实心坯二辊斜轧过程三维热-力耦合分析

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2000.01.039 第22卷第1期 北京科技大学学报 Vol.22 No.1 2000年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2000 实心坯二辊斜轧过程三维热-力耦合分析 李胜祗”孙中建)李连诗2) 1)华东治金学院治金工程系，马鞍山2430022)北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要用MARC/Autoforge程序对二辊斜轧穿孔时圆管坯在穿孔准备区的轧制过程进行了 三维弹塑性热-力耦合分析，得到了应力、应变场温度分布，证实了物理模拟实验得到的变形强 度沿管坯断面的W形分布形态并详细分忻了W形分布的成因：澄清了孔腔形成理论上的一些 分歧并发现了新的应力分布形态；管坯中心存在着较大的正值静水压力. 关键词斜轧：应力应变：孔腔形成机制：温度场：数值模拟 分类号TG335.17 关于二辊斜轧实心圆坯时应变强度分布， 1.2圆坯尺寸、材质及单元划分 卢于述等"进行过研究，但上述研究都难以反 圆坯直径D,=178mm,材质为以C22,相当 映斜轧变形的复杂过程，例如，轧件螺旋前进的 于中国的20#钢.圆坯长度的取定，一方面应保 运动学特点，斜轧变形区的几何特征，导向工具 0.5La 的作用效果，更无法反映轧辊倾角（包括送进角 和辗轧角)的影响，故其结论尚不能代表圆坯斜 左导盘 轧的真实情况，将圆坯平板压缩、圆坯的横锻和 上辊 横轧实验结果应用到斜轧穿孔过程显然是不恰 当的，也影响了人们对中心孔腔形成本质的认 识. 下辊 本文采用MARC/Autoforge软件，在完全实 图1斜轧变形区构成示意图 际的参数条件下模拟圆坯二辊斜轧过程，以揭 Figl Sketch of deformation zone configuration for 示穿孔顶头前金属的真实应力与变形状态，深 rotary rolling 化对内撕裂形成机理的认识. 证轧件充满变形区并稍有赢余，另一方面要考 1数值模拟的模型与边界条件 虑缩短计算时间，这里取L=225mm,用1800个 六面体单元离散轧件，横断面上单元数为120 1.1孔型构成 个，长度方向单元数为15个.材料的热物理性 实心坯斜轧孔型由轧辊和导盘构成，如图 能（导热系数、热容、线膨胀系数）是随温度变化 1所示. 的，变形抗力是热力学参数（变形程度、变形速 变形工具的主要尺寸、转速及调整参数（取 度和变形温度)的函数，这些材料数据均由 自宝钢集团公司140连轧管机组狄舍尔穿孔机 MARC/Autoforge的材料库中读取. 实际参数)如下： 13初始条件和边界条件 轧辊（桶形）直径D=1m,入口锥角B,=2.5°， 轧辊和导盘均视作恒温刚性体，圆坯开轧 出口锥角B,=2.75°，转速n,=120rmin;导盘直径 温度为1250℃，边界条件如下： D=1.8m,转速na-26r/min,送进角a=12°，辗轧角 (1)位移边界条件.圆坯中心所有节点的位 p-0°；轧辊距离B.=154.6mm,导盘距离 移4.=山=0. Le=173 mm. (2)摩擦条件.变形工具与轧件接触面间遵 循库仑摩擦定律，轧辊与轧件间摩擦因数 1999-04-09收稿李胜祗男，44岁，副教授，博上

