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1、第12卷第5期塑性工程学报Vol112No152005年10月Oct12005JOURNALOFPLASTICITYENGINEERING3三辊行星轧制运动和管坯变形规律的仿真模拟(11中国科学院金属研究所、中国科学院研究生院,沈阳110016)134(21中国科学院精密铜管工程研究中心,新乡453000)李冰杨志刘化民(31辽宁工程技术大学材料科学与工程系,阜新123000)张士宏1,2张金利2(41吉林大学辊锻工艺研究所,长春130025)摘要:应用弹塑性大变形有限元法,对连铸铜管坯三辊行星轧制过程进行了三维有限元模拟研究。通过坐
2、标变换的方法建立了三辊行星轧制有限元模型,该模型考虑了轧辊的倾斜角β和偏转角α。模拟分析得出三辊行星轧制过程中管坯断面要经受一个由圆形到三角形再归到圆形的变形过程。得出在三辊行星轧制过程中起到主要作用的是三向压应力状态,有利于坯料的大变形和提高轧制管材性能。同时模拟分析得到三辊行星轧制过程中坯料质点的运动轨迹和相应规律。该模拟计算对探索复杂的三辊行星轧制规律具有重要意义。关键词:三辊行星轧制;铜管;有限元分析;变形规律;应力状态中图分类号:TG339文献标识码:A文章编号:100722012(2005)0520070204[4]进行了
3、分析。台湾的Chi2KangShih等利用LS21引言DYNA3D建立起三辊行星轧制钢棒材数值模拟模型,对钢棒材变形过程中的应力应变分布规律进行[5]三辊行星轧机(PlanetSchr¾geWalzwerk,简称了分析。Chi2KangShih等还利用塑性泥作为轧制PSW)最初是由德国施罗曼-西马克公司于1974年实验原料对三辊行星轧制棒材进行实验模拟并就轧研制成功,用于轧制钢棒材,后应用到轧制钢管材。件变形尺寸、螺旋纹的间距和偏转角度等与模拟结[6]90年代初,芬兰奥托昆普公司将该型轧机应用到铜果进行了对比分析。本文作者对于铜管坯三
4、辊行管材生产的铸轧法中,成功地轧制出完全再结晶的细星轧制的有限元模型建立和咬入阶段变形情况已进[7]晶铜管材,使“水平连铸-行星轧制”工艺成为现今典行了一定的模拟分析。型的铜管铸轧生产线。然而,目前三辊行星轧制在模由于三辊行星轧制的运动和坯料的变形流动非具和工艺设计等方面主要基于有限的经验和试错基常复杂,无法直接观测,通过应用有限元模拟的方础上,产品的组织性能和工艺缺陷不能有效控制,生法来研究和再现三辊行星轧制这一复杂的变形过程产的稳定性和成品率还有待提高。在生产实际和理论研究中都有很大的意义。本文结90年代初期三辊行星轧制的理论研究
5、集中于三合生产实际情况,利用商业化CAE软件辊行星轧管机(PSW)的结构和运动特点的分析,MSC1MARC建立起三辊行星轧制仿真模拟模型,建立了轧制过程中轧辊的速度方程[1];通过平面断对行星轧制稳态阶段进行了有限元模拟分析。面假设对三辊行星轧制力能参数进行理论推导计[2]2三维有限元模型的建立算;在理论分析三辊行星轧制力和轧制功率的基[3]础上,进行轧制实验研究轧出预期管材等。董顺德等对轧机芯棒运动的控制及管坯宏观组织的变化211三辊行星轧机模型的建立在有限元模拟过程中,空间轧辊辊形的建立是一个非常复杂的问题,需要建立起合理的空间坐
6、标3国家科技攻关引导项目(2002BA327C)和国家自然科体系。由于实际生产过程中轧辊为3Cr2W8V合金学基金资助项目(50474059)。钢,相比于紫铜坯料强度大、硬度高,在轧制成形李冰E2mail:bingli@imr1ac1cn过程中只会产生相对很小的弹性变形,因而在模拟作者简介:李冰,男,1977年生,中国科学院金属研究计算分析过程中可将轧辊定义为刚性。在建立轧辊所,博土研究生,主要从事金属塑性变形数值模拟与优化模型时可用刚性的外表面来表示生产中应用的轧辊。分析研究收稿日期:2004212226;修订日期:20052042
7、25建模过程中必须利用坐标变换的方法,建立起既有©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net第5期李冰等:三辊行星轧制运动和管坯变形规律的仿真模拟71倾斜角β又有偏转角α的空间轧辊模型。坐标变换成120°角的3个轧辊模型。三辊行星轧制有限元模推导方程如下。拟模型如图2所示。在模拟过程中由于轧辊的公转对于三辊行星轧机来说,设备的结构参数即行带来了轧辊自转轴线的旋转,使模拟计算的接触问星轮轴线至轧制
8、线的中心距A是一定值,与轧制线题更加复杂,并需要大量模拟计算时间,因此在模距离为A的O1X1轴线与轧辊轴线O1XR的交点O1,拟过程中使轧辊的自转轴线不变,这样轧辊的公转为轧辊局部坐标系的中心点。当整体坐标系沿Y轴速度就
