二辊斜轧穿孔时圆管坏的变形与应力分布及其发展

第 l2卷第 5期 2000年 lO月 钢 铁 研 究 学 报 JOURNAL OF IRON AND STEEL RESEARCH Vo1．12，NO．5 Oct．2000 二辊斜轧穿孔时圆管坯的变形与应力分布及其发展 李胜祗 ， 陈大宏 ， 孙中建 ， 李连诗 (1．华东冶盒学院冶盒泵，安截 马鞍山 243002j 2．北京科技大学 压力加工系．北京 100083) 摘 要：为了分析二辊斜轧穿孔时圆管坯中心金属的断裂机制，确立穿孔变形的工艺实质．用 MARC／Autoforge软件研究了圆管坯斜轧时的应力、应变场及其发展。进一步证实了沿圆管坯横 截面直径上的变形强度确实呈w形分布。同时还发现变形强度以w形分布形态出现不是必然的． 还存在u形分布形态，这与穿孔变形工具和轧机调整参数有关。在大多数情况下．二辊斜轧圆管坯 变形的发展过程是：与轧辊接触的局部区域发生变形，变形随轧件的螺旋前进，先出现u形分布形 态，最后出现 w 形分布形态 关键词：圆管坯I二辊斜轧I穿孔I变形I应力 中田分类号：TG335．7 文献标识码 A 文章组号t1001—0963(2000)05-0028—05 Distribution and Development of Deformation and Stress in Tube Rounds during Two-·Cross-·Roll Piercing Process LI Sheng—zhi ， CHEN Da·hoag SUN ZhQag·itan ， LI Lian-shi (1．East China Institute of Metallurgy，Ma‘anshan 243002·ChinaI 2．University of Science and Technology Beijing·l~eijing 100083，Chir~) Abstr~tfWith日view tO establishingthemechanism of ceDter·crack duringtwo—cross-roll piercing， the distribution end development of deformation and stress in tube rounds weTe studied through the use of FE code MARC／Autoforge．The distribution pattern of W-shape over the diameter of tube round as a result of experiment WaS further verified．Spontaneously it was discovered that the W — shaped pattern does not necessarily occur and there is a U—shaped pattern．W hat pattern may pre- sent during piercing process mainly depends on both the forming too]s and piercer set—up·The de— velopment stages of delormatlon distribution probably Bre}first the local delormatlon in the zones adjacent to the contact areas with rolls，then the U—shaped pattern with screw advancing and last the W -shaped pattern． Key words：tube round jtwo-roll CROSS rolling ipiercing jdeformat Jon；stress 二辊斜轧穿孔时金属的变形是斜轧理论中的一 个基本问题。只有掌握了金属的实际变形分布，才具 备分析复杂的变形——断裂机理的基础，方可揭示 二辊斜轧穿孔的工艺实质，从而确定合理的工艺制 度并为其优化提供依据。 