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 实 心 坯 二 辊斜 轧 过 程 三 维 热一 力藕 合分 析 李胜抵 ” 孙 中建 ” 李连诗 ” 华 东冶 金学 院 冶 金工程 系 ， 马鞍 山 北 京科技大 学材 料科学 与工 程学 院 ， 北 京 摘 要 用 程序对 二 辊斜轧 穿孔 时 圆管坯在 穿孔 准备 区 的轧制 过程进行 了 三维 弹 塑性 热一 力祸合 分析 ， 得到 了应 力 、 应变场温度分布 ， 证 实了物 理模拟 实验得 到 的变形 强 度沿 管坯 断面 的 形 分布 形态并详细 分 忻 了 形 分 布 的成 因 澄清 了孔 腔形 成 理 论 上 的一些 分歧 并 发现 了新 的应 力 分布形态 管坯 中心 存 在着较大 的正 值静 水压 力 关键 词 斜 轧 应 力应 变 孔 腔 形 成机制 温度场 数值模拟 分 类 号 关 于 二 辊 斜 轧 实心 圆坯 时应 变 强 度 分 布 ， 卢 于 述等 「，一 进 行 过 研 究 ， 但 述研 究都难 以反 映斜 轧变形 的 复 杂 过程 例 如 ， 轧件螺 旋 前进 的 运动 学特 点 ， 斜轧变形 区 的几 何特征 ， 导 向工 具 的作 用 效果 ， 更无法 反 映轧辊倾角 包 括送进角 和 辗轧 角 的影 响 ， 故其 结 论 尚不 能 代 表 圆坯斜 轧 的真 实情 况 将 圆坯 平 板 压缩 、 圆坯 的横锻和 横轧 实验 结 果 应用 到斜轧 穿孔 过程显 然 是 不恰 当 的 ， 也 影 响 了人们 对 中心 孔 腔形 成 本 质 的认 识 ， 本文 采用 软 件 ， 在 完 全 实 际 的参数 条件 下 模拟 圆 坯 二 辊斜 轧 过程 ， 以揭 示 穿孔顶 头 前 金 属 的真 实应 力 与 变形 状态 ， 深 化 对 内撕 裂 形 成 机理 的认识 圆 坯 尺 寸 、 材 质及 单 元 划 分 圆坯 直 径 ， 材质 为 以 ， 相 当 于 中 国 的 钢 圆坯 长 度 的取 定 ， 一 方面 应 保 五 。 、 今 上 辊 阅口 一 一 一 刃 口 下 辊 心一一 一 数值模 拟 的模型 与边 界 条件 孔 型构 成 实 心 坯 斜 轧 孔 型 由轧 辊和 导 盘 构 成 ， 如 图 所 示 变形 工 具的 主 要 尺 寸 、 转速及调 整参数 取 自宝 钢 集 团 公 司 连轧 管机组 狄 舍 尔 穿孔机 实 际 参 数 如 下 轧 辊 桶 形 直 径 一 ， 入 口 锥角声 。 ， 出 口 锥 角从 。 ， 转速 导 盘直径 ， 转速 八 ， 送进角 ， 辗轧 角 势 轧 辊 距 离 行 ， 导 盘 距 离 。行 一 一 收稿 李胜 抵 男 ， 岁 ， 副 教授 ， 博 士 图 斜轧 变形 区构 成 示 意 图 证 轧件 充满 变形 区 并稍 有 赢余 ， 另一 方面 要考 虑 缩 短 计算 时 间 ， 这里 取瓜二 ， 用 个 六 面 体单 元 离 散 轧 件 ， 横 断 面 上 单元 数 为 个 ， 长 度 方 向单元数 为 个 材料 的热物 理 性 能 导热 系数 、 热 容 、 线膨胀 系数 是 随温度变化 的 ， 变形 抗 力 是 热 力 学 参 数 变 形 程 度 、 变 形 速 度 和 变 形 温 度 的 函 数 ， 这 些 材 料 数 据 均 由 的材料 库 中读 取 初 始 条件 和 边 界 条件 轧 辊和 导 盘 均 视作 恒温 刚 性 体 ， 圆坯 开 轧 温度 为 ℃ ， 边 界 条件 如 下 位移 边 界 条 件 圆坯 中心 所有 节 点 的位 移 一 铸 摩擦条件 变形 工 具 与 轧件 接触 面 间遵 循 库 仑 摩 擦 定 律 ， 轧 辊 与 轧 件 间 摩 擦 因 数 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2000．01．039

