萬能法軋制長腿特種槽鋼的數(shù)值模擬

1、燕山大學(xué) 碩士學(xué)位論文萬能法軋制長腿特種槽鋼的數(shù)值模擬 姓名：陸志賢 申請學(xué)位級別：碩士 專業(yè)：機械設(shè)計及理論 指導(dǎo)教師：肖宏謝紅飆 20070301 摘要 捅要 槽鋼屬于經(jīng)濟斷面型材，廣泛應(yīng)用于汽車、航空、輕工、機械制造以及建筑等各個行業(yè)。市場對產(chǎn)品尺寸、形狀等精度的要求不斷提高，先進工業(yè)國家都在使用萬能法生產(chǎn)槽鋼，產(chǎn)品尺寸規(guī)格多，而且形狀精度高。國內(nèi)依舊在使用孔型法生產(chǎn)，產(chǎn)品尺寸和形狀精度都受到了限制，很多特殊型號槽鋼一直依賴國夕進口。改進生產(chǎn)方式，提升產(chǎn)品檔次，國內(nèi)的型材事業(yè)才能發(fā)展。 本文系統(tǒng)地介紹了國內(nèi)型鋼生產(chǎn)狀況以及數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，以剮塑性大變形有限元理論為基礎(chǔ)，對槽鋼成型模擬

2、過程的邊界條件作出合理設(shè)置，建立只有下輥主動、立輥和上輥被動的萬能軋制模型。運用有限元分析軟件首次進行了萬能法軋制長腿特種槽鋼的仿真模擬，指出最初萬能輥系參數(shù)設(shè)計的不合理并進行修正。利用較合理的輥系模型對萬能軋制槽鋼的五個道次進行仿真模擬，重點分析了各道次下水平輥和立輥的軋制力、腹板橫向單位軋制力的分布、軋件的溫度場以及軋件變形區(qū)等效應(yīng)力的分布。本文還闡述了軋邊工藝在萬能軋制中的重要性，仔細(xì)分析了不同的軋邊規(guī)程對槽鋼腿部尺寸和形狀精度的影響。 強大的后處理功能提供了變形抗力、溫度場，應(yīng)變速率等物理試驗不能得到的豐富的信息，我們可以很方便進行分析比較，得出有用的結(jié)論，指導(dǎo)實際生產(chǎn)。關(guān)鍵詞一；萬能

3、法軋制；長腿特種槽鋼；剛塑性有限元法； 軋邊 燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 ， ， 曲 也 ， ， · ， ， ， ， ， ， ， ， 摘要 ， ， 一； ； ； ； 燕山大學(xué)碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：此處所提交的碩士學(xué)位論文萬能法軋制長腿特種槽鋼的數(shù)值模擬，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，在燕山大學(xué)攻讀碩士學(xué)位期間獨立進行研究工作所取得的成果。據(jù)本人所知，論文中除已注明部分外不包含他人已發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究工作做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式注明。本聲明的法律結(jié)果將完全由本人承擔(dān)。 作者簽字倦怎定 日期：勱叮年棚歹日 燕山大學(xué)碩士學(xué)位論文使用授權(quán)書 萬能法

4、軋制長腿特種槽鋼的數(shù)值模擬系本人在?嗌醬笱了妒墾黃詡湓詰際傅枷巒瓿傻乃妒墾宦畚摹韭畚牡難芯砍曬檠嗌醬笱校救巳縲璺斫鵜嗌醬笱諞煌瓿傻患跋喙厝嗽薄救送耆私庋嗌醬笱賾詒妗褂醚宦畚牡墓娑庋舨蠐泄夭棵潘徒宦畚牡母從偷繾影姹荊市礪畚謀徊樵暮徒柙模救聳諶嗌醬笱梢圓捎糜壩跤蚱淥粗剖侄偽媛畚模梢怨悸畚牡娜炕蠆糠幟諶蕁?保密口，在 年解密后適用本授權(quán)書。 本學(xué)位論文屬于 不保密區(qū) （請在以上相應(yīng)方框內(nèi)打“”） 日期：柞鑰日 新簽名秣 作者簽名：倦蟊傲 日期：川年年月，日 第章緒論 第章緒論前言 槽鋼、型鋼等經(jīng)濟斷面型材以其截面模數(shù)大、質(zhì)量輕、工藝性能好等特點，在諸多領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。當(dāng)前，鋼材市場上需要一種