斜轧过程中圆管坯截面上的变形分布，尤其是 形成孔腔以前圆管坯中心部分的金属是否发生塑性 变形以及变形量的大小曾是一个有争议的问题，并 存在不同的孔腔形成理论口]。文献[2～4]给出了斜 轧时圆管坯端面上变形呈 w形分布的结论。日本研 究者加蘸健三 和前苏联研究者 Fpnmp~ee A K 等n 也得出了类似的试验结论 卢于进口 对此作了 更深入的试验研究，并进一步阐明：①变形强度沿圆 营坯直径呈w 形分布I②变形强度的不均匀性随圆 基盘项目 安徽省教委重点科研计划项 目(99JR0178ZD) 怍者简竹 李胜祗(1955一) 男，博士，教授# 收稿 日期．1999—06—28 4 格订日期 c2000—04—02 26 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 5期 李胜祗等 二辊斜轧穿孔时圆管坯的变形与应力分布及其发展 10月 管坯直径压下量的增大而不断加剧}③圆管坯中心 部分的金属在形成内撕裂前已发生明显的塑性变 形。 上述研究均采用物理模拟方法，缺乏定量数据， 不足以反映圆管坯二辊斜轧时产生内撕裂的本质。 此外，这些研究都没有考察轧辊入口锥角( )和调 整参数，尤其是轧辊送进角( )对变形分布的影响， 也没有研究应力状态。本文作者采用 MARC／Auto— forge分析软件，对实心圆管坯在二辊斜轧穿孔准备 区内的轧制进行了热 力耦合三维弹塑性有限元模 拟，研究了二辊斜轧时圆管坯的应力和应变场，旨在 对变形和应力分布进行定量描述，为分析内撕裂的 形成机理提供可靠的依据。 1 数学模拟所用模型与边界条件 1．1 孔型构成 实心圆管坯斜轧孔型由轧辊和导盘构成 ，轧辊 为桶形辊，如图1所示。变形工具的主要尺寸、转速 及调整参数(取自国内某厂狄舍尔穿孔机实际参数) 为：轧辊直径 D。=l 000 mm ，轧 辊 转 速 " =120 f ／ 左导盘 ／ 。 ＼ 一 ＼ 1 l 圈1 斜轧变形区构成示意圈 FI窖．1 Sketch of deformation zouf~configura— tlon for cr0自自roiling ’ 辊 r／rain；导盘工作直径D 一1 800 mm，导盘转速 一 25 r／min；轧辊距离 B“一154．5 mm，导盘距离 工 ^ =1 73 mm 。 1．2 圆管坯尺寸、材质及单元的划分 圆管坯直径 D =1 78 mm，材质为 C22(相当于 我国的20号钢)。圆管坯长度(LB)的取定一方面应 保证轧件充满变形区并略有剩余，另一方面要考虑 缩短计算时间，这里取 =225 mm。用 1 800个六 面体单元离散轧件，横断面上单元数为 120个，长度 方向单元数为 l5个。材料的热物理性能(热传导系 数、热容和热膨胀系数)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，这些数据均在 MARc／Autoforge的材料库中 读取。 1．3 初始条件和边界条件 轧辊和导盘均视为恒温刚性体，圆管坯开轧温 度为 l 250℃。 l_3．1 位移边界条件 圆管坯中心线上所有节点的位移 “ =“ =0。 1．3．2 摩擦条件 变形工具与轧件接触面之间遵循库仑摩擦定 律。由于轧辊入口锥辊面经过喷砂或刻纹处理，故将 每个轧辊定义为转速相同的两个接触体，并取不同 的摩擦系数 轧辊与轧件间摩擦系数取为 =O．4， 导盘与轧件间摩擦系数取为 ,aa=O．3。 1．3．3 传热边界条件 轧制过程中的热传导现象是一个复杂的热力学 问题，求解这类问题的有关理论描述详见文献[8]， 求解本问题的边界条件参见文献[93。 本模拟忽略了圆管坯端部与环境之间的传热。 关于变形热效应的影响，Wertheimer T B 认为对 于大多数金属，变形功的 9O 转化为热量。 2 圆管坯斜轧的模拟结果及讨论 2．1 应变场及其发展 ． 经轧制后圆管坯前端均存在“漏斗形凹穴”，这 明无论轧辊是单入 口锥还是双入口锥，也无论辊 面锥角、送进角多大，管坯表面的延伸总是最大的， 并且表明变形强度的等效应变 e沿圆管坯直径的分 布呈现出明显的不均匀性，尽管这种不均匀变形的 程度有所不同。 