三辊楔横轧应力应变场对内部缺陷的影响

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2006.05.033 第28卷第5期 北京科技大学学报 Vol.28 No.5 2006年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 2006 三辊楔横轧应力应变场对内部缺陷的影响 杨翠苹张康生刘晋平胡正寰 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要采用有限元数值模拟方法，比较分析了三辊楔横轧与两辊楔横轧轧件内部缺陷的产生几 率和存在形式.根据轧件内部的应力应变状态，阐述了三辊轧制轧件中心点缺陷产生可能性较小 和断裂呈环向裂纹的原因.分析表明，三锟楔横轧轧制工艺在轧件心部成形质量上具有明显的优 势. 关键词楔横轧；内部缺陷；有限元：应力；应变 分类号TG335.19 轧件的内部疏松和空腔是限制楔横轧稳定轧 1 三辊楔横轧有限元模型的建立及 制的常见缺陷，其在轧件中的产生位置通常取决 于轧制方法：在两辊和平板轧制中疏松产生在轴 模拟参数 心，呈轴向裂纹：在三辊轧制中偏离中心，呈环向 为了便于有限元数值模型的建立，减少计算 裂纹；不论哪种裂纹形式对生产来说都是不利的， 时间和硬盘空间，同时又保证计算的真实与精度， 深入了解楔横轧疏松缺陷产生的原因有助于合理 在建立模型时作如下简化与假设：将轧辊与模具 安排工艺参数，得到高质量的产品山.苏联学者 视为刚体；轧件在轧制时温度恒定；模具与轧件间 斯米尔诺夫较早研究了横轧轧件中这些缺陷的产 的摩擦为库仑摩擦，摩擦系数为常数；考虑到轧件 生原因，他认为孔腔是由轧件心部存在三向拉应 和模具的左右对称性，取其一半为研究对象，图1 力引起的2].日本的团野敦和粟野泰吉进一步发 显示了三辊楔横轧的有限元模型.模拟参数如表 现孔腔的大小随着工件旋转而增加，并认为孔腔 1所示 是由轧件中心区的交变拉应力和剪应变所导致 的3]，叶山益次郎用滑移线理论获得轧件拉应力 和直径减缩率之间的关系〔，这些都是对两辊楔 横轧轧件心部破坏的研究.三辊楔横轧应用的普 遍性不如两辊楔横轧，而且轧件内部出现破坏的 可能性也小，因而对于三辊楔横轧轧件的破坏问 题目前研究较少，只是曾经有人用钢和蜡泥塑料 的轧制实验定性地对三辊楔横轧的内部破坏问题 轧件 作过一些探讨[5).有限元模拟方法为了解轧件内 部状况提供了有力手段，两辊楔横轧的分析已经 在文献[6]中作了详细阐述.本文采用ANSYS/ 图」三辊糗横轧有限元模型 LS-DYNA软件，通过对三辊楔横轧单台阶一般 Fig.1 FEM model of three-roll cross wedge rolling 轧制过程的数值模拟，与两辊楔横轧轧件的内部 表」横拟参数 应力应变比较分析，研究了三辊楔横轧轧件的疏 Table 1 Simulating parameters 松问题 轧辊直径，轧件直径，成形角，展宽角，断面收缩 轧制方法 D/mmd/mma/()/(')事./% 收稿日期：200503-22修回日期：2005-10-18 三根楔横轧 160 40 20 12 15 基金项目：国家自然科学基金重点资助项目(No.50435010) 作者简介：杨翠苹(1974一)，助理研究员，硕士 两辊楔横轧6(00 20 10 15

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 堆 。 。 三辊楔横轧应力应变场对内部缺陷的影响 杨翠苹 张 康生 刘晋平 胡正 裹 北京科技大学机械工 程学院 ， 北 京 摘 要 采用有限元数值模拟 方法 ， 比较分析 了三辊楔横轧与两辊楔横轧轧件内部缺 陷的产生几 率和 存在形式 根据轧件内部的应力应变状态 ， 阐述 了三 辊 轧制轧件中心 点缺 陷产 生可能性 较 小 和断裂呈环 向裂纹的原因 分析表明 ， 三辊楔横轧轧制工 艺在轧件心 部成形质量上 具 有 明显 的优 势 关锐词 楔横轧 内部缺 陷 有限元 应力 应变 分类号 轧件的 内部疏 松和空腔是限制楔横轧稳定轧 制的常 见缺陷 ， 其 在轧件 中的产 生 位置 通 常取 决 