軋輥半徑對熱軋帶件變形影響的有限元分析

1、軋輥半徑對軋制1、前言對組織影響的研究卻軋輥半徑對軋制1、前言對組織影響的研究卻軋輥半徑對熱軋帶材軋件變形影響的有限元分析羅德興陳其安劉立文摘 要：采用三維大變形熱一力耦合有限元法分析了熱軋板帶時不同軋輥 半徑對變形區(qū)內(nèi)軋件變形的影響。得到了不同軋輥半徑下變形區(qū)內(nèi)等效應(yīng)變、 剪切應(yīng)變和應(yīng)變能量密度的分布規(guī)律。結(jié)果表明在其他條件相同的情況下， 軋輥半徑越大，變形區(qū)內(nèi)的變形也越大。該結(jié)果對組織細(xì)化具有一定的指導(dǎo) 意義。關(guān)鍵詞：軋輻半徑變形有限元法L制變形勺影響，并進(jìn)而 獻(xiàn)有所提及,更深入的研究還不多見,但軋輥 半徑對變形的影響有可能起到特殊的作用。軋輥半徑會影響變形區(qū)形狀，而變形 區(qū)形狀一般認(rèn)為可

2、以影響附加剪切變形，但目前這部分的機(jī)理還不太明確本文 采用MARC有限元軟件,應(yīng)用大變形彈塑性熱一力耦合有限元法對熱軋板帶時軋 件在不同軋輥半徑下的變形進(jìn)行分析，以揭示軋輥半徑對軋件變形影響的機(jī)理。2、有限元模型和計算條件將 300 x300的二輥熱軋機(jī)，軋輥周速為0.3m/s作為變形工具。軋件尺寸是30mmx60mmx60mm，由于軋件的實際模型在寬度方向?qū)ΨQ，所以B =B/2=30mm。如fig.1圖所示，圖示幾何模型被分為8000個小單元，每個單元的真實尺寸是1.5mmx3mmx1.5mm,切分后共有9471個節(jié)點，變形的實際情況可以分散在這種小 單元用這些小單元來進(jìn)行描述。3、計算條件

3、保持軋件尺寸、變形量X變形速率X不變，通過改變軋輥半徑R來研究軋件變形 的情況，選擇4種軋輥半徑，及即150 135 125 110mm，以30%變形量分別軋制 相同規(guī)格的軋件，軋件材質(zhì)為16Mn，化學(xué)成分為（%）： C 0.16 SI 0.39 Mn 1.38 S 0.025 P 0.018其屈服應(yīng)力與變形量X變形速率X變形溫度T有關(guān)，可通過實 驗的方法得到屈服模型。采用三維熱力耦合原理模擬，模擬必須的初始條件、邊 界條件以及其他相關(guān)計算條件見表一。表1計算條件T able 1 Co nditio n o f ca Icula te參數(shù)名稱數(shù)值及數(shù)學(xué)模型軋輥轉(zhuǎn)速/rs-1 熱平衡時溫度c/

4、摩擦系數(shù)2、2. 1、2. 23 2. 33分別為4種輥徑下的轉(zhuǎn)速2000. 3軋件屈服模型3 /M Paes= 10exp( 4. 268 9- 0. 001 6 T) Xo. 3668- o. 000299T.23(0. 571 5+ 2. 179 2 X- 3. 6203X+2. 159 5 X)軋件彈性模量4 /M Pa 軋件泊松比功熱轉(zhuǎn)換系數(shù)【5軋件初始溫度c/環(huán)境溫度c/E= 221.854- 0. 018 29 T- 0. 000 118 6 T20. 30. 9 1 10025軋件與環(huán)境綜合換熱系數(shù)6/N（sm mc ）-10. 17接觸傳熱系數(shù)/N（sm mC ）- 1摩擦類