5、非標(biāo)準(zhǔn)的輕型薄壁槽鋼，主要用于建筑工程、機械制造、輕便車輛、護欄、圍欄、檢修與裝修用料、農(nóng)用蔬菜大棚支架等。其中輕便車輛更是需要長腿、薄壁的特種槽鋼來做汽車底盤橫梁。市場需求非常緊迫，但是我國的型鋼生產(chǎn)無論是從設(shè)備水平還是軋制工藝來說都大大落后先進工業(yè)國家，目前的型鋼產(chǎn)業(yè)的形勢很難適應(yīng)市場的需求。型鋼生產(chǎn)狀況型鋼生產(chǎn)方式 型鋼生產(chǎn)方法有熱軋、焊接和冷彎等幾種，其中熱軋型鋼具有效率高、能耗少、成本低、適于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點，成為型鋼生產(chǎn)的主要方法【。型鋼的熱軋生產(chǎn)型鋼的熱軋生產(chǎn)主要有孔型法和萬能法兩種。 （）孔型法孔型法是生產(chǎn)簡單斷面型材的主要方法。目前，我國除型鋼外的所有熱軋型鋼產(chǎn)品都是采用孔型

6、法生產(chǎn)的。這種方法一般是在二輥或三輥軋機上，用在兩個軋輥的輥身上車削的軋槽所形成的孔型對金屬進行軋制。 孔型系統(tǒng)按照形狀可以分為兩大類：一是簡單斷面孔型：包括箱形孔型、菱形孔型、，六角孔型、橢圓孔型、方孔型、圓孔型。二是異型斷面孔型：一般有工字形孔型、槽形孔型、軌形孔型、字形孔型等。 孔型按照配置方式可以分為：開口孔型、閉口孔型、半閉口孔型和對角孔型開口孔型：輥縫位于孔型周邊之內(nèi)，其軋輥輥縫一般位于孔型高 燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文度中間，開坯或軋制簡單斷面型材一般采用這種孔型；閉口孔型：輥縫位于孔型周邊之外；對角孔型：輥縫位于孔型的對角線上。其中閉口孔型和對角孔型主要用于生產(chǎn)異型斷面型材，如工

7、字鋼、重軌等。半閉孔型：通常也稱為控制孔型，如控制槽鋼、工字鋼的腿部高度等，其輥縫?？拷诳仔偷牡撞炕蝽敳俊?孔型按照用途可以分為開坯孔型（也稱延伸孔型）、預(yù)軋孔型（也稱為毛軋孔型）、成品前孔型和成品孔型。開坯孔型：任務(wù)是將鋼坯斷面減小，使其延伸。常用的有箱形孔、菱形孔、方形孔、橢圓孔、六角孔；預(yù)車：型：任務(wù)是在繼續(xù)減小軋件斷面的同時，使軋件斷面逐漸成為與產(chǎn)品形狀相似的雛形；成品前孔型：為在成品孔型中軋出合格產(chǎn)品做準(zhǔn)備；成品孔型：是一套孔型系統(tǒng)中作后一個孔型，它的作用是對軋件進行精加工，使軋件具有成品所要求的斷面形狀和尺寸。 孔型法車所采用的孔型都是由一對軋輥上刻槽所組成，所以在同一孔型中，軋

