摘要： 針對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對拉拔、推擠和滾軋進行仿真和比較分析，揭示各工藝過程的變形特點和作用力變化規律，為優選成型工藝參數提供了基礎。
關鍵詞: 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，強度高，抗彎截面模量大，節省金屬，易于安裝等優點，主要用于建筑、醫療器械、高檔家具、汽車、飛機、地鐵、造船等行業[1]。

普通異型鋼管的生產方法為通常采用固定模【2】或滾動模。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，變形對稱，可以用輥子直徑來調整變形區尺寸，這樣拔出的管子質量較好，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構，但厚管的冷拔由于變形大，變形抗力大，很容易造成失穩等缺陷的產生，為防止此類缺陷的生成，必須了解其內部的作用力及應力應變規律，通過調整工藝參數來控制管材的成形形狀以達到使用要求。

本文的設計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, 揭示其作用力規律，為大口徑厚壁方管的生產提供參考，也為后續的研究打下基礎。

工藝參數是最重要的參數，它關系到成形質量，整個軋線的設計。拉拔、推擠和軋制它們各有優點，他們的主要區別在于軋輥的主動和被動。

若是軋輥為主動，各機架都需要動力裝置，減速裝置會造成成本的大大增加，而且由于鋼管同時被幾組機架同時咬入，若是速度不同的話，輕則會造成管材的質量的下降，重則會造成管材的拉斷，因此機架間速度匹配問題，需要一整套控制和檢測設備，也大大增加成本。另外由于管材是由軋輥的主動旋轉產生的摩擦力帶入軋輥，因此摩擦系數的限制大大降低咬入條件。當然軋輥主動，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復雜。

2、模型的建立

2.1 模型參數的確定：

滾模成形方管模型示意如圖1所示。

圖1 模型示意圖

軋輥的參數主要有：

軋輥直徑Dg,

軋件的參數主要有：

材料參數
軋件的直徑D
軋件的厚度t
模擬軋件的長度L

成形參數主要有：

單道次的壓下量H，進給速度V，
摩擦系數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稱性，只取1/4管材研究，以節省求解時間，軋輥固定，只允許各自繞自身軸線轉動。
5）對于直縫焊管而言，忽略焊縫對變形過程的影響。

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μ：0.1～0.2 。
材料：普通碳素鋼，
材料的真實應力應變曲線如圖3所示，材料參數來自ANSYS/DYNA的材料庫

圖3 材料的真實應力-應變曲線

有限元模擬用材料：Piecewise Linear(與應變率相關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，可輸入與應變率相關的真實應力應變曲線。它是一個非常通用的塑性模型，廣泛用于金屬的塑性加工。采用這個材料模型也可根據塑性應變來定義失效。

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800mm。軋輥在移動過程中自行轉動。

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

對于滾軋工藝的加載：在圖2中固定軋輥軸線，只允許繞自身軸線轉動，管材移動800mm。

3.3 仿真結果分析

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

圖中符號的意義：圖5中的A截面表示管材由咬入轉為穩態過程的開始； B截面表示管材由穩態轉為終了的成形過程。

軸向截面a，b，c圖中的D,E,F表示從穩態過程截取D,E,F面，對應為圖6中的d，e，f三個徑向截面圖。

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情況，而且這種情況在咬入端尤為嚴重。

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重，進入穩態時間長，也就意味著管頭損失大。而拉拔工藝的變形更趨緩和，進入穩態時間短，端面失穩程度也是三者中最小的。

3) 管材軸向伸長量由于其金屬內部軸向流動的結果，若是軸向伸長量大則表示其金屬內部軸向流動比較順利。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到615mm，推擠過程為605mm，滾軋過程則沒有伸長量。

3.3.4力參數的比較與分析

3.3.4.1沿管材徑向（即壓下方向）的壓力

該項力是成形過程中最大的作用力，它是滾模的設計及相關機構的強度設計中的重要因素。

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程度明顯大于其他的工藝。

圖7：沿軋輥徑向的作用力時序圖

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態過程中的徑向力比拉拔穩態過程的徑向力略大，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

該作用力對于拉拔工藝而言是拉拔力，對于推擠而言為推擠力，對于滾軋來說則是單個軋輥所需的扭矩。實際上該力決定了成形過程中的動力輸入，是電機及相關動力裝置的選取的重要參考因素。

說明與分析：

1）如圖8所示滾軋對應的曲線是指單個軋輥所受的力，滾軋過程最大軸向力為171.2KN，對應最大扭矩42.8KN·m，而總的動力輸入則是包含四個軋輥的驅動扭矩。

圖8：軸向接觸力時序圖

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，推擠工藝所需的驅動力要比拉拔的略大。

3)如圖8中的0～0.3s左右拉拔和推擠工藝中軸向力就進入穩態成形過程，1.4～1.8s為終了階段，而滾軋過程直到0.6s左右才進入穩態，而且在1.25s左右就過早的進入終了階段，這對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，對于如何選擇好的工藝參數來優化形狀都具有很重要的實際意義。

對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和最凹點之間的距離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比較三種工藝的穩態段最終凹度的大小，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》標準相去甚遠。但是通過后續的多機架成形研究，一定可以大大的改善成形形狀。

表1

4、結論

1.通過對三種工藝中力參數的變化、成形形狀的比較，拉拔工藝相對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，明顯優于其他的工藝。

2.盡管三種工藝在成形大口徑厚方管時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，并可以通過進一步調整其他的參數來優化成形形狀，為后續的研究打下基礎。

3. 通過模擬了解到其內部的力參數變化特性，對力參數的分析是機器的結構設計和強度校核重要參數，而對軸向接觸力研究是設備電機及相關動力裝置選取所應考慮的重要因素。