百川钢球设备热轧成形研讨.doc

2015年12月 （河北百川钢球设备有限公司 技术资料） Mar.2015-百川钢球设备热轧成形研讨钢球的传统出产办法是经过螺旋孔型斜轧成形，这种技术已连续了半个世纪，虽然其出产率对比高，但因为成形进程存在着“曼氏效应”，即在交变应力的效果下，球坯心部存在出产疏松或空穴的危险，因而其商品首要用于通常球磨机上。而关于金属矿的磨球，则多用锻造或锻造办法出产；关于轴承钢球通常则选用冷镦办法出产。鉴于钢球斜轧存在的缺陷，在国外一些工业发达国家也曾提出过用纵轧成形的想象但因为其时技能发展水平所限，特别短少特种轧制理论的支撑，至今没有用于出产中。文献在试验室的条件下，用平立平样机进行了试验与数值模仿，得到了一些重要定论。但因为成形进程的复杂性，在理论上进行进一步的深入研讨，仍是十分必要的。1根本理论选用三维弹塑性有限元办法，屈服应力依据mises屈服准则，塑性活动选用prandtlreuss增量理论，以拉格朗日增量形式树立刚度方程。一起思考资料和几许双重非线性，使用商用有限元软件DEFORM，模仿了坯料从咬入到球坯成形的全进程，深入剖析了影响后滑的要素，最后用三维图形直观的显现坯料在成形进程中的变形特征。2核算模型及变形条件这篇文章选用平立两道纵轧成形技术，为了能真实反应金属在两道轧辊孔型中的活动规则，模仿以球坯的连续成形进程为剖析目标。核算选择与实践技术为1：1的试验模型。剖析模型的初始网格区分如图（1），实体选用4节点四面体单元离散，毛坯资料为20钢，质料直径为14.5mm。选用等温抱负弹塑性资料模型，取变形温度1200，冲突因子为0.25。所建核算模型如图（2）。模型由两道孔型轧辊（平辊/立辊）构成。平辊为组合辊，孔腔由弧形槽底和侧壁环构成；立辊由等周期半球腔孔型构成。两道轧辊三维孔型如图（3）和图（4）所示。在变形进程中，轧件由导位设备诱导与限位，当轧件经过榜首道平辊孔型后，质料被孔型的周期锥环横向切轧成由过桥衔接的等周节断面轧件，随后经导卫进入第二道立辊轧成球坯。在模仿进程中选用变位移加载，增量补由时刻断定，以轧辊滚动0.01秒为一个增量步，设定增量步数共2400步。图(3)榜首道轧辊孔型图(4)第二道轧辊孔形3模仿成果与剖析3.1榜首道次成形进程模仿球坯纵轧成形进程中，榜首道次轧制效果是将棒料横向切轧成由过桥衔接的具有等周节的轧件，以利于第二道球成形时轧辊孔型对来料周节的有用包络。模仿进程标明：轧件在榜首道变形进程中，因为周期孔型的效果，金属呈不均匀变形状况，其横向变形显着大于纵向变形，当横向活动的金属触摸轧辊孔型侧壁后，将遭到孔型侧壁的束缚而不再持续宽展，这将有利于第二道次的咬入且削减刮切。一起依据几许变形条件,在变形区内因为存在两个以上周期孔型切分锥，在其一起的束缚下轧件简直不发生前后滑。图（5）为在150增量步时轧件外表在xoy平面内变形的速度场。它客观反映了周节成形进程外表金属的活动趋势。在轧件刚被咬入时，金属活动方向如图中蓝色箭头所示，其方向斜向下方。图(5)150增量步时轧件外表的速度场图(6)榜首工步模仿结束时工件变形图（6）为在榜首道次模仿终了时轧件在xoy平面的周期断面形状。从图中能够看出，轧件周节形状对比规则，且轧件的周节与轧辊孔型周节根本持平，这与试验根本相符，阐明榜首道轧件的变形能够疏忽前后滑。3.2第二道次成形进程模仿在第二道模仿进程中，首先能够经过改动模仿进程边界条件来满意与榜首道相位的同步性，其物理含义等同于两架轧机的基地距是可调的。当两道轧辊孔型的周节与轧制速度都相一起，模仿中心进程如图（7）所示。从图中能够显着看出两道的周节发生了相位差即错位表象，这阐明在第二道变形进程中伴生着后滑，并且这种相位差将跟着轧制的持续而更加显着，其成果将损坏周期断面的连轧联系。因而，后滑关于树立正确地连扎联系及规划两道连轧变形的相应技术参数是十分重要的。经过对多组参数的数值模仿，影响后滑的首要要素有：1、咬入的外部条件在其它条件不变时，后滑与两架轧机之间张力矢量成反比。当张力为零时即天然咬入状况，后滑值在0.0300.038之间；当增大咬入的投递力（经过增大榜首架的轧辊转速），则后滑值跟着投递力的增大逐渐减小，因而投递力可有用地遏止及消除后滑。