8、輥直徑有明顯的變化。這樣，軋槽內(nèi)沿軋輥直徑方向的線速度有明顯的差異，尤其是軋制異型斷面型材時，使用閉口孑型或?qū)强仔?，速度差更大，并且型材的形狀不對稱，壓下量分配不均，使得孔型內(nèi)金屬產(chǎn)生附加流動，導(dǎo)致軋制能耗增加，孔型局部磨損嚴(yán)重。目前，用孔型法生產(chǎn)型材的孔型系統(tǒng)設(shè)計，經(jīng)驗因素占重要地位這種生產(chǎn)方法需在軋輥上車削軋槽，軋槽都存在斜度，目的是使軋件易于正確進入孔型，又有利于軋件脫槽；并且，使軋輥重磨后能恢復(fù)孔型原有尺寸，延長軋輥的使用壽命。另外，側(cè)壁斜度大，側(cè)壓量大，有利于軋件的延伸。但是軋槽的斜度就使得用孔型法無法生產(chǎn)出內(nèi)外側(cè)平行的經(jīng)濟斷面型材，特別是刻槽深度受軋輥強度的限制，寬翼緣的工字鋼亦

9、無法生產(chǎn)。 （）萬能軋制方法萬能軋制法是年在盧森堡的工廠，從軋制平行翼緣工字鋼開始發(fā)展起來的。萬能軋制法的孔型是由三個或三個以上軋輥所圍成，故亦稱多輥軋法。這種方法多用于生產(chǎn)型鋼、平行腿槽鋼及鋼軌（字鋼一般由型鋼剖分得到）。軋制型鋼時，孔型由布置在同一鉛錘面的上、下水平輥和左、右立輥組成。四個軋輥可以在兩個方向上加工所要求的型鋼的端面尺寸，實現(xiàn)水平和垂直方向的同時壓下 第章緒論這種萬能軋制法的特點是：軋件和軋輥之間相對滑動較小，避免了鋼材表面開裂，鋼材表面質(zhì)量得到了改善；萬能法孔型速度差較小，孔型各部位磨損均勻，軋制尺寸穩(wěn)定，尺寸精度比孔型法高以上；由于孔型磨損均勻，軋輥消耗低，根據(jù)資?賢臣疲

10、慷指植腦蹕謀瓤仔頭檔馱跡補錚以醯墓?fàn)N瞇栽黽櫻揮捎誚鶚舯湫尉齲牟杏嚶跣。岣吡嗽牡幕敵閱?；可译s媒閑墓蹙對平洗蠊娓竦男筒模繞涫強梢隕仔頭薹木枚廈嫘筒模傭罅瞬菲分值姆段?萬能型鋼軋機所用的坯料一般為連鑄坯或初軋坯，有方坯、矩形坯、異型坯，可軋制工字鋼，型鋼、角鋼、不等邊角鋼、槽鋼、礦用工字鋼，礦用型鋼、鋼樁等多種型鋼；軋機一般有開辟機組、萬能粗軋機組、萬能精軋機組構(gòu)成除了全連續(xù)式軋機外，一般開坯機組由架兩輥軋機或三輥軋機組成，采用閉口孔型往復(fù)軋制；萬能粗軋機組至少包括一架萬能軋機和一架軋邊機，或連續(xù)或往復(fù)軋制；萬能精軋機組一般由架萬能機架擔(dān)任，軋制一道次。 萬能型鋼軋機萬能機架在軋制某些品種型鋼時，

