基于DEFORM的棒材热轧过程的数值模拟及缺陷分析

基于DEFORM的棒材热轧过程的数值模拟及缺陷分析

白 桦 孟宪举 陈连生 李晓波

摘要：利用有限元软件DEFORM3D对某厂棒材热连轧过程中的第1道次进行了数值模拟，通过后处理数据的分析，模拟缺陷位置与实际缺陷位置较吻合；同时探讨了缺陷产生的原因，为丁艺优化提供了依据。

关键词：棒材热轧；变形；有限元模拟

中图分类号：TG335．62 文献标识码：A 文章编号：1003—9996(2008)03—0028—03

在轧制生产中，由于轧辊孔型、摩擦条件等工艺参数的影响，会形成多股金属流动速度的差异导致对流，而形成“缺肉”或“折叠”表面缺陷。利用有限元数值方法模拟金属彤变过程，可以揭示缺陷的产生，有助于生产过程中产品质量的保证^[1,2]。

本文利用有限元软件DEFORM3D，依据某钢厂的工艺参数，建立了棒材轧制的有限元模型，并讨论了在轧制第1道次后轧件边角部出现折皱的原因。

1有限元模型的建立

棒材轧制过程属于大变形的金属塑性成形问题，采用刚塑性材料模型^[3]。轧件为塑性材料，模拟用材料为15钢，其泊松比为0．3，杨氏模量为210MPa，热膨胀系数为1．2e×10^-51／℃；常摩擦系数为0．75；环境温度为1000℃；轧辊为刚性材料，根据厂家工艺参数，转速为0．429rad／s。

棒材的轧制过程属于对称轧制，可选取原模型的1／4进行模拟研究，模拟过程中采用八节点六面体网格。由于缺陷要通过离散点的位移、应力、应变、速度等参数来反映，因此在模拟时分别在坯料的侧表面由上至下选取10个节点(如图1所示位置)作为研究对象，分别讨论它们在整个轧制过程中的变化。

2后处理数据缺陷分析

2．1 等效应变速率及y方向应变速率对比

图2为选取10个追踪节点的等效应变速率，在1．47～2．46s之间对应于坯料刚刚与轧辊接触的位置，等效应变速率由0．03 s一急剧上升至4．25 s^-1，梯度较大。在2．8～3．0s之间也有一个较小波动，此时对应于轧件即将离开轧辊的阶段。图3为整个轧制过程中选取节点的y方向应变速率变化，在1．47～2．46s之间发生急剧的变化，应变速率由-0．84 s^-1急剧上升至1．06 s，其对应于在轧件刚刚接触轧辊的位置，由于孔型的原因轧件边角部金属分流，一部分金属沿-y方向流动，另一部分金属沿y方向急速流动，且沿轧件外表面高度方向节点应变速率值变化紊乱、对应的y方向应变速率梯度值较大，轧件易出现表面缺陷。

2．2等效应力及y方向应力场对比

由图4、图5可看出，轧件上表面受拉应力，而侧壁圆角下方受压应力。由于孔型的原因，轧件4个角部压下量大，延伸也大，将产生附加压应力，而中部压下量小，延伸较小。同时，由于轧件整体性和外端的影响，使轧件各部分获得同一延伸，因此坯料中部将产生附加拉应力，且延伸至轧件侧表面，造成应力分布不均匀，容易产生折皱。

2．3 y方向位移及速度

y方向位移及速度见图6、图7。

节点沿轧件宽度方向(y方向)的速度变化比较剧烈且方向相反，位移数值的大小也有起伏。这说明，轧件侧壁上有一股金属(节点1位置)向内侧流动、有一股金属向外流动(节点2)，与此同时，第3股金属向内侧流动(节点3)，这使得轧件侧壁在速度上形成对流，反映在轧件侧壁节点y方向位移的大小有波动。在这几股金属流动方向及位移不稳定的同时，轧件还受到一个沿轧件高度方向压下的速度(15mm／s)，容易形成折皱。

2．4现场缺陷位置与数值模拟缺陷位置对比

从图8可以清晰看出，轧件的边角部位出现折皱；图9中的深色部分为y方向应变值最大的区域，也是缺陷最容易产生的位置，两者缺陷出现位置较为吻合。

3 结语

通过建立第1道次轧制过程的有限元模型，发现在轧件与轧辊刚咬入时，由于轧件侧壁边角处节点的应变速率梯度较大、应力和应变分布不均匀，导致在沿轧件宽度方向的位移、速度数值大小及方向的波动，此处的金属出现相对反向流动是形成表面折皱的原因。该结果可为现场工艺参数的优化、选择合理与安全的孔型方案提供理论依据。