从变形力学的视点剖析，对周期孔型而言，其几许变形区并不都是触摸变形区，当两个半球孔型开端咬入来料时，首先触摸轧件周节的是球腔孔型的前半部，此刻轧件的周节没有被彻底包络，即球腔对轧件周节没有彻底触摸，因而该周节所受外力对错对称的，其合力方向必定偏向后方，依据最小阻力规律轧件必定发生后滑，参见图（4）。因而，当轧件以不一样外部咬入条件进入第二道时，必定对变形区内相邻周节的后滑发生不一样程度的影响。2、变形区的长度当其它条件不变时，后滑与变形区的长度成反比。对直径一样的球坯，轧辊直径越大则几许变形区就越大，于是变形区内所包络的轧件周节就越多，变形东西对轧件企图发生后滑的束缚阻力就愈大，因而恰当增大轧辊直径对遏止后滑是显着有利的。3、变形规程因为成形技术的特殊性，一道变形的几许形体应有利于二道孔型对来料的有用包络。在周节体积持平的条件下，一道轧件周节的横纵外廓几许尺寸比大于1是有利于削减二道后滑的；一起，为了避免在二道成形中发生折叠，二道孔型的过桥宽度应大于一道，这将有利于轧件周节趋于对称变形状况，在客观上对削弱后滑是一种积极要素。4.冲突条件对球坯成形的影响在球坯成形中，为了研讨变形金属与孔型的外冲突影响，别离取冲突因子为0.25和0.5两种状况进行了模仿剖析对比，图（9）、图（10）别离为两种冲突条件对成形影响的模仿核算成果。从图中能够看出，等效应变散布规则类似，冲突因子的变化对球坯成形等效应变的不均匀程度没有显着影响。但在模仿时发现冲突力过大致使球坯脱槽艰难，乃至造成缠辊，这种表象在试验中也得到了证实。因而在第二道成形中应当采纳恰当的技术光滑办法，一起在半球孔型规划中应恰当增大圆角。5后滑的试验为了研讨后滑的存在及其影响要素，在专用试验样机上以铅件为质料进行了试轧。依据成形技术，别离进行了单道次和两道连轧的试验。在单道次试轧中，榜首道出口轧件的周节与孔型周节根本持平，其差错十分小，能够以为榜首道没有发生前滑；在天然咬入状况下，第二道试轧成果列于表1中，从试件的周节相位差（图（11）所示）及方位能够判别：二道变形进程存在后滑，并且后滑首要是在咬入进程中发生的。在连轧成形试验中，因为受试验条件所限只进行了定性剖析试验。当增大榜首道轧辊转速时，二道轧件的后滑显着减弱，从轧件的相位差的减小值能够充分证明这一点。6定论这篇文章经过对钢球坯成形三维大变形弹塑性有限元法模仿与试验研讨得到以下成果：1、这篇文章所研讨的成形办法，在两道间无张力的条件下：榜首道简直无前滑；第二道变形存在后滑，且后滑值与轧件咬入外部条件、几许变形区长度、变形规程等要素有关；当两道间树立微推力时，可有用地减小与消除二道的后滑，以树立安稳的连轧联系。2、二道孔型在咬入进程中存在刮切表象并影响到球坯的成形质量，能够经过改动一道来料的几许形体来强化二道孔腔的反向充溢进程，以完成球腔的抱负充溢状况。3、外冲突对二道轧制进程的轧件脱槽有直接影响，可经过技术光滑与孔型规划的路径得到改进。百川钢球设备热轧成形研讨钢球的传统出产办法是经过螺旋孔型斜轧成形，这种技术已连续了半个世纪，虽然其出产率对比高，但因为成形进程存在着“曼氏效应”，即在交变应力的效果下，球坯心部存在出产疏松或空穴的危险，因而其商品首要用于通常球磨机上。而关于金属矿的磨球，则多用锻造或锻造办法出产；关于轴承钢球通常则选用冷镦办法出产。鉴于钢球斜轧存在的缺陷，在国外一些工业发达国家也曾提出过用纵轧成形的想象但因为其时技能发展水平所限，特别短少特种轧制理论的支撑，至今没有用于出产中。文献在试验室的条件下，用平立平样机进行了试验与数值模仿，得到了一些重要定论。但因为成形进程的复杂性，在理论上进行进一步的深入研讨，仍是十分必要的。1根本理论选用三维弹塑性有限元办法，屈服应力依据mises屈服准则，塑性活动选用prandtlreuss增量理论，以拉格朗日增量形式树立刚度方程。一起思考资料和几许双重非线性，使用商用有限元软件DEFORM，模仿了坯料从咬入到球坯成形的全进程，深入剖析了影响后滑的要素，最后用三维图形直观的显现坯料在成形进程中的变形特征。2核算模型及变形条件这篇文章选用平立两道纵轧成形技术，为了能真实反应金属在两道轧辊孔型中的活动规则，模仿以球坯的连续成形进程为剖析目标。核算选择与实践技术为1：1的试验模型。剖析模型的初始网格区分如图（1），实体选用4节点四面体单元离散，毛坯资料为20钢，质料直径为14.5mm。