H型钢轧制过程摩擦力分布的数值分析
收稿日期:2006-01-09
作者简介:冯宪章(1972—),男,博士,讲师,C MES 高级会员,主要从事材料成形过程数值模拟,机构动态特性分析,虚拟样机技术,有限元法等领域的研究1E 2mail:phdfxz@1631com 1H 型钢轧制过程摩擦力分布的数值分析
冯宪章
(郑州航空工业管理学院机电工程系 河南郑州066004)
摘要:为了分析万能法轧制H 型钢过程中不同接触区内摩擦力分布的规律,利用数值模拟法建立了H 型钢的轧制模型。以铅为坯料,在给定轧制规程的前提下,系统地模拟了H 型钢轧制的全过程;分析了翼缘和腹板变形区的长度、宽度等参数;最终获得了稳态轧制过程中摩擦力在不同接触区域内的矢量分布规律。研究结果表明:H 型钢翼缘表层金属受到的摩擦力的方向指向变形区的中部,翼缘变形区存在前滑区和后滑区;H 型钢腹板表面金属受到的摩擦力的方向一致,与轧制的方向相反,使得接触区基本为后滑区。
关键词:H 型钢;轧制;变形区;摩擦力;矢量分布
中图分类号:TG33514 文献标识码:A 文章编号:0254-0150(2006)6-078-3
Nu mer i ca l Ana lysis of D istr i buti on of Fr i cti on Force
duri n g H 2Beam Rolli n g
Fe ng Xi a nzha ng
(Depart m ent ofMechanical and Electrical Engineering,Zhengzhou I nstitute of Aer onautical I ndustry Management,Zhengzhou Henan 066004,China )
Abstract:I n order to analyze the rules of fricti on distributi on during universal rolling of H 2Beam in different contact
zone,rolling model of H 2Beam was established using nu merical si mulati on method .On the base of defining regulati ons,the lead as stock,the course of r olling of H 2Beam was si m ulated,the parameters of length and width in flange and web ’s zone were analyzed,and the vect or distributi on rules of friction force in different defor mati on zone during steady r olling was ob 2tained .Results indicate the fricti on force that lies in superficial coat metal in flange directs the center portion of defor ma 2tion zone,flange defor mati on zone exists zone of slippage on the delivery side and zone of sli ppage on the entry side advan 2cing slip zone of and for ward sli p zone .A ll the fricti on force ’s orientation is the same,and opposite direction of r olling .A ll web defor mation zone beco mes zone of sli ppage on the delivery side basically .
Keywords:H 2Beam;r olling;defor mati on zone;friction force;vector distribution
H 型钢是一种内侧无斜度的工字钢,它是在普通工字钢的基础上发展起来的。H 型钢作为一种经济断面钢材被广泛地应用于诸多领域,现已成为我国推广使用的重点节能环保产品。
H 型钢生产工艺复杂,技术要求高。其翼缘和腹板两表面接近垂直,因此利用孔槽法轧制极为困难,而采用万能法则可顺利实现H 型钢的工业化生产。万能法轧制H 型钢时,金属的变形不同于轧制其它产品,它有两个变形区,一对水平辊对腹板实现压下,形成腹板变形区;立辊和水平辊侧面对翼缘实现压下,形成翼缘变形区。这两个变形区独立存在,又相互制约,使得H 型钢中金属流动位移场和应力场变得极为复杂。本文作者以不同变形区内摩擦力矢量