图2为不同锥角的单入口锥辊型轧制(圆管 坯 维普资讯 http://www.cqvip.com 钢 铁 研 究 学 报 第 12卷 9— 0．842 3 8— 0．748 7 7— 0 655 】 6— 0．56 J 5 5— 0．467 g 4— 0．374 3 3— 0．280 7 2— 0．】87 0 l一 0．O93 d 0 0— 0．992 5 8— 0．882 2 7— 0．77】9 6— 0．66】7 5一 O．55l 4 4— 0．44l】 3— 0．330 8 2-- 0．220 5 l-- 0．¨ 0 2 0— 0— 2．234 8-- 1．99O 7一 】．7 6 6一 1．502 5一 1．258 4一 l_0I 4 3一 O．77O 2— 0．536 l～ 0．】28 9-- 0．386 2 8一 O．3{3 3 7-- 0．300 4 6— 0．257 5 0．2】4 5 4-- l7l 6 3-- 0．I 28 7 2一 O．085 8 1— 0．042 9 O一 0 圈2 不同桩角的簟^口锤辊型轧制时皿蕾坯 纵截面上的等蚊应变分布 (B) l叠2．5。j (b)风I 3．5。- (c) 1=4．5 Pig．2 Distribution of eqolvalent plastic strain On the [ongltudtno[sectIon of the round rolled by rolls with different toper angles 接触顶头)时圆管坯变形强度的分布情况 可见(a)、 (b)为典型的 w 形分布形态．而(c)为 u形分布形 态 图 3为不同送进角的单入口锥辊型轧制(圆管 坯前端到达轧辊轧制带)时，圆管坯纵截面上变形强 度的分布情况。可见变形强度同样呈现为深浅不同 的w 形分布形态，而且随着送进角的增大，变形的 不均匀性明显降低 实际上，等效应变反映的是变形体内各质点的 28 9一 】．068 0 8-- 0．9{9 6 7一 屯 8311 6— 0．7】2 6 0．594l {一 0．475 6 3— 0．375】 2一 m 238 6 l-- 0．120】 圈3 不同进进角的簟人口锤辊型轧棚时圆管坯 纵截面上的等效应变分布 m一3． (a) =8。j (b)口=l2-I (c)口一16 Ftg．3 Dlstrlboflon of eqolvolent plastic strain on the tongttudtnal sec tion of the rolmd ro lled by rolls with different feed ongles 变形强度，是一个综合指标，并不能直观地反映各变 形方向上各应变分量(包括正应变和剪应变)的太 小。图4(a)示出圆管坯纵截面上径向塑性变形的分 布情况。可以看出，靠近圆管坯前端的中心部分有一 个封闭的“核”，其径向变形量很小，图 4(b)则是圆 管坯纵截面上轴向塑性变形的分布情况。可见，在圆 管坯前端的中心部分同样也存在一个变形量很小的 封闭“核”。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 5期 李胜祗等：二辊斜轧穿孔时圆管坯的变形与应力分布及其擞展 l0月 9— 0．009 6 8— 0．020 0 7— 0．049 6 6— 0．079 l 0 l08 7 — 0 138 2 3— 0．】67 8 2— 0．】97 3 】一 0．226 9 9— 0 303 2 8— 0．267 5 7— 0 23I 7 B一 0．】帅 0 5_ 0 l 60 2 d一 0．】24 4 3— 0 088 7 2— 0．052 9 l一 0．0I7 2 图 4 皿瞥坯纵截面上径向(B)和轴向(b) 的塑性变形分布 负值代表压缩变形l =12 l l一3．5 Fig．4 Distribution of radial(B)and axial(b) plastic strain On the longitudinal $eCtion of the round 2．