（材料学专业论文）y型辊模拉拔过程的三维有限元模拟.pdf

垦婴堡二盔堂塑主堂笪堡至! 一 摘要 电力牵引用的按触线在也气化铁路、城市轨道交通、工矿电气化运输和起重 系统等领域有着广泛的应用，在国民经济中占有相当重要地位。但这些具有复杂 几何形状的异型接触线无论品种还是数量都不能满足国内市场的需求，主要原因 是国内的生产设备及技术远远落后于国际先进水平。 本文所介绍的辊模拉拔技术在生产中已经应用得十分频繁，并在生产小断面 异型材方面有很好的应用前景。它结合了轧制与传统拉拔工艺的特点，但又不同 于二者的塑性变形方法。辊模拉拔利用带孔型的被动辊拉制线材，将固定模的滑 动摩擦变为滚动摩擦，减小了拉拔力，增加了道次变形率并改善了金属变形的不 均匀性，因而具有广泛的发展前景。 y 型辊模拉拔由于工艺的复杂性，目前国内对这一较新技术的研究尚处于研 究开发阶段，拉拔过程中工件的变形机理、应力应变分布规律、辊模设计等问题 一直是人们研究的焦点问题。单纯依靠理论加经验解决问题，存在开发周期长、 成本高、精度低等缺陷。而应用有限元仿真对辊模拉拔过程进行模拟具有很大的 指导牛产实践的现实意义。 因此，本文首次对y 型辊模拉拔异型材的变形过程进行了三维数值模拟。以 体成型有限元分析软件m s c s u p e r f o r m 为仿真工具，在适当简化的基础上建立了 有限元分析模型，对y 型辊模拉拔各个道次变形过程进行了三维数值模拟。用云 图和曲线的形式直观地给出金属流动规律及变形情况；得到了辊拉过程中工件变 形的应力、应变场、拉拔力等信息，并分析了拉拔速度、变形程度及摩擦系数对 拉拔力的影响；最主要的是通过模拟得到了在实践中难以测量的辊模径向力，为 缩短辊模设计周期提供了新的方法。 本文将有限元数值模拟方法引入异型棒线材的辊模拉拔中，起到了指导实践 的作用。并对软件在应用中存在的问题作了初步的探讨，给出了应用有限元分析软 件m s c s u p e r f o r m 的体会以供参考，以完善应用此软件分析体成形方面存在的问 题，进而加快数值模拟方法在塑性加工中的应用步伐。 关键词：异型接触线y 型辊模拉拔 m s c s u p e r f o r m三维数值模拟 昆明型三盔堂婴兰兰垡堡奎 a b s t r a c t m a k eas u m m a r yp o w e r t h ec o n t a c tl i n eu s e df o rp u l l i n gi ne l e c t r i cr a i l w a y ，c i t yo r b i tt r a f f i c ， h e a v vs v s t e ma n de l e c t r i f i c a t i o nt r a n s p o r t a t i o nh a v ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o n ，a n dp l a yi m p o r t a n t r 0 1 ei nn a t i o n a le c o n o m y b u tt h e s ed i f f e r e n tt y p ec o n t a c tl i n e s t h a th a v ec o m p l e xg e o m e t r y s h a p ea r e n ts a t i s f i e dw i t h t h ed e m a n do fh o m em a r k e tr e g a r d l e s so fk i n do rq u a n t i t y ，t h em a j o r r e a s o ni st h a td o m e s t i cp r o d u c t i o ne q u i p m e n ta n dt e c h n o l o g yf a l lb e h i n di n t e r n a t i o n a la d v a n c e d l e v e l t h et e c h n o l o g yo fd r a w i n gw i t hr o l l e rd i e si n t r o d u c e db yt h i sp a p e rh a v ea p p l i e dw i d e l yi n p r o d u c t i o na n dt h e r ei sv e r yg o o da p p l i c a t i o np r o s p e c ti nt h ea s p e c to f p r o d u c i n gl i t t l es h a p e d s e c t i o n ，i th a s c o m b i n e dt h ec h a r a c t e r i s t i co fr o l l i n gt e c h n o l o g ya n dt r a d i t i o n a ld r a w i n g t e c h n o l o g y ，b u ti t i sd i f f e r e n tf r o mt h ep l a s t i c i t yd e f o r m e dm e t h o do fb o t h r o l l e rd i e sd r a w n u s e st h ep a s s i v er o l l e rw i t hh o l e st op u l lw i r er o d ，i tc h a n g e st h es l i d i n gf r i c t i o no ff i x e dd i et o r o l l i n gf r i c t i o n ，i t r e d u c e sd r a w i n gf o r c e ，a n dh a v ei n c r e a s e dr o a dd e f o r m e dr a t ea n dh a v e i m p r o v e dm e t a ln o n u n i f o r m i t y ，t h u sh a v ee x t e n s i v ed e v e l o pp r o s p e c t b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo ft h er o l l e rd i e sd r a w nt e c h n o l o g yo fy m o d e l ，w h i c hi sn o w d o m e s t i ct ob ey e ti nr e s e a r c hf o rt h em o r en e w t e c h n o l o g y t od e v e i o p s t a g e ，i nt h ep r o c e s so f i t t h ed e f o r m e dm e c h a n i s ma n ds t r e s ss t r a i nd i s t r i b u t i o nl a wo f w o r k p i e c ei nc o u r s e ，t h ep r o b l e m s s u c ha sr o l l e rm o u l dd e s i g ni s a l w a y st h ef o c u sp r o b l e mt h a tp e o p l es t u d y s i m p l es u p p o r t s t h e o r e t i c a la n de x p e r i e n c et os o l v ep r o b l e m ，w h i c hh a st h ed e f e c to f l e n g t ho fd e v e l o p m e n tc y c l e c o s th i g h ，p r e c i s i o nl o we t c a n di fa p p l ys i m u l a t i o nt ot h ed e s i g nc o u r s eo fr o l l e rd i e sd r a w n ， t h a th a sg r e a t l yr e a l i s t i cm e a n i n go f t h e g u i d a n c ep r o d u c t i o np r a c t i c e t h e r e f o r et h i sp a p e ra p p l i e dt h et h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i cs i m u l a t i o nf o rt h er o l l e rd i e s d r a w no fym o d e lt od e f o r m e dc o u r s eo fd r a w i n gs h a p e df o rt h ef i r s tt i m e w i t ht h ef e a s o f t w a r em s c s u p e r f o r mf i r s th a v ee s t a b l i s h e da n a l y s i sm o d e la n ds i m u l a t e d d r a w i n gw i t h r o l l e rd i e so fym o d e lf o re v e r yr o a dc o u r s eo n p r o p e r l ye a s i e rf o u n d a t i o n g i v em e t a lf l o a t i n g l a wa n dd e f o r m e dc o n d i t i o nw i t ht h ef o r mo f c l o u da t l a sa n dc u r v e ；h a v eg o t t e ns t