六角中空钢轧制过程模拟及微观组织演变建模.pdf

六角中空钢轧制过程模拟及微观组织演变建模于恩林1 赵玉倩1 ．一沈红伟1( 1 ．燕山大学机械工程学院，秦土岛；2 ．东北大学豢皇岛分校，秦皇岛)摘要：本文建立了六角中空钢轧制过程的三维塑性变形模型，定量计算了中空钢轧制过程的速度场、应变场、应力场、温度场；建立了中空钢轧捌过程的微观组织演变模型得到了主要工艺参数轧帝1 速度婶微观组织演变的影响规律主题词：中空钢；刖塑性有限元法；微观组织演变N U M E R I C A LS Ⅱ垤U L A T l o No FR o L L I N GP R o C l 强洛o ND E F O R M A l ．】[ o NA N D 劓蛾0 S T R U C T 【瓜E SF o RH E X A G o NH o L L o Ws 1 ' E E L SE I l l i nY u lY u q i a nZ h a o l 2H o n g w e iS h e n l( 1 ．C o l l e g eo fM e c h a n i c a lE 晒n e e r i n g ，Y a n s h a nU n i v e r s i t y ；2 ．N o r t he a s t e r nU n i v e r s i t ya tQ i n h u a n g d a o )A b s t r a c t ：I nt h i sp a p e rt h e3 Dm o d e lf o rs i m u l a t i n gt h er o l l i n gp r o c e s so fh e x a g o nd r i l l i n gs t e e l sw a sb u i l d ．V e l o c i t yf i e l d ，s t r a i nf i e l d 。

s t r e s sf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l dw e r ec u l c u l a t e d ．f I l 地m i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o nm o d e l so ft h ed e f o r m i n gp r o c e s sw e r es e t u p ．．1 1 I ei n f l u e n c el a wo fs l a i ns i z eb yt u n i n gv e l o c i t yW a Sr e s e a r c h e d ．K e y w o r d s ：D r i l l i n gs t e e l s ，硒g i d - p l a s t i cF E M ，M i c r o s t r u c t u r eE v o l u t i o n1 引言钎杆用中空钢又称钎钢是制作开山凿岩工具用钢材是技术含量高、附加值高的钢铁产品社会实践表明，各种矿产资源的开采，铁道、公路、水利、水电等能源交通建设，以及地质、建筑等部门，都离不开钻爆作业，离不开使用钎钢。

近几年，我国每年消耗钎钢8 万吨左右由于钎钢工作时，是在与岩矿石的剧烈摩擦和高压水流的冲刷与矿坑水的腐蚀条件下承受着拉、压、弯、扭和凿岩机每分钟2 0 0 0 9 0 0 0 次左右的高频冲击其实际工作寿命只有几十分钟到几十小时因此，钎钢是人类所有的钢铁机械工具作者简介：于思林，男．1 9 5 7 年生燕山大学机械工程学院教授、博士生导师，教务处处长，主要从事管材轧制理论及产品质量控制、管材剪切理论' 及工程、金属电塑性加工理论及工程的研究发表论文5 0 余篇获得省级科技进步奖三等莫一项和四等奖一项、专刺3 项，出版专著l 部赵玉倩，女，1 9 7 7 年生燕山大学机械工程学院博士研究生，东北大学秦皇岛分校讲师研充方向为管材轧制过程的数值模拟厦质量控制中受力条件最苛刻、使用寿命最短、技术含量很高、基础工业必备的大量消耗性工具研制长寿命冲击凿岩钎钢，已成为全球采掘工业高效、低耗凿岩必须解决的重大工程技术难题钎杆的使用寿命取决于钎钢的内在质量、凿岩条件和使用技术三个方面，其中，内在质量具有决定意义钎钢的内在质量由几何结构参数、钢种及生产工艺所决定钎钢的生产工艺包含了工艺流程、工艺参数和相关设备。

