热作模具钢连轧过程力学参数的有限元分析

D0I:10.13374/i.issm1001053x.2003.01.013 第25卷第1期 北京科技大学学 报 VoL.25 No.1 2003年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2003 热作模具钢连轧过程力学参数的有限元分析 洪慧平 康永林 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要采用三维热力耦合弹塑性有限元软件及其接触分析技术，在准确制定相关边界条件 基础上对200mm规格的热作模具钢二机架热连轧过程的金属三维流动进行了有限元模拟，准 确地计算了力学参数（如轧制力和力矩）的分布情况并对轧辊强度进行了分析，从中确定了安 全可行的轧制方案 关键词热作模具钢；孔型；有限元：仿真 分类号TG331;TP391.9 与耗资大、成本高的试错法相比，借助当前 设备特点及生产情况，可将两道次连轧孔型系统 大型CAE计算机模拟仿真技术和高性能的计算 确定为“椭孔-圆孔”，首先在MARC的Mentat前 机硬件系统，能够更为准确而有效地超前再现并 处理器中进行孔型系统的有限元建模，求解后在 控制轧制过程，为全面提高产品质量、开发产品 后处理器中进行结果分析，以此为基础修正相关 品种提供可靠依据".事实上，准确给定材料成形 工艺设备参数并对孔型作进一步改进 过程的相关边界条件并建立材料仿真数据库，运 在进行连轧过程模拟仿真之前，需建立材料 用热力耦合弹塑性有限元模拟理论是能够较精 模拟仿真数据库，包括材料热物性参数，如弹性 确地计算轧制过程的重要工艺参数（如轧制力和 模量、比热、热膨胀系数、轧件和轧辊热传导系数 力矩等)的变化情况.例如，研究者运用有限元模 以及变形抗力等.根据实际生产的统计数据，将 拟仿真理论预测方件在箱形孔型中变形的轧制 连轧开轧温度设定在950℃.末架轧辊转速取值 力误差仅为0.65%四，棒材成品孔中宽展误差为 为11.76rmm.进连轧机组前中间坯料横断面的 0.15%,成品圆钢高向直径误差为1.93%，宽向直 边长为200mm,圆角为40mm,面缩率为11.11%~ 径误差为0.2%). 11.66%,轧制速度v=332.5-374.1mm/s,轧辊转速 当前，为了扩大市场亟需的200mm大规格 为10.00-11.76r/mm,原始辊径为700-800mm,辊 热作模具圆钢生产，首要任务是通过挖掘现有工 缝为10-20mm. 艺及设备潜力，确定轧制负荷及力能参数的动态 在MSC.Marc的前处理环境里，根据热力耦 分布，分析连轧机组各机架轧辊强度等安全性因 合大变形弹塑性有限元方法建立轧件和各机架 素，以便开发合理、安全、可靠的孔型系统及其 轧辊等接触体的三维有限元模型，如图1所示. 轧制方案.本文采用大型CAE仿真软件MSC 在划分网格时选择八节点六面体单元，采用 MARC的热力耦合分析模块，进行了200mm热 更新Lagrange算法、Prandtl-Reuss流动方程和Von 作模具圆钢连轧过程三维热力耦合弹塑性有限 Miss屈服准则等原理处理热连轧过程中轧件热 元模拟研究. 力耦合大变形问题.轧辊作为刚性接触体，轧辊 与轧件之间采用剪切摩擦模型，摩擦因子取07， 1孔型系统方案与有限元模型 材料泊松比取0.3 根据对称性，取14轧件作为分析对象，机架 在孔型设计中，钢种为中碳中铬型热作模具 间距取250mm.为了形成稳态轧制过程，开轧前 钢，成品为200mm规格大圆钢.根据现场工艺 轧件长度取840mm,轧件沿长度方向取60等份， 收稿日期200203-27洪慧平男，39岁，讲师，博士生 轧件横断面取47个单元，故共采用了2820个单 国家自然科学基金资助课题(No.59995440) 元和3721个节点

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 扭 】 叭， 。 热作模具钢连轧过程力学参数的有限元分析 洪 慧平 康 永 林 北京科技大学 材料科学与工 程学 院 ， 北 京 摘 要 采用 三 维热力藕合弹塑 性有 限元软件及 其接触分析技术 ， 在 准确制定 相关边界条件 基 础上对中 规格 的热作模具钢二 机架热连 轧过 程 的金 属 三 维流 动进 行 了有 限元模拟 ， 准 确地计算 了力学参数 如轧制力和力矩 的分布情 况 并对轧辊 强度进行 了分析 ， 从 中确 定 了 安 全可 行 的轧制方案 关键词 热作模具钢 孔型 有限元 仿真 分 类号 与耗 资大 、 成本 高 的试错法 相 比 ， 借助 当前 大 型 计算 机模 拟 仿真 技术 和 高性 能 的计算 机硬件 系统 ， 能够更为准确而有效地超前再现 并 控制 轧制过 程 ， 为全 面 提 高产品质量 、 开 发 产 品 品种 提供可 靠依据 ‘ 事实上 ， 准确给定 材 料成形 过程 的相关边界 条件并建立 材料仿真数据库 ， 运 用 热 力藕合 弹 塑 性 有 限元 模 拟 理 论 是 能够 较 精 确地计算轧制 过程 的重 要 工 