r a i na n dt h e s t r e s s s i t e ，d r a w i n gf o r c eo ft h ed e f o r m e db o d yi nc o u r s e ，a n dh a v ea n a l y z e dt h ei n f l u e n c e d r a w i n gs p e e d ，d e f o r m a t i o na n dc o e f f i c i e n to ff r i c t i o nf o rd r a w i n gf o r c e ；w h a ti sm o s t m a j o rt o g e tt h er a d i a ll o a dw h i c h i sh a r dt om e a s u r e t h r o u g hs i m u l a t i o ni np r a c t i c e a n dh a so f f e r e dn e w m e t h o dt os h o r t e nr o l l e rm o u l d d e s i g np e r i o d n 摘要 t h i sp a p e rw i l ll e a df i r s tt h es i m u l a t i o nm e t h o di n t ot h er o l l e rd i ed r a w n s h a p e dt y p ew i r e r o d ，h a v ep l a y e dt h ep a r to ft h er o l eo fg u i d a n c ep r a c t i c e a n df o rs o f t w a r ei na p p l y i n ge x i s t e n t p r o b l e mh a v em a d ep r e l i m i n a r yd i s c u s s ，h a v eg i v e nt h ec o g n i t i o no f a p p l i c a t i o nf e as o f t w a r e m s c s u p e r f o r m t or e f e r e n c e ，w i t hp e r f e c tt h i ss o f t w a r eb o d yi nt h ea s p e c to f a p p l i c a t i o na n d t h e nr e a l i z eq u i c k l yt h ev a l u eo fs i m u l a t i o nm e t h o d i np l a s t i c i t y p r o c e s s i n g k 。y w o r d ：s h a p e dt y p e sc o n t a c tl i n e ，r o l l e rd i ed r a w no fy m o d e l ，m s c s u p e r f o m t h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i cs i m u l a t i o n 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或 我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：争虏 日 期：2 嘣年4 - 月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) j 昆明理工人学硕士学位论文 1 1 选题的背景 第一章绪论 中国经济发展的地区趋势是北上西移，这要求能源、通信、交通等领域有一 个超前的发展，因此，电力牵引用的接触线( 电车线) 在电气化铁路、城市轨道 交通( 地铁、轻轨、无轨电车) 、工矿电气化运输和起重系统等领域有着广泛的应 用，同前我国接触线的年产量约为5 0 0 0 t 。其中在国民经济中起重要作用的电气 化列车用接触线的需求量尤为突出。 以往接触线是使用铝合金、铜或铜合金铝与钢制取，但是，近年来由于电车 运行速度的提高，对接触线的材质及其品种提出了更高的要求，也推动了接触线 的发展。我国国土面积居世界第三位，对接触线数量的要求也巨大，显然接触线 有着较大的市场。但国内接触线的开发和应用与国外发达国家相比，差距还很大， 接触线的应用与品种都较少。这就对接触线的拉拔工艺水平提出了更高的要求， 因此我国的接触线如何开发、选型和国产化将受到使用、设计、研究和生产单位 图l 一1 不同品种规格的接触线1 1 , 4 的密切关注，图1 1 为目前已应用的接触线品种与形状【2 “】：a ) 为最大宽度 i 2 8 t m m 的t c g l 0 0 双沟形铜接触线，出单一铜材质形成，b ) 为最大宽度18 r a m 的c g l n 2 5 0 型内包梯形钢的钢铝复合接触线，c ) 为最大宽度1 9 6 r a m 的s 1 0 0 2 1 5 型外露异型钢的钢铝复合接触线，d ) 为内包钢单线的钢铝及铝合金复合接触线， ) 为内包钢绞线的钢铝及铝合金复合接触线。 