Vol.22 No.1 李胜祗等：实心坯二辊斜轧过程三维热一力耦合分析 ·53· =0.4,导盘与轧件间摩擦因数f0.3 布，显然在靠近轧件与轧辊接触面处，为横向 (3)传热边界条件，求解这类问题的有关理 压应力，而在圆坯中心区域为横向拉应力，中心 论描述详见文献[4]，求解本问题的边界条件见 处a,最大，这与文献[2]的结果是一致的. 文献[5].轧制时轧件的自由表面存在热传导、对 图3为管坯中心线上的应力分布.节点801 流和热辐射三类热边界条件，对热辐射和对流 在轧件的前端自由表面上.由图看出，圆坯斜轧 换热情况，边界条件可统一表示为： 时，中心的横向拉应力是很大的，并且，在穿孔 q=H(T-T) (1) 准备区内有一个逐渐增大的过程，从801到814 式中：q一热流密度：H一等效导热系数，H=h+h: 节点的σ值也是最大的.沿节点路径803一816， h一对流换热系数，这里取h=0.02kWm2.℃)：h 轴向应力，20，即呈现为拉应力，数值上小于横 一辐射换热系数，由下式计算： 向应力.中心线上除812—814节点以外，其余 h,=Ea(T+T.)(T+T) (2) 各节点上的ā（轧辊作用方向的应力）基本上呈 E一黑度，这里取E-0.6:一波尔兹曼常数：T, 现为压应力.但应注意到，也存在局部拉应力 T。一分别为轧件表面和环境热力学温度. (尽管其数值很小)，这是一个新发现.这种拉应 接触热传导可描述为： 力存在于变形区与外端交界处附近，是由于不 qe=h(T-T) (3) 均匀变形引起的附加应力，完全不同于斯米尔 式中：h一接触导热系数，这里取h= 诺夫理论关于拉应力形成的“积累说”，因其并 20kW(m2.℃)：T,T,一分别为轧件表面和与之接 不是一个逐渐积累和增大的过程，随着变形向 触的变形工具表面热力学温度， 管坯中心的渗透，a很快就变为压应力. 接触面上的摩擦边界条件为： 图3中节点801和802的应力大小还表明， 9FF·△V (4) 靠近轧件前端自由表面，3个应力分量的数值 式中：F一接触面上摩擦力：△V接触面上相对 均有所降低，且轴向应力由拉应力转变为压应 滑动速度 70 模拟中忽略了圆坯端部与环境的传热.对 50 于变形热效应的影响，Wertheimer!认为对大多 数金属而言，变形功的90%转化为热量. 20 2模拟结果的讨论 6 20 在Pentium2O0双CPU微机上进行模拟，以 -40 下就模拟得到的结果进行分析讨论， 800 804 808 812 816 2.1应力和应变分布 节点序号 图2为数值模拟得到的在不同横截面（⑦） 图3沿圆坯中心线上应力分布 Fig.3 Distribution of normal stresses along the center 处，各正应力分量沿直径（与X轴方向一致）的分 line of the round (a)0.554 (b) 0.548 843013/g 第一力分量 841N1013e +第一应力分量 第二位力分量 一第二应力分 一+一第二应力分量 一第三拉力分量 -1.882 12 -1.492 X/mm Y/mm 图2正应力沿圆坯直径（与X轴方向一致）的分布 Fig.2 Distribution of normal stresses along the diameter (in the same direction as the coordinate axis X) (a)Z=-98mm(1-1925,2-741,3-757,4-773,5-789,6805,7821,8-837,9853,10-869,11885,12-1941)片 b)Z=128mm(1-1923,2-739,3-755,4-771,5-787,6-805,7-819,8835,9851,10-867,11-883,12-1939)