一直以来，工艺参数的选择主要靠经验，缺少科学的理论依据，工艺参数的确定需要多次试生产修订，因此产品研制周期长、质量难以控制且生产成本高钎杆用中空钢的成形工艺过程属于热加工变形过程热变形过程中，材料发生的微观组织演变在很大程度上决定了成品的最终机械性能同时微观组织演变对变形过程本身也产生作用一定变形条件下产生的材料微观组织情况影响着所需的变形力以及成品的最终尺寸和形状考虑变形过程中和变形间隙时间内材料微观组织的演变过程，对于准确模拟金属变形过程有着重要的意义随着计算机、物理冶金、轧制等技术的进步．关于热轧产品的计算机模拟得到了迅速地发展国内外很多学者将微观组织演变理论及计算机模拟技术引入对板线材成形的分析[ 1 一¨钎钢的性能指标与微观组织关系同样密不可分，但钎钢做为特种管材，成形过程及微观组织演变过程复杂，对钎钢轧制过程微观组织演变的分析难度也就更大将有限元理论和微观组织演变理论结合，研究钎钢在轧制过程中微观组织的变化规律，对钎钢机械性能进行提前预测可达到对生产工艺参数实行优化，提高钎钢使用寿命的目的2 六角中空钢轧制过程仿真模型的建立2 ．1 中空钢的轧制成形方法热穿——热轧法是2 0 世纪7 0 年代试验成功的一种钎钢生产工艺，它是将实心钢坯进行穿孔，经过均整，然后热轧成材。

其中张国榉[ 5 】等设计的热穿——热轧法钎钢生产工艺在实际生产中取得了良好效果，其主要工艺流程为：圆坯下料- + 定心_ + 加热_ + 穿孔_ +减径_ + 六角形一次热轧成形一冷却叶精整相对其它中空钢成形方法热穿——热轧法生产效率、成材率、表面质量等均有大幅度提高并且综合能耗及污染大幅度降低在我国，综合考虑，热穿——热轧法生产钎钢是最有潜力的’六角形热轧成形是钎钢生产的关键工艺步骤本文将研究轧制速度、轧制温度、压下量等主要工艺参数对微观组织演变的影响规律本文侧重分析常用轻型( 小直径) 六角中空钢，即B 2 2 的热轧工艺，来料为管坯2 ．2 几何实体模型的建立坯料及轧辊的三维几何模型在S o l i d ．w o r k s 中建立，并保存为S T L 格式文件S T L文件使用三角形面片来表示三维实体模型，是C A D ／C A M 系统接口文件格式的工业标准之一绝大多数造型系统能支持并生成此种格式文件坯料采用的是厚壁管管坯外径为2 6 r a m ，内径为1 0 r a m ：坯料总长度为1 0 0 r m n 轧辊工作直径为2 4 0 r a m ，轧辊及坯料的布局图如图1 所示。

六辊匀布一道次轧制实现六角中空钢成形1 5 9 ∥缓缓缓燃图1 六角申空钢轧制过程几何实体模型图2 ．3 有限元仿真模型的建立中空钢轧制过程有限元模型在有限元软件D E F O R M 前处理模块中建立首先要将管坯和轧辊的几何实体模型导入D E F O R M 前处理模块轧辊文件需重复导人六次，分别以D i e l 至D i e 6 命名并按图l的几何关系定位管坯为塑性体．初始温度设为1 0 0 0 0 C 管坯材质为钎杆用中空钢专用钢材5 5 s i M n ．M o 管坯的导热率为4 8 W ／( m ) ，热辐射系数为0 ．7 ，比热容为4 5 2 J ／( K g ·K ) 管坯与轧辊之间的接触传热系数取为l l W ／( m 2 ·K ) ；轧件与环境之间的对流换热系数为0 ．0 2 W ／( m 2 ·K ) ，环境温度为2 0 ℃[ 6 1 假设轧辊为刚性．在轧制过程中假设辊子初始温度为1 0 0 0 C 对六个轧辊设定了回转运动回转中心为各轧辊的几何中心在D E F O R M 中回转中心及回转轴矢量的计算需要在其它C A D 中建立矢量图进行定量计算，计算出中心的绝对坐标值和回转轴矢量后，输入到D E F O R M 中。

