大口径方管滚模成形工艺的仿真分析.doc
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4、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
5、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
6、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
7、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 2.2 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:40
8、0 mm/s 。 摩擦系数:0.10.2 。 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:Piecewise Linear(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
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