于轧制方法 在 两 辊 和 平板 轧制 中疏 松 产 生 在轴 心 ， 呈轴 向裂纹 在三 辊 轧制 中偏 离中心 ， 呈 环 向 裂纹 不论 哪种裂纹形式对生产来说都是 不利的 深入 了解楔 横轧疏 松缺陷产生 的原 因有助于 合理 安排工 艺参数 ， 得 到 高质量 的产 品川 苏联 学 者 斯米尔诺夫较早研 究 了横轧轧件中这些 缺 陷的产 生原 因 ， 他认为孔 腔 是 由轧件心 部存在三 向拉应 力引起的 日本的团野敦和 粟野 泰吉进 一 步发 现孔腔的大小随 着工 件旋转 而 增 加 ， 并 认 为孔腔 是 由轧件 中心 区 的 交 变 拉 应 力 和 剪应 变 所 导 致 的 叶 山益次郎用滑 移线理 论 获得 轧件拉应 力 和直径减缩率之 间的关 系 〕 ， 这 些 都是 对 两 辊 楔 横轧轧件心部破坏的研 究 三 辊楔 横轧应 用的普 遍性 不如两辊 楔 横轧 ， 而 且 轧件 内部 出现 破坏的 可能性也小 ， 因而 对 于 三 辊楔 横 轧 轧 件的破坏 问 题 目前研究较 少 ， 只 是 曾经 有 人 用钢和 蜡泥 塑 料 的轧制实验定性地对三辊楔横轧的 内部破坏 问题 作过 一些探讨〔 〕 有限元模拟方法 为了解轧件 内 部状况 提供 了有力手 段 ， 两 辊楔 横轧 的分析 已经 在文献 【 中作 了详 细 阐述 本文 采用 一 软件 ， 通 过 对 三 辊 楔 横轧单 台阶一 般 轧制过 程 的数值模拟 ， 与两 辊 楔 横轧轧 件的 内部 应力应变 比较 分析 ， 研 究 了三 辊 楔 横轧 轧 件 的疏 松问题 收稿 期 习 一 修回 期 一 一 基全项 目 国家 自然科学 基金重点资助项 目 作者简介 杨翠苹 一 ， 助理 研究 员 ， 硕 士 三辊楔横轧有限元模型的建立 及 模拟参数 为了便于 有 限 元 数值模型 的建立 ， 减少 计算 时间和硬盘空 间 ， 同时又 保证计算的真实与精度 ， 在建立模型时作如 下简化与假设 将轧辊 与模具 视 为刚体 轧件在轧制时温 度恒定 模具 与轧件间 的摩擦 为库仑摩擦 ， 摩擦 系数为常数 考虑到 轧件 和模具 的左 右对称性 ， 取其一 半为研究对象 ， 图 显示 了三辊楔 横轧的有限 元模型 模拟 参数如表 所示 图 三辊樱横轧有限元模型 翻日 朋 曰 ，川叱 丧 模拟 数 雌 四， 轧制方法 轧辊直径 ， 轧件直径 ， 成形角 ， 展宽角 断面收缩 。 ’ 夕 ’ 率 ， 必 三辊楔横轧 两辊楔横轧 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2006．05．033

Vol.28 No.5 杨翠苹等：三辊楔横轧应力应变场对内部缺陷的影响 ·465· 为了便于比较分析，三辊楔横轧与两辊楔横 =e2-e3)在横向出现较大拉应变时达到最大，而 轧两种轧制方法采用相同的轧件直径、成形角和 后逐渐减小，直到变形结束还有明显的剪应变存 断面收缩率，受工艺条件的限制轧辊直径和展宽 在.该单元经历的变形时间较长，从开始变形直 角不同 到应变值达到稳定大约在0~1.25s之间.变形 2模拟结果分析 过程中(0~1.25s之间)，该单元的主应力以两拉 一压为特征，其中第一主应力是横向拉应力.较 2.1三辊与两辊楔横轧轧件心部的应力应变差 大的横向拉应力和同时存在的剪应变造成了对轧 异 件心部极其不利的状况.另外，由于第一主应力 取轧件对称中心截面上心部附近的0单元 和第三主应力的差异，造成沿轧件的横截面有很 (如图2所示)，两辊楔横轧得到的单元应力应变 大的剪应力tmax(xmax=(o1一3)/2)存在.这些 变化情况如图3所示，三辊楔横轧得到的单元应 都使轧件心部容易出现疏松甚至空腔 力应变变化情况如图4所示.在图3(a)中显示了 图4(a)是三辊楔横轧0单元的主应变变化 0单元的主应变，其中第一主应变方向基本沿轴 情况.显然，这种轧制方式显著改善了轧件心部 向，第二、二主应变则垂直于轴向，指向轧件的径 的应变状况，沿轴向的第一主应变最大值由 0.147增加到0.184，轴向应变的增加意味着轧件 轴向延伸变得容易；三个轧辊的同时作用也限制 了金属的横向自由流动，从而在轧件心部沿横截 面方向几乎没有出现拉应变，第二、三主应变是数 值相当的压应变，那么在两辊楔横轧轧件心部出 现的剪切变形在三辊楔横轧中几乎为零.