辊弯生产方矩形管是通过顺序配置的多道次具有特定轮廓型面的成型轧辊, 以圆管作坯料, 经过几架集中传动的二辊或四辊机架逐渐弯曲变形而成方矩形管。本文研究四辊辊弯生产方矩形管的辊弯过程, 图1为某厂四辊轧制机组的现场轧制照片。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 现场轧制照片Fig.1 Rolling scene photo

表1为四辊辊弯180 mm× 100 mm× 8 mm方矩形管轧制工艺及轧辊参数。根据现场的工艺参数, 可以得到轧辊轮廓曲线的变化过程, 如图2(a)所示, 从图中可以看出:第一道次起咬入作用, 后两道次起精成型作用。四辊轧机的轧辊几何简图如图2(b)所示, 可以看出辊缝开在角部成形处。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 轧制工艺参数 Table 1 Process parameters of roll forming 参数 机架号 1 2 3 4 5 6 7 长边/(° ) 93.1 128.2 203.9 356 824.6 2763 - 短边/(° ) 93.8 130.9 208.5 361.8 831.4 2770 - 弯角/(° ) 65.8 41.3 30.8 26.2 23.6 22.5 22 平辊半径 /mm 157 157.5 158 159 159.5 160 160.5 压下量/% 5 26 24 17 13 7 3 转速 /(r· min-1) 5 5 5 5 5 5 5

表1 轧制工艺参数 Table 1 Process parameters of roll forming

根据现场轧制工艺得到的轧辊参数及方矩形管轧制的特点, 对仿真模型进行1/4对称简化, 对称边界条件由对称面上的节点速度来确定, 在对称面法线方向上的速度为零。假定母管横向和纵向壁厚均匀, 轧件视作变形体, 轧辊视作刚性体。轧辊分为平辊和立辊, 平辊为驱动辊, 立辊为从动辊, 从动辊需要建立两个辅助节点, 一个为主控辅助节点, 一个为旋转控制辅助节点。旋转控制辅助节点控制为从动, 初始辊速为0, 靠管坯带动其转动与实际情况相符。管坯后加后推板, 后推板给管坯一个力实现管坯的顺利咬入。咬入后, 让后推板与管坯分离, 实现管坯的稳定轧制, 有限元模型如图3所示。采用八节点单元建立描述管坯的有限元网格, 网格划分时沿钢管半径方向分为两层, 圆周方向分为40段, 共123个节点, 管坯长1000 mm, 分为200段。管坯材料选用Marc材料库中的C₂₂, 它的材料特性与我国20钢材料特性一致。管坯和轧辊之间采用库伦摩擦模型, 摩擦因数取0.3。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 几何模型Fig.2 Geometric model

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 有限元仿真模型Fig.3 FEM model

在管坯纵向上离端头50 mm位置取点A, 管坯中点取点B, 离尾端50 mm位置取点C, 稳定段A-C, 如图4(a)所示。在管坯的横截面上外层的节点位置分布如图4(b)所示。图中1号位置到20号位置为驱动辊辊弯的长边, 20号位置到30号位置为辊缝处的角部, 30号位置到40号位置为从动辊辊弯的短边。从动辊辊弯方向为 方向, 驱动辊辊弯方向为 方向, 辊弯轧制方向为 方向。

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 节点选择分布图Fig.4 Positions of points selected

管坯在 向的延伸系数可以反映矩形管成型过程中金属在 向的流动情况。在本模型中设稳定段 (见图4)的延伸系数为 如下式所示:

式中: 分别为 段辊弯轧制前和辊弯轧制后的长度。

轧制前在坯料圆管的中间稳定段绘制400 mm长的等距线, 如图5(a)所示, 管坯经过辊弯轧制后 向上有一定的延伸, 测量其轧后长度如图5(b)所示。分别对图4(b)中1、10、20、30、40号节点附近位置的延伸量进行了大量的实测, 通过测得的平均数据和式(1)可以得到实际辊弯轧制后管坯 向上的延伸系数分布情况。将实测值与仿真值进行对比, 如图6所示。从图中可以看出:仿真计算得到的延伸系数分布规律与实际测得的延伸系数分布规律基本一致。

图5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 现场测量照片Fig.5 Field measurements photos

图6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 仿真计算和现场测量对比Fig.6 Simulation calculation and contrast

图7

Fig.7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图7 B点横截面上节点的X向位移Fig.7 X-direction displacement of the node in the cross section of B

图7为辊弯仿真计算结果稳定段 点处横截面外层各节点从第一架到第七架 向位移分布图。从图中可以看出:在驱动辊弯面上的0到10号节点位置附近位移量为负。这是由于在辊弯过程中, 长边处的金属会向角部流动, 角部外层由于处于拉伸状态, 金属会向长边处流动, 引起金属对流导致的结果。

图8为辊弯仿真计算结果稳定段 点处横截面外层各节点从第一架到第七架 方向位移分布图。从图中可以看出:从25号节点到40号节点位移量为负, 在整个辊弯过程中, 从动辊辊弯曲面变形时金属向角部的流动能力要小于驱动辊, 导致纵向上延伸的不均匀。

图8

Fig.8

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图8 B点横截面上节点的Y向位移Fig.8 Y-direction displacement of the node in the cross section of B

图9为辊弯仿真计算结果稳定段 点横截面外层各节点的 方向位移量对比图。从图中可以看出:在辊弯轧制方矩形管时, 纵向前段的位移比后边的位移大, 说明在整个辊弯轧制过程中纵向上有一定的延伸, 且延伸量是不一致的, 该结论与现场轧制实测情况一致。

图9

Fig.9

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图9 A、B、C点处横截面上节点的Z向位移Fig.9 Z-direction displacement of the node in the cross section of A、B、C

图10为辊弯轧制成型时七机架间稳定段延伸系数的分布规律。从图中可以看出:随着压下量的增大, 纵向上延伸系数逐渐增大, 在驱动辊辊弯面上延伸系数最小, 从动辊辊弯面上延伸系数最大, 角部次之。

图10

Fig.10

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图10 延伸系数分布规律Fig.10 Distribution of longitudinal extension coefficient

只改变轧辊的转速, 保持其他轧制工艺参数不变, 其延伸系数变化规律分布如图11所示。从图中可以看出:随着轧辊转速的变大, 驱动辊辊弯面上的延伸系数逐渐变大, 而从动辊辊弯面上的延伸系数在轧辊的转速高于5 r/min后变化范围较小。

图11

Fig.11

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图11 不同轧速下纵向延伸系数分布图Fig.11 Distribution of longitudinal extension coefficient at different rolling speed

保持其他工艺参数不变, 改变机架前后轧辊的直径建立位置如图12所示。仿真计算后的延伸系数分布规律如图13所示。从图中可以看出:不同部位建立轧辊辊径对延伸系数有一定的影响, 辊底建立辊径工艺下的延伸系数变化比较平缓。

图12

Fig.12

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图12 在不同位置建立辊径的示意图Fig.12 Schematic diagram of roll diameter established at different locations

图13

Fig.13

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图13 在不同位置建立辊径的纵向延伸系数分布图Fig.13 Distribution of longitudinal extension coefficient at different locations to establish roll diameter

只改变管坯的壁厚, 保持其他轧制工艺参数不变, 纵向延伸系数的分布规律如图14所示。从图中可以看出:随着壁厚的增加, 辊弯轧制后管坯纵向延伸系数逐渐增大。

图14

Fig.14

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图14 不同壁厚下纵向延伸系数分布图Fig.14 Distribution of longitudinal extension coefficientwith different wall thickness