CN111159952A - 一种减轻棒线材粗轧褶皱的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种减轻棒线材粗轧褶皱的方法，将有限元模拟与实际轧制工艺有机结合起来，提出将韧性损伤准则作为褶皱产生的判定标准，以损伤单元的数目来分析褶皱变化趋势，进而通过优化孔型宽度、孔型圆角、摩擦系数以及轧制温度等工艺参数来抑制褶皱缺陷产生。本方法具有提高轧件表面质量和生产效率、降低生产成本等优点。
Description
技术领域
本发明涉及塑性加工技术领域，特别是涉及一种减轻棒线材粗轧褶皱的方法。
背景技术
棒线材是由热连轧工艺生产的，广泛用于机械加工、建筑、家电等行业。粗轧常采用的孔型***为箱-箱-椭圆-圆-椭圆-圆。为了提高生产效率、节约轧辊及轧制能耗，一些钢厂对孔型***进行了改进，仅将前两架轧机孔型改为平辊进行轧制。然而，却发现经粗轧后轧件出现了表面褶皱缺陷。如今激烈的市场竞争对棒线材表面质量提出了更高的要求，因此有必要改善轧件表面质量。
褶皱是一种常见的表面缺陷，隐藏在轧件表面氧化铁皮下，其形貌表现为沿轧向呈条带状或簇状分布，它会在后续深加工过程中转变为致命缺陷，从而导致产品失效。产生褶皱的主要原因在于轧件角部温度温降大且承受着巨大的变形。在实际操作中，一般利用试错法调整工艺参数，但这高度依赖于人工的经验水平，具有极大的不确定性，同时也耗时耗力，严重制约了产品质量的提升。如今，随着计算机技术及数值模拟的快速发展，有限元方法在处理复杂变形问题时展现出了无可比拟的优势。本发明是将有限元方法与实际轧制工艺结合起来，提出将韧性损伤准则作为褶皱产生的判定标准，以损伤单元的数目来分析褶皱变化趋势，通过优化工艺参数来抑制褶皱缺陷产生，提升棒线材表面质量。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种减轻棒线材粗轧褶皱的方法。
本发明所采用的方法包括以下步骤：
1)针对轧件进行热压缩试验，获得所述轧件在不同变形温度与应变速率下的真应力-真应变曲线，采用拟合方法获得本构方程参数；
2)针对粗轧工艺，以所述步骤1获得的本构方程为基础，利用有限元软件建立三维热力耦合实体模型；
所述三维热力耦合实体模型的建立包括：
2.1)所述轧件及其边界条件具有对称性，采用1/2或1/4模型进行建模，
2.2)采用任意拉格朗日-欧拉方程对轧件角部进行局部网格加密，保证变形过程中网格质量，
2.3)所述轧辊为刚体；轧件为变形体，采用热力耦合单元进行网格划分，
2.4)设定轧辊与轧件间接触传热系数、轧件热辐射系数以及塑性变形功与热能之间的转换系数，
2.5)轧辊与轧件采用面-面接触类型，采用库伦摩擦定律进行定义，
2.6)利用预定义场的方式对轧件施加一个初速度，
2.7)为实现连轧工艺，对轧辊施加与现场相一致的角速度，
3)将模拟与实际中各机架出口轧件尺寸或轧制力作对比，若各机架出口轧件尺寸或轧制力的模拟仿真结果与实际相吻合，则验证了粗轧有限元模型的可靠性；如发现两者差别较大，则返回步骤2重新建模、调试，直至模型满足要求。
4)将韧性损伤准则作为褶皱产生的判定标准，以损伤单元的数目来分析褶皱变化趋势，通过改变孔型宽度、孔型圆角、摩擦系数以及轧制温度工艺参数研究其对损伤单元数目的影响，进而获得最优的工艺参数，提升轧件表面质量。
5)工业化试验验证：优化工艺参数前后，轧件表面质量对比。
进一步地，所述热压缩试验采用Gleeble热模拟试验机；
进一步地，所述本构方程采用考虑温度、应变与应变速率耦合影响的本构模型，如Johnson-Cook模型、Zerilli-Armstrong模型等；
进一步地，所述三维热力耦合实体模型包括材料模型、传热模型、边界模型、摩擦模型及网格划分；
进一步地，所述变形温度设定为在500-1500℃范围内；
进一步地，所述应变速率设置为在0.01S-1-10S-1范围内；
进一步地，所述三维热力耦合实体模型利用Abaqus/Explicit有限元软件建立。
进一步地，所述轧辊与轧件间接触热传热系数为5-35kW/(m2·℃)，设定轧件热辐射系数为5-50W/(m2·℃)，设定塑性变形功与热能之间的转换系数为0.7-0.9；
进一步地，所述轧辊与轧件采用面-面接触类型，采用库伦摩擦定律进行定义，摩擦系数为0.2-0.5；
进一步地，所述韧性损伤准则将断裂发生时的等效塑性应变εDp视作应力三轴度η和等效塑性应变速率
的函数
则某一单元的损伤值D可表示为：