11、通過更換中間牌坊即可很容易的轉(zhuǎn)換為二輥型鋼軋機，如在軋制槽鋼時，萬能粗軋機轉(zhuǎn)換為二輥軋機，在軋制角鋼、礦用型鋼時，萬能機架全部改為二輥軋機。這就使軋機對鋼材品種的適應(yīng)性大大增強，產(chǎn)品規(guī)格靈活性加大。 近年來，先進工業(yè)國家均采用萬能法生產(chǎn)工字鋼、槽鋼。國內(nèi)萬能法生產(chǎn)才剛剛起步，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，孔型法生產(chǎn)異型斷面型材將有相當(dāng)一部分被萬能法所取代。型鋼的焊接生產(chǎn)應(yīng)用高頻焊接方法生產(chǎn)經(jīng)濟斷面結(jié)構(gòu)型鋼是年代發(fā)展起來的一種多能高效的生產(chǎn)方法，一般生產(chǎn)用熱軋法無法生產(chǎn)的型材，如腰腿厚度差很大的型材，厚度小于的型材或腰腿材質(zhì)不一樣的型材。目前，焊接成形法主要用于生產(chǎn)大規(guī)格（高度大于）的異型型鋼，高度大于米

12、的型鋼一般用焊接方法生產(chǎn) 焊接方法生產(chǎn)型材一般以熱軋鋼板或熱軋帶鋼為原料，因此其結(jié)構(gòu)件的成本比熱軋型材高，但結(jié)構(gòu)件的重量可以減輕左右。 燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文冷彎型鋼生產(chǎn)冷彎型鋼是金屬板材在冷狀態(tài)下加工成各種形狀的型鋼，可以在冷拔機組、彎曲壓下機組或輥式彎曲成型機組上加工。用這種方法可以生產(chǎn)熱軋法無法生產(chǎn)的各種輕型型材，是帶材深加工中的一個重要領(lǐng)域。冷彎型鋼的品種規(guī)格繁多，并且可以使結(jié)構(gòu)件的重量減輕了，因此被廣泛應(yīng)用于建筑、汽車制造、礦山機械制造、農(nóng)業(yè)及輕工業(yè)機械制造、造船、交通運輸、儀器儀表、民用電器等各個領(lǐng)域，在我國國民經(jīng)濟中起著重要作用。 盡管冷彎型鋼品種繁多，應(yīng)用廣泛，但是其冷彎成型

13、過程非常復(fù)雜，具有明顯的幾何非線性、物理非線性和邊界條件非線性。因此，迄今為止，冷彎技術(shù)仍主要基于生產(chǎn)經(jīng)驗，依賴試錯法獲取工藝規(guī)律；并且冷彎型鋼是以熱軋或冷軋板為原料，其成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于熱軋型鋼；而萬能軋制技術(shù)的不斷提高，熱軋異型斷面型材箱輕型化方向發(fā)展，因此一部分冷彎型鋼熱軋型鋼所代替。 在冷成型的型材中，還有一部分冷拔、冷軋材。最近幾年還發(fā)展了冷軋帶肋鋼筋，它是以普通低碳鋼盤條為原料，經(jīng)一道或幾道冷拔減徑后，最終一道冷軋成螺紋鋼筋，其強度由普通熱軋材的提高到，延伸率不低于。冷軋帶肋鋼筋主要用于水電站壩體、混凝土公路、機場跑道、隧道、混凝土梁、墻和樓板內(nèi)的配筋，也可以作大型載重車輛的輻條。型鋼生

14、產(chǎn)現(xiàn)狀小型和棒材到年，我國小型和棒材生產(chǎn)擁有個世界第一，即軋機套數(shù)、年生產(chǎn)力及占鋼材總量的比值（連軋機套數(shù)已經(jīng)超過套，年生產(chǎn)力約萬噸，連軋機的軋制能力可達到生產(chǎn)總量的）【】。 目前我國小型和棒材軋機的總體裝備和生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)達到國際先進水平，并具有以下特點： （）新建軋機大多為架，分粗、中、精軋機組，每組架，平立交替布置，實現(xiàn)無扭連軋。采用步進式加熱爐，全數(shù)字式直流傳動系統(tǒng)。坯料為連鑄方坯，長一。產(chǎn)品規(guī)格為痧一， 第章緒論，以下產(chǎn)品采用切分軋制。 （）產(chǎn)品以帶肋鋼筋為主。不生產(chǎn)帶肋鋼筋的小型連軋機只有杭州鋼鐵公司、石家莊鋼鐵公司和邢臺鋼鐵公司等幾家。 （）對提高產(chǎn)量有益的無頭軋制、切分軋制技術(shù)等

