孔型设计对棒材连轧稳定性的影响_潘露

孔型设计对棒材连轧稳定性的影响
潘
1， 2 1 1 露 ， 帅美荣 ， 黄庆学
（ 1． 太原科技大学材料科学与工程学院 ， 太原 030024 ； 2． 安徽机电职业技术学院机械工程系 ， 安徽 芜湖 241002 ）
摘 要：针对目前钛合金棒材生产现状 ， 提出了一种新的棒材连轧孔型系统 ， 即正三角平孔型 + 二
辊圆孔型 + 正三角平孔型 + 二辊圆孔型系统。分析了失稳轧件在孔型中的受力情况 ， 以及导卫装置对 连轧稳定性的影响， 获得了改善连轧过程轧件失稳的主要因素 ， 优化了轧机孔型系统。 用弹塑性有限元 并与其它孔型系统进行比较 。结果表明， 提出的孔型系统综合了二 方法模拟了棒材的四道次连轧过程 ， 辊孔型与三辊孔型的特点 ， 连轧稳定性相对较好， 从而解决了 Y 型轧机棒材连轧过程稳定性问题 。 关键词：Y 型轧机； 孔型设计； 棒材； 有限元； 稳定性 中图分类号：TG335． 19 文献标志码：A
第 33 卷
第2 期
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Vol． 33
No． 2
2012 年 4 月
JOURNAL OF TAIYUAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
Apr． 2012
文章编号：1673 － 2057 （ 2012 ） 02 － 0123 － 05
［5 ］
等提出轧
［6 ］
件先经过二辊六方孔型再进入三辊冷轧机平三角 平三 角 孔 型 轧 制， 提 高 稳 定 性。 田 鹏 松 松
［7 ］
、 唐劲
。针对上述生
等提出通过精确控制张力波动提高棒线材轧
产弊端， 本文提议用三辊 Y 型轧机代替二辊连轧系统 中的立辊轧机， 形成三辊二辊混合连轧系统。 三辊轧机又称为 Y 型轧机， 由 3 个互成 120° 的 盘状轧辊组成， 轧辊布置如“Y ” 型， 轧机设备紧凑， 轧件温降小， 有效地保证了轧制温度， 孔型变形均 匀， 宽展小， 尺寸精度高， 尤其适合轧制塑性差、 难 变形的金属材料。但是， 三辊 Y 型轧机在实际应用 中轧制稳定性差， 轧件的对称轴相对于孔型的对称 ， 轴经常发生偏转， 轧件失稳导致“轧卡 ” 中断轧制 过程。轧件失稳受多方面的影响， 如来料尺寸， 轧 件温度、 轧制张力、 充满度、 孔型设计及导位装置设 计等
［34 ］
［ 8 ］ 制稳定性。李安全 介绍了利用三个轧辊单独可调
技术来解决由于轧辊磨损导致的轧制不稳定。 邢 瑞凌
［9 ］
等提出利用三坐标专用数控孔型机床调节
孔型位置， 防止孔型中心偏差。 本文在上述研究的 提议三辊 + 二辊混合连轧系统生产钛合金 基础上， 棒材。由于轧件在二辊孔型中轧制稳定， 所形成的 混合孔型系统有效的保证了连轧的稳定性， 即综合 了二辊孔型和三辊孔型的特点。 本文着重研究孔型设计对棒材连轧稳定性的 影响， 分析了轧件在三辊 Y 型轧机中的受力情况， 以及导卫装置对连轧稳定性的影响， 探讨了轧件失 稳的主要影响因素； 用有限元方法模拟了三种孔型 系统的连轧过程， 对比分析了连轧过程中孔型对轧 件稳定性的影响， 优化了轧机孔型系统。
Fig． 1 Two forms of rolling instability
1． 1
轧件扭转
因此， 为避免轧件发生扭转情况， 可以通过增 比如加热轧辊表面以增大摩 大接触面摩擦系数 f， 察系数， 优化孔型以获得较小 W t ， 增大轧制力 F 以 及适当增大孔型内径 R 等方式来防止轧件进一步 失稳。 1． 2 轧件偏移 当平三角轧件偏移 e 进入倒三角圆孔型时， 如 M， O， P， Q， O' 图 3 （ a） 所示， 轧件与孔型交点为 R， O 为孔型中心， 为轧件原始中心， 轧制力作用点为 A' ， B' ， C' ， 角度为 θ1 ， θ2 ， θ3 ， 设 θ1 = θ2 = θ3 = θ ， 轧制
平三角轧件扭转 β 角度进入倒三角圆孔型， 如
（ a） 轧件中心线与孔型中心线偏移 e 受力图
（ b） 受力简化图
（ c） 轧件原始中心位移图
图3
轧件偏移受力图
