H型鋼軋制過程摩擦力分布的數(shù)值分析

1、收稿日期:2006-01-09作者簡介:馮憲章(1972,男,博士,講師,C MES 高級會員,主要從事材料成形過程數(shù)值模擬,機(jī)構(gòu)動態(tài)特性分析,虛擬樣機(jī)技術(shù),有限元法等領(lǐng)域的研究1E 2mail:phdfxz1631com 1H 型鋼軋制過程摩擦力分布的數(shù)值分析馮憲章(鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院機(jī)電工程系河南鄭州066004摘要:為了分析萬能法軋制H 型鋼過程中不同接觸區(qū)內(nèi)摩擦力分布的規(guī)律,利用數(shù)值模擬法建立了H 型鋼的軋制模型。以鉛為坯料,在給定軋制規(guī)程的前提下,系統(tǒng)地模擬了H 型鋼軋制的全過程;分析了翼緣和腹板變形區(qū)的長度、寬度等參數(shù);最終獲得了穩(wěn)態(tài)軋制過程中摩擦力在不同接觸區(qū)域內(nèi)的矢量分布規(guī)律

2、。研究結(jié)果表明:H 型鋼翼緣表層金屬受到的摩擦力的方向指向變形區(qū)的中部,翼緣變形區(qū)存在前滑區(qū)和后滑區(qū);H 型鋼腹板表面金屬受到的摩擦力的方向一致,與軋制的方向相反,使得接觸區(qū)基本為后滑區(qū)。關(guān)鍵詞:H 型鋼;軋制;變形區(qū);摩擦力;矢量分布中圖分類號:TG33514文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:0254-0150(20066-078-3Nu mer i ca l Ana lysis of D istr i buti on of Fr i cti on Forceduri n g H 2Beam Rolli n gFe ng Xi a nzha ng(Depart m ent ofMechanical

3、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 contactzone,rolling model of H 2Beam was established using nu merical

4、 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

5、 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 f

6、or 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 distributionH 型鋼是一種內(nèi)側(cè)無斜度的工字鋼,它是在普通工字鋼的基礎(chǔ)

7、上發(fā)展起來的。H 型鋼作為一種經(jīng)濟(jì)斷面鋼材被廣泛地應(yīng)用于諸多領(lǐng)域,現(xiàn)已成為我國推廣使用的重點節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品。H 型鋼生產(chǎn)工藝復(fù)雜,技術(shù)要求高。其翼緣和腹板兩表面接近垂直,因此利用孔槽法軋制極為困難,而采用萬能法則可順利實現(xiàn)H 型鋼的工業(yè)化生產(chǎn)。萬能法軋制H 型鋼時,金屬的變形不同于軋制其它產(chǎn)品,它有兩個變形區(qū),一對水平輥對腹板實現(xiàn)壓下,形成腹板變形區(qū);立輥和水平輥側(cè)面對翼緣實現(xiàn)壓下,形成翼緣變形區(qū)。這兩個變形區(qū)獨立存在,又相互制約,使得H 型鋼中金屬流動位移場和應(yīng)力場變得極為復(fù)雜。本文作者以不同變形區(qū)內(nèi)摩擦力矢量場為研究對象,詳細(xì)地分析了H 型鋼軋制過程中變形區(qū)內(nèi)的變形特點和規(guī)律,為H 型鋼軋制

8、規(guī)程的制圖1H 型鋼軋制過程的孔型圖定以及翼緣寬展的控制提供了理論上的依據(jù)和參考1。H 型鋼萬能軋制法的原理如圖1所示。萬能法軋制H 型鋼的優(yōu)點主要在于,通過對稱調(diào)節(jié)立輥和水平輥的輥縫值可以獲得不同產(chǎn)品規(guī)格的H 型鋼。1H 型鋼軋制過程模型的建立由H 型鋼軋制原理可知,當(dāng)坯料經(jīng)過萬能型鋼軋機(jī)的孔型時,在接觸壓力和摩擦力共同作用下,坯料受到一對主動水平輥和一對被動立輥組成的孔型的作用。腹板的變形在水平輥輥縫中完成,同時又受到兩側(cè)翼緣的牽制;翼緣的變形是在水平輥側(cè)面與立輥2006年6月第6期(總第178期潤滑與密封LUBR I CATI O N ENGI N EER I N GJune 2006N