艺参数 如轧 制力 和 力 矩 等 的变化 情况 例如 ， 研究者运 用 有 限元模 拟 仿真理 论 预 测 方 件 在 箱形 孔 型 中变形 的轧 制 力 误 差 仅 为 以 ， 棒 材成 品孔 中宽展 误差 为 巧 ， 成 品 圆钢 高 向直 径 误差 为 ， 宽 向直 径 误差 为 当前 ， 为 了扩 大市 场 函 需 的中 大规格 热作模具 圆钢生 产 ， 首要 任务是通 过挖掘现有 工 艺及设 备潜力 ， 确定 轧制 负荷及力 能参 数 的动 态 分布 ， 分析连轧机组 各机架 轧辊 强度等安 全性 因 素 ， 以 便 开 发 合理 、 安 全 、 可靠 的孔 型 系统 及 其 轧制方 案 本 文 采用 大 型 仿真软件 的热 力 祸合 分 析模块 ， 进 行 了中 热 作模 具 圆钢 连 轧 过 程 三 维 热 力 藕 合 弹塑 性 有 限 元模拟研究 孔 型 系 统方 案 与 有 限 元 模型 在孔 型设计 中 ， 钢种 为 中碳 中铬 型 热作模 具 钢 ， 成 品 为中 规 格 大 圆钢 根 据现 场 工 艺 收稿 日期 刁 佗 洪慧平 男 ， 岁 ， 讲 师 ， 博士 生 中 国家 自然 科学 基 金 资助课题 以 设 备特点及生 产情况 ， 可将两道 次连轧 孔 型 系统 确定 为 “ 椭孔一 圆孔 ” 首先在 的 前 处 理器 中进 行孔 型 系统 的有 限元建模 ， 求解后 在 后 处理器 中进行结果分析 ， 以此 为基 础修 正 相关 工 艺 设备参数并对孔 型 作进 一 步 改 进 在进 行 连轧过 程模拟仿 真之前 ， 需 建立 材 料 模 拟仿 真数据库 ， 包括 材 料热 物性 参 数 ， 如 弹性 模量 、 比热 、 热膨胀系数 、 轧件和轧辊 热传导 系数 以及 变形抗力 等 卜 根 据实际生 产 的统 计数据 ， 将 连轧 开轧温度设定 在 ℃ 映， 末 架 轧 辊 转 速取值 为 进 连 轧 机 组 前 中间坯 料 横 断 面 的 边 长 为 ， 圆角 为 ， 面缩 率 为 ， 轧制速 度 二 一 ， 轧 辊 转 速 为 一 ， 原 始辊 径 为 一 ， 辊 缝 为 一 在 的前处 理 环 境 里 ， 根 据 热力祸 合大 变 形 弹 塑 性 有 限元 方 法 建 立 轧件 和 各 机 架 轧 辊 等接触体 的三 维 有 限元模 型 ， 如 图 所 示 在 划 分 网格 时选 择 八 节 点六 面体单元 ， 采 用 更 新 算法 、 一 流 动方 程 和 、 屈 服 准则 等原 理 处 理热 连 轧过 程 中轧件 热 力 藕合大变形 问题 轧 辊作 为刚性 接触体 ， 轧 辊 与轧件 之 间采用 剪切 摩擦模 型 ， 摩擦 因子 取 ， 材料 泊松 比取 以 根 据对 称性 ， 取 轧件 作为 分 析 对 象 ，机架 间距取 为 了形 成稳态 轧 制过 程 ， 开 轧前 轧件长度取 ， 轧件 沿 长度方 向取 等份 ， 轧件 横断面取 个单元 ， 故共采 用 了 个单 元 和 个 节 点 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2003．01．013

Vol.25 No.1 洪慧平等：热作模具钢连轧过程力能参数的有限元分析 ·45· 2计算结果和讨论 H2架 根据模拟仿真结果可以得出二机架连轧过 VI架 程各架轧制力、扭矩的动态变化值（见图2）及其 最大值（见表1），以此为基础计算各机架轧辊（辊 身、辊颈、辊头)危险断面处的应力（见表2），具体 方法参见相关文献[6].由于采用有限元模拟得到 轧制方向 的轧制力和力矩，轧辊应力的计算精度显然要远 高于单纯用半经验的传统轧制力公式的计算结 轧件 果.计算的轧辊辊身、辊颈、辊头应力均低于轧辊 图1二架连轧200mm圆钢有限元模型 许用应力，满足强度要求，因此按这种孔型系统 Figl.FEM model of two-pass continuous rolling for 200 方案组织生产可以满足轧辊安全条件 mm 2.5 250 ·V1架 (b) (a) -V1架 一H2架 200 H2架 2.0 150 @ 5 100 50 1.0 0 -50 0.5 -100 -150 400 800 1200 1600 0 300 600900 12001500 增量步 增量步 图2二机架连轧200mm大圆钢力能参数变化曲线.(a)轧制力：(b)轧制力矩 Fig.2 Rolling force(a)and torque(b)diagrams of two-pass continuous rolling for 200 mm round bars 表1200mm圆钢二架连轧轧制力和力矩 的变形过程进行较为精确的分析计算，得出连轧 Table 1 Maximum rolling force and torque of two-pass 过程轧制力和轧制力矩等重要力学参数的动态 continuous rolling for 200 mm round bars 变化值和最大值，根据分析结果有针对性地去修 孔型 轧制力PMN轧制力矩kN·mm 正相关工艺参数，选择安全、合理、可行的孔型方 V1机架椭圆孔 4.700 377.8 案，达到减少甚至代替试轧的目的 H2机架圆孔 3.744 244.0 参考文献 表2200mm圆钢二架连轧轧辊应力的计算结果 1鹿守理.