接触线生产的特点是产品形状较复杂 l ，这些小断面接触线具有复杂几何形 状，称为异型丝( 即非圆形断面) 。由于其断面形状复杂，这些异型线材的生产方 法主要有挤压或拉拔，其中拉拔技术在生产小断面接触线材上应用较，。泛。拉拔 是金属坯料在外加拉力的作用下通过预定模孔获得相应形状和合理尺寸制品的塑 性加工方法【8 1 ，固定模拉拔制品的精度虽高，但要多道次成型，需要的拉拔力很 第一章绪论 人，角部成形比较因难。 相比之f ，辊模拉拔法由于金属变形中宽展的存在，角部成形比容易，而且 拉拔中存在张力，拔件不易翻倒，成为适合制取异型接触线重要的生产方法 9 。 其中，在我国电线电缆产品“九五”发展规划中要求开发的包覆焊接法生产 铜包钢接触线( 如图1 - 2 所示) 应用上具有很大发展前景。现在，应用辊模拉拔 钢 铜 图1 - 2g t c s 1 0 0 型铜包钢接触线形状 技术。 二产其它用途的小型复杂断面异型材也是加工行业中重点研究内容之。可 见，研究辊模拉拔技术在金属塑性加工中具有很大的现实意义。 1 2 辊模拉拔的技术特点及应用 辊模拉拔按轧辊数目可分为二辊、三辊、四辊和多辊式：按一套辊模中机架 数目可分为二连式和多连式，如图i 3 所示。 气臬淑q 。 a 二连式二辊式辊模 b 三辊式辊模 c 四辊式辊模 图i - 3 拉拔异型丝的辊模装置【1 o 】 1 2 1 辊模拉拔的技术特点 辊模拉拔法得到世界各国的认可的原因是，辊模拉拔与固定模拉拔相比有如 下特点 1 o 1 4 ： ( 1 ) 减小了拉拔力。辊模将固定模的滑动摩擦变为滚动摩擦，可以显著减少 变形区中的摩擦阻力，从而减小了拉拔力比常规拉拔低3 0 左右，增加了道次变 昆明理工大学硕十学位论文 形率【l3 1 。 ( 2 ) 拉拔金属的硬化程度小。由于摩擦阻力小，拉拔后金属的硬化程度小， 故可减少拉拔的退火次数，实现连续作业，节约能耗。 ( 3 ) 对润滑的要求降低了。因动摩擦阻力很小，润滑对拉拔力的影响不火， 可实现无润滑拉拔。 ( 4 ) 拉拔速度高。固定模拉投递度受到摩擦热效应和润滑的限制，一般较低， 而辊拉摩擦损耗小，速度可大大提高。 ( 5 ) 对原材料的断面变形、尺寸变化、焊接部位的性能不均匀和表面缺陷等 都具适应性，降低了对原材料的要求。 ( 6 ) 改变了变形区的应力状态，降低了轴向拉拔力，可充分发挥金属的塑性 潜力，道次变形量可提高2 0 3 0 。 ( 7 ) 工具消耗小，可改善冷拔材表面质量。传统台金模的一个模子只能拉1 吨钢，一个碳化钨模也只能拉1 0 吨，而辊模却能拉3 0 吨不锈钢或0 6 08 5 r 含 碳量) 的碳钢丝。 ( 8 ) 辊拔产品的抗拉强度变化不大，弹性极限和屈服强度提高，拉拔后的产 晶断面硬度分布较固定模拉拔均匀、残余应力小。 ( 9 ) 维修和处理方便。由于辊模自由旋转，故易于维修和处理，氧化皮和赃 物不会牢固地附着在产品及模具上，并且模具在长期使用后，抛光和重磨后可快 速安装使用。 ( 1 0 ) 辊模结构比固定模复杂，其复杂程度根据辊模支撑机构和换模结构的不 同而异，且辊模扎尖长度比固定模增加约1 0 0 2 0 0 m m ，对提高成材率不利。但连 续拉拔时，辊模的成材率明显提高。 ( 1 1 ) 产品尺寸精度较固定模拉拔低，适合于粗加工道次拉拔。而辊模拉拔的 技术关键，一是孔型设计，二是提高机架刚度，同时要有简便可靠的压下调节机 构。这是由于辊模压下机构的刚性小，拉拔公差为o 1 m m ，难以拉拔2 m m 以下 的细丝，故一般适用于粗拉和中拉【1 6 1 。 1 2 2 辊模拉拔技术的应用 我国线材和小异型材生产中辊模拉拔技术的应用前景很大，目前主要应用丁 以下几个方面 1 7 - 1 9 ： ( 1 ) 各种金属圆丝线材的拉拔。由于辊模拉拔具有拉拔速度高、变形均匀、产 品综合机械性能优良、总变形量大、减少中间退火和酸洗工序等优点，广泛用于 生产各种低、中、高碳素钢丝、各种牌号焊丝、合金钢丝、轴承钢丝、不锈钢丝、 精密合金丝以及有色金属和合金丝材。 ( 2 ) 异型丝的生产。目前可利用辊模轮槽构成异型断面孔型来生产多种产品t 如生产异型丝形状( 方形、矩形、梯形、z 型、阶梯形等) 。可以部分替代挤压和 拉拔生产异型丝线材，或为挤压和拉拔提供异型坯料。 ( 3 ) 拉拔周期变断面的型材。这种异型丝材是固定模无法拉拔的，如冷轧螺 纹钢筋的生产，冷轧螺纹钢筋是一种新型混凝土用高效钢材，其中一种生产方法 就是用二连式三辊辊模拉拔生产的。 ( 4 )生产冷轧带肋钢筋。冷轧带肋钢筋是一种新型混凝土用高效钢材，它的 强度指标比同牌号热轧盘条提高3 0 6 0 ，并增强钢筋与混凝土握裹力，提高混 凝上的强度和安全储备，节约钢材3 0 左右。目前生产冷轧螺纹钢筋的方法有两 种：一种是y 型三辊主动冷连轧法，另一种便是被动二连式三辊辊模拉拔法。 ( j ) 中温拉拔。对于常温下难以拉伸的f e c 卜a 1 线，可以在中温下利用辊模 拉伸，美国已将其用于m o 的热拉伸中。 ( 6 ) 圆管和异型管的拉拔。传统的固定模拉拔法变形大、金属的残余应力高， 且分布不均，易造成纵向爆裂而成废品。而辊模拉拔时工件与轧辊问的摩擦很小， 会属处在径向压应力作用下，可避免以上缺陷。 辊模拉拔工艺最合理的用途是获得半成品或者取代固定模的粗拉丝和中间拉 丝，以及不需要尺寸精度的金属丝生产，故不必刻意追求尺寸精度，而导致辊模 结构过于复杂。 1 3 国内外辊模拉拔技术的研究发展概述 拉拔具有悠久的历史，在公元前2 0 3 0 世纪就出现了通过小孔用手工拉制细 金丝的加工方法，在同一时期发现了类似拉丝模的东西。公元前15 1 7 世纪，在 巴比伦等地进行了各种贵金属的拉线，并把这些金属线用作装饰品；在公元8 9 世纪已经能够制造各种金属线；公元1 2 世纪确立了拉拔加工；直到1 7 世纪中叶 才接近于现在的传统拉拔机 2 0 , 2 i 】。 由于传统拉拔技术在拉拔过程中存在大量的对金属变形不利的摩擦功，要克 服这些无效摩擦力会消耗大量的能量，增加了变形过程的难度；另一方面，由于 拉拔工艺的限制，拉拔制品存在着中心裂纹与表面裂纹、起皮、麻坑、起刺以及 内外层机械性能不均匀等缺陷。因此，发展新的拉拔技术与新的拉拔理论的研究， 扩大产品的品种、规格，提高产品的精度，减少制品的缺陷成为当务之急。 昆明理工大学硕士学位论文 为了克服固定模拉拔存在的缺点，人们发明了许多新的拉拔工艺，如无模拉 拔、集束拉拔、玻璃膜金属液抽丝、静液挤压拉丝等。然而今后很有前途并将获 得较大发展的是t 9 5 6 年由目本东京大学五弓勇雄教授等研究成功的一种新的金 属加工方法一辊模拉拔工艺 2 2 2 7 。 近几卜年来，在研究辊模拉拔方法技术的同时，拉拔制品的产量逐年增加， 产品的品种和规格也在不断增多，已广泛应用于世界经济的各个领域中2 8 1 。 1 3 1 国外研究发展概况 早在18 9 0 年，m o s s b e r g & g r a n v i l l ec o 和s t a n d a r tm a c h i n e r ic o 为了获得异 型断丽，就采用了带有四个轧辊组成的拉丝线【2 9 1 。 5 0 年代，日本东京大学五弓勇雄教授对辊模拉拔的可行性、孔型形状、变形 过程进行了较多研究，设计了一套用于生产圆丝二连式辊模( 图1 4 【18 1 为改进的 连式辊模结构) ，用于生产圆丝。这套辊模由于调整精度限制，难以生产0 3 0 m m 以下的丝材。 甥f 黝i 玩f ， 蚓隧鹇 戮 i ， - 缓=豹 。健， 乏逊 弦 睡 缓 叫( - 一 k 笏您霪 剧秽缪獭浏漶 1 - 压下螺栓2 一弹簧垫片 3 一立机架辊模4 辊模支 撑轴承5 一辊模中轴水乎 机梁6 一辊模支撑轴零衬 瓦 7 一立机架8 水平机 架9 一水平机槊模辊 图1 - 4 二连式辊模装置结构示意图 联邦德国的卡尔富尔( k a r l f u h r ) 公司创始人富尔于1 9 5 3 年为了生产纺织 工业用的四角钉而首先开始研制出众所周知的富尔拉扎装置( 即土耳其头，已申 报专利) 1 3 0 1 。 1 9 6 7 年9 月，德国学者d i e t r i c hh j a s e h k e 出版了一本题为滚模拔制金属 线材和型材的研究3 1 】的小册子，推动了这项技术的发展。 前苏联学者还研制了带支承辊的辊模，采用小直径工作辊和大直径支承辊， 有利于减小辊压力和拉拔力，另一方面提高了机架刚度 17 】。 苎二童丝堡 美国在6 0 年代把辊模拉拔用于生产，目前用于不锈钢、钛、高温合金、钢铝 及其合金的生产j _ _ | 1 ，取得了可观的效益，如拉6 0 4 8 0 4 碳钢丝，辊模可拉6 0 吨以 上方重磨孔型。我国冶金部郑州金属制品研究院曾在8 0 年代束引进过美国的辊拉 模m 1 。 8 0 年代日本第二吉田纪念铁工所研制了“箱型辊模”【”1 ，它是多连式辊模 绡合，在l 每缩率4 0 时的拉拔力要比二连式辊模低5 6 ，可采用极小的辊径可 以达到拉拔细丝的目的。 1 9 8 3 年德国第五期d r a h t 报道了一种“k a 型”辊模装置1 3 4 。其结构与日 本血弓勇雄提出的形式大同小异，为椭圆一圆孔型系统呈9 0 。交错布置，结构紧 凑、刚性好，用于拉拔铝、钢合金及难变形合金。 瑞典的a r b o g a 公司制造的预应力辊模，刚度高，机架倾斜4 5 。，便于组装； 为精确调整孔型，采用了光学仪器，产品精度高。瑞典皇家技术研究院的 p o s t r a n d e l l 报道了由m o r g a r d s h a m m a r s 机械制造厂设计生产的辊径只有4 0 r a m 的辊拉模并应用广泛 3 s l 。 1 9 8 4 年，日本学者永井博司 3 6 1 研究指出，辊模在省略润滑、省工序和生产难 加工材方面的应用大有希望，并在之前同清水一之 37 1 ，岩田寿郎1 3 8 i 等对五弓勇雄 教授发明的辊模装置的可行性、孔型形状、力学条件及变形条件等方面进行了研 究，为这项技术的发展做出了贡献。 总的看来，西方国家的辊模结构设计稍显复杂些，其外形略显笨重，主要用 于拉拔细丝。