场为研究对象,详细地分析了H 型钢轧制过程中变
形区内的变形特点和规律,为H 型钢轧制规程的制 图1 H 型钢轧制过程的孔型图定以及翼缘宽展的控制提供了理论上的依据和参考[1]
。
H 型钢万能轧制法的原理如图1所示。
万能法轧制H 型钢的
优点主要在于,通过对称调节立辊和水平辊的辊缝值可以获得不同产品规格的H 型钢。
1 H 型钢轧制过程模型的建立
由H 型钢轧制原理可知,当坯料经过万能型钢轧机的孔型时,在接触压力和摩擦力共同作用下,坯料受到一对主动水平辊和一对被动立辊组成的孔型的作用。腹板的变形在水平辊辊缝中完成,同时又受到两侧翼缘的牵制;翼缘的变形是在水平辊侧面与立辊
2006年6月
第6期(总第178期)
润滑与密封
LUBR I CATI O N ENGI N EER I N G
June 2006
No 16(serial No 1178)
之间组成的辊缝中完成,水平辊侧面沿辊径方向上各点线速度在轧制方向上的分量不同,使得翼缘内侧的变形成为典型的搓轧变形。H 型钢在轧制过程中,由于腹板和翼缘的变形相互影响,两者交会处存在金属的交换,进一步加剧了H 型钢变形的复杂性。
在对H 型钢轧制过程进行动态模拟分析时,作如下假设:
(1)因水平辊和立辊的刚度较大,其弹性变形较小,将它们视为刚体;
(2)因坯料的变形为连续性局部弹塑性变形,坯料为变形体,采用8节点三维实体单元;
(3)由于立辊被动,它通过接触摩擦力获得动力,因此只考虑立辊与坯料之间的摩擦力,不考虑立辊和轴承之间的摩擦力矩的影响;
(4)接触处的摩擦类型简化为库仑摩擦;
(5)轧制过程不考虑温度的波动[2]
。 图2 H 型钢轧制的
有限元模型根据H 型钢轧制过程的特点,在对坯料进行三维有限元动态模拟过程分析时,取所需有限元模型H 型钢坯料的长度为140mm,该长度可确保轧制过程中有一段稳态的轧制区域。在保证精度的前提下,还应提高计算的效率。在对H 型钢坯料
进行网格划分时应采取这样的原则:在翼缘和腹板
的过渡区域单元网格密度划分得较密集,坯料两端区域比中间区域的单元网格密度稀疏些,H 型钢轧制过
程所需的整体有限元模型如图2所示[3-4]
。
利用万能法对H 型钢进行计算机模拟仿真时,根据H 型钢成形的对称性,仿真时取图2中模型的1/4为研究对象。2 相关参数的确定211 材料及轧制规程的确定
材料材质为铅,轧制规程如表1所示。
表1 H 型钢的轧制规程
规程翼缘宽腹板高翼缘高入口尺寸/mm 717517847147
出口尺寸/mm
5144136延伸率
11426
11325
212 H 型钢咬入过程的处理
根据H 型钢的实际成形情况,其咬入过程实际上是通过辊道的旋转带动坯料运动,依靠坯料对万能
孔型的冲击实现坯料的顺利咬入。在数值模拟分析过程中,采用一刚体在坯料的尾部施加一个特定的冲击,使得坯料具有一个合适的初始速度来实现其正常的咬入。3 摩擦力分布结果分析311 变形区研究
图3 H 型钢轧制
的位移云图
取H 型钢轧制后的一段有限元模型为研究对象(至少包括一个完整的变形区),翼缘和腹板变形区内的位移云图如图3所示。
根据轧制理论可知,对带材轧制而言,其变形区
长度的计算公式为[5]
l =
R Δh
(1)
H 型钢水平辊对腹板的轧制类似板带的轧制,根
据式(1)和表1计算得到的水平辊的接触区长度为14105mm 。
H 型钢轧制过程中翼缘的变形为典型的搓轧变形。其变形比较复杂,
如图4所示。
图4 翼缘变形区的示意图
分析图4并结合公式(1)可近似地认为,翼缘
在轧制过程中,其变形只有立辊对翼缘有侧压,故计算翼缘接触处变形区的长度时,公式(1)修正为
l =
2R Δh
(2)根据式(2)和表1计算得到的立辊的变形区长度为21147mm 。
为了进一步分析变形区内各参数的变化情况,图5给出了翼缘和腹板的压下量在变形区内沿接触长度的分布情况。
图5 翼缘和腹板的压下量分布曲线
由图5可得,H 型钢在轧制过程中,其水平辊的接触区的长度为13175mm,和工程计算值的相对误差为2%。立辊变形区长度为21125mm,和工
程计算值的相对误差为1%。9
72006年第6期冯宪章:H 型钢轧制过程摩擦力分布的数值分析
通过分析式(1)、(2)和图5可知,对于H 型钢的轧制,变形区的模拟结果和工程计算结果误差较小,精度高,从而验证了本文建立的模型完全可以满足计算精度。312 摩擦力分布研究
在立辊和翼缘接触区域内,翼缘表层金属受到的接触摩擦力沿轧制方向的分布矢量图如图6所示。图6中箭头向上或向下表示摩擦力的方向,箭头向右表示其接触摩擦力为零。
图6 立辊和翼缘接触区
摩擦力分布矢量图
分析图6可知,在立辊和翼缘的接触变形区内,摩擦力的分布满足这样的规律:在接近坯料出口的区域摩擦力的方向一致,指向轧制的反方向;在接近入口的区域摩擦力的方
向一致,指向轧制的方向。翼缘在接触区域内,其