9、o 16(serial No 1178之間組成的輥縫中完成,水平輥側(cè)面沿輥徑方向上各點線速度在軋制方向上的分量不同,使得翼緣內(nèi)側(cè)的變形成為典型的搓軋變形。H 型鋼在軋制過程中,由于腹板和翼緣的變形相互影響,兩者交會處存在金屬的交換,進(jìn)一步加劇了H 型鋼變形的復(fù)雜性。在對H 型鋼軋制過程進(jìn)行動態(tài)模擬分析時,作如下假設(shè):(1因水平輥和立輥的剛度較大,其彈性變形較小,將它們視為剛體;(2因坯料的變形為連續(xù)性局部彈塑性變形,坯料為變形體,采用8節(jié)點三維實體單元;(3由于立輥被動,它通過接觸摩擦力獲得動力,因此只考慮立輥與坯料之間的摩擦力,不考慮立輥和軸承之間的摩擦力矩的影響;(4接觸處的摩擦類型簡化為

10、庫侖摩擦;(5軋制過程不考慮溫度的波動2。圖2H 型鋼軋制的有限元模型根據(jù)H 型鋼軋制過程的特點,在對坯料進(jìn)行三維有限元動態(tài)模擬過程分析時,取所需有限元模型H 型鋼坯料的長度為140mm,該長度可確保軋制過程中有一段穩(wěn)態(tài)的軋制區(qū)域。在保證精度的前提下,還應(yīng)提高計算的效率。在對H 型鋼坯料進(jìn)行網(wǎng)格劃分時應(yīng)采取這樣的原則:在翼緣和腹板的過渡區(qū)域單元網(wǎng)格密度劃分得較密集,坯料兩端區(qū)域比中間區(qū)域的單元網(wǎng)格密度稀疏些,H 型鋼軋制過程所需的整體有限元模型如圖2所示3-4。利用萬能法對H 型鋼進(jìn)行計算機(jī)模擬仿真時,根據(jù)H 型鋼成形的對稱性,仿真時取圖2中模型的1/4為研究對象。2相關(guān)參數(shù)的確定211材料及

11、軋制規(guī)程的確定材料材質(zhì)為鉛,軋制規(guī)程如表1所示。表1H 型鋼的軋制規(guī)程出口尺寸/mm5144136延伸率1142611325212H 型鋼咬入過程的處理根據(jù)H 型鋼的實際成形情況,其咬入過程實際上是通過輥道的旋轉(zhuǎn)帶動坯料運動,依靠坯料對萬能孔型的沖擊實現(xiàn)坯料的順利咬入。在數(shù)值模擬分析過程中,采用一剛體在坯料的尾部施加一個特定的沖擊,使得坯料具有一個合適的初始速度來實現(xiàn)其正常的咬入。3摩擦力分布結(jié)果分析311變形區(qū)研究圖3H 型鋼軋制的位移云圖取H 型鋼軋制后的一段有限元模型為研究對象(至少包括一個完整的變形區(qū),翼緣和腹板變形區(qū)內(nèi)的位移云圖如圖3所示。根據(jù)軋制理論可知,對帶材軋制而言,其變形區(qū)長

12、度的計算公式為5l =R h(1H 型鋼水平輥對腹板的軋制類似板帶的軋制,根據(jù)式(1和表1計算得到的水平輥的接觸區(qū)長度為14105mm 。H 型鋼軋制過程中翼緣的變形為典型的搓軋變形。其變形比較復(fù)雜, 如圖4所示。圖4翼緣變形區(qū)的示意圖分析圖4并結(jié)合公式(1可近似地認(rèn)為,翼緣在軋制過程中,其變形只有立輥對翼緣有側(cè)壓,故計算翼緣接觸處變形區(qū)的長度時,公式(1修正為l =2R h(2根據(jù)式(2和表1計算得到的立輥的變形區(qū)長度為21147mm 。為了進(jìn)一步分析變形區(qū)內(nèi)各參數(shù)的變化情況,圖5給出了翼緣和腹板的壓下量在變形區(qū)內(nèi)沿接觸長度的分布情況。圖5翼緣和腹板的壓下量分布曲線由圖5可得,H 型鋼在軋制