但国外在辊模拉拔技术的研究发展在生产中已经应用得十分频繁， 从1 9 6 4 年在加拿大开始，到1 9 8 2 年全世界已有近15 0 条包括辊拔机在内的生产 线，仅h 本就有6 0 0 多种场合采用滚动模拉拔技术生产金属丝 1 7 , 3 9 1 ，且获得金属 丝的品种不论按尺寸或断面形状都是多种多样的。 1 3 2 国内研究发展概况 由于生产竞争和技术封锁，相比国外的发展，国内的辊模拉拔生产技术具有 很大差距。 国内最早的辊模拉拔设计尝试是在北京钢厂 4 0 1 ，1 9 7 6 年该厂在链式拉拔机上 采用一对辊子构成的孔型拉拔异型丝。但由于该模孔只有一个孔型一道次变形， 减面率有限，所以今天不难推测这一尝试未能推广的原因。 国内真正对辊模技术较系统的研究直到8 0 年代才起步，主要是北京科技大 学、郑州金属制品研究院、东北大学及西安建筑科技大学【4 1 4 4 】等单位进行了大量 昆明理丁大学硕士学位论文 的实验研究和技术分析，目前在冷拉螺纹钢筋、异型材( 黑色及有色金属) 、管拉 拔等领域获得了较成功的应用。 北京科技大学曾先后进行了两代辊模设计，这些设计吸收了国外报道的些 好的方法，实验发现有优点亦有缺点，如第一代辊模采用偏心圆片调压下，稳定 性差，装卸调整不方便；第二代采用压下螺丝调压下，但精度差，螺纹易损坏， 刚度较小，故应用不成熟。另外，北京科技大学于1 9 9 6 协助长城特殊钢公司第四 钢厂冷拔分厂加工安装了用于c 1 1 连续拉拔机组( 表1 1 为c 1 1 拉拔机技术性 能) 的辊拉模装最p “，促进了冷拉阀门钢线材的生产发展。 表1 - 1c 一1 1 联合拉拔机主要技术性能 项目参数 设备名称d c s p i i 型( c 一1 1 ) 盘外型尺寸，外径1 2 0 0m m ，内径9 5 0m r f l 材质 高合金钢 原材料抗拉强度1 0 0 0 m p a 原料硬度h r c 30 - 2 0 成品尺寸中9m m 由2 5h i m 拉拔速度高速达3 0m r a i n ，低速为2 2 5m m i n 最大减面率3 0 拉拔力高速7 6 4k n ，低速9 8k n 文献f 4 5 介绍了烟台引进一台用于生产铜接触线和典型辊拉成型设备。其控 制水平高、流程较短、工序少且操作简便，但其技术改进受到限制而成品应用市 场较窄。 另外，辊模拉拔技术理论上的研究进展也只限于具有相对规则形状断面的成 品；二连式二辊辊模拉拔的理论研究虽然取得了一定成果，但在多辊模、多道次 拉拔异型材方面的研究报道不多，尤其国内在此方面的研究报道尚不多见。 综上所述，从国内外辊模拉拔技术的研究、应用角度来看，辊模拉拔设计还 有一些关键的空白点。对于圆截面实心材( 钢丝、线材) 来讲，由于成品精度要 求较高，辊模几乎没有实际应用，辊模拉拔技术在冷拉生产领域并未占到主导地 一 笪二里塑造 位。国内研究人员对国外先进技术的诀窍理解得并不透彻，没有完全消化，对实 验和牛产要求的差别认识不足，后期研究缺乏投入，国内的大多数设计要达到实 用还有一定距离。 鉴于国内尚处于研究起步阶段这一实际情况，应用辊模拉拔这项新的加工工 艺改变我国线材和小异型材生产落后的面貌是十分必要的。从科技发展的历史来 看，新技术的提出和其完善是不同步的，应该在不断优化设计，开发出新的工艺 和新用途才能更好的应用，因此辊模拉拔技术是今后很有前途，发展潜力巨大的 金属加工工艺。 1 4 有限元仿真在辊模拉拔中的应用现状及前景 随着拉拔技术的不断进步，萨克斯( 1 9 2 9 ) 和西贝尔( 1 9 2 7 ) 俩人以不同的观点， 第。次确立了拉拔理论，这之后随着拉拔理论的不断发展，尤其是新的研究方法 ( 上界法、有限元法) 的使用，计算机的发展，也使拉拔理论的研究达到一个新 的阶段【4 6 1 。 有限元模拟是随着计算机技术不断发展，以及数值分析方法在工程中的广泛 应用而发展起来的一种实用数值分析和仿真方法。应当指出，有限元法在金属塑 性加工中的发展和应用，与计算机硬件技术及其相关软件技术密切相关。四十多 年来，有限元通用软件的发展在数量上和规模上是惊人的，如具有多场耦合分析 功能的a n s y s 软件，美国a d i n a r & d 公司可进行线性、非线性、静力等问题的 a d i n a 软件及美国m s c 公司的m a r c 、n a s t r a n 等系列产品在技术上已相当 成熟，其中m s c 公司的s u p e r f o r m 软件在体成型方面的优势比较明显。 但发展至今，这些软件在拉拔过程中的应用报道却很少，1 9 7 2 年 z i e n k i e w i c z 4 7 ，4 8 1 提出了粘塑性材料的有限元公式并导出了刚粘塑性有限元中的 罚函数法，并与他的合作者分析了传统拉拔工艺过程。国内有学者在此基础上也 进行了研究，在拉拔方面进行过管材、固定模拉拔等的二维和简单的三维模拟， 但在辊模拉拔方面更是未见报道，这需要我们继续努力去尝试应用、探索并不断 使之得到完善。 计算机模拟使开发者能迅速响应客户需求，缩短开发周期，降低开发成本， 使其产品更具有市场竞争力。