计算机辅助孔型设计[M.北京：冶金工业 Table 2 Roll stresss of two-pass continuous rolling for 200 出版社，1992 mm round bar MPa 2王艳文，康永林，轧制方坯的三维弹塑性有限元研 孔型 辊身应力o,辊颈应力辊头应力 究M1.钢铁，2000,35(2)：38 V1椭圆孔 81.60 66.88 61.90 3士艳文，特殊钢棒线材热连轧过程三维热力耦合有 H2圆孔 70.13 50.90 41.30 限元模拟及实验研究D]北京：北京科技大学，2000 4冯长桃.H1】芯棒钢热轧，控冷工艺及组织性能研究 3结论 D1.北京：北京科技大学，2000 5 Metals Handbook,Volume IlI,9th Ed [M].Ohio:Ameri- 在准确建立材料数据库、模型库和相关边界 can Society for Metals,1980 条件、初始轧制条件的基础上，采用三维热力耦 6刘宝珩.轧钢机械设备M.北京：冶金工业出版社， 合弹塑性有限元分析模块，可以对热连轧时轧件 1984.18 (下转第49页)

】 洪 慧 平 等 热 作模具 钢 连 轧 过 程 力 能参 数 的有 限 兀 分 析 图 二 架 连 轧帕 圆钢 有 限 元 模型 一 中 计 算结 果 和 讨论 根 据 模 拟 仿 真 结 果 可 以 得 出二 机 架连 轧 过 程 各 架 轧 制力 、 扭矩 的动 态 变 化值 见 图 及 其 最 大值 见 表 ， 以此 为 基 础计算各机 架 轧辊 辊 身 、 辊 颈 、 辊 头 危 险断 面处 的应 力 见 表 ， 具体 方 法参见 相 关文 献 由于采 用 有 限元模拟 得 到 的轧制 力 和力矩 ， 轧 辊 应 力 的计算精度 显 然要 远 高 于 单 纯 用 半 经 验 的传 统 轧 制 力 公式 的计 算结 果 计算 的轧辊辊 身 、 辊 颈 、 辊 头应力 均 低 于轧辊 许用 应 力 ， 满 足 强 度要 求 ， 因此 按 这 种 孔 型 系统 方 案组 织 生 产 可 以 满 足 轧辊 安全 条件 八︸︸“亡飞 ﹄ 日 · 习潜 之芝叫 、一 一 厂俩喻，矽嘀‘户叭内、八协以 ‘ 架 丫黔 架 · 了 厂 ‘帅心户 哪句卜侧钟 卉 枷叭 了 一 一 ， 架 ，尹、 架 一 尸丫 卜卿吞域叭 月 艺 、 迭 气 丫 、 ‘ 人洲‘ 夕翩 峭 娜甲少灿尹 叩嗯韧坦甲 扮户 一 争 增 量 步 增量 步 图 二 机 架 连 轧中 大 圆钢 力 能 参数 变化 曲线 轧 制 力 轧 制 力 矩 · 一 中 表 中 国钢 二 架 连 轧 轧 制 力 和 力 矩 一 中 孔 型 轧 制力尸乃以 轧制 力矩瓜 机架椭 圆孔 机 架 圆孔 表 中 圆钢 二 架 连 轧轧辊应 力 的计 算结 果 一 中 孔 型 辊身应 力 。 辊 颈应 力氏 辊 头应 力伪 椭 圆孔 圆孔 结 论 在 准 确建立 材 料 数据 库 、 模 型 库 和 相 关边 界 条件 、 初 始 轧 制条件 的基 础 上 ， 采 用 三 维 热 力藕 合 弹塑性 有 限元分析模块 ， 可 以对 热 连 轧 时 轧 件 的变形 过程 进行较 为 精确 的分析计算 ， 得 出连 轧 过 程 轧 制 力 和 轧 制 力 矩 等重 要 力 学 参 数 的 动 态 变化值 和最 大值 ， 根 据 分析结 果 有 针 对性 地 去 修 正相 关工 艺 参 数 ， 选 择安 全 、 合理 、 可行 的孔 型 方 案 ， 达 到减 少 甚 至代 替试 轧 的 目的 参 考 文 献 鹿 守理 计算 机辅助 孔 型 设计 北 京 冶金 工业 出版社 ， 王 艳 文 ， 康永林 轧制 方 坯 的三 维 弹塑 性 有 限元研 究 钢 铁 ， ， 王 艳 文 特殊钢 棒线 材 热 连 轧 过程 只 维 热力 藕合有 限元模拟 及 实验研究 【 北 京 北 京科技大学 ， 冯 长桃 芯棒钢热轧 、 控冷工 艺 及 组 织性 能研究 北 京 北 京科 技 大学 ， ， ， ， 刘 宝 衍 轧钢 机 械设备 」北京 冶金 工 业 出版社 ， 下转第 页