13、過程中,其水平輥的接觸區(qū)的長度為13175mm,和工程計算值的相對誤差為2%。立輥變形區(qū)長度為21125mm,和工程計算值的相對誤差為1%。972006年第6期馮憲章:H 型鋼軋制過程摩擦力分布的數(shù)值分析通過分析式(1、(2和圖5可知,對于H 型鋼的軋制,變形區(qū)的模擬結(jié)果和工程計算結(jié)果誤差較小,精度高,從而驗證了本文建立的模型完全可以滿足計算精度。312摩擦力分布研究在立輥和翼緣接觸區(qū)域內(nèi),翼緣表層金屬受到的接觸摩擦力沿軋制方向的分布矢量圖如圖6所示。圖6中箭頭向上或向下表示摩擦力的方向,箭頭向右表示其接觸摩擦力為零。圖6立輥和翼緣接觸區(qū)摩擦力分布矢量圖分析圖6可知,在立輥和翼緣的接觸變形區(qū)內(nèi)

14、,摩擦力的分布滿足這樣的規(guī)律:在接近坯料出口的區(qū)域摩擦力的方向一致,指向軋制的反方向;在接近入口的區(qū)域摩擦力的方向一致,指向軋制的方向。翼緣在接觸區(qū)域內(nèi),其表層金屬受到的摩擦力出現(xiàn)上述的分布規(guī)律,是由于翼緣的塑性變形在主動的水平輥側(cè)面和被動的立輥之間組成的孔型完成,因此立輥旋轉(zhuǎn)的動力是由立輥和翼緣之間的接觸摩擦力提供的。從能量的觀點來分析,立輥的最大線速度必然介于翼緣表層金屬的入口和出口速度之間,故翼緣在變形區(qū)域內(nèi)必然存在前滑區(qū)和后滑區(qū),使得在其變形區(qū)內(nèi)接觸摩擦力的方向必然發(fā)生改變。由塑性力學(xué)和軋制原理可知:H 型鋼翼緣的表層金屬在變形區(qū)內(nèi)受到的摩擦力的方向必然都指向中性面。圖7水平輥和腹板接

15、觸區(qū)摩擦力分布矢量圖在腹板變形區(qū)內(nèi),其表層金屬的接觸摩擦力沿軋制方向的分布矢量圖如圖7所示。圖7中其箭頭代表的含義和圖6一致。分析圖7可知,在水平輥和翼緣接觸的區(qū)域,坯料受到的摩擦力的方向一致,指向軋制的反方向。這就意味在該區(qū)域內(nèi)基本上都是后滑區(qū)。在坯料和腹板接觸處,坯料的速度小于軋輥的速度。產(chǎn)生這樣的結(jié)果是由H 型鋼軋制的復(fù)雜性和特殊性決定的。腹板的變形在水平輥組成的孔型中完成,在萬能法軋制H 型鋼的過程中,只有水平輥有驅(qū)動,立輥沒有驅(qū)動,因此腹板的變形必然受到翼緣變形的阻礙,相對于對腹板增加了一個后張力的作用,從而使得整個腹板變形區(qū)基本上都處于后滑區(qū)。4結(jié)論(1利用數(shù)值模擬法建立了H 型鋼

16、的軋制模型,系統(tǒng)地研究了H 型鋼的表層金屬在不同變形區(qū)內(nèi)接觸摩擦力的分布規(guī)律。(2模擬結(jié)果表明,H 型鋼翼緣接觸區(qū)內(nèi)存在后滑區(qū)和前滑區(qū),軋制過程腹板由于受到翼緣變形的影響,其變形區(qū)基本上都為后滑區(qū)。參考文獻(xiàn)【1】馮憲章,劉才,江光彪.立輥錐角對H 型鋼翼緣寬展的影響J .鋼鐵,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】馮

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