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