摘要： 針對(duì)滾模成形大口徑方形管成形工藝，采用有限元仿真軟件ANSYS/DYNA對(duì)拉拔、推擠和滾軋進(jìn)行仿真和比較分析，揭示各工藝過程的變形特點(diǎn)和作用力變化規(guī)律，為優(yōu)選成型工藝參數(shù)提供了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞: 滾模軋制，大口徑方管，推擠，拉拔，滾軋

1、綜述

方矩形鋼管是用途極廣和最常見的異型鋼管，與其相同截面積的其他非圓鋼管相比，具有重量輕，強(qiáng)度高，抗彎截面模量大，節(jié)省金屬，易于安裝等優(yōu)點(diǎn)，主要用于建筑、醫(yī)療器械、高檔家具、汽車、飛機(jī)、地鐵、造船等行業(yè)[1]。

普通異型鋼管的生產(chǎn)方法為通常采用固定模【2】或滾動(dòng)模。四輥滾模一般用于一次成形薄壁方管，由于四輥滾模具有金屬變形速度差小，變形對(duì)稱，可以用輥?zhàn)又睆絹碚{(diào)整變形區(qū)尺寸，這樣拔出的管子質(zhì)量較好，直度好，工具壽命長，能耗小【3】，所以在厚壁大口徑的方管成形工藝也嘗試采用四輥滾模的結(jié)構(gòu)，但厚管的冷拔由于變形大，變形抗力大，很容易造成失穩(wěn)等缺陷的產(chǎn)生，為防止此類缺陷的生成，必須了解其內(nèi)部的作用力及應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，通過調(diào)整工藝參數(shù)來控制管材的成形形狀以達(dá)到使用要求。

本文的設(shè)計(jì)思路是探求一種直接由大口徑無縫鋼管或直縫焊管采用滾動(dòng)模成形為大口徑方管的工藝方法，并利用大型有限元仿真軟件ANSYS/DYNA對(duì)大口徑方管的滾模拉拔、推擠、滾軋三種工藝方法的仿真和分析比較, 揭示其作用力規(guī)律，為大口徑厚壁方管的生產(chǎn)提供參考，也為后續(xù)的研究打下基礎(chǔ)。

工藝參數(shù)是最重要的參數(shù)，它關(guān)系到成形質(zhì)量，整個(gè)軋線的設(shè)計(jì)。拉拔、推擠和軋制它們各有優(yōu)點(diǎn)，他們的主要區(qū)別在于軋輥的主動(dòng)和被動(dòng)。

若是軋輥為主動(dòng)，各機(jī)架都需要?jiǎng)恿ρb置，減速裝置會(huì)造成成本的大大增加，而且由于鋼管同時(shí)被幾組機(jī)架同時(shí)咬入，若是速度不同的話，輕則會(huì)造成管材的質(zhì)量的下降，重則會(huì)造成管材的拉斷，因此機(jī)架間速度匹配問題，需要一整套控制和檢測設(shè)備，也大大增加成本。另外由于管材是由軋輥的主動(dòng)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦力帶入軋輥，因此摩擦系數(shù)的限制大大降低咬入條件。當(dāng)然軋輥主動(dòng)，可以省去拉拔和推擠工藝中拉力和推力裝置，使得與原有的冷彎或是熱軋線配套變得容易。若是軋輥被動(dòng)能克服上述缺陷，制造成本可以大大降低，但是與原有的冷彎線或熱軋線配套相對(duì)復(fù)雜。

2、模型的建立

2.1 模型參數(shù)的確定：

滾模成形方管模型示意如圖1所示。

圖1 模型示意圖

軋輥的參數(shù)主要有：

軋輥直徑Dg,

軋件的參數(shù)主要有：

材料參數(shù)
軋件的直徑D
軋件的厚度t
模擬軋件的長度L

成形參數(shù)主要有：

單道次的壓下量H，進(jìn)給速度V，
摩擦系數(shù)μ

2.2 有限元模型的建立

模型簡化，如圖2所示：

圖2 有限元模型

1）忽略摩擦生成的熱對(duì)成形過程的影響。
2）材料各相同性。
3）軋輥為剛性體，故只取空心圓柱。
4）由于成形過程具有對(duì)稱性，只取1/4管材研究，以節(jié)省求解時(shí)間，軋輥固定，只允許各自繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。
5）對(duì)于直縫焊管而言，忽略焊縫對(duì)變形過程的影響。