表层金属受到的摩擦力出现上述的分布规律,是由于翼缘的塑性变形在主动的水平辊侧面和被动的立辊之间组成的孔型完成,因此立辊旋转的动力是由立辊和翼缘之间的接触摩擦力提供的。从能量的观点来分析,立辊的最大线速度必然介于翼缘表层金属的入口和出口速度之间,故翼缘在变形区域内必然存在前滑区和后滑区,使得在其变形区内接触摩擦力的方向必然发生改变。由塑性力学和轧制原理可知:H 型钢翼缘的表层金属在变形区内受到的摩擦力的方向必然都指向中性面。
图7 水平辊和腹板接触区
摩擦力分布矢量图在腹板变形区内,其表层金属的接触摩擦力沿轧制方向的分布矢量图如图7所示。图7中其箭头代表的含义和图6一致。
分析图7可知,在水平
辊和翼缘接触的区域,坯料受到的摩擦力的方向一致,
指向轧制的反方向。这就意味在该区域内基本上都是后滑区。在坯料和腹板接触处,坯料的速度小于轧辊
的速度。
产生这样的结果是由H 型钢轧制的复杂性和特殊性决定的。腹板的变形在水平辊组成的孔型中完成,在万能法轧制H 型钢的过程中,只有水平辊有驱动,立辊没有驱动,因此腹板的变形必然受到翼缘变形的阻碍,相对于对腹板增加了一个后张力的作用,从而使得整个腹板变形区基本上都处于后滑区。
4 结论
(1)利用数值模拟法建立了H 型钢的轧制模型,
系统地研究了H 型钢的表层金属在不同变形区内接触摩擦力的分布规律。
(2)模拟结果表明,H 型钢翼缘接触区内存在后滑区和前滑区,轧制过程腹板由于受到翼缘变形的影响,其变形区基本上都为后滑区。
参考文献
【1】冯宪章,刘才,江光彪.立辊锥角对H 型钢翼缘宽展的影
响[J ].钢铁,2004,39(10):43-45.
Feng Xianzhang,L iu Cai,J iang Guangbiao .The effect of H 2Beam flange lateral sp read with cone angle [J ].Ir on &Steel,
2004,39(10):43-45.
【2】冯宪章,于丽虹,刘才.侧压过程板坯温度变化的研究与
分析[J ].润滑与密封,2005(6):95-97.Feng Xianzhang,Yu L ihong,L iu Cai .
Studying and Analy 2
zing of Slab Temperature Change during Siding Press [J ].Lubrication Engineering,2005(6):95-97.
【3】冯宪章,王利红,王金凤,等.模块角度对板坯截面形状
的影响[J ].塑性工程学报,2005,12(1):98-101.Feng Xianzhang,W ang L ihong,W ang J infeng,et al .Effec 2tion of die angle on the slab p rofile [J ].Journal of Plasticity Engineering,2005,12(1):98-101.
【4】冯宪章,刘才,江光彪.SP 侧压过程板坯头部失宽的有
限元分析[J ].钢铁,2005,30(3):56-58.
Feng Xianzhang,L iu Cai,J iang Guangbiao .Fem Analysis of Head W idth Reduction of Slab during SP Side Pressing [J ].Ir on and Steel,2005,30(3):56-58.
【5】曹鸿德.塑性力学基础及轧制原理[M ].北京:机械工
业出版社,1981:151-160.
(上接第77页)技术的应用效果及分析[J ].中国表面工
程,2004,22(3):42-45.
L iu J ia 2jun,Guo Feng 2wei,The app licati on and analysis of a new self 2repairing technology on the frictional surface [J ].China Surface Engineering,2004,22(3):42-45.
【8】顾艳红,田斌,岳文,等.金属陶瓷润滑油添加剂对钢2
钢摩擦副磨损行为的影响及其铁谱验证[J ].中国表面工
程,2005,23(1):16-19.
Gu Yanhong,Tian B in,Yue W en,et al .Effect of a Cer met Additive on the W ear Behavi or of Steel 2on 2steel Friction Pair and Ferr ographic Verification [J ].China Surface Engineer 2
ing,2005,23(1):16-19.
【9】余 .材料结构分析基础[M ].北京:科学出版社,
2000.
08润滑与密封总第178期