李胜 抵 等 实心 坯 二 辊 斜 轧 过程三 维热一 力祸合分 析 厂二 ， 导盘 与 轧 件 间摩 擦 因 数儿 ， 传 热 边 界条件 求 解 这类 问题 的有 关 理 论 描述详 见 文 献 〔 ， 求 解 本 问题 的边 界 条 件 见 文献〔 轧制 时轧件 的 自由表面 存在 热传 导 、 对 流 和 热 辐 射 三 类 热 边 界 条件 ， 对 热 辐 射和 对 流 换热 情 况 ， 边 界 条件 可 统 一 表 示 为 一 兀 式 中 一热流 密度 刀‘ 等 效导热 系数 周三 一对 流换 热 系 数 ， 这 里 取 ， · ℃ 一辐 射 换热 系数 ， 由下 式 计 算 石州 兀 产 此 吞一黑 度 ， 这里 取 百 波 尔 兹 曼 常 数 ， 兀一分 别 为 轧 件表 面和 环 境 热 力学 温度 接 触 热 传 导 可 描述 为 叮 。 。 一 不 式 中 一 接 触 导 热 系 数 ， 这 里 取 尸 · ℃ ，不一分 别 为 轧件 表 面 和 与之 接 触 的变 形 工 具表 面 热 力 学温 度 接触 面上 的摩 擦边 界条 件 为 产刀 · △ 式 中 双一接 触 面 上摩擦 力 △不仁 接触 面 上 相 对 滑 动 速度 模拟 中 忽 略 了 圆坯 端 部 与 环 境 的传 热 对 于 变形 热 效应 的影 响 ， 七 加 ’ 认 为对 大 多 数 金 属 而 言 ， 变 形 功 的 转 化 为 热 量 布 ， 显然 在靠近 轧 件 与 轧辊 接触面 处 氏为横 向 压 应力 ， 而 在 圆坯 中心 区 域 为横 向拉应 力 ， 中心 处 氏最 大 ， 这 与文 献 的 结 果 是 一 致 的 图 为管坯 中心 线上 的应 力分 布 、 节 点 在 轧 件 的前端 自由表 面 上 由 图看 出 ， 圆坯斜 轧 时 ， 中心 的横 向拉应 力 是 很 大 的 ， 并 且 味在 穿孔 准 备 区 内有一 个逐渐增 大 的过程 ， 从 到 节 点 的 值 也 是 最 大 的 沿 节 点 路径 一 ， 轴 向应 力氏全 ， 即 呈 现 为拉应 力 ， 数 值上 小于 横 向应 力 中心 线 上 除 一 节 点 以外 ， 其 余 各 节 点 上 的 轧 辊 作用 方 向的应 力 基本 上 呈 现 为压 应 力 但应注 意到 ， 也 存 在局 部 拉 应 力 尽管其 数值很 小 ， 这是 一 个新 发现 这种 拉应 力 存 在 于 变形 区 与外 端 交界 处 附近 ， 是 由于 不 均匀变 形 引起 的 附加 应 力 ， 完全 不 同于 斯 米 尔 诺 夫理 论 关于 拉 应 力 形 成 的 “ 积 累 说 ” ， 因 其 并 不 是 一 个逐渐积 累 和 增 大 的过程 ， 随着变形 向 管坯 中心 的渗透 ， 很 快 就 变 为压 应 力 图 中节 点 和 的应 力大 小还 表 明 ， 靠 近 轧 件前端 自由表 面 ， 个应 力 分量 的数值 均有所 降低 ， 且 轴 向应 力 由拉 应 力 转 变 为压应 模拟 结 果 的 讨 论 在 双 微 机 上 进行 模拟 ， 以 下 就模拟得 到 的结 果 进行 分 析 讨 论 应 力和 应 变 分 布 图 为 数 值 模 拟 得 到 的 在 不 同 横 截 面 闭 处 ， 各 正 应 力 分 量沿直 径 与万轴 方 向一 致 的分 馨 石 一 二一 二一 二一、 一 一 二 一 徽认 户一卜众 、 一 ’ 长 召 丫护 一 丫一 一 图 节 点序 号 沿 圆 坯 中心 线上 应 力 分布 印 芍一 ‘ ’限 片 二 二止吁幼 林 尸 ，又尸 洲么 刀叼 全尸 洲火 。 盯 昭 习 刁 曰叮 一 量 量 … 嚼气 团 备 一 “ ’ ‘ 一 叮 囚 两 曰 曰月 冈 丫 冲 一 习甲 汀州 日 尸 甲 一「犷 洲丹队 叨尸 ，乡 …犷 又 洲卿团 刚 匕 丫 两田 网曰厂 回明 了尸 一 ， 第一应 力乡噜 寸 一 十 卜斗 策 一 应 为 今 用 厂 第三应 力 卜量 四 困厂 一 曰 ￡遥胃仑 愁仑﹄乙胃。 一 一 图 正应 力沿 圆坯直径 与 价油方 向一 致 的分 布 妊 、 七一 一 ， 一 户一 声一 弄一 弄一 ，，一 多一 名 ，，一名 ， 一习 ， 一名 ， 一 一 ， 一 户一 ， 一一 声一 ， 一一 ， 一名 井一 ，，一 ， 仆一 ， 一 ， 一

