大口径方管滚模成形工艺的仿真分析.doc

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1、摘要：针对滚模成形大口径方形管成形工艺，采用有限元仿真软件ANSYS/DYNA对拉拔、推挤和滚轧进行仿真和比较分析，揭示各工艺过程的变形特点和作用力变化规律，为优选成型工艺参数提供了基础。关键词:滚模轧制，大口径方管，推挤，拉拔，滚轧1、综述方矩形钢管是用途极广和最常见的异型钢管，与其相同截面积的其他非圆钢管相比，具有重量轻，强度高，抗弯截面模量大，节省金属，易于安装等优点，主要用于建筑、医疗器械、高档家具、汽车、飞机、地铁、造船等行业[1]。普通异型钢管的生产方法为通常采用固定模【2】或滚动模。四辊滚模一般用于一次成形薄壁方管，由于四辊滚模具有金属

2、变形速度差小，变形对称，可以用辊子直径来调整变形区尺寸，这样拔出的管子质量较好，直度好，工具寿命长，能耗小【3】，所以在厚壁大口径的方管成形工艺也尝试采用四辊滚模的结构，但厚管的冷拔由于变形大，变形抗力大，很容易造成失稳等缺陷的产生，为防止此类缺陷的生成，必须了解其内部的作用力及应力应变规律，通过调整工艺参数来控制管材的成形形状以达到使用要求。本文的设计思路是探求一种直接由大口径无缝钢管或直缝焊管采用滚动模成形为大口径方管的工艺方法，并利用大型有限元仿真软件ANSYS/DYNA对大口径方管的滚模拉拔、推挤、滚轧三种工艺方法的仿真和分析比较,揭示其作用

3、力规律，为大口径厚壁方管的生产提供参考，也为后续的研究打下基础。工艺参数是最重要的参数，它关系到成形质量，整个轧线的设计。拉拔、推挤和轧制它们各有优点，他们的主要区别在于轧辊的主动和被动。若是轧辊为主动，各机架都需要动力装置，减速装置会造成成本的大大增加，而且由于钢管同时被几组机架同时咬入，若是速度不同的话，轻则会造成管材的质量的下降，重则会造成管材的拉断，因此机架间速度匹配问题，需要一整套控制和检测设备，也大大增加成本。另外由于管材是由轧辊的主动旋转产生的摩擦力带入轧辊，因此摩擦系数的限制大大降低咬入条件。当然轧辊主动，可以省去拉拔和推挤工艺中拉力

4、和推力装置，使得与原有的冷弯或是热轧线配套变得容易。若是轧辊被动能克服上述缺陷，制造成本可以大大降低，但是与原有的冷弯线或热轧线配套相对复杂。2、模型的建立2.1模型参数的确定：滚模成形方管模型示意如图1所示。图1模型示意图轧辊的参数主要有：轧辊直径Dg,轧件的参数主要有：材料参数轧件的直径D轧件的厚度t模拟轧件的长度L成形参数主要有：单道次的压下量H，进给速度V，摩擦系数μ2.2有限元模型的建立模型简化，如图2所示：图2有限元模型1）忽略摩擦生成的热对成形过程的影响。2）材料各相同性。3）轧辊为刚性体，故只取空心圆柱。4）由于成形过程具有对称性，只

5、取1/4管材研究，以节省求解时间，轧辊固定，只允许各自绕自身轴线转动。5）对于直缝焊管而言，忽略焊缝对变形过程的影响。3、拉拔、推挤和滚轧钢管模拟分析3.1模拟参数的确定：压棍直径Dg：500。管材直径./壁厚/长度(D/t/L)＝200/10/600。单道次压下量H:：20。压制速度V：400mm/s。摩擦系数μ：0.1～0.2。材料：普通碳素钢，材料的真实应力应变曲线如图3所示，材料参数来自ANSYS/DYNA的材料库图3材料的真实应力-应变曲线有限元模拟用材料：PiecewiseLinear(与应变率相关的分段线性塑性材料模型)分段线性塑性模型

6、是多线性弹塑性材料模型，可输入与应变率相关的真实应力应变曲线。它是一个非常通用的塑性模型，广泛用于金属的塑性加工。采用这个材料模型也可根据塑性应变来定义失效。若把材料改为热轧钢管，此模型也同样适用于热轧成形。3.2模拟的加载方式对于拉拔工艺的加载：在图2中固定管材的右端面（在图中靠近轧辊的端面）的轴向位移，给定轧辊向左移动800mm。轧辊在移动过程中自行转动。对于推挤工艺的加载：在图2中固定管材的左端面（在图中远离轧辊的端面）的轴向位移，给定轧辊向左移动800mm。轧辊在移动过程中自行转动。对于滚轧工艺的加载：在图2中固定轧辊轴线，只允许绕自身轴线转

7、动，管材移动800mm。3.3仿真结果分析3.3.1变形比较与分析图4：钢管成形后的几何形状3.3.2轴向截面图图5图中符号的意义：图5中的A截面表示管材由咬入转为稳态过程的开始；B截面表示管材由稳态转为终了的成形过程。轴向截面a，b，c图中的D,E,F表示从稳态过程截取D,E,F面，对应为图6中的d，e，f三个径向截面图。图6：径向截面图分析：1）从图5中的a，b，c三个轴向截面变形图可以看出，无论哪种工艺下，在空模滚模压制大口径厚方管，均存在不同程度的失稳情况，而且这种情况在咬入端尤为严重。2)比较图5中的a，b，c的左端部分，可以看出滚轧截面变

8、形最为严重，进入稳态时间长，也就意味着管头损失大。而拉拔工艺的变形更趋缓和，进入稳态时间短，端面失稳程度也是