15、，我國使用和推廣的 。力度高于工業(yè)發(fā)達國家如無頭軋制技術(shù)，到年，唐山鋼鐵公司引進了意大利公司的技術(shù)；邢臺鋼鐵公司第二高線廠引進了日本公司的技術(shù)；通化鋼鐵公司自行開發(fā)了棒線材無頭軋制技術(shù)。而值得注意的是，該技術(shù)在美國、日本、德國和俄羅斯等產(chǎn)鋼大國尚沒有很好的應(yīng)用實例，日本】公司的棒線材無頭軋制技術(shù)，在日本也僅有家試驗廠。棒材的切分和切分軋制技術(shù)，國內(nèi)企業(yè)的研究和推廣熱情很高，也很有成熟的技術(shù)。 （）對提高產(chǎn)品質(zhì)量、滿足用戶需求有益而影響產(chǎn)量的技術(shù)，在我國的使用和推廣力度低于世界先進水平國家。這些技術(shù)包括：棒材自由規(guī)格減定徑技術(shù)，其可為用戶提供任意規(guī)格的產(chǎn)品，適應(yīng)多品種、小批量市場需求。棒材高精度

16、軋制技術(shù)。合金鋼和低合金鋼棒材在線控制冷卻技術(shù)。多鋼種、小批量棒材的市場開發(fā)。專用小型材的市場開發(fā)。工業(yè)先進國家的型鋼軋制品種多達萬余種，而我國的熱軋型材品種只有上千種。 上述特點說明我國小型與棒材生產(chǎn)還處于市場需求旺盛階段。；線材我國主要鋼鐵企業(yè)的線材軋機共約套。因還有為數(shù)眾多的地方小廠，故軋機套數(shù)很難統(tǒng)計。與小型和棒材生產(chǎn)一樣，我國線材生產(chǎn)在軋機套數(shù)、年生產(chǎn)力、占鋼材總量的比值方面也擁有個世界第一。 目前我國線材生產(chǎn)以高速線材軋機為主，并擁有世界上曾出現(xiàn)過的所有形式的線材軋機，我國都在使用中，充分體現(xiàn)了全國發(fā)展的不平衡特點。中型材年來變化最小的就是中型材生產(chǎn)。目前其生產(chǎn)能力與市場需求基本平

17、衡。中型材生產(chǎn)的技術(shù)進步表現(xiàn)在主要的中型軋材廠采用了長尺精整工藝，但軋機布置、軋機結(jié)構(gòu)的變化不大。近年來也投建了幾套連續(xù)式中型軋機。 最近，隨著型鋼市場的逐漸擴展，出現(xiàn)了建設(shè)中型軋機，生產(chǎn)小型型鋼，為型鋼生產(chǎn)配套的苗頭。萊鋼所屬萬力公司的小萬能軋機生產(chǎn) 燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文日漸起色，引起了部分中型軋鋼廠的注意。軌梁和大型材 （）型鋼軋制工藝的開發(fā)包鋼軌梁廠在無萬能軋機的情況下，與原東北工學(xué)院合作，在原有二輥軌梁軋機上加裝立輥框架，在國內(nèi)首先進行了型鋼軋制，滿足了國內(nèi)急需。攀鋼軌梁廠與原東北工學(xué)院合作，進行了萬能孔型軋制重軌和型鋼的工藝研究。 （）萬能軋機的研制第一重型機器廠與原東北重型機械