该单元 经历的变形时间也明显减小，在0.3s内就达到了 稳定值.另外，轧件心部的应力状况也得到了改 善：首先，应力绝对值普遍降低，而且在主要变形 图2单元位置示意图 段(0一0.3s之间)以两压一拉的应力状态为主， Fig.2 Position of the selected elements 第一主应力沿轴向；其次，沿横截面的剪应力由于 向，从主应变的变化情况可以得到：在两辊楔横 第二、三主应力差异很小而数值较小.综上所述， 轧轧制过程中，轧件心部金属的变形条件较差，第 对造成轧件心部破坏至关重要的三个因素横向拉 一主应变较小，轴向延伸困难，在变形初期，甚至 应力，沿横截面的剪应变、剪应力都在三辊轧制中 出现径向的压缩变形大于轴向的延伸变形，从而 极大的减小，显著地改善了轧件的心部疏松条件. 导致多余的金属向横向流动，在轧件的横向出现 在0.3s之后的精整段虽然三向主应力都呈现了 了明显的拉应变；随着轧制过程的进行，轧件被旋 拉应力，却由于该阶段几乎没有剪切塑性变形而 转压缩，压应变积累增加，逐渐成为两压一拉的应 不会起到破坏作用 变状态.该单元沿横截面的剪切应变Ymx（Ymx 140 0.16 120 0.12 100 0.08 0.04 Bdwo' 8 0.04 0 0.08 -20 40 0.12 -60 0.5 1.01.5 2.0 轧制时间，内 乳制时间.s (a)应变 (b)应力 图3两辊楔横轧0单元应力应变变化曲线 Flg.3 Strain and stress curves of element 0 during two-roll cross wedge rolling

杨翠苹等 三辊楔横轧应力应变场对内部缺陷的影响 为了便于 比较分析 ， 三 辊 楔 横轧与两 辊楔 横 轧两种轧制方 法采用相 同的轧 件直径 、 成形 角和 断面收缩率 ， 受工 艺条件的限制轧辊 直径和 展 宽 角不 同 模拟结果分析 三辊与两辊 楔横轧 轧件 心部 的 应力应 变差 异 取轧件对 称 中心 截 面 上 心 部 附近 的 单元 如 图 所示 ， 两辊楔 横 轧得 到 的单元 应 力应 变 变化情况 如 图 所示 ， 三 辊 楔 横轧得到 的单元 应 力应变变 化情况 如 图 所示 在图 中显示 了 单元 的主 应 变 ， 其 中第一 主 应 变方 向基 本 沿轴 向 ， 第二 、 三 主 应 变 则垂 直 于 轴 向 ， 指 向轧 件的径 廿到七之主 月礴浦 曰 伟刁书于牙丫汁刊烤竹仃 月闷刊毕谧曲勒妞拜 图 单元位 示 图 洛 朋川 触 挑 袱 肠 向 从 主应 变 的变 化情况 可以 得到 在 两辊楔横 轧轧制过 程 中 ， 轧件心部金属 的变形条件较差 ， 第 一 主应 变较 小 ， 轴 向延伸困难 ， 在变形 初期 ， 甚 至 出现径 向的压 缩变形 大于 轴 向的延 伸变形 ， 从 而 导致 多余的金属 向横 向流 动 ， 在 轧件的横 向出现 了明显 的拉应变 随着轧制过 程 的进行 ， 轧件被旋 转压缩 ， 压应变积累增加 ， 逐渐成为两 压一拉的应 变状 态 该 单元 沿 横截面 的剪切 应 变 二 。 一 。 在横 向出现较大拉应 变时达 到 最 大 ， 而 后逐渐减小 ， 直到 变形 结束还 有 明显 的剪应 变 存 在 该单元 经 历 的变形 时 间较长 ， 从 开 始变形 直 到应 变值达到 稳定大约 在 一 之 间 变 形 过 程 中 一 之 间 ， 该单元 的 主应 力以 两 拉 一压 为特征 ， 其 中第一 主 应 力是 横向拉应 力 较 大 的横 向拉应 力和 同时存在的剪应变造成 了对轧 件心 部极 其不 利的状况 另外 ， 由于 第一 主 应 力 和第三 主应力 的差 异 ， 造成 沿 轧件的横截面 有很 大的剪应力 。 二 二 。 一 。 