Fig． 3 Force analysis on workpiece with deviation
因此， 当平三角轧件发生偏移进入圆孔型时，
Fig． 6 Deviation of center shaft of workpiece
3
结论
文中提出了一种新的钛合金棒材连轧孔型系
即正三角平孔型 + 二辊圆孔型 + 正三辊平孔型 统， + 二辊圆孔型， 着重分析了失稳轧件在孔型中的受 力情况， 以及导卫装置对连轧稳定性的影响， 获得 了棒材连轧过程改善失稳的主要因素， 优化了轧机 孔型系 统， 并 与 其 他 孔 型 系 统 做 了 比 较。 结 果
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轧件稳定性分析
以平三角轧件进入圆三角孔型为例， 分析了两
图 2 所示。 轧件在孔型中主要承受轧制力和摩擦 B， 作用点 A， 力。三个轧辊对轧件的作用力均为 F ， C， 由于三个轧制力方向均沿孔型圆心方向 ， 因此由 轧制力产生的扭矩不会使轧件扭转 。 轧件 继 续 扭 转 时， 轧件与轧辊的横向摩擦 力为： Ef = F × f 其中： f 为轧件与轧辊接触面摩擦系数。 摩擦扭矩： T f = 3 × F f × R 其中： R 为圆孔型半径。 平三角轧件抗扭截面系数为 W t ， 轧件塑性扭转 所需扭矩为： T = W t × τ max 前后机架施加给本道次轧件扭矩为 T 给 ． 因此， 轧件不继续发生属性扭转的条件为 T 给 － T f ≤T． 即 T给 － f × R × F τ max ． ≤ 3 Wt （ 2） （ 1）
图6
各道次出口轧件横截面示意图
Fig． 6 The schematic diagram of crosssection profile of stands
表明： （ 1 ） 轧件偏移对连轧稳定性影响较小， 而轧件 扭转对连轧稳定性影响较大。 轧件的扭转可以通 过增大摩擦系数， 优化孔型以获得较小的抗扭截面 系数， 增大轧制力以及适当增大孔型内径等方式来 改善。 （ 2 ） 正三角平孔型 + 二辊圆孔型 + 正三辊平孔 综合了二辊孔型与三辊孔型 型 + 二辊圆孔型系统， 的特点， 轧件中心轴在径向偏移减小， 连轧稳定性
种失稳状态下的轧件受力情况， 即： 1 ） 轧件本身扭 转， 如图 1 （ a） 所示， β 为轧件中心线与孔型中心线 夹角； 2 ） 轧件中心线相对孔型中心线水平偏移， 如 e 为轧件中心线与孔型中心线水平偏 图 1 （ b） 所示， 移距离。
（ a） 轧件扭转
（ b） 轧件偏移
图1
轧件失稳的两种形式
O' 反而向孔 随着轧制的进行， 并不会进一步失稳，
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露， 等： 孔型设计对棒材连轧稳定性的影响 会发生失稳， 导卫装置将失效
［5 ］
125 。
型中心 O 靠近， 路径为 O' →O″→O， 如图 3 （ c） ， 原始 直至与孔型中心重合， 达到 偏移距离 e 将逐渐减小， 稳定轧制。 在实际生 产 过 程 中， 轧件头部会发生随机偏 转， 这种随机性的偏转可以分解为以上轧件扭转与 轧件平移这两种形式， 因此， 随机偏转状态下的受 力行为和失稳因素结合了轧件扭转和轧件平移这 两种状态。 1． 3 导卫装置 导卫装置是棒材连轧孔型设计中重要的辅助装 置之一， 导卫装置可以弥补孔型系统的不足， 能够准 确将轧件送入孔型， 防止轧件在孔型中发生偏转。 导卫装置对连轧稳定性的影响因素归结为 3 点： 1 ） 导卫装置的设计 对于三辊 Y 型轧机， 导卫装置根据孔型系统的 弧 孔 型 导 卫、 平孔型导卫 不同 分 为 圆 孔 型 导 卫、 三种。 2 ） 导卫装置的安装精度 导卫装置中心轴线相对于孔型中心轴线不能 发生过大偏转， 轴线偏转角大于 8° ， 轧件在导卫中
3 ） 导卫装置与轧件的配合尺寸 导卫装置与轧件之间的间隙过小， 轧件与导卫 装置容易发生摩擦， 轧件表面磨损， 而且轧件容易 卡在导卫内部； 间隙过大， 导卫作用不明显， 因此， 一般 设 定 导 卫 装 置 与 轧 件 的 配 合 尺 寸 为 1 mm 左右。