54 北京科技大学学报 2000年第1期 力，但其数值很小 (a) a/MPa 图4所示为中心线上805节点各应力分量 变化历史，由图中可以看出，轧辊作用方向的应 月73-001 力σ：从零逐渐增大为拉应力，随后又逐渐降低 并转变为压应力，数值上虽有波动，但总体上是 增大的.横向应力o,由零随增量步逐渐增大，并 一直表现为拉应力.轴向应力σ同样表现为拉 应力，但其数值远小于σ， 13.00 7.552 (b) 91350 341 8-1200 7-1060 6-0904 5-0758 4-020 3-04658 -4.146 0 26 2-0303 增量 1-01552 0-00002 图4轧件中心线上805节点各应力分量的变化 2345678 Fig.4 The variations of normal stresses with increment at 图5圆坯纵切面上等效应力a)和等效应变的分布(b) the node 805 Fig.5 Distribution of equivalent stress(a)and equivalent 从总体上看，轧件中心的应力状态为 plastic strain(b)on the longitudinal section of the tube (-,+,+). 首先是从轧件的外层开始的，具有局部变形的 从轧件不同横截面上的静水压力分布和轧 特点，最大剪应力也出现在与轧辊接触区附近 件纵截面上的静水压力分布实测结果可知，轧 邻域内，故最大塑性变形理应出现在接触表层， 件中心线附近区域的静水压力om0,局部区域 中心部分没有塑性变形；但随着压下量逐渐增 内的静水压力还较大，超过了19.24MPa,这不 大，变形逐渐向内部渗透，中心开始了塑性变 利于金属塑性变形，即容易使金属出现裂纹. 形，此刻，从轧件表层到中心，塑性变形呈递减 图5(a)为纵切面上等效应力分布，注意到 规律：随着轧制进程的继续，轧件中心也开始了 最大等效应力并非发生在轧件中心附近，更不 塑性变形的积累和发展.由于轧件的旋转，其中 是在接触表层，而是出现在离表面变形层一定 心始终处于反复剪切和拉-压作用之下，变形的 深度处，并呈环状分布. 积累为“持续积累”，而过渡层处于外力的间歇 图5(b)为轧件纵剖面上等效应变的分布情 作用之下（对二辊斜轧机而言，轧件每转半圈受 况.由图中可以看出，变形是不均匀的，沿变形 轧辊加工一次)，变形的积累为“间歇积累”，故 区长度方向的变形模式呈现为“W”型，即表层 中心部分的塑性变形的积累速度高于过渡层， 变形大于中心区域，而中心区域的变形又大于 或中心部分塑性变形的积累量大于过渡层，造 过渡层，最大变形发生在轧件前端与轧辊接触 成变形强度沿断面直径的分布由U型逐渐显现 的邻近区域内，这与文献[1]的物理模拟研究结 为W型：随着变形的积累和发展，W型分布特 果是完全一致的. 征会变得更加明显 本文研究认为，变形强度沿圆坯断面的W 2.2温度分布 形分布不同于沿圆坯半径“两头大中间小”的分 开轧时，假定其温度分布是均匀的，开轧后 布，W形分布的特征是变形强度等值线贯穿圆 轧件的温度场则主要取决于轧件表面与周围环 坯纵截面，其形成的根本原因是圆坯在轧制过 境的热交换、接触表面的摩擦生热以及金属变 程中的螺旋运动，因而是斜轧方式所特有的. 形的热效应.图6为轧件纵截面上温度分布情 斜轧过程中轧辊与管坯接触时，塑性变形 况.可以看出，在已产生塑性变形的区域内，温