存 在 这 些 都使轧件心部容易出现疏松甚 至 空腔 图 是 三 辊 楔 横轧 单元 的 主 应 变变 化 情况 显 然 ， 这 种轧制方 式 显 著改善 了轧件心 部 的应 变 状 况 沿 轴 向 的 第 一 主 应 变 最 大 值 由 增 加到 ， 轴向应变的增 加意 味着轧件 轴向延伸变得 容 易 三 个轧辊 的 同时作 用也 限制 了金属 的横向 自由流 动 ， 从 而 在 轧 件心 部沿横截 面方 向几乎没有 出现拉应变 ， 第二 、 三 主应变是 数 值相当的压应 变 ， 那么 在 两 辊 楔横轧 轧 件心 部 出 现 的剪切变形在三辊楔 横轧 中几 乎为零 该单元 经 历的变形时间也 明显减小 ， 在 内就达到 了 稳 定值 另外 ， 轧件心 部 的应 力状况 也 得到 了改 善 首先 ， 应 力绝 对值普遍 降低 ， 而 且 在主要 变形 段 一 之 间 以 两 压 一 拉 的应 力状 态 为主 ， 第一 主应 力沿轴向 其次 ， 沿横截面的剪应力 由于 第二 、 三 主 应力差异很小而数值较 小 综上所述 ， 对造成轧件心部破坏 至关重要 的三 个因素横向拉 应力 ， 沿横截面 的剪应变 、 剪应 力都在三 辊轧制中 极大的减小 ， 显 著地改善 了轧件的心 部疏松条件 在 之后 的精整 段 虽然三 向主 应 力都呈 现 了 拉应 力 ， 却 由于 该 阶段 几 乎没 有剪切 塑性 变形 而 不会起到破坏作用 ﹁” 只侧芝 一 石 轧制 寸间 应变 轧制时间 应 力 一 一饥 一 ‘ 一 仇 一 ， 一 氏 、 圈 两辊棋横轧 。 单元应力应变变化 曲线 ， 代 “ 明

·466· 北京科技大半学报 2006年第5期 0.20m 0.15 0.10 E 0.05 40 - 0 -0.05 -0.10 00.2 0.4060.8.0121.4 00.20.40.60.81.01.21.4 轧制时间，s 轧制时间，s (a)应变 (b)应力 围4三辊複横轧0单元应力应变变化曲线 Fig.4 Strain and stress curves of element 0 dnring three-roll cross wedge rolling 2.2三辊楔横轧内部容易出现疏松的区域 0.18r 考察轧件对称中心截面上的一系列单元（如 0.16 0.14 14 图2所示的0,2,4,6,10,14单元)，其平均应力变 0.12 10 化曲线如图5.靠近轧件心部的0,2,4单元在整 0.10 个轧制过程中，平均应力一直保持为拉应力，尤其 0.08 0.06 在4单元附近，精整段平均应力值达到最大，而且 0.04 是三向拉应力的状态.而后沿半径方向向外，平 0.02 均应力值逐渐越小，并转变成越来越大具有波动 0.20.40.60.81.012.41.6 轧制时间，s 性的压应力.图6显示了各单元沿横截面最大剪 图6各单元最大剪应变变化曲线 应变的变化情况.在变形阶段剪应变出现峰值， Fig.6 Maximum shear strain curves of selected elements 在精整段则几乎保持不变的数值：沿半径方向越 远离轧件中心的单元，剪应变的数值越大.由上 3 结论 述结果可见，在轧制的精整过程中，轧件的4单元 附近区域（即大约1/4半径位置）不仅保持了较高 (1)三辊楔横轧轧件心部的应力应变状态较 的负静水压力（即平均应力为拉应力），同时还有 好，容易造成心部破坏的各项因素数值都较低，尤 一定程度的剪应变，如果精整时间足够长，轧件会 其是剪应变几乎为零，所以轧件心部发生破坏的 发生心部断裂，那么该区域一定是三辊楔横轧容 可能性很低 易发生韧性断裂的区域.这与三辊楔横轧呈环形 (2)如果轧件会发生破坏，出现破坏的位置 裂纹的裂纹形式相吻合 是在偏离轧件心部1/4半径左右的环形区域. 100 80 参考文献 48 [1]束学道，邢希东，胡正度，工艺参数对楔横轧多楔轧制成形 20 机理影响分析.北京科技大学学报，2005,27(2)：222 0 -20 [2]CMHPHoB B.TIpouecc edopMauHM npH nonepeyHo npokaTKe. -40 Cra,1947,6:351 -60 [3】团野敦，粟野泰吉.段付急軸耘造时办中心穴登仁及！中寸 -80 -100 耘造条件影播.塑性上加工，1976,17：117 -l2000204060.8102141.6 [4]蒸山益次郎.段付急棒)7口又口-儿加工)最遍加工条 轧制时间，修 件.塑性上加工，1976,17：797 图5各单元平均应力变化曲线 [5】团野敦，田中利秋，粟野泰吉.段付ě轴3口-儿式ヮ口又 Fig.5 Mean stress curves of selected elements 口一儿加工仁书计石材料流机上耘造条件.塑性上加工， 1976,17:194 [6]胡正意，张康生，王宝雨，等.楔横轧岁件成形技术与模拟 仿真.北京：冶金工业出版杜，2004

