大口径方管滚模成形工艺的仿真分析

摘要： 针对滚模成形大口径方形管成形工艺，采用有限元仿真软件ANSYS/DYNA对拉拔、推挤和滚轧进行仿真和比较分析，揭示各工艺过程的变形特点和作用力变化规律，为优选成型工艺参数提供了基础。
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μ

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：400 mm/s 。
摩擦系数μ：0.1～0.2 。
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，给定轧辊向左移动800mm。轧辊在移动过程中自行转动。

对于推挤工艺的加载：在图2中固定管材的左端面（在图中远离轧辊的端面）的轴向位移，给定轧辊向左移动800mm。轧辊在移动过程中自行转动。

对于滚轧工艺的加载：在图2中固定轧辊轴线，只允许绕自身轴线转动，管材移动800mm。

3.3 仿真结果分析

3.3.1变形比较与分析

图4：钢管成形后的几何形状

3.3.2轴向截面图

图5

图中符号的意义：图5中的A截面表示管材由咬入转为稳态过程的开始； B截面表示管材由稳态转为终了的成形过程。

轴向截面a，b，c图中的D,E,F表示从稳态过程截取D,E,F面，对应为图6中的d，e，f三个径向截面图。

图6：径向截面图

分析：

1）从图5中的a，b，c三个轴向截面变形图可以看出，无论哪种工艺下，在空模滚模压制大口径厚方管，均存在不同程度的失稳情况，而且这种情况在咬入端尤为严重。

2) 比较图5中的a，b，c的左端部分，可以看出滚轧截面变形最为严重，进入稳态时间长，也就意味着管头损失大。而拉拔工艺的变形更趋缓和，进入稳态时间短，端面失稳程度也是三者中最小的。

3) 管材轴向伸长量由于其金属内部轴向流动的结果，若是轴向伸长量大则表示其金属内部轴向流动比较顺利。通过上图比较三种工艺的管材轴向伸长量，拉拔过程伸长量最大达到615mm，推挤过程为605mm，滚轧过程则没有伸长量。

3.3.4力参数的比较与分析

3.3.4.1沿管材径向（即压下方向）的压力

该项力是成形过程中最大的作用力，它是滚模的设计及相关机构的强度设计中的重要因素。

分析：

1）从图7中可以看出滚轧过程中轧制力最大达到760KN，明显大于其余两种工艺，从变形断面来看滚轧的变形和失稳程度明显大于其他的工艺。

图7：沿轧辊径向的作用力时序图

2）比较图7中推挤和拉拔工艺下的径向力，可以看出推挤工艺稳态过程中的径向力比拉拔稳态过程的径向力略大，拉拔最大为354KN,而推挤最大为372KN。拉拔过程径向力的变化率比推挤更缓和，成形效果也较好。

3.3.4.2沿管材轴向的接触面上的作用力分析

该作用力对于拉拔工艺而言是拉拔力，对于推挤而言为推挤力，对于滚轧来说则是单个轧辊所需的扭矩。实际上该力决定了成形过程中的动力输入，是电机及相关动力装置的选取的重要参考因素。

说明与分析：

1）如图8所示滚轧对应的曲线是指单个轧辊所受的力，滚轧过程最大轴向力为171.2KN，对应最大扭矩42.8KN·m，而总的动力输入则是包含四个轧辊的驱动扭矩。

图8：轴向接触力时序图

2）如图8中拉拔过程轴向力最大为 232.8KN，推挤过程最大轴向力为245.6KN，推挤工艺所需的驱动力要比拉拔的略大。

3)如图8中的0～0.3s左右拉拔和推挤工艺中轴向力就进入稳态成形过程，1.4～1.8s为终了阶段，而滚轧过程直到0.6s左右才进入稳态，而且在1.25s左右就过早的进入终了阶段，这对成形都具有不利的影响。

3.3.5 变形中凹度的比较与分析

凹度是形状控制中不希望出现的缺陷，也是形状控制中考虑的主要因素，通过比较不同的工艺来研究凹度大小，对于如何选择好的工艺参数来优化形状都具有很重要的实际意义。

对于变形中凹度的描述，本文中采取如图9所示方管表面最高点和最凹点之间的距离L1来描述。距离越大，凹度越大。

图9：L1示意图

比较和分析：

1) 表1比较三种工艺的稳态段最终凹度的大小，比较不难看出凹度以拉拔最小为4.09mm，其成形的形状相对较好。
2）由于采用的是一次成形，压下量比较大，造成凹度过大，离国家GB/T3094-2000《冷拔异形钢管》标准相去甚远。但是通过后续的多机架成形研究，一定可以大大的改善成形形状。

表1

4、结论

1.通过对三种工艺中力参数的变化、成形形状的比较，拉拔工艺相对来说要具有压制力小，压制力变化率均匀，成形形状好等特点，明显优于其他的工艺。

2.尽管三种工艺在成形大口径厚方管时都存在凹度过大的缺陷，但是通过模拟可以了解到缺陷的影响参数，并可以通过进一步调整其他的参数来优化成形形状，为后续的研究打下基础。

3. 通过模拟了解到其内部的力参数变化特性，对力参数的分析是机器的结构设计和强度校核重要参数，而对轴向接触力研究是设备电机及相关动力装置选取所应考虑的重要因素。