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 力 ， 但其数值很 小 图 所 示 为 中心 线 上 节 点各应 力 分量 变化 历 史 由 图 中可 以看 出 ， 轧辊作用 方 向的应 力氏从 零 逐渐增 大 为拉 应 力 ， 随后 又 逐渐 降低 并 转变为压应力 ， 数值上 虽 有 波动 ， 但 总 体上 是 增 大 的 横 向应 力氏 由零 随增 量步逐渐增大 ， 并 一 直表现 为 拉应 力 轴 向应 力氏 同样 表现 为拉 应 力 ， 但其 数值远 小 于 氏 云 洛八陀四勺 ‘ 少 、 、刘夕、 令 笠权 ， 叨 尸 倒 》卜了 令 井入气 了 阿冈 臼 下 呀 ， 匹 ’ 气瓜环降户份 ， 阅 了巨同理 ， 压 湘 从 益 尸 、 门 尸，尸 阿尸阮冈卜 刁 ’ 褚 － 氏 一 忘 离 ‘ 勺 ” 户 一 气三既 住 坟二之 ， 一 洲田 一 田印 一 』叫 芝一目、 一 刀胎 一 口的 一 妇 海阳 一 别的 增量 图 轧 件 中心 线上 节点 各应 力分 量 的 变 化 从 总 体 上 看 ， 轧 件 中 心 的 应 力 状 态 为 一 ， ， 从轧件不 同横 截面 上 的静水压 力分 布和 轧 件 纵 截面 上 的静 水压 力 分 布 实测 结 果 可 知 ， 轧 件 中心 线 附近 区 域 的静 水 压 力 ， 局 部 区 域 内的静水压 力 还较 大 ， 超过 了 ， 这 不 利 于 金 属 塑性变形 ， 即 容 易使金属 出现裂纹 图 为 纵 切 面 上 等效应 力云分 布 ， 注 意 到 最 大 等效 应 力 并非 发 生 在轧 件 中心 附近 ， 更 不 是在 接触 表层 ， 而 是 出现在 离表面变 形 层 一 定 深度 处 ， 并 呈 环 状 分布 图 为 轧件纵剖面上等效应变万的分布情 况 由 图 中可 以看 出 ， 变形 是 不 均 匀 的 ， 沿 变形 区 长 度 方 向 的变 形 模式 呈 现 为 “ ” 型 ， 即表 层 变形 大 于 中心 区 域 ， 而 中心 区 域 的变 形 又 大 于 过 渡层 ， 最 大 变 形 发 生 在轧 件前端 与 轧 辊接触 的邻近 区 域 内 ， 这 与文 献 【 的物理 模拟 研 究结 果 是 完全 一 致 的 本 文 研 究认 为 ， 变 形 强 度沿 圆坯 断面 的 形 分布不 同于 沿 圆坯 半径 “ 两 头大 中间小 ” 的分 布〔 ， 形 分布 的特 征 是 变形 强 度 等值线 贯 穿 圆 坯 纵截面 ， 其形 成 的根本 原 因 是 圆坯在 轧制过 程 中 的螺 旋运 动 ， 因而 是斜 轧 方式所特 有 的 斜 轧过程 中轧辊 与管坯 接触 时 ， 塑 性 变形 一 一 以 斗 。 。 沙 图 圆坯纵切 面 上等效应 力武 和 等效应 变万的分布 首 先 是 从 轧件 的外层 开 始 的 ， 具有 局 部 变形 的 特 点 ， 最 大剪 应 力 也 出现在 与 轧 辊 接触 区 附近 邻域 内 ， 故 最大塑性变形 理应 出现在接触表层 ， 中心 部 分 没有 塑 性变形 但 随着压 下 量逐渐增 大 ， 变形 逐渐 向内部渗透 ， 中心 开 始 了塑 性 变 形 ， 此刻 ， 从 轧件表 层 到 中心 ， 塑 性变形 呈 递 减 规律 随着轧制进程 的继续 ， 轧件 中心 也 开 始 了 塑性变形 的积 累 和 发展 由于 轧件 的旋转 ， 其 中 心 始 终 处 于 反 复剪切 和 拉一压 作用之下 ， 变形 的 积 累 为 “ 持续积 累 ” ， 而 过渡 层 处 于 外 力 的 间歇 作用之 下 对 二辊斜轧机而 言 ， 轧件每转半 圈受 轧辊 加工 一 次 ， 变形 的积 累 为 “ 间歇积 累 ” ， 故 中心 部 分 的塑 性 变 形 的积 累 速度 高于 过渡 层 ， 或 中心 部 分 塑 性变形 的积 累 量 大 于 过渡层 ， 造 成 变形 强 度 沿 断面 直径 的分布 由 型 逐渐 显 现 为 型 随着变形 的积 累和 发展 ， 型分 布特 征 会变得更 加 明显 温 度 分 布 开 轧 时 ， 假 定其温度分布 是 均 匀 的 ， 开 轧后 轧件 的温度场 则主要 取 决于 轧件表面 与周 围环 境 的热 交换 、 接触表面 的摩擦 生 热 以及金属 变 形 的热 效应 图 为轧件 纵截面上 温度分布情 况 可 以看 出 ， 在 己 产 生 塑性变 形 的区域 内 ， 温