3、拉拔、推擠和滾軋鋼管模擬分析

3.1 模擬參數(shù)的確定：

壓棍直徑Dg：500 。
管材直徑./壁厚/長度(D/t/L)＝200/10/600。
單道次壓下量H:：20 。
壓制速度V：400 mm/s 。
摩擦系數(shù)μ：0.1～0.2 。
材料：普通碳素鋼，
材料的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示，材料參數(shù)來自ANSYS/DYNA的材料庫

圖3 材料的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

有限元模擬用材料：Piecewise Linear(與應(yīng)變率相關(guān)的分段線性塑性材料模型)

分段線性塑性模型是多線性彈塑性材料模型，可輸入與應(yīng)變率相關(guān)的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線。它是一個(gè)非常通用的塑性模型，廣泛用于金屬的塑性加工。采用這個(gè)材料模型也可根據(jù)塑性應(yīng)變來定義失效。

若把材料改為熱軋鋼管，此模型也同樣適用于熱軋成形。

3.2模擬的加載方式

對(duì)于拉拔工藝的加載：在圖2中固定管材的右端面（在圖中靠近軋輥的端面）的軸向位移，給定軋輥向左移動(dòng)800mm。軋輥在移動(dòng)過程中自行轉(zhuǎn)動(dòng)。

對(duì)于推擠工藝的加載：在圖2中固定管材的左端面（在圖中遠(yuǎn)離軋輥的端面）的軸向位移，給定軋輥向左移動(dòng)800mm。軋輥在移動(dòng)過程中自行轉(zhuǎn)動(dòng)。

對(duì)于滾軋工藝的加載：在圖2中固定軋輥軸線，只允許繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，管材移動(dòng)800mm。

3.3 仿真結(jié)果分析

3.3.1變形比較與分析

圖4：鋼管成形后的幾何形狀

3.3.2軸向截面圖

圖5

圖中符號(hào)的意義：圖5中的A截面表示管材由咬入轉(zhuǎn)為穩(wěn)態(tài)過程的開始； B截面表示管材由穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)為終了的成形過程。

軸向截面a，b，c圖中的D,E,F表示從穩(wěn)態(tài)過程截取D,E,F面，對(duì)應(yīng)為圖6中的d，e，f三個(gè)徑向截面圖。

圖6：徑向截面圖

分析：

1）從圖5中的a，b，c三個(gè)軸向截面變形圖可以看出，無論哪種工藝下，在空模滾模壓制大口徑厚方管，均存在不同程度的失穩(wěn)情況，而且這種情況在咬入端尤為嚴(yán)重。

2) 比較圖5中的a，b，c的左端部分，可以看出滾軋截面變形最為嚴(yán)重，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)間長，也就意味著管頭損失大。而拉拔工藝的變形更趨緩和，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)間短，端面失穩(wěn)程度也是三者中最小的。

3) 管材軸向伸長量由于其金屬內(nèi)部軸向流動(dòng)的結(jié)果，若是軸向伸長量大則表示其金屬內(nèi)部軸向流動(dòng)比較順利。通過上圖比較三種工藝的管材軸向伸長量，拉拔過程伸長量最大達(dá)到615mm，推擠過程為605mm，滾軋過程則沒有伸長量。

3.3.4力參數(shù)的比較與分析

3.3.4.1沿管材徑向（即壓下方向）的壓力

該項(xiàng)力是成形過程中最大的作用力，它是滾模的設(shè)計(jì)及相關(guān)機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)中的重要因素。

