·62· 北京科技大学学报 第34卷 2.3初始条件的设定 模拟时，先给钢管一个与轧制方向相同的初速 度，待轧辊咬入后，施加在钢管上的初速度变为零 然后钢管在轧辊摩擦力的带动下沿轧制线方向运 动，直至全部轧完。实验所采用的初速度为 0.8ms- 2.4求解过程控制 设定计算时间为8s,输出结果的总步长为100， 当时间累计达到结束时间，计算就会停止. 3斜轧过程的有限元模拟结果分析 图2 Accui--Roll轧管机有限元模型 Fig.2 Finite element model of an Accu-Roll pipe mill 3.1无缝钢管轧制特点 无缝钢管在轧制过程中，导盘和轧辊给予轧件 导盘及芯棒的接触类型都设置为面面自动接触.在 作用力.轧辊的作用力促使轧件在孔型中减径、减 接触实体的定义中，轧辊、导盘及芯棒定义为目标 壁及延伸.导盘对轧件起径向压缩作用，控制轧件 面，轧管定义为接触面.约束导盘和轧辊除绕某一 外径，同时因导盘速度在轧制线上的分量大于轧件 矢量旋转以外的所有自由度，约束芯棒除沿轧制线 的轴向运动速度，故导盘对轧件又产生轴向拉 方向平动以外的所有自由度.轧管不用施加约束， 力o.在Accu-Roll轧管机轧制过程中，存在两次 在轧制过程中通过芯棒对其进行动态约束.选取轧 咬入.第一次咬入是在轧件与轧辊开始接触瞬间， 管上所有节点，将其建立为组件，在组件上施加沿y 由轧辊带动轧件运动并把轧件曳入变形区中：第二 方向的初速度 次咬入是轧件在进入变形区后与芯棒及导盘接触， 2.2摩擦边界条件 轧件需要克服芯棒和导盘阻力才能继续进入变形区 为简化计算，钢管轧制过程的有限元模拟通常 中轧制. 假设变形工具与钢管表面之间仅存在干摩擦，摩擦 由图3可知，轧管进入变性区后在横向方向上 系数()符合库仑定律回，接触面上单位摩擦力() 呈现双鼓形.此时的轧辊是水平布置，导盘是垂直 与接触面上的正压力(P)成正比，即 布置，左右布置的轧辊间距大导致材料受到不均匀 f=uP. (3) 挤压，从而产生不均匀变形，使得孔型与轧辊接触区 在摩擦系数的选择上，根据现场的经验选取轧 的金属向左右延伸，管壁偏厚，形成双鼓形.在实际 辊与钢管的动态摩擦系数山1=0.4，静态摩擦系数 生产中可以通过减小碾轧角或者调整轧辊距离来进 4,=0.45,芯棒与钢管的摩擦系数选取μ=0.2. 行矫正 (a) (c) 图3钢管变形过程示意图.(a)t=0s,芯棒与轧管横截面示意图：(b)t=0s,轧管沿轧制方向示意图：()t=0.4s,芯棒与轧管横截面示 意图：(d)t=0.4s,轧管沿轧制方向示意图 Fig.3 Deformation process of steel pipe:(a)=0s,section of mandrel and pipe:(b)=0s,pipe along the rolling direction:(c)=0.4s,sec- tion of mandrel and pipe:(d)=0.4s,pipe along the rolling direction 3.2单元轧制力分析 在轧制过程中，随着轧件的咬入，单元所受轧制力逐 取沿钢管轴向的8个单元进行研究，所取的位 渐变大.每个单元在塑性变形区所受的轧制力达到 置如图4所示；单元所受轧制力的变化如图5所示. 最大值，各个单元的最大轧制力可认为是轧制过程北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 图 2 Accui--Roll 轧管机有限元模型 Fig． 2 Finite element model of an Accu--Roll pipe mill 导盘及芯棒的接触类型都设置为面面自动接触． 在 接触实体的定义中，轧辊、导盘及芯棒定义为目标 面，轧管定义为接触面． 约束导盘和轧辊除绕某一 矢量旋转以外的所有自由度，约束芯棒除沿轧制线 方向平动以外的所有自由度． 轧管不用施加约束， 在轧制过程中通过芯棒对其进行动态约束． 选取轧 管上所有节点，将其建立为组件，在组件上施加沿 y 方向的初速度． 2. 2 摩擦边界条件 为简化计算，钢管轧制过程的有限元模拟通常 假设变形工具与钢管表面之间仅存在干摩擦，摩擦 系数( μ) 符合库仑定律［9］，接触面上单位摩擦力( f) 与接触面上的正压力( P) 成正比，即 f = μP． ( 3) 在摩擦系数的选择上，根据现场的经验选取轧 辊与钢管的动态摩擦系数 μd = 0. 4，静态摩擦系数 μs = 0. 45，芯棒与钢管的摩擦系数选取 μ = 0. 2． 2. 3 初始条件的设定 模拟时，先给钢管一个与轧制方向相同的初速 度，待轧辊咬入后，施加在钢管上的初速度变为零． 然后钢管在轧辊摩擦力的带动下沿轧制线方向运 动，直 至 全 部 轧 完． 实验所采用的初速度为 0. 8 m·s － 1 ． 2. 4 求解过程控制 设定计算时间为 8 s，输出结果的总步长为 100， 当时间累计达到结束时间，计算就会停止． 3 斜轧过程的有限元模拟结果分析 3. 1 无缝钢管轧制特点 无缝钢管在轧制过程中，导盘和轧辊给予轧件 作用力． 轧辊的作用力促使轧件在孔型中减径、减 壁及延伸． 导盘对轧件起径向压缩作用，控制轧件 外径，同时因导盘速度在轧制线上的分量大于轧件 的轴 向 运 动 速 度，故导盘对轧件又产生轴向拉 力［10］． 在 Accu-Roll 轧管机轧制过程中，存在两次 咬入． 第一次咬入是在轧件与轧辊开始接触瞬间， 由轧辊带动轧件运动并把轧件曳入变形区中; 第二 次咬入是轧件在进入变形区后与芯棒及导盘接触， 轧件需要克服芯棒和导盘阻力才能继续进入变形区 中轧制． 由图 3 可知，轧管进入变性区后在横向方向上 呈现双鼓形． 此时的轧辊是水平布置，导盘是垂直 布置，左右布置的轧辊间距大导致材料受到不均匀 挤压，从而产生不均匀变形，使得孔型与轧辊接触区 的金属向左右延伸，管壁偏厚，形成双鼓形． 在实际 生产中可以通过减小碾轧角或者调整轧辊距离来进 行矫正． 图 3 钢管变形过程示意图． ( a) t = 0 s，芯棒与轧管横截面示意图; ( b) t = 0 s，轧管沿轧制方向示意图; ( c) t = 0. 4 s，芯棒与轧管横截面示 意图; ( d) t = 0. 4 s，轧管沿轧制方向示意图 Fig． 3 Deformation process of steel pipe: ( a) t = 0 s，section of mandrel and pipe; ( b) t = 0 s，pipe along the rolling direction; ( c) t = 0. 4 s，sec￾tion of mandrel and pipe; ( d) t = 0. 4 s，pipe along the rolling direction 3. 2 单元轧制力分析 取沿钢管轴向的 8 个单元进行研究，所取的位 置如图 4 所示; 单元所受轧制力的变化如图 5 所示． 在轧制过程中，随着轧件的咬入，单元所受轧制力逐 渐变大． 每个单元在塑性变形区所受的轧制力达到 最大值，各个单元的最大轧制力可认为是轧制过程 ·62·