Vol.22 No.1 李胜祗等：实心坯二辊斜轧过程三维热-力耦合分析 55· 轧件中心线上的轴向应力，为附加应力，基本 上为拉应力，但随着变形的渗透，在轧件前端的 邻近区域内会出现数值很小的轴向压应力.圆 坯中心存在较大的正静水压力，易诱发裂纹. (2)轧件中心局部区域内，在轧辊作用方向 存在数值不大的拉应力，这不同于圆坯斜轧时 孔腔形成的拉应力理论所认为的积累拉应力， (3)由于轧件的螺旋运动和变形的不均匀 性，圆坯二辊斜轧时变形强度沿圆坯纵剖面的 33 22 分布为W型，在不同送进角条件下，其它参数 图6轧件纵截面上温度分布（℃） 不变时，变形强度分布具有同样的形态，这与以 Fig.6 Contour of temperature on the longitudinal section 往的物理模拟研究结果是一致的 of the tube round.t/℃：2-1248：3-1250；4-1253； (4)MARC/Autoforge软件包适合于分析圆坯 5-1253:6-1255:7-1257:8-1258 斜轧的温度场，据此并结合最佳穿孔温度可以 度分布也呈现为“W”型，与等效应变的分布模 确定管坯加热温度. 式类似，这说明塑性变形的热效应起主导作用， 参考文献 而在未发生塑性变形的区段上，仅在表层（不超 过一个单元的厚度)内温度降低了，这说明轧件 】卢于逑，王先进.二辊斜轧穿孔时圆坯断面的变形分 布和发展.金属学报，1980,16(12)：470 表面向周围环境散热起主导作用，从总体上看， 2加藤健三.金属塑性加工学，东京：丸善株式会社， 轧件内的温度变化是不大的，温度范围为 1971 1245~1260℃，原因是穿孔准备区很短，轧制时 3张作梅，黎俊结.横锻及横轧时金属的变形与断裂的 间(0.13s)也很短. 研究.金属学报，1964,7(1)：43 4 WertheimerT B.Thermal Mechanically Coupled Analy- 3结论 sis in Metal Forming Process.Swansea Pineridge Pre- ss Ltd,1982 (1)圆坯斜轧时，中心确实存在很大的拉应 5张鹏，鹿守礼，高永生，等.椭圆孔型中热轧过程温度 力σ，随着变形的深透，横向拉应力继续增大， 场的三维热力耦合有限元模拟.钢铁，1997,32(7)：39 3-D Coupled Thermo-mechanical Analysis of the Tube Round during Two-Roll Rotary Rolling Process LI Shengzhi,SUN Zhongjian,LI Liansh) 1)East China Institute of Metallurgy,Maanshan 243002,China 2)Material Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT With the aid of FE code MARC/Autoforge,a thermo-mechanical analysis of the tube round during two-roll rotary rolling process was studied.From the simulation,the field of strain and stress and the distribution of temperature are respectively