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1、第23卷第2期华中科技大学学报(城市科学版)Vol.23No.22006年6月J.ofHUST.(UrbanScienceEdition)Jun.2006基于DEFORM环件轧制塑性成形过程数字仿真杨文兵1姜海峰1(1.华中科技大学土木工程与力学学院,湖北武汉430074)摘要:基于通用有限元DEFORM软件建立了环件轧制全过程三维动态仿真模型,对矩形截面环件一个生产周期内轧制过程进行了数值仿真.结果表明,采用合理的网格划分和轧制工艺,能够有效地控制计算时间,模拟的轧制过程真实地反映了环件轧制成形过程,为实际环件轧制过程的毛坯结构设计和轧制工艺优化提供了一个有效研究
2、途径.关键词:环件轧制;塑性成形;DEFORM;数字仿真;有限元中图分类号:TG335.6文献标识码:A文章编号:1672-7037(2006)02-0056-03环件轧制是借助环件轧环机使环件产生壁厚减小、直径扩大、截面轮廓成形的连续局部塑性加工成形工艺,具有省力、节能、节材、生产率高、成本低、产品范围广等显著特点,在许多工业领域的应用日趋广泛.环件轧制不仅具有普通的平板轧制、异步轧制、多道次轧制的性质,而且具有这些轧制的耦合性质,同时还涉及到直线进给运动、旋转轧制运动、导向运动以及环件自身的转动和直径扩大运动,使得控制环件成形具有高度的复杂图1环件轧制有限元模型
3、性.采用计算机模拟环件的成形过程,优化毛坯形表1结构参数状,制定或修改轧制工艺,对保证环件轧制过程,参数数值提高轧制效率具有重要意义.弹性模量/GPa27近年来,基于有限元数值模拟的方法对环件泊松比0.3轧制过程进行仿真研究受到越来越多的关注[1,2].屈服应力/MPa35然而,由于环件轧制过程存在复杂动力学运动和(毛坯内径/外径/高度)/mm420/620/400金属流动,数值模拟对计算机系统要求高且计算(主辊直径/高度)/mm850/800(芯辊直径/高度)/mm240/800时间长,一直制约着环件轧制数值模拟技术的进(抱辊直径/高度)/mm140/500展.因
4、此,本文基于刚塑性有显式限元法(显式算锥辊上下端面直径及高度200/400/600法具有计算时间快,稳定性高)DEFORM软件建毛坯网格单元数20000立矩形环件轧制过程仿真模型,对矩形环件轧制摩擦系数0.7一个周期内动态轧制过程进行数值模拟.轧制温度/(℃)1200计算步长/s0.1轧制时间/s1201动力学有限元模型(成品内径/外径/高度)/mm1044/1144/3801.1环件轧制仿真模型量,假设各轧辊为刚体,在轧制过程中不发生变根据径轴向轧环机结构实际尺寸建立仿真模形,环件为45号钢,采用刚塑性材料本构关系,轧型(图1),各主轧辊在PROE建模,导入到制温
5、度范围在900～1200℃.由于一个环件轧制DEGORM软件中.在仿真过程中,为了减少计算周期大约为2～3min,温度变化不很明显,假设收稿日期:2005-10-28.作者简介:杨文兵(1956-),男,副教授;武汉,华中科技大学土木工程与力学学院(430074).第2期杨文兵等:基于DEFORM环件轧制塑性成形过程数字仿真·57·温度为恒温1200℃[3]主辊转速过低时,使得环件在轧制孔型进出口出.具体参数见表1.1.2环件轧制工艺现较大台阶,不利于主辊和芯辊咬入(图6).a.主辊与芯辊的进给.主轧辊和上下锥辊为主动辊,其余轧辊为从动辊,芯辊在转制过程中向轴心线方
6、向匀速进给,上锥辊向下直线进给,上下锥辊根据工件长大速度(径向增长)向后退.主辊转速为1.536rad/s,锥辊随着工件后退的运动相当复杂,需要在仿真过程中不断修正.芯辊进给速图4主辊速度对轧制计算时间的影响度为0.5mm/s,进给过程时间为100s.b.抱辊的进给.设主辊中心在原点(0,0,0),导向辊与原点夹角为60º[4],转速为9.329rad/s,其进给的运动轨迹方程为22(R0-r0)h0bX=390++;4hb422图5毛坯网格数量对轧制计算时间的影响R0-r0)h0bY=±70++×0.866.(4hb2)c.锥辊的进给.上下锥辊的自转速度为4.08
7、1rad/s,上锥辊向下进给速度为2mm/s恒定,总进给时间为100s.上下锥辊后退的速度通过多次轧制模拟,不断调试工艺参数,采用数值回归得到.图2为锥滚过快时,环件向左偏;图3为锥滚过慢时,环件向右偏.因此不论是锥辊后退运动快还是慢,都将导致毛坯在主辊与锥辊之间运动不图6主辊速度过慢,毛坯成形不均匀同步,需要多次试验,不断调试,否则环件不易成当速度为1.536rad/s时,轧制效果良好,计形.同样,这种情况在环件轧制归圆阶段也需要注算时间也大大缩短.另外,轧制速度过快时,毛坯意对锥滚后退速度的控制.会出现爬辊现象,为了避免这种情况,芯辊进给速度不宜过快,主辊轧