5、型20用于軋制的庫侖摩擦3模擬結(jié)果分析3. 1軋輥半徑對等效塑性應(yīng)變的影響從變形區(qū)內(nèi)任選一個橫截面，在不同軋輥半徑圖2為不同軋輥半徑下，在相同軋制時間里變下皆以同一截面為對象，考察變形情況。形區(qū)內(nèi)等效塑性應(yīng)變等值線的分布情況。從圖2中（圖二）可以很直觀地看出軋輥半徑越大，整個變形區(qū)內(nèi)的等效應(yīng)變也越大。為更深入 地分析其規(guī)律性，以下以變形區(qū)內(nèi)相同橫截面的等效塑性應(yīng)變分布情況作仔細(xì)討 論。圖3為采用不同軋輥半徑模擬軋制到225步（即軋制時間0. 225 s）時，相 同截面內(nèi)節(jié)點的等效塑性應(yīng)變沿厚度方向分布情況。從圖3中可以看出軋輥半 徑R越大，相同截面內(nèi)的等效塑性應(yīng)變也越大。也就是說，在相同的軋件

6、尺寸 和變形量下，采用大直徑軋輥軋制時，變形區(qū)內(nèi)厚向等效塑性應(yīng)變要比小直徑軋 輥軋制時大。圖4為在不同軋輥半徑軋制下，相同截面內(nèi)中心節(jié)點和表層節(jié)點的等效塑性 應(yīng)變在變形區(qū)內(nèi)隨時間步的變化情況。從圖4中可以看出，無論是表層節(jié)點還 是中心節(jié)點，在變形區(qū)內(nèi)的整個軋制持續(xù)過程中，它們的等效塑性應(yīng)變都隨軋輥 半徑的增大而增大，但表層節(jié)點增大的幅度比中心層節(jié)點增大的幅度要小。而 且還可以看到中心層和表層等效應(yīng)變在軋制進(jìn)行到某一時刻時相等，該等效應(yīng) 變相等的區(qū)域作者稱之為“過渡區(qū)”，也可以說“過渡區(qū)”是表層和中心層的 等效應(yīng)變隨軋制過程延續(xù)而增大的速率不一致所形成的交叉區(qū)。在“過渡區(qū)” 之前表層等效應(yīng)變大于

7、中心層等效應(yīng)變，在“過渡區(qū)”之后中心層等效應(yīng)變逐漸 過渡到大于表層等效應(yīng)變，在“過渡區(qū)”里等效應(yīng)變幾乎相等，可以認(rèn)為變形 均勻。從圖4中還可以看出，隨著軋輥半徑的減小，“過渡區(qū)”向變形區(qū)的出口方 向偏移。可以分析，“過渡區(qū)”越靠近變形區(qū)的出口側(cè)，中心部位的應(yīng)變得到 增大的時間就越短，則中心部位的變形就不能足夠“深透”（注：此處變形“深 透”的概念是指變形程度的相對大?。?。這可以說明軋輥半徑越大，越有利于變 形區(qū)中心部位的變形“深透”。從以上分析可以得出，軋輥半徑對等效塑性應(yīng)變的影響，無論是在變形區(qū)的 厚度方向上，還是在軋制延續(xù)的過程中，都表現(xiàn)為軋輥半徑越大，等效塑性應(yīng) 變也越大。而且，軋輥半徑

8、越大，越有利于變形區(qū)中心部位的變形“深透”。4、軋輻半徑對剪切應(yīng)變的影響 采用不同軋輥半徑模擬軋制到225步（即軋制時間0. 225 s）時，任意選擇的 相同橫截面內(nèi)節(jié)點的剪切應(yīng)變沿厚度方向分布情況如圖5所示。從圖5中可 以看出在4種軋輥半徑下軋制，截面內(nèi)的剪切應(yīng)變隨軋輥半徑的增大而大，這 表明在相同條件下，大的軋輥半徑可以增加變形區(qū)內(nèi)軋件的剪切變形。文獻(xiàn)2 認(rèn)為增大剪切變形有利于組織的細(xì)化，因此采用大的輥徑軋制，有可能得到較細(xì) 的組織。5、軋輻半徑對塑性應(yīng)變能量密度的影響隨著軋輥半徑的增大，表層節(jié)點在通過變形區(qū)的時圖6為在不同軋輥半徑下相 同截面內(nèi)節(jié)點的塑間內(nèi)，其塑性應(yīng)變能量密度也增大。性應(yīng)