obtained.The W-shaped distribution pattern of deformation on the longitudinal section of the round,which was obtained from physical simulation experiments,is further veri- fied and the reason causing the W-shape is discussed in detail.Some divergences of views in the mechanism of center-crack forming are clarified,and a new distribution feature is discovered.The hydrostatic pressure in the center of the round is of positive larger value. KEY WORDS rotary rolling;strain and stress;temperature distribution:3-D coupled thermo-mech- anical FE simulation

从 李胜抵等 实心 坯二 辊斜 轧过程 三 维热一 力祸合分析 干干 二岁檐攀鑫鬃霎 多赶无引 图 轧 件 纵截 面 上 温度 分 布 ℃ · ℃ 一 一 沙一 导一 吞一 ，一 沼一 度分布 也 呈 现 为 “ ” 型 ， 与等 效应变 的分布 模 式类似 ， 这 说 明塑 性变形 的热 效应起主 导作 用 ， 而在 未发 生 塑 性变形 的区 段上 ， 仅 在 表层 不 超 过一 个单元 的厚度 内温度 降低 了 ， 这说 明轧件 表面 向周 围环境散热起主 导作用 从 总体上 看 ， 轧 件 内 的 温 度 变 化 是 不 大 的 ， 温 度 范 围 为 一 ℃ ， 原 因 是 穿孔 准 备 区 很短 ， 轧 制 时 间 也 很 短 轧 件 中心 线上 的轴 向应 力氏 为 附加 应 力 ， 基本 上 为拉应 力 ， 但 随着变形 的渗透 ， 在轧 件前端 的 邻 近 区 域 内会 出现数 值很 小 的轴 向压 应 力 圆 坯 中心 存 在 较大 的正 静水压 力 ， 易诱发裂 纹 轧 件 中心 局 部 区 域 内 ， 在 轧 辊 作用 方 向 存在 数 值不 大 的拉应 力 ， 这 不 同于 圆坯斜轧 时 孔 腔 形 成 的 拉 应 力理 论 所 认 为 的积 累 拉 应 力 ， 由于 轧 件 的螺 旋运 动 和 变 形 的 不 均 匀 性 ， 圆坯 二 辊斜 轧 时变 形 强度 沿 圆坯 纵 剖面 的 分 布 为 型 在 不 同送进 角条 件 下 ， 其它 参 数 不变 时 ， 变形 强 度 分布 具 有 同样 的形态 ， 这 与 以 往 的物理 模拟研 究结 果 是 一致 的 软件包适合于分析 圆坯 斜 轧 的温度场 ， 据 此 并 结 合最 佳 穿孔温度可 以 确 定 管坯 加热温度 结论 圆坯 斜 轧 时 ， 中心 确 实存 在很大 的拉应 力几 ， 随着 变形 的深透 ， 横 向拉 应 力继续增 大 参 考 文 献 卢于述 ， 王先进 二 辊斜轧 穿孔 时 圆坯 断面 的变形 分 布和 发展 金属 学报 ， ， 加藤 健三 金属 塑性加工 学 东京 丸善株式会社 ， 张 作梅 ， 黎俊 结 横 锻及横 轧 时金属 的变形 与 断裂 的 研究 金属 学报 ， ， 亡 ， 张鹏 ， 鹿 守礼 ， 高永生 ， 等 椭 圆孔 型 中热 轧过程 温度 场 的三 维 热 力祸合有 限元模 拟 钢 铁 ， ， 一 一 ， 一 儿 萝 ，’ ， ” 乡 ，，， ， 、 ， ， ， ， 一 ， 一 一 加 ， 一 ， 场 ， 一 一 ， 场 一 一