北 京 科 技 大 学 学 报 年第 期 一 一 一 一仇 一 一氏 。 芝七﹄目 卜 只倒 一 一 一 一 肠 一‘ 一 肠 甘︸ ，‘ 一︸、︸ 俐倒︺ 一 轧制时间 ， 应变 ， 轧制时间 ， 应力 图 三辊椒横轧 。 单元应力应变变化曲线 叻 淤 曰沙 川 三辊楔横轧内部容易出现疏松的区域 考察轧件对 称中心 截面 上 的一 系列单元 如 图 所示 的 ， ， ， ， ， 单元 ， 其平均应力变 化曲线如 图 靠近 轧 件心 部的 ， ， 单元 在整 个轧制过 程 中 ， 平均应 力一直保持为拉应力 ， 尤其 在 单元 附近 ， 精整段平均应力值达到最大 ， 而 且 是三 向拉 应 力 的状 态 而 后 沿 半径 方 向 向外 ， 平 均应力值逐 渐越 小 ， 并转变成越 来越大具 有波 动 性 的压应力 图 显 示 了各单元沿横截面 最大剪 应变的变化情况 在变形 阶段 剪应 变出现 峰值 ， 在精整段则几 乎保持 不变的数值 沿半径 方 向越 远 离轧件 中心 的单元 ， 剪应 变 的数值越 大 由上 述 结果 可见 ， 在轧制的精整过 程 中 ， 轧件的 单元 附近 区域 即大约 半径位置 不仅保持 了较高 的负静水压 力 即平均应 力 为拉应 力 ， 同时还 有 一 定程度的剪应变 ， 如果精整时间足够长 ， 轧件会 发生心部断裂 ， 那么该 区 域 一 定是 三 辊楔 横轧容 易发生韧性断裂的区域 这 与三 辊楔横轧呈环 形 裂纹 的裂纹形式相吻合 呼，‘呻︸月‘一月︺ 俐侧椒拭崛卜 轧制时间 图 ‘ 各单元 大剪应变变化曲线 服 结论 三辊楔 横轧轧件心 部的应 力应 变状 态较 好 ， 容易造成心部破坏 的各项 因素数值都较低 ， 尤 其是剪应变几乎为零 所 以 轧件心 部发 生破坏 的 可能性很低 如果轧 件会发 生破坏 ， 出现 破坏 的位置 是在偏离轧件心 部 半径左右的环形 区域 参 ，，飞， 曰︸‘飞，‘ 户‘ 叨印加。 ﹄李才 ‘ 刃侧降尺 一 一 马 图 ， 轧制时问 ， 各单元平均应力变化曲线 而比 考 文 献 束学道 邢希东 ， 胡正寰 工 艺参数对懊横轧多楔轧制成形 机理影响分析 北京科技大学学报 ， ， 即“ 卯从代 双 中 “ “ 详叹“ 曲 卯 众 皿‘ ， ， 团野敦 粟野 泰吉 段 付 色帕 耘 造时内 中心 穴 登 忆 及汀 寸 耘造 条件刃 影钾 塑性 七加工 ， 集 山益次郎 段 付急棒。 口 口 久 口 一 斗 加工 内 最遭 加工 条 件 塑性 七加工 ， 团野敦 田中利秋 ， 粟野 泰吉 段 付 急轴 口 一 斗 式 ， 口 久 口 一 斗 加工 仁 扫 士石材料流扎 七耘 造 条件 塑性 七加工 ， ， 胡正寰 张康生 王 宝 雨 等 楔横轧零 件成形 技 术与模拟 仿真 北京 冶金工业 出版社

Vol.28 No.5 杨翠苹等：三辊楔横轧应力应变场对内部缺陷的影响 ·467· Internal defects in rolled pieces during three-roll cross wedge rolling YANG Cuiping,ZHANG Kangsheng,LIU Jinping,HU Zhenghuan Mechanical Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT The occurrence probability and existence form of internal defects in rolled pieces during three- roll and two-roll cross wedge rolling were compared and analyzed by finite element numerical simulation. The