轧辊转速为2 6 ．5 r p m ，即轧件出口线速度为2 0 r e ／r a i n ———M 1 6 0对管坏进行四面体网络划分．管坯单元数为4 8 2 9 9 ，节点数为1 1 0 3 9 最小节点间距为1 ．5 r a m ，取步长为最小节点间距的1 ／3 ，即0 ．5 m m ，则每步时间增量为0 ．0 0 1 5 s ，总步数设为2 0 0 步设定工件与轧辊的接触容差为0 ．0 0 2 轧件与轧辊间的摩擦系数为0 ．3 2 ．4 微观组织演变模型的建立中空钢轧制过程的微观组织演变模型在D E F O R M 软件中经二次开发建立微观组织演变模型建立在三维轧制有限元模拟之后在完成了速度场、应变场及温度场的定量计算后建立微观组织演变模型包括动态再结晶模型、亚动态再结晶模型、静态再结晶模型和晶粒长大模型设轧件的初始晶粒度为1 0 0 动态再结晶( D R X ) 是金属在热变形过程中所发生的再结晶软化过程一般以动态再结晶临界应变值( 8 ) 作为动态再结晶发生的条件[ 4 】即在变形过程中当应变值达到应力一应变曲线上发生动态再结晶的临界应变时热变形奥氏体会发生动态再结晶现象动态再结晶临界应变值主要由再结晶前的初始晶粒尺寸、应变率、应变温度、再结晶激活能8 p 弘小眠X p ( 剐托。

￡c = a 2 8 2 )动态再晶动力学方程采用 耻·一十 引～e o ．s = a s d 弦￡％p 陪] + c 5 ㈩动态再结晶晶粒尺寸方程九= 口d O ／qe n s ￡o x p ( 鲁1 + 二5 ，式中d o初始晶粒度，岬e应变量；￡＆应变率B ．1 ；T温度，K ；R气体常数K ／J ；e p峰值应变；蜀咕发生5 ∞锄态再结晶时对应的应变；Q i再结晶热变形激活能K J ／m o l ；I | } ；嘏为比例常数[ H 】，可通过金属材料的热压X a = 1 - e x pM 圳㈤式中沁为发生5 0 ％亚动态再结晶时所‰弛d O h 4 ￡n 48 眠印( 鲁) ㈤驴口，d ：7 8 n 7 眠冲㈦均㈤静态再结晶模型( s P u x ) 包括静态再结晶转变分数( X s ) 关系式，即静态再结晶转变对应的时间与上一道次变形的应变值、温度和变形前初始奥氏体晶粒尺寸的关系式，以及静态再结晶晶粒尺寸关系式静态再结晶动力学方程采用 一斗卢刚㈣‰弘矿8 ～妒唧( 荆㈣，静态再结晶晶粒尺寸方程以砜村删卸( 荆帆⋯，晶粒长大模型铲d o + a 9 t e x p ( 一豺1m ，综合动态再结晶、亚动态再结晶、静态再结晶以及晶粒长大的模型，就可以模拟热轧管坯在高温变形过程中发生的组织演变过程。

六角形中空钢轧制过程中的平均晶粒度计算流程图如图2 所示首先计算变形时的每个单元的动态再结晶临界应变值并与实际发生的等效应变比较判断是否发生动态再结晶；进而确定变形后发生的再结晶是亚动态再结晶、静态再结晶还是未再结晶如果变形后发生再结晶分别按照相应的模型计算再结晶分数和再结晶晶粒尺寸；如果发生完全再结晶，则计算剩余时间中的晶粒长大，否则利用混合法则计算平均晶粒尺寸，从而得到六角形中空钢轧制过程中每个有限单元的平均晶粒尺寸3 模拟计算结果分析3 ．1 三维结果中空钢轧制过程三维有限元模拟结果如图3 所示轧后轧件总长度为1 1 3 ．7 4 r a m ，总轧制时间为0 ．3 s 应变云图4 显示了成品的横截面尺寸成品名义直径为2 2 ．1 9 m m ，内孔直径为7 ．3 3 m m ，最小壁厚约为7 ．5 2 m m ，圆角半径为3 ．2 m m 模拟成品。