当某一单元的损伤值D≥C0时，则认定这一单元发生了损伤；
所述C0是根据棒线材待加工精度的实际需要进行确定的。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)利用有限元模拟与试验相结合的方式，将韧性损伤准则作为褶皱产生的判定标准，获得轧件角部的变形情况，包括应力、应变、温度及损伤分布与变化规律，以损伤单元的数目来分析褶皱变化趋势；
(2)进而对孔型宽度、孔型圆角、摩擦系数以及轧制温度等工艺参数进行相应的调整，抑制褶皱缺陷的产生，提升表面质量；
(3)相比经验法，本发明能够为轧制工艺参数改进提供依据，具有提高轧件表面质量和生产效率、降低生产成本等优点；
(4)降低了对人工经验水平的依赖性；
(5)相比经验法，本发明能够快速模拟不同状况下的轧件损伤数量及损伤程度，操作人员可以简单直观的对工艺参数进行调整，且损伤率大大降低。
附图说明
图1为粗轧有限元模型；
图2为粗轧各机架出口形状尺寸比较；
图3为试验与模拟中第3架出口形状对比：(a)顶面；(b)侧面；
图4为轧制过程中损伤分布图；
图5为单一工艺参数变化时损伤单元数目的变化趋势；
图6为优化工艺参数前后，轧件表面质量对比；
图7增大孔型宽度对褶皱深度的影响；
图8减轻棒线材粗轧褶皱的方法的流程图；
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”，“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
实施例1
1.试验材料选用焊丝钢ER70S-6，在Gleeble 3500热模拟试验机上进行压缩试验。具体步骤为：首先以10℃/s的加热速度加热至1200℃保温3min，完成奥氏体化，然后以10℃/s的冷却速度至变形温度并保温1min，变形温度分别为900℃、1000℃、1100℃、1200℃；应变速率分别为0.01S-1、0.1S-1、1S-1、10S-1。从而获得了该材料在不同温度及应变速率时的真应力-真应变曲线，采用Johnson-Cook本构模型对其进行拟合，最终确定了其本构参数，可表示为：
其中，
为等效应变速率；
为等效应力；T为温度；
2.利用Abaqus/Explicit有限元软件建立三维热力耦合实体模型，见图1。
2.1依据轧件及边界条件具有对称性，采用1/4模型进行建模，减少计算时间。
2.2鉴于轧件角部变形剧烈，采用任意拉格朗日-欧拉技术，并对轧件角部进行局部网格加密，保证变形过程中网格质量。
2.3轧件为变形体，采用热力耦合单元C3D8RT进行网格划分；为了提高计算效率，将轧辊设为解析刚体。
2.4设定轧辊与轧件间接触传热系数为15kW/(m2·℃)，设定轧件热辐射系数为20W/(m2·℃)，设定塑性变形功与热能之间的转换系数为0.9。
2.5轧辊与轧件采用面-面接触类型，采用库伦摩擦定律进行定义，摩擦系数为0.3。
2.6为了实现轧件稳定咬入，利用预定义场的方式对轧件施加一个初速度0.8m/s。
2.7为实现连轧工艺，对轧辊施加与现场相一致的角速度，第1-6架轧机角速度分别为：0.415rad/s、0.526rad/s、0.678rad/s、1.188rad/s、1.531rad/s、2.117rad/s。
3.对比试验与模拟中各机架出口轧件尺寸，验证粗轧有限元模型的可靠性(见图2)。比较试验与模拟中第三架出口轧件，其中模拟结果中轧件高度与宽度分别为84mm、154mm(见图3)；试验中轧件高度与宽度分别为84.5±1mm、155±1mm。
4.将韧性损伤准则作为褶皱产生的判定标准，以损伤单元的数目来分析褶皱变化趋势。初始孔型宽度、孔型圆角半径、摩擦系数以及轧制温度等工艺参数分别设定为160mm、30mm、0.3、1120℃。通过有限元模拟，获得了轧制过程中损伤分布图，如图4所示，从中可以直观的看出轧件不同区域的损伤程度，同时还可以利用软件统计出损伤单元数量。在上述模拟的基础上，改变各参数的数值(其中孔型宽度分别取160、162、164mm；孔型圆角半径R分别取25、30、35mm；摩擦系数分别取0.27、0.3、0.33；轧制温度分别取1090、1120、1150℃)，依据正交试验法进行有限元模拟，从后处理中获得轧件损伤分布情况，设定褶皱发生的损伤临界值，如此值设为0.5，即某单元损伤值达到0.5，则被认为此处产生褶皱，该损伤临界值可以根据实际情况进行调整，统计各参数组合时达到损伤临界值的单元数目，以此作为褶皱程度评价标准，由此得到适合实际轧制的工艺参数。