应用有限元分析不仅大大缩短模具的设计开发时削， 而通过“虚拟生成”可以较早地发现在设计和生产制造中可能出现的问题并及 州解决，避免时间和经济上的浪费，使比较先进的辊模拉拔技术的应用更加广泛。 同时，数值模拟技术的深入与推广也必将推动辊模拉拔金属塑性成形理论研究的 垦塑堡王奎堂堑主堂垡堡壅 发展与进步，提高我圈接触线的质量与品种的多样性，使其广泛应用于高速电气化 铁路中。 1 5 课题的提出及主要研究内容 1 5 1 课题提出 辊模拉拔是一种可以代替传统拉拔较新的拉拔工艺，是新的研究方向。它缔 合了拉拔与轧制的特点，很好地改善了拉拔工艺，对提高拉拔速度，减少中间退火 环节赴节能降耗、改善拉拔材性能，增加拉拔型材品种的多样性方面有着固定模 托拔无可比拟的优势，特别是在拉拔异型材和难加工材料方面发挥了巨大作用。 现在的辊模拉拔在生产中已经应用的十分频繁，但在我困尚处于起步研究阶段。 在铜包铡接触线的生产技术急待发展的情况下，丌发新的生产技术已追在眉睫。 在辊模拉拔工艺中，金属塑性成形是利用金属的塑性，通过模具的约束使具 有简单断面形状的毛坯料成为所需工件形状的技术。在成形中，材料的塑性变形 规律、模具与工件之间的摩擦等都是十分复杂的问题。这使得辊模拉拔成形工艺 和模具设计缺乏系统的，精确的理论分析手段，而是依靠设计工程师长期积累的 经验。但对于复杂的成形工艺和模具，产品质量难以得到保证。些关键的设计 参数要在模具制造出来之后，通过反复的调试，修改才能确定，这样就浪费了大 量的人力、物力和时间。而借助于计算机模拟方法，则能使人们获得对于辊模拉 拔成形过程较全面的认识，以较小的代价，在较短的时间内找到最优化的或可行 的设计方案，实现降低甚至无缺陷的高质量的加工产品。 在拉拔异型丝时，应用辊模拉拔技术较固定模拉拔更具有优势，这主要是辊 模拉拔时变形金属受到接触面外摩擦阻力显著减小的影响，因而金属轴向流动的 阻力减小，有利于金属的轴向流动；另外，辊模拉拔由于每一道次的金属受到前 拉力和后张力的作用，使金属断面减径的趋势进一步增大 4 9 5 0 。 目前，国内外普遍采用四辊辊模( 土耳其头) 来拉拔异型材，如图1 5 为我 铜接触线的辊拉成型意图。此法成型性好，但该辊模装置复杂，并且延伸很小， 施加大的压下量就会出现耳子，以至拉拔同一尺寸成品需要的加工道次增多。为 了适当减少拉拔道次，不出现耳子，又可以加大延伸率，使拉拔稳定，本文采用 三辊辊模拉拔异型丝，它比二辊辊模孔型具有多辊构成的孔型特点，因此，三辊 辊模比_ 二辊辊模限制宽展的能力更强，变形更均匀，更有利于金属的轴向延伸。 可见，= 三辊辊模拉拔不但大为降低拉拔制品的偏心等问题，又可实现更大的压 、 量及变形均匀性，最大限度地实现稳定拉拔。 原坯料面积 辊拉成形面积 a f l 0 93 3 r a m 。 图卜5 铜接触线的辊拉成型 但y 型三辊辊模拉拔工艺在生产实践中的经验还欠缺，辊模拉拔的理论基础 虽然基本建立，却未能很好地指导实践，有待于进一步的研究与开发。值得注意 的是，金属塑性成形过程的数值模拟已成为金属塑性成形理论研究的全新领域， 而数值模拟技术在辊模拉拔工艺中的应用却并不成熟，其有限元模拟方面的报道 极少。这在计算机高速更新换代，有限元分析软件日趋完善的前提下，不可谓不 是技术资源的浪费。 为此，本文应用美国m s c 公司的m s c s u p e r f o r m 有限元分析软件对y 型辊 模拉拔异型接触线材进行了数值模拟研究。 1 5 2 主要研究内容 辊模拉拔是一种新技术，该技术目前在国内还不成熟，有待研究发展。进行 研究的最终目的是要促进该技术走向成熟并应用于实际生产，但研究不能只局限 于纯粹的理沦分析，还应该包括应用研究以及设备结构设计上的改进。 辊模拉拔工艺中，工件的变形机理、应力应变分布规律等一直是人们研究的 焦点问题，其中最重要的是辊模力能参数的测量与计算始终得不到很好的解决， 前人对辊模拉拔力的测量与计算已经作了大量的工作，对于二辊辊拔径向力也有 学者进行了研究，然而有关三辊拉拔异型材的辊拔径向力的测量未能很好解决， 实际测量中存在困难，不能很快地实现辊模设计，造成辊模设计周期长等不利影 响。 为此，完善辊模拉拔技术成为当前国内该技术的研究内容之一，而应用有限 昆明理工大学硕士学位论文 元法对辊模拉拔过程的仿真模拟可以揭示变形体内部金属流动规律、应力应变分 布等；通过对模拟结果的分析，可以得出辊拔中一些主要设计参数，为辊模设计 和进一步的研究工作提供有效的依据。 本文f 是基于这样的目的，应用有限元仿真软件m s c s u p e r f o r m ，建立了多 道次辊模拉拔异型材的模型并进行3 d 数值模拟，对辊模拉拔异型材工艺进行了 数值模拟。 针对有限元分析软件s u p e r f o r m 在体成形中应用不广泛的特点，学习并研究 了有限元模型建立中由2 d 模型元素与3 d 实体转换、网格划分与重划分中二维单 元划分技术并升级为六面体单元及提交运算过程中出刚体与变形体之削的诸多接 触问题；分析了辊模拉拔过程中金属流动规律、金属变形行为和会属变形时应力 应变分布情况，拉拔速度、摩擦系数及变形程度对拉拔力的影响；通过数值模拟 并得到了辊子受到的径向力，很容易地解决了辊拔径向力难以测量这一难题。 