选用等温抱负弹塑性资料模型，取变形温度1200，冲突因子为0.25。所建核算模型如图（2）。模型由两道孔型轧辊（平辊/立辊）构成。平辊为组合辊，孔腔由弧形槽底和侧壁环构成；立辊由等周期半球腔孔型构成。两道轧辊三维孔型如图（3）和图（4）所示。在变形进程中，轧件由导位设备诱导与限位，当轧件经过榜首道平辊孔型后，质料被孔型的周期锥环横向切轧成由过桥衔接的等周节断面轧件，随后经导卫进入第二道立辊轧成球坯。在模仿进程中选用变位移加载，增量补由时刻断定，以轧辊滚动0.01秒为一个增量步，设定增量步数共2400步。图(3)榜首道轧辊孔型图(4)第二道轧辊孔形3模仿成果与剖析3.1榜首道次成形进程模仿球坯纵轧成形进程中，榜首道次轧制效果是将棒料横向切轧成由过桥衔接的具有等周节的轧件，以利于第二道球成形时轧辊孔型对来料周节的有用包络。模仿进程标明：轧件在榜首道变形进程中，因为周期孔型的效果，金属呈不均匀变形状况，其横向变形显着大于纵向变形，当横向活动的金属触摸轧辊孔型侧壁后，将遭到孔型侧壁的束缚而不再持续宽展，这将有利于第二道次的咬入且削减刮切。一起依据几许变形条件,在变形区内因为存在两个以上周期孔型切分锥，在其一起的束缚下轧件简直不发生前后滑。图（5）为在150增量步时轧件外表在xoy平面内变形的速度场。它客观反映了周节成形进程外表金属的活动趋势。在轧件刚被咬入时，金属活动方向如图中蓝色箭头所示，其方向斜向下方。图(5)150增量步时轧件外表的速度场图(6)榜首工步模仿结束时工件变形图（6）为在榜首道次模仿终了时轧件在xoy平面的周期断面形状。从图中能够看出，轧件周节形状对比规则，且轧件的周节与轧辊孔型周节根本持平，这与试验根本相符，阐明榜首道轧件的变形能够疏忽前后滑。3.2第二道次成形进程模仿在第二道模仿进程中，首先能够经过改动模仿进程边界条件来满意与榜首道相位的同步性，其物理含义等同于两架轧机的基地距是可调的。当两道轧辊孔型的周节与轧制速度都相一起，模仿中心进程如图（7）所示。从图中能够显着看出两道的周节发生了相位差即错位表象，这阐明在第二道变形进程中伴生着后滑，并且这种相位差将跟着轧制的持续而更加显着，其成果将损坏周期断面的连轧联系。因而，后滑关于树立正确地连扎联系及规划两道连轧变形的相应技术参数是十分重要的。经过对多组参数的数值模仿，影响后滑的首要要素有：1、咬入的外部条件在其它条件不变时，后滑与两架轧机之间张力矢量成反比。当张力为零时即天然咬入状况，后滑值在0.0300.038之间；当增大咬入的投递力（经过增大榜首架的轧辊转速），则后滑值跟着投递力的增大逐渐减小，因而投递力可有用地遏止及消除后滑。从变形力学的视点剖析，对周期孔型而言，其几许变形区并不都是触摸变形区，当两个半球孔型开端咬入来料时，首先触摸轧件周节的是球腔孔型的前半部，此刻轧件的周节没有被彻底包络，即球腔对轧件周节没有彻底触摸，因而该周节所受外力对错对称的，其合力方向必定偏向后方，依据最小阻力规律轧件必定发生后滑，参见图（4）。因而，当轧件以不一样外部咬入条件进入第二道时，必定对变形区内相邻周节的后滑发生不一样程度的影响。2、变形区的长度当其它条件不变时，后滑与变形区的长度成反比。对直径一样的球坯，轧辊直径越大则几许变形区就越大，于是变形区内所包络的轧件周节就越多，变形东西对轧件企图发生后滑的束缚阻力就愈大，因而恰当增大轧辊直径对遏止后滑是显着有利的。3、变形规程因为成形技术的特殊性，一道变形的几许形体应有利于二道孔型对来料的有用包络。在周节体积持平的条件下，一道轧件周节的横纵外廓几许尺寸比大于1是有利于削减二道后滑的；一起，为了避免在二道成形中发生折叠，二道孔型的过桥宽度应大于一道，这将有利于轧件周节趋于对称变形状况，在客观上对削弱后滑是一种积极要素。4.冲突条件对球坯成形的影响在球坯成形中，为了研讨变形金属与孔型的外冲突影响，别离取冲突因子为0.25和0.5两种状况进行了模仿剖析对比，图（9）、图（10）别离为两种冲突条件对成形影响的模仿核算成果。从图中能够看出，等效应变散布规则类似，冲突因子的变化对球坯成形等效应变的不均匀程度没有显着影响。但在模仿时发现冲突力过大致使球坯脱槽艰难，乃至造成缠辊，这种表象在试验中也得到了证实。因而在第二道成形中应当采纳恰当的技术光滑