18、學(xué)院合作，研制了國內(nèi)第一套萬能軋機，年在馬鋼二軋廠投產(chǎn)；沈陽重型機械廠研制了套萬能軋機，年在鞍山市軋鋼廠投產(chǎn)。 （）引進萬能軋機，建設(shè)現(xiàn)代化型鋼生產(chǎn)線馬鋼和萊鋼分別于年和年建成了當(dāng)時世界上較先進的型鋼生產(chǎn)線，從而使我國在大型材的品種方面，與工業(yè)發(fā)達國家無明顯差別。由于萬能軋機的投產(chǎn)，馬鋼在我國型鋼市場開發(fā)方面作出了開拓性貢獻。 （）進萬能軋機軋制重軌，建設(shè)現(xiàn)代化重軌加工線為提高重軌的尺寸精度和平直度，滿足我國鐵路提速和建設(shè)高速鐵路的需求，國內(nèi)幾家重軌生產(chǎn)廠均投入大量資金，引進了萬能軋機和最先進的重軌加工線。槽鋼生產(chǎn)現(xiàn)狀 目前，廣泛應(yīng)用于槽鋼生產(chǎn)的主要是孔型法。槽鋼的孑型軋制有橫梁法、蝶式法、及

19、平板法。 橫梁法相當(dāng)于工字鋼軋制的方法或粗鋼坯法的將軌底部分去掉后的孔型法。雖然有切口深及軋制道次稍多等缺點，也有使軌底前端部分的強度高、粗軋輥可以與工字鋼共用等特點。 蝶式法是在軋制大方坯時使用。軌底部分一般用開孔部進行軋制，寬度很容易得到保證。但與橫梁法相比，由于軌底前端部分強度底而產(chǎn)生壓痕及擠出等缺點。 平板法適用于寬幅槽鋼的軋制，軋制道次少、軋制壓力小，但軋輥長度變長。除此之外，在粗軋及中間軋制時還使用了萬能軋機，在精軋中使用了孔型軋制的方法。 笙！要絲絲 需要提及的是，先進工業(yè)國家已經(jīng)出現(xiàn)萬能軋制槽鋼的技術(shù)，但這在國內(nèi)還是空白。軋制模擬仿真技術(shù)的發(fā)展 軋制過程計算機模擬仿真是在物理模

20、擬和試驗研究的基礎(chǔ)上應(yīng)用數(shù)值計算和分析技術(shù)，尤其是應(yīng)用有限元法（）研究塑性變形過程中應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等分布以及微觀組織和宏觀力學(xué)等的變化規(guī)律。 軋制過程涉及多階段、多因素，是幾何與材料高度非線性的復(fù)雜接觸問題，要對其進行較為全面的在線生產(chǎn)試驗研究，無論是從經(jīng)濟上還是從技術(shù)上都難以實現(xiàn)。借助計算機模擬仿真技術(shù)不僅能有效的超前再現(xiàn)并揭示軋制過程的本質(zhì)及各工藝參數(shù)的影響規(guī)律、代替和減少試軋過程、實現(xiàn)對軋制工藝過程的優(yōu)化，而且可極大的降低成本，并縮短設(shè)計周期【】軋制過程數(shù)學(xué)模型及模擬仿真的分類 準(zhǔn)確建立模擬對象的數(shù)學(xué)模型是軋制過程計算機仿真的基礎(chǔ)，也是研究的熱點之一。提出將塑性成型過程（包括軋制）的數(shù)學(xué)模型劃分為宏觀量、分布量和顯微量等不同層次。根據(jù)數(shù)學(xué)模型和模擬目標(biāo)量的不同，將計算機模擬仿真劃分為總體模擬、局部模擬、微觀模擬等不同級別，在多級模擬仿真年，第級的模擬結(jié)果可以為第級的平均值【刀。軋制過程模擬的主要方法 軋制過程的求解方法主要有解析法、數(shù)值法和經(jīng)驗法等【刀。其?杏邢拊悄殼澳芏運芐約庸談鋈媸到獾姆治齜椒唬誚牧夏夥掄媸菘夂湍涂庖約跋喙乇囈縑跫鵲幕希芄荒