分析：

1）從圖7中可以看出滾軋過程中軋制力最大達(dá)到760KN，明顯大于其余兩種工藝，從變形斷面來看滾軋的變形和失穩(wěn)程度明顯大于其他的工藝。

圖7：沿軋輥徑向的作用力時(shí)序圖

2）比較圖7中推擠和拉拔工藝下的徑向力，可以看出推擠工藝穩(wěn)態(tài)過程中的徑向力比拉拔穩(wěn)態(tài)過程的徑向力略大，拉拔最大為354KN,而推擠最大為372KN。拉拔過程徑向力的變化率比推擠更緩和，成形效果也較好。

3.3.4.2沿管材軸向的接觸面上的作用力分析

該作用力對(duì)于拉拔工藝而言是拉拔力，對(duì)于推擠而言為推擠力，對(duì)于滾軋來說則是單個(gè)軋輥所需的扭矩。實(shí)際上該力決定了成形過程中的動(dòng)力輸入，是電機(jī)及相關(guān)動(dòng)力裝置的選取的重要參考因素。

說明與分析：

1）如圖8所示滾軋對(duì)應(yīng)的曲線是指單個(gè)軋輥所受的力，滾軋過程最大軸向力為171.2KN，對(duì)應(yīng)最大扭矩42.8KN·m，而總的動(dòng)力輸入則是包含四個(gè)軋輥的驅(qū)動(dòng)扭矩。

圖8：軸向接觸力時(shí)序圖

2）如圖8中拉拔過程軸向力最大為 232.8KN，推擠過程最大軸向力為245.6KN，推擠工藝所需的驅(qū)動(dòng)力要比拉拔的略大。

3)如圖8中的0～0.3s左右拉拔和推擠工藝中軸向力就進(jìn)入穩(wěn)態(tài)成形過程，1.4～1.8s為終了階段，而滾軋過程直到0.6s左右才進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，而且在1.25s左右就過早的進(jìn)入終了階段，這對(duì)成形都具有不利的影響。

3.3.5 變形中凹度的比較與分析

凹度是形狀控制中不希望出現(xiàn)的缺陷，也是形狀控制中考慮的主要因素，通過比較不同的工藝來研究凹度大小，對(duì)于如何選擇好的工藝參數(shù)來優(yōu)化形狀都具有很重要的實(shí)際意義。

對(duì)于變形中凹度的描述，本文中采取如圖9所示方管表面最高點(diǎn)和最凹點(diǎn)之間的距離L1來描述。距離越大，凹度越大。

圖9：L1示意圖

比較和分析：

1) 表1比較三種工藝的穩(wěn)態(tài)段最終凹度的大小，比較不難看出凹度以拉拔最小為4.09mm，其成形的形狀相對(duì)較好。
2）由于采用的是一次成形，壓下量比較大，造成凹度過大，離國家GB/T3094-2000《冷拔異形鋼管》標(biāo)準(zhǔn)相去甚遠(yuǎn)。但是通過后續(xù)的多機(jī)架成形研究，一定可以大大的改善成形形狀。

表1

4、結(jié)論

1.通過對(duì)三種工藝中力參數(shù)的變化、成形形狀的比較，拉拔工藝相對(duì)來說要具有壓制力小，壓制力變化率均勻，成形形狀好等特點(diǎn)，明顯優(yōu)于其他的工藝。

2.盡管三種工藝在成形大口徑厚方管時(shí)都存在凹度過大的缺陷，但是通過模擬可以了解到缺陷的影響參數(shù)，并可以通過進(jìn)一步調(diào)整其他的參數(shù)來優(yōu)化成形形狀，為后續(xù)的研究打下基礎(chǔ)。

3. 通過模擬了解到其內(nèi)部的力參數(shù)變化特性，對(duì)力參數(shù)的分析是機(jī)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核重要參數(shù)，而對(duì)軸向接觸力研究是設(shè)備電機(jī)及相關(guān)動(dòng)力裝置選取所應(yīng)考慮的重要因素。