热轧哈芬预埋槽钢孔型设计及实验_谢红飙

摘 要：根据某型号哈芬预埋槽钢产品的尺寸，按照复杂断面型钢孔型设计的一般原理，开发了一套热轧哈芬预埋 槽钢孔型系统。利用 ＤＥＦＯＲＭ－３Ｄ 有限元模拟软件，对所 有 道 次 中 轧 件 的 填 充 情 况 进 行 模 拟 分 析 ， 并 改 进 了 孔 型 系统。针对主要孔型进行了以铅为实验材料的轧制实验，实验结果表明，所开发的孔型可行。 关 键 词 ：哈 芬 预 埋 槽 钢 ； 孔 型 设 计 ； 有 限 元 模 拟 ； 轧 制 实 验 中图分类号：ＴＧ３３５．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７－２０１２ （２０１２）０３－００３５－０４
引 言
热轧哈芬预埋槽钢是一种复杂断面型材，以其 强度高、安全、易安装、无需焊接等优点广泛应用 于高铁、核电、隧道、幕墙、大型场馆及工业厂房 建筑领域。目前，国内只能生产类似哈芬预埋槽钢 的简单断面冷弯 Ｃ型钢，通过热轧成型此类型钢的 生产技术 还 未 掌 握， 仍 依 靠 进 口 。 ［１］ 近 年， 随 着 国 内哈芬预埋槽钢作为挂件，大量应用在动车组生产 及建筑中，开发此类槽钢的热轧孔型十分迫切。
由于哈芬预埋槽钢属于复杂断面型钢，为了分 配各部分延伸系数，保证孔型充满，减少不同部分 间金属的相互牵制或转移，需要对轧件断面进行断 面划分。将哈芬预埋槽钢断面划分为５个部分，如 图２所 示 即 １ 个 腰 部、２ 个 腿 部 和 ２ 个 脚 部。 腰 部
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孔，Ｋ５ 为 成 品 尺 寸 孔，Ｋ６～ Ｋ１０ 为 预 成 型 孔， Ｋ１１～Ｋ１３为 切 深 孔，Ｋ１４ 为 控 制 孔，Ｋ１５ 为 切 深 孔 。 ［２］ 在 初 步 完 成 孔 型 设 计 后， 需 要 利 用 ＤＥ－ ＦＯＲＭ－３Ｄ 有限元 模 拟 软 件 对 孔 型 填 充 进 行 模 拟 验 证，找出 设 计 的 不 足， 进 一 步 改 进 孔 型 系 统 设 计，
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延伸率的合理配比，防止了耳子的出现以及轧件过 度弯曲。
４） 成品孔采用万能孔型，避免了二辊整形时出 现的腿部 向 外 侧 张 开 的 缺 陷， 且 腿 部 平 直 度 良 好， 较好的保证了轧件成型质量。
本文根据哈芬预埋槽钢断面形状的特点，借鉴 其他复杂断面型材成型工艺，设计了一套哈芬预埋 槽钢热轧孔型系统；采用有限元法对哈芬预埋槽钢
＊河北自然科学基金资助项目 （Ｅ２０１０００１２０８）。 谢 红 飙 Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｂｘｉｅ＠ｙｓｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 作者 简 介： 谢 红 飙， 男，１９７０ 年 生， 黑 龙 江 人， 燕 山 大 学，副教授，博士，研究方向为轧制工艺及设备 收 稿 日 期 ：２０１２－０２－１３
第１９卷 第３期 ２０１２ 年 ６ 月
塑性工程学报
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＰＬＡＳＴＩＣＩＴＹ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－２０１２．２０１２．０３．００７
热轧哈芬预埋槽钢孔型设计及实验＊
Ｖｏｌ．１９ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ． ２０１２
（燕山大学 国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心，秦皇岛 ０６６００４） 谢红飙 王长清 肖 宏
由于所设计的孔型较多，只给出轧件模拟初轧 阶段、预轧制阶段、成品尺寸孔及最后热整形成型 阶段具 有 代 表 性 的 孔 型 模 拟 结 果， 即 Ｋ１０、Ｋ８、 Ｋ５、Ｋ１的成品轧 件 形 状。 图 ６ 为 轧 制 完 成 后 断 面 几何尺寸的模拟结果。
对轧件成型最为关键的孔 型 （Ｋ９～Ｋ５）做 轧 制 实 验， 并将实验用的孔型尺寸均缩小为实际设计尺 寸 的 １／２，以便在一套轧 辊 上 可 以 加 工 出 ５ 个 孔 型。 由 于 实 验 材 料 为 铅 ， 轧 辊 材 料 可 以 选 用 ４５ 号 钢 ， 实 验 轧 机如图７所示。
图６中尺寸与图１相比较，终轧件的几何尺寸 范围和产品形状基本符 合 要 求，最 大 尺 寸 误 差 在 ２％ ， 轧 件 的 终 轧 尺 寸 满 足 要 求 。 另 外 ， 由 于 模 拟 时 单元数量不能过多，所以拐角处的单元尺寸＞圆角 半径，造成产品模拟的圆角缺陷。