2 应力场及其发展 二辊斜轧穿孔时产生内撕裂不仅与变形有关， 而且与应力状态有关。要揭示产生内撕裂的本质，必 须研究圆管坯内部的应力场，特别是圆管坯中心部 分的应力分布情况。然而在二辊斜轧时，影响应力场 的因素很多，除材料本身以外，还有变形工具和调整 参数，受篇幅限制在此不详述各因素对应力场的影 响规律，而仅给出数值模拟结果：在靠近圆管坯与轧 辊接触面处为横阿压应力，而在圆管坯中心区域为 横 向拉应力( )，中心处 d 最大(图略)，这与文献 [10]的研究结果一致。 图 5为圆管坯中心线上的正应力分布情况(节 点 801位于圆管坯前端自由表面)。可以看出，圆管 坯斜轧时，中心处的横向拉应力 很大，并且在穿 孔准备区内 有一个逐渐增大的过程 从节点801 = 翻 圈5 沿皿瞥坯中心线上的正应力分布 Fig．5 Distribution of normal stresses along the ceriterllneof the round 圈 6 皿瞥坯横截面上剪应力(a)和 静水压力(b)的分布 (a)P 98mm； (b) 128mm Fig．6 Distribut1on of shear stress(a)and hydz~stati~pressure on the cI Oss sectlon of the round 维普资讯 http://www.cqvip.com 2000拒 钢 铁 研 究 学 报 第 12卷 到节点 814， 值也很大l沿节点路径 803～816，轴 向应力 ≥o，即基本上呈现为拉应力，其值小于横 向拉应力 l除节点 81 2～814以外，中心线上其余 各节点沿轧辊作用方向的应力 基本上为压应力。 但新发现也存在局部拉应力(尽管其值很小)，这种 拉应力的存在完全不同于斯米尔诺夫(CMHpHOB B c) 理论[i13关于拉应力形成的“积累说”，因其并不是一 个逐渐积累和增大的过程。从总体上看，圆管坯中心 处的应力状态为(一，+，+)。 图6(a)为圆管坯横截面上剪应力 r 的分布情 况 可见，圆管坯中心处的剪应力虽然不小，但并不 是最大。图6(b)为圆管坯横截面上的静水压力分布 情况 很显然，圆管坯中心线附近区域的静水压力 >O，且局部区域内的静水压力值较大，这不利于 金属塑性变形，即容易使金属出现裂纹。 3 结 论 (1)二辊斜轧穿孔时，圆管坯纵截面上的变形强 度一般呈w 形分布形态，但在少数情况下也会出现 u形分布形态 (2)变形分布形态取决于轧辊辊型、变形阶段以 及在变形区中的轴向位置。送进角对变形分布形态 没有明显的影响。 (3)圆管坯中心部分有明显的塑性变形，且离变 形区入口越远变形量越大，不存在“弹性核”，因而二 辊斜轧穿孔时产生的内撕裂属于韧性断裂。 (4)在无顶头作用时，圆管坯中心处的应力状态 一 30 一 般为：轧辊作用方向为压应力、横向拉应力和轴向 拉应力，而且横向拉应力远大于轴向拉应力，这就造 成圆管坯中心部分相当大的区域内静水压力为正 值，容易诱发裂纹。 参考文献 [1] 李连诗．铜管塑性变形原理()[M]．北京：冶金工业出版 社．1 989． [2] 王先进．斜轧穿孔时金属的变形——断裂机构[D： 北京．北 京钢铁学院，1963． [3] 卢于建．王先进．用硬度测定法研究斜轧过程中盎属的变形分 布-R：．中国盎属学台压力加工学术台议报告，1962 [4] 卢于逮．斜轧穿孔过程中应力和变形的分市和中心金属断裂 机构的某些特点分析[D]．北京 北京钢铁学院，1963． [53 加藤健三．蛔管压延【A】．日奉蛱蛔协会．第 23回塑性加工建 台耩演着文集旧 ．北九州：1972 [6] rpxno~es A ．XopxaH~ H C，H}IKynuHAH，M且． a¨日B c y llc“ ⋯ K [J]．"dep~ M y M月，i978，(1)I 109一 l15． [7] 卢于逮，王先进．二辊辩轧穿孔时暇坯断面的变形分布和发展 [J]．盎属学报．1980．16(4)1 47O-479． [8] Wertheimer T B．Thermal 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