在此，采用单因素分析法来研究某一工艺参数变化时损伤单元数目的变化趋势。图5给出了单一工艺参数改变对损伤单元数目的影响。可见，当增加孔型宽度、减小圆角半径、降低摩擦系数、提高轧制温度时，损伤单元总数目均会减少，这将有助于减轻粗轧褶皱程度。
5.工业化试验验证：优化工艺参数前后，轧件表面质量对比，如图6所示。在这里，以孔型宽度因素举例说明，图7所示为增大孔型宽度对褶皱深度的影响趋势。沿圆周对褶皱深度进行测量，取褶皱深度最大的10个数值进行比较，当孔型宽度由162mm增大至164mm时，褶皱的平均深度由155.2μm减小到79.6μm。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各科研领域测试数据的分析处理，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。
Claims (10)
1.一种减轻棒线材粗轧褶皱的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)针对轧件进行热压缩试验，获得所述轧件在不同变形温度与应变速率下的真应力-真应变曲线，采用拟合方法获得本构方程参数；
2)针对粗轧工艺，利用有限元软件建立三维热力耦合实体模型；
所述三维热力耦合实体模型的建立包括：
2.1)所述轧件及其边界条件具有对称性，采用1/2或1/4模型进行建模，
2.2)采用任意拉格朗日-欧拉方程对轧件角部进行局部网格加密，保证变形过程中网格质量，
2.3)所述轧辊为刚体；轧件为变形体，采用热力耦合单元进行网格划分，
2.4)设定轧辊与轧件间接触传热系数、轧件热辐射系数以及塑性变形功与热能之间的转换系数，
2.5)轧辊与轧件采用面-面接触类型，采用库伦摩擦定律进行定义，
2.6)利用预定义场的方式对轧件施加一个初速度，
2.7)为实现连轧工艺，对轧辊施加与现场相一致的角速度，
3)将模拟与实际中各机架出口轧件尺寸或轧制力作对比，若各机架出口轧件尺寸或轧制力的模拟仿真结果与实际相吻合，则验证了粗轧有限元模型的可靠性；如发现两者差别较大，则返回步骤2重新建模、调试，直至模型满足要求。
4)将韧性损伤准则作为褶皱产生的判定标准，以损伤单元的数目来分析褶皱变化趋势，通过改变孔型宽度、孔型圆角、摩擦系数以及轧制温度工艺参数研究其对损伤单元数目的影响，进而获得最优的工艺参数，提升轧件表面质量。
5)工业化试验验证：优化工艺参数前后，轧件表面质量对比。
2.如权利要求1所述的减轻棒线材粗轧褶皱的方法，其特征在于，所述热压缩试验采用Gleeble热模拟试验机。
3.如权利要求1所述的减轻棒线材粗轧褶皱的方法，其特征在于，所述本构方程采用考虑温度、应变与应变速率耦合影响的本构模型。
4.如权利要求1所述的减轻棒线材粗轧褶皱的方法，其特征在于，所述三维热力耦合实体模型包括材料模型、传热模型、边界模型、摩擦模型及网格划分。
5.如权利要求1所述的减轻棒线材粗轧褶皱的方法，其特征在于，所述变形温度设定为在500-1500℃范围内。
6.如权利要求1所述的减轻棒线材粗轧褶皱的方法，其特征在于，所述三维热力耦合实体模型利用Abaqus/Explicit有限元软件建立。
7.如权利要求1所述的减轻棒线材粗轧褶皱的方法，其特征在于，所述轧辊与轧件间接触热传热系数为15kW/(m2·℃)，设定轧件热辐射系数为20W/(m2·℃)，设定塑性变形功与热能之间的转换系数为0.7-0.9。
8.如权利要求1所述的减轻棒线材粗轧褶皱的方法，其特征在于，所述应变速率设置在为0.01S-1-10S-1范围内。
9.如权利要求1所述的减轻棒线材粗轧褶皱的方法，其特征在于，所述轧辊与轧件采用面-面接触类型，采用库伦摩擦定律进行定义，摩擦系数为0.2-0.5。
10.如权利要求1所述的减轻棒线材粗轧褶皱的方法，其特征在于，所述韧性损伤准则将断裂发生时的等效塑性应变
视作应力三轴度η和等效塑性应变速率
的函数
则某一单元的损伤值D可表示为：
当某一单元的损伤值D≥C0时，则认定这一单元发生了损伤。
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| CN109241619A (zh) * | 2018-09-04 | 2019-01-18 | 德州职业技术学院（德州市技师学院） | 3d模拟软件优化铝硅合金热轧工艺的方法 |
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