2
有限元模拟
为验证提议孔型系统的可行性， 用弹塑性有限
图7 轧件中心轴偏移图
最好。 （ 3 ） 在提议的孔型系统中， 其中二辊孔型可以 尝试使用椭圆孔型、 六方孔型等， 有助于轧件的咬 入， 保证连轧过程的顺利进行。 （ 4 ） 在实际生产过程中， 除了孔型系统之外， 导 卫装置是孔型设计的重要辅助设备， 根据孔型系统 选择不同的导卫装置， 设定导卫装置与轧件的配合 尺寸在 1 mm 左右， 来提高钛合金棒材连轧过程的 稳定性。
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最大偏移值是 0． 003 431 5 mm， 远小于前两种轧制 与方案 1 相比， 降低了 1． 985 16 mm， 可见正 工艺，
三角平孔型 + 二辊圆孔型 + 正三角平孔型 + 二辊 圆孔型系统适合轧制钛合金棒材 。
图5
连轧有限元模型
Fig． 5 The finite element model of tandem rolling
参考文献：
［ 1］ 段传宝． 国内外钛工业发展状况概述［ J］ ． 上海钢研， 2003 （ 1 ） ： 3942． ［ 2］ 帅美荣． 钛合金棒材成形过程的有限元分析与试验研究［ J］ ． 太原科技大学学报， 2008 ， 29 （ 5 ） ： 380383． ［ 3］ 郑宝强， J］ ． 轧钢． 1996 （ 6 ） ： 68． 李志强， 朱为昌， 等． Y 型三辊冷连轧机轧制稳定性分析［ ［ 4］ 高振莉， J］ ． 太原重型机械学院学报 ， 1997 ， 18 （ 4 ） ： 338347． 王海儒． Y 型轧机轧制变形区的数学模型［
图4
连轧孔型系统
Fig． 4 Roll pass system
Fra Baidu bibliotek
为了研究各孔型系统对轧制稳定性的影响， 建 立四道次连轧模型， 如图 5 所示。 以方案 3 为例， 各道次的出口轧件横截面如图 6 所示。 图 7 是轧件中心轴偏移图， 偏移量用来表征连
轧过程轧件的稳定性， 图中纵坐标是三种轧制工艺 条件下轧件中心线偏移值， 方案 1 中， 轧件中心线 最大偏移值是 1． 988 6 mm， 方案 2 中， 轧件中心线 3 中， 最大偏移值是 0． 111 19 m， 方案， 轧件中心线
长期以来， 我国钛合金棒线材的生产以二辊平立 交替连轧为主， 由于钛合金材料本身的物理化学性能 以及二辊轧机的变形特点， 传统二辊轧机轧制的钛合 金棒线材极易出现有害宽展， 生产效率低， 产品质量 无法满足钛合金高端产品的需求 差，
［ 12 ］
角形轧件进入下一道弧边三角形孔型中不倾倒的 即扭转角小于其极限值。 李志强 条件，
图2
平三角轧件扭转受力分析图
F2 ' ， F3 ' ， 力 F1 ' ， 其中 F3 ' 最小， 轧制合力为 F' 合 ， 如图 3（ b） 所示。随着轧制的继续进行， 轧件将向孔型中 心 O 移动， 偏移距离 e 将逐渐减小， 如图 3（ c） 所示。
Fig． 2 Torsional force analysis on triangle flat pass
。
［3 ］
为提高三辊 Y 型轧机轧制稳定性， 郑宝强
等
提出通过调整导位装置， 保证前一道次轧出的弧三
0627 收稿日期：20111 ） ； 山西省研究生科技创新项目 （ 20113114 ） 基金项目：山西省青年科学研究基金 （ 2010021024作者简介：潘露（ 1986 － ） ， 男， 硕士研究生， 主要研究方向为型材有限元模拟 。
元法模拟棒材连轧过程， 计算精度高， 能够得到满 意的结果
［1013 ］
， 因此， 采用弹塑性有限元分别对三
种孔型系统连轧钛合金棒材进行了模拟， 比较了轧 件在不同孔型系统中的连轧稳定性 。 1 ） 方案 1 ， 正三角平孔型 + 倒三角圆孔型 + 正 三角平孔型 + 倒三角圆孔型， 如图 4 （ a） ； 2 ） 方案 2 ， 二辊圆孔型 + 倒三角圆孔型 + 正三 角平孔型 + 二辊圆孔型， 如图 4 （ b） ； 3 ） 方案 3 ， 正三角平孔型 + 二辊圆孔型 + 正三 角平孔型 + 二辊圆孔型， 如图 4 （ c） ；