VoL.25 No.1 贾俊荣等：高温破碎烧结磁体制取各向异性NdFeB磁粉 ·49· ary phase in iron rare-.earth boron magnets[).J Appl6车广灿，梁敬魁，王选章.Nd-Fe-B(B≤50%)三元系相 Phys,1987,61(8:2993 图的研究].中国科学A,1985,10:909 5解伟，丁开鸿.高性能钕铁硼粉未氧化和吸附行为7赵伯麟.金属物理研究方法（第一分册）M.北京：冶 动力学.稀土，2000,12：6 金工业出版社，1981 Preparation of Anisotropic NdFeB Powders by Crushing Sintered Magnet at High Temperatures (I) JIA Junrong,OIANG Wenjiang,YOU Caihong Materials Science and Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT In order to manufacture anisotropic magnet powders from sintered NdFeB magnet,the fracture be- havior of sintered NdFeB magnet in the mechanical crush process at high temperatures was studied.The experimen- tal results show that the sintered NdFeB magnet can be crushed to fine powders much more easily than that at room temperature as the crushing temperature is raised to above 600C,which results from eutectic formation of the minor liquid phase at the grain boundary area.The morphology of the crushed powders exhibits that the fracture at tem- peratures higher than the eutectic temperature tends to be intergranular instead of transgranular which occurs at low- er temperatures.Through X-ray diffraction analysis the magnetic powders obtained by a crush process at higher tem- peratures shows much higher diffraction peaks of the Nd-rich phase. KEY WORDS sintered magnet;magnet powders;fracture 冷米心冷冷水冷举斗为女米★米冷杂女★米女*冷水心女★米年海布年春个喉草*学条为冷杂幸★峰为米冷东海春李条华余条米为★★半水世涂为海为有海为泰★章条为年章米紫年 (上接第45页) Finite Element Analysis of Rolling Force and Torque during Hot Continuous Rol- ling of Hot Work Steel HONG Huiping,KANG Yonglin Material Science and Engineering School,School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 10083,China ABSTRACT The hot continuous rolling process for 200mm round bars of a hot work steel is simulated by using the three-dimensional thermal-mechanical coupled elastoplastic finite element method.The changes in rolling force and torque during the rolling process are calculated precisely.As a result,the roll strength and profiles can be verified and/or modified,from which a more reliable roll pass schedule can been chosen. KEY WORDS hot work steel;roll pass;finite element method;imulation

贾俊荣 等 高温 破 碎 烧 结磁 体 制 取 各 向异性 磁 粉 ， 一 叭 ， ， 解伟 ， 丁 开 鸿 高性 能 铰铁硼 粉未 氧化和 吸附行 为 动力 学 稀 土 ， ， 车广灿 ， 梁敬魁 ， 王 选 章 一 一 续 三 元 系相 图 的研究 中国科学 ， ， 一。 赵伯麟 金 属物理研究 方法 第一 分册 北 京 冶 金 工 业 出版社 ， 了侧 ， 口例刃 肠 尹红如 ， 刃 ， ， ， ， 汀 ℃ ， 卫恤。 一 价 价 一 上接第 页 刀口刀 了扮 ， 刁万 ， ， 罗 ， ， 中 。 一 一 一 一。 叩一 一 。 。 。 仆 。 咨 ，