9、變能量密度沿厚度方向分布情況。從圖6中可以看出，與等效塑性應(yīng)變情 況相似，軋輥R半徑越大，相同截面內(nèi)的塑性應(yīng)變能量密度也越大。也即，在 相同的軋件尺寸和變形量下，采用大直徑軋輥軋制時，變形區(qū)內(nèi)厚向塑性應(yīng)變能 量密度要比小直徑軋輥軋制時大。也可以說在其他條件相同的情況下，軋輥半徑 越大，軋制所需要的總能耗越大，這一點與實際生產(chǎn)過程相符合。另外從圖6中還可以看到，不同的軋輥半徑下，表層3個節(jié)點的塑性應(yīng)變能 量密度差別不大，中心層的節(jié)點差別較大。這是因為軋制能量在表層能得到0充 分傳遞，因而受軋輥半徑的影響較小，而能量傳遞到中心層的多少則與變形區(qū) 的長度有關(guān)，即與軋輥半徑有關(guān)。軋輥半徑越大變形區(qū)長度

10、越大，傳遞到中心 的能量就越大。中心的能量越大，它的變形就越深透，從這一點也可以解釋變形 “深透”的問題。圖七為不同軋輥半徑下相同截面內(nèi)表層節(jié)點的塑性應(yīng)變能量密度隨時間同步 的變化情況，可以看出隨著軋輥半徑的增大，表層節(jié)點在通過變形區(qū)的時間內(nèi) ，其塑性變形能量密度也增大因此，可以說無論是在變形區(qū)的厚度方向上，還是 在軋制延續(xù)的過程中，都是軋輥半徑越大，塑性應(yīng)變能量密度也越大，對變形的 貢獻(xiàn)也越大。6、結(jié)論軋輥半徑對軋件在變形區(qū)內(nèi)等效應(yīng)變的影響表現(xiàn)為，軋輥半徑越大，等效 塑性應(yīng)變也越大；同時軋輥半徑越大，變形區(qū)內(nèi)的變形越深透。軋輥半徑對軋件在變形區(qū)內(nèi)剪切應(yīng)變的影響是正面的，即軋輥半徑越大變 形區(qū)

11、內(nèi)的剪切應(yīng)變也越大。軋輥半徑越大，變形區(qū)內(nèi)的塑性應(yīng)變能量密度也越大。在其他條件相同的情況下，采用大直徑軋輥軋制，可使變形更為強(qiáng)化，有 利于獲得更為均勻和細(xì)小的組織。140 160 180 200 220 240 260 280 300 32。 時間增量步/t=no.中心層 。7M10,秘Q125,中心層425,表層 一7?=135,中心層 -C-足435.表層 -*-/;=50,140 160 180 200 220 240 260 280 300 32。 時間增量步/t=no.中心層 。7M10,秘Q125,中心層425,表層 一7?=135,中心層 -C-足435.表層 -*-/;=50,

12、中心層 -0-4150、表層R - 150 mm135 mm125 mm - 110 mm(圖三)140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 時間增量步ooooooooo87654321船蜩盎制送*蔚(圖四)0 5 0 5 0 5 3623 星 (圖六)（圖五）-0.15 -0.10 -0.05 0.00 0.05 0 10 0.15 剪切應(yīng)變，*v（xO.D（圖七）Kyung.Keun IJAr二 yo THCJCCFK，CJraiL Effg 一cf=三蘭 Sh 由凸 Th-o-knt?*xcn-xhc1f仁 formODmm m F3iT 寸 Kc王

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