３ 轧制实验
３．１ 轧 辊 制 作 及 实 验 轧 机 实验使用本实验室现有的轧机，由于受轧机机
图 ２ 哈 芬 预 埋 槽 钢 断 面 划 分 Ｆｉｇ．２ Ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎ ｄｉｖｉｄｅｄ ｏｆ Ｈａｌｆｅｎ ｃｈａｎｎｅｌ
由于成品断面是半封闭结构，所以考虑先利用 二辊孔型轧到成品尺寸，再用万能孔型热整形至最 终产品形状，其成型过程如图３所示。
图 ３ 热 弯 成 型 示 意 图 Ｆｉｇ．３ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｂｅｎｄｉｎｇ ｆｏｒｍｉｎｇ
最终完成的孔型如图４所示 （不包含万能孔型 Ｋ１）。
图 １ 哈 芬 槽 钢 截 面 尺 寸／ｍｍ Ｆｉｇ．１ Ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ ｏｆ Ｈａｌｆｅｎ ｃｈａｎｎｅｌ ｉｎ ｍｍ
面积和腿部面积均按矩 形 计 算，脚 部 面 积 按 梯 形 计算。
图 ４ 哈 芬 预 埋 槽 钢 孔 型 图 Ｆｉｇ．４ Ｐａｓｓ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｈａｌｆｅｎ ｃｈａｎｎｅｌ
１．３ 孔 型 设 计 针对产品特点，孔型设计时重点考虑各部分的
延伸率 （各部分断面的面积比），以此衡量复杂断面 型钢在成型时变形的不均匀性。在最初的几个道次 中，腿部和脚部的延伸率不能太大，否则脚部金属 受腿部 金 属 牵 制， 产 生 拉 缩， 造 成 脚 部 成 型 困 难。 在接近成 品 孔 型 时， 由 于 各 部 分 的 压 下 量 都 较 小， 金属相互 转 移 的 程 度 小， 对 成 型 的 影 响 已 经 很 小， 各部分以成品尺寸为依据，尽量采用相同的延伸率， 确保成品的尺寸和减小成品内应力。选取的坯料为 １２０ｍｍ×４５ｍｍ 矩形 坯， 采 用 延 伸 系 数 法 确 定 轧 制 道次为１１，再 加 上 ４ 个 热 整 形 孔 型 共 １５ 道 次。 孔 型作用分 配 为，Ｋ１ 为 成 品 孔，Ｋ２～Ｋ４ 为 热 整 形
轧件与轧辊接触界面上的热交换是通过真正触 点的接触传热、间隙物质导热及高温下空隙表面的 辐射传热实现，传热机理十分复杂 。 ［３－５］ 通常 轧 辊 与 轧件接触传 热 可 以 利 用 综 合 换 热 系 数 处 理 ， ［６］ 本 文 取 综 合 换 热 系 数 为 ２０ｋＷ／（ｍ２·Ｋ）。
材料在轧制过程中，会由于塑性变形产生变形 热，以及与轧辊相对滑动而产生摩擦热。但是热轧
Ｙａｎｓｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ ０６６００４ Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ Ｈａｌｆｅｎ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ，ｉｎ ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｃｏｍｐｌｅｘ ｓｅｃｔｉｏｎ ｓｔｅｅｌｓ ｐａｓｓ ｄｅｓｉｇｎ，ａ ｓｅｔ ｏｆ ｈｏｔ－ｒｏｌｌｅｄ Ｈａｌｆｅｎ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ ｐａｓｓ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ＤＥＦＯＲＭ－３Ｄｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｏｆｔ－ ｗａｒｅ，ｔｈｅ ｆｉｌｌｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ａｌｌ ｐａｓｓｅｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｐａｓｓ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｒｏｌｌｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｂｙ ｕ－ ｓｉｎｇ ｌｅａｄ ｐｉｅｃｅ ｆｏｒ ｍａｉｎ ｐａｓｓｅｓ ａｎｄ ｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｉｔ ｉｓ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐａｓｓ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｈａｌｆｅｎ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ；ｐａｓｓ ｄｅｓｉｇｎ；ＦＥＭ；ｒｏｌｌｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ
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谢红飙 等：热轧哈芬预埋槽钢孔型设计及实验
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时轧件塑性很大，轧辊和轧件间的接触区有相当大 的范围不会出现相对滑动，所以摩擦热可以忽略不 计；只设置热 功 转 换 系 数 为 ０．９。 根 据 以 往 模 拟 经 验，各道次轧制过程中采用剪切摩擦模型，摩擦系 数 取 为 ０．７。 轧 制 速 度 定 为 ３．５ｍ／ｓ。 ２．２ 孔 型 模 拟 结 果
架尺寸 的 限 制， 轧 辊 辊 面 有 效 长 度 限 定 在 ４６０ｍｍ 以内。为了尽可能多的验证所设计的孔型，实验取
图 ８ 铸 造 的 铅 试 件 Ｆｉｇ．８ Ｌｅａｄ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ｂｙ ｃａｓｔｉｎｇ
３．３ 轧 制 结 果 经过５道次的轧制，并逐道次留样，最终得到
了所有道次轧件的样品。为了更好观察对比轧件的 断面形状，利用线切割方法，从每道次轧件上切出 ３ｍｍ 厚的断面薄片，进行一次性扫描， 保证断面 图 形的比例一致， 最终 Ｋ９～Ｋ５ 道次的断面形状如图 ９ 所 示 ，Ｋ５ 孔 型 轧 制 后 的 形 状 与 模 拟 结 果 一 致 ， 各 部分的尺寸均满足最终产品尺寸要求，只需采用整 形孔型对轧件进行整形，即可得到要求的断面形状， 证明了孔型系统设计的合理性。采用本文设计的孔 型系统，能够轧制出满足尺寸精度要求的哈芬预埋 槽钢。
图 ７ 二 辊 实 验 轧 机 Ｆｉｇ．７ Ｔｗｏ－ｈｉｇｈ ｔｅｓｔ ｒｏｌｌｉｎｇ ｍｉｌｌ
３．２ 毛 坯 制 备 由于轧制 实 验 是 从 Ｋ９ 孔 型 开 始， 所 以 需 要 精
确铸造出与 Ｋ１０孔型轧制完成后的轧件截面形状一 样的铅试件。根据有限元模拟中 Ｋ１０孔的轧件断面 形状，采用线切割的方法加工铸造模具，很好的保 证了铅试件尺寸的精确性，图８所示为铸造的铅试 件。
Ｐａｓｓ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｈｏｔ ｒｏｌｌｅｄ Ｈａｌｆｅｎ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ
ＸＩＥ Ｈｏｎｇ－ｂｉａｏ ＷＡＮＧ Ｃｈａｎｇ－ｑｉｎｇ ＸＩＡＯ Ｈｏｎｇ （Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｃｏｌｄ Ｓｔｒｉｐ Ｒｏｌｌｉｎｇ，
热轧过程 进 行 了 模 拟， 并 对 孔 型 系 统 进 行 了 修 正； 采用铅试件对主要成型过程进行实验。实验结果表 明，本文设计的孔型能够完成哈芬预埋槽钢wenku.baidu.com成型。
１ 孔型系统设计
１．１ 轧件成品尺寸确定 热轧哈芬预埋槽钢国内没有厂家生产，也没有
相应的国家标准，文中孔型系统设计所用成品的基 本尺寸 均 以 德 国 哈 芬 公 司 生 产 的 型 号 ＨＴＡ５２／３４－ ＱＨａｌｆｅｎ槽 为 准。 其 尺 寸 偏 差 参 照 国 标 ＧＢ／Ｔ７０７－ １９８８中与其尺 寸 相 近 的 ５＃ 热 轧 槽 钢 的 尺 寸 偏 差， 定为±０．５ｍｍ，综合考 虑 其 截 面 特 点、 使 用 要 求 及 负公差轧制等因素，最终成品截面尺寸如图１所示。 １．２ 轧 件 分 析
２ 有限元模拟
进行有限元模拟，主要是为了验证和改进孔型 设计的正确性，其次是为了研究金属在轧制过程中 的各种力能参数变化，从而为实际生产提供一定参 考。本文利用 ＤＥＦＯＲＭ－３Ｄ 有限元软件按照比较接 近实际生产的边界条件对整个轧制过程进行了模拟。 ２．１ 边 界 条 件 设 定
模拟轧件材料选用美国标准牌号 ＡＩＳＩ１０１５的碳 钢 ， 其 材 料 成 分 及 物 理 性 能 与 １５ 号 钢 近 似 ， 轧 件 毛 坯的出炉温度设定为 １１５０℃。 在 热 轧 过 程 中， 轧 件 处于高温状态，与其表面接触的空气被迅速加热至 较高的温度，而距离轧件较远的空气温度基本不变， 因此空气间的温差非常大，空气内部出现不均匀的 温度差，从而引起空气的自然对流，有限元模型的 对 流 换 热 系 数 定 为 ０．０２Ｎ／（ｍｍ·ｓ· ℃ ）， 设 定 空 气 的 温 度 为 ２０℃ 。