reason that the internal defects little occur at the center points and fissure takes an annular form during three-roll rolling was expounded based on the state of stress and strain at the center of rolled pieces.It is in- dicated that three-roll cross wedge rolling process has a distinct advantage in the forming quality of the cen- ter of rolled pieces. KEY WORDS cross wedge rolling;internal defects;finite element;stress;strain （上接第412页) Law of strata and surface movement due to horizontally-sliced mechanized top- caving mining at steep-inclined super-thick coal seam DAI Huayang1),YI Sihail),JU Wenjun2),YAN Yueguan,YANG Shijie3,QIAO Zhongdong3) 1)School of Resource and Safety Engineering.Beijing Campus,China University of Mining and Technology.Beijing 100083.China 2)Coal Mining Technology Department.Tiandi Science and Technology Co.Ltd..Beijing 100013,China 3)Gansu Huating Coal Electricity Co.Ltd.,Pingliang 744100,China ABSTRACT The subsidence characteristics of horizontally-sliced mechanized top-caving mining are differ- ent from those of either flat seam mining or steep-inclined middle-thick seam mining.Similar material mod- el test was used to simulate the rock mass movement of steep-inclined super-thick coal seam of a coal mine. The results revealed the law of strata movement and ground deformation due to horizontally-sliced mecha- nized top-caving mining at a greater depth of steeply-inclined seam,which would provide a guide to real mining. KEY WORDS steep-inclined super-thick coal seam;horizontal slice;mechanized top-caving mining;simi- lar material model test;law of strata and ground movement

。 。 杨卑苹等 三辊楔横轧应力应变场对内部缺陷的影响 · 一 、恤 ， ， ， 动 ， 呢 ， 一 卯 一 眼 卯 一 上接第 一 页 一 一 一 以 枷 脚 ’ ， 竹 人 ， 讯 。 ， 以 介馆 ， ’ ， 以隅 从 ， 从。 众 飞 ， 吃 呛 ， 加 叩 ， 段 呢 ， ， ， 昭 一 一 一 一 一 一 一 一 一 ， · 一 一