辊模拉拔技术的发展与完善，需要快速的解决实际生产中存在的问题。本文 将有限元分数值模拟方法引入异型棒线材的辊模拉拔中，并对辊模拉拔金属变形 过程进行数值模拟，在促使辊模拉拔技术的研究发展方面起到了指导实践的作用。 本文还对软件在应用中存在的问题作了初步的探讨，给出了应用有限元分析软件 m s c s u p e r f o r m 的体会以供参考，以完善应用此软件分析体成形方面存在的问题， 进而加快数值模拟方法在塑性加工中的应用步伐。 昆明理工大学硕士学位论文 第二章辊模拉拔工艺 辊模拉拔过程中，辊子是被动的，由金属与辊面闻的摩接力的合力来带动， 乐缩金属实现变形。金属的变形接近于轧制过程，变形区内金属流动存在的前滑 和后滑现象。在前后滑区金属的受力与速度比较复杂，且由于异型丝断面形状的 复杂性，在辊模拉拔过程中，金属与辊模孔接触过程力学与运动学问题相对于剧 定模拉拔复杂些。 2 1 辊模拉拔原理 辊锻变形有两种形式一种轧辊是被动的，靠施加在金属上的拉拔力拖动轧 辊实现金属变形，称为辊模拉拔法；另一种轧辊是主动的，主动旋转的轧辊拽入 金属，进入孔型实现变形，称为轧制法，轧制法可获得较好的产品，但设备费用 高、轧件易翻倒，不稳定。辊模拉拔正是结合了轧制与传统拉拔工艺的特点，利 用带孔型的被动辊轧制金属，所以说它是一种介于传统模拉拔和轧制之问的塑性 变形方法 5 1 1 。辊模拉拔的实质是在由非传动的、自由转动的辊子组成的孔型中拉 制线材，如图2 一l 所示辊模拉拔示意图。 k ti 馐k 1 锣毋帮 a ) 辊轮布置及变形示意图 b ) k l 、k 2 、k 3 一第一、二、三组孔型 图2 1y 型三辊多道次辊模拉拔示意图【5 2 】 2 2 辊模拉拔运动学分析 2 2 1 辊模与金属的速度分析 本文主要讨论y 型分布的三辊拉拔情况。在讨论时作简化处理，即只分析其 中一片辊环。辊拔过程的运动及受力分析如图2 2 所示，在后滑区i 上，金属在 第二章辊模拉拔一l 艺 辊上产生的摩接力t 。阻碍辊子转动，而在前滑区i i 产生促使辊子运动的摩擦力 图2 2 辊模拉拔示意图 t ：。要使辊子作匀速运动，即在稳态辊拔过程中，须t 2 等于t t 与滚动轴承摩擦 力之和，而摩接力的损失只表现在金属与辊子接触面相互运动所做的功，该功最 后转变为热。 出于变形区中金属接触表面上各质点所处的位置不同，金属质点运动速度与 辊面上对应点的速度，可能有以下几种情况： 金属各断面上各点质点速度都等于相应的该点辊子水平速度，即v x m = v x n ，此时质点与辊面问无相对滑动，则不存在外摩擦损失，这与实际拉拔不 ；l j = 。 ( 2 ) 金属各断面质点速度均落后于相应的辊面水平速度，即喙”c vx r ，金属 总是阻碍辊子转动，则金属作用于辊面上的摩擦力将使辊子越转越慢，直至停止， 这种只存在后滑的情况与实际拉拔也不相符。 金属各断面质点速度均超前于辊子上该点的水平速度，即比m vx r ，金 属作用于辊面上的摩擦力对辊子全为主动力，拖着辊子转，将使辊子越转越快； 若这种驱动辊子转动的摩擦力与轴承摩接力相当，则两者相抵消，辊子可保持匀 速转动，这种情况是有可能存在。 金属在接触面上一部分质点速度小于辊子水平速度，另一部分大于辊子水 平速度，即在i 区，满足不等式儿m v x r ，在i i 区满足不等式蚝m v r ，而在 前后滑区的交界面上( 中性面) ，则满足v x m = v x r 的关系，这就是在难常拉拔时， 前后滑区同时均存在的情况1 5 3 。 在辊模拉拔中辊子随着被拉拔金属的前进而转动。辊子的速度必然等于接 昆明理_ ： 人学硕士学位论文 ，一一 触变形区中金属某点b 的速度，即 r m 2 r r 等n = v c o s q b 口 所以 y = 每蒜 协， 辊面上各点金属与辊面的切向速度差为： = 。一y ：墨! 。堡! 一墨! ：垦! ( 2 - 2 、 c o s o zf r c o s 8 由丁i 接触角a 是一个比较小的角度，取c o s o 。tc o s 巾b 1 ，则上式变为： = ( 去一a 。 。， 、 t x rh 口3 ( 2 - 3 ) 式表明，在断面变化一定情况下，辊面与金属间的相对滑动速度也随 拉拔速度成正比。拉拔速度高，相对滑动速度也提高。然而此时相对滑动速度对 拉拔方向而言有正有负，因而有一部分摩擦力对变形金属做负功，另一部分做正 功。凶此，即使此时摩擦力的大小与固定模拉按时的摩擦力相同，拉拔速度增加， 拉拔功率也不会像固定模那样增加得比较快。 山( 2 - 3 ) 式知，辊模拉拔时相对滑动速度比固定模拉拔嗣的相对速度小。 假定k r = y 。则： 圯：竺一生 j “x rp8 r = 圪c o s a 一吒月b r( 2 - 4 ) 一圪。一监( 2 - 5 ) 由以上分析可知，辊模拉拔时金属与辊面间的摩擦仍是滑动摩擦，但相比固 定模拉拔，其滑动摩擦力大大减小。即使辊面与金属间全部是前滑，两种情况下 摩擦力大小、方向相同，辊拔时摩擦力消耗的拉拔功也比固定模小得多。 2 2 2 前后滑区辊模与金属间的受力分析 辊模拉拔与带前张力的型钢轧制相似，区别在于