2008,33(3)：4) 轧辊距离来矫正. 2] Ruan L.Discussion on gripping conditions for Accu-Roll pipe (2)利用有限元数值模拟，得出最大轧制力出 mill.Steel Pipe,1997,26(3)7 (阮林.Accu R轧管机咬入条件的探讨.钢管，1997,26 现在轧管与芯棒、轧辊及导盘均接触的塑性变形区， (3):7) 其值为403.4MPa;最大等效应力也出现在轧管与 B]Liu H Q.Finite element simulation of rolling deformation process 芯棒、轧辊及导盘均接触的塑性变形区，其值为 of seamless tuhe.Die Mould Ind,2010,36(11):29 231.8MPa;同时利用等效应变云图得出了钢管轧制 (刘惠强.无缝钢管轧制变形过程有限元模拟模具工业， 时金属的流动特点. 2010,36(11):29) [4]Shang X J,Su J Y,Wang H F.ANSYS/LS-DYNA Dynamic Anal- (3)有限元数值模拟得到的轧制力变化规律与 ysis Method and Engineering Project.Beijing:China WaterPower 现场实测值变化规律基本一致，为Accu-Roll轧机参 Pes5,2008 数优化及轧制工艺的方案设计提供一定的理论 (尚晓江，苏建字，王化锋.ANSYS/LS-DYNA动力分析方法
北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 强制性径向变形． 随着钢管进入孔喉，钢管进一 步被压扁，轧辊孔型壁与钢管的接触表面不断增 加，至一定程度后在径向接触应力的作用下开始 减径，平均直径减小，钢管出现延伸，壁厚也随之 减小，这与参考文献［11］中钢管的应变规律是一 致的． 图 7 钢管轧制过程中的等效应力分布云图( 单位: Pa) Fig． 7 Equivalent stress distribution in the rolling process ( unit: Pa) 图 8 钢管轧制过程中的等效应变分布图 Fig． 8 Equivalent strain distribution in the rolling process 4 结论 本文利用有限元软件 ANSYS /LS-DYNA 对 Accu Roll斜轧无缝钢管的生产过程进行了模拟，得 出如下结论: ( 1) 轧管进入变形区后在横向方向上易呈现双 鼓形，在实际生产中可以通过减小碾轧角或者调整 轧辊距离来矫正． ( 2) 利用有限元数值模拟，得出最大轧制力出 现在轧管与芯棒、轧辊及导盘均接触的塑性变形区， 其值为 403. 4 MPa; 最大等效应力也出现在轧管与 芯棒、轧辊及导盘均接触的塑性变形区，其 值 为 231. 8 MPa; 同时利用等效应变云图得出了钢管轧制 时金属的流动特点． ( 3) 有限元数值模拟得到的轧制力变化规律与 现场实测值变化规律基本一致，为 Accu-Roll 轧机参 数优化及轧制工艺的方案设计提供一定的理论 依据． 参 考 文 献 ［1］ Lu Y Y，Wang L G，Huang Y． Upsetting-extruding process of austenitic stainless steel flange with tubular billet． Forg Stamping Technol，2008，33( 3) : 4 ( 卢曰杨，王雷刚，黄瑶． 奥氏体不锈钢管坯镦挤法兰工艺． 锻压技术，2008，33( 3) : 4) ［2］ Ruan L． Discussion on gripping conditions for Accu-Roll pipe mill． Steel Pipe，1997，26( 3) : 7 ( 阮林． Accu Roll 轧管机咬入条件的探讨． 钢管，1997，26 ( 3) : 7) ［3］ Liu H Q． Finite element simulation of rolling deformation process of seamless tube． Die Mould Ind，2010，36( 11) : 29 ( 刘惠强． 无缝钢管轧制变形过程有限元模拟． 模 具 工 业， 2010，36( 11) : 29) ［4］ Shang X J，Su J Y，Wang H F． ANSYS /LS-DYNA Dynamic Analysis Method and Engineering Project． Beijing: China WaterPower Press，2008 ( 尚晓江，苏建宇，王化锋． ANSYS /LS-DYNA 动力分析方法 ·64·