厚规格管线钢热轧中间坯剪切过程有限元分析

雷力齐，周倩如，余伟，程知松(北京科技大学冶金工程研究院，北京100083)

厚规格管线钢热轧中间坯剪切过程有限元分析

雷力齐，周倩如，余伟，程知松
(北京科技大学冶金工程研究院，北京100083)

滚筒式飞剪是热连轧生产线重要切头设备，能否适应厚规格高强度钢生产时中间坯的剪切值得研究。为获得最优剪切条件，在测试X70管线钢高温力学性能的基础上，利用DEFORM-3D有限元软件，对滚筒式飞剪剪切厚板过程进行了三维模拟，研究了不同模拟条件对最大剪切力的影响规律。对于相同断面尺寸的中间坯，X70比Q235在960℃时最大剪切力增加了52%。X70最大剪切力随厚度增加近似线性增加。相同剪切断面与温度下，滚筒式飞剪模拟值与曲柄式飞剪经验公式计算值对比，其最大剪切力大20%以上，其剪切厚板在工艺上是可行的，但需要考虑结构的承载能力以及刀片强度等。

滚筒式飞剪;剪切力;管线钢;中间坯

0　前言

滚筒式飞剪机在冶金行业中，已得到很广泛的应用。其平衡性能良好，允许有较高的剪切速度，结构简单可靠，总体尺寸较紧凑，滚筒可以进行整体更换，剪刃可以在机组外得到更换，节省了辅助时间。然而滚筒式飞剪机剪切钢板坯和小型型钢的厚度不大于12 mm;当切头时，其剪切的厚度最大仅50 mm左右。根据研究，滚筒式切头飞剪理论最大剪切厚度可达120 mm［1］。目前，有关滚筒式飞剪机剪切中厚板管线钢的研究较少。热连轧生产线生产高强度管线钢的级别已经达到X80，甚至X100，期望轧制的成品厚度在22～25 mm，要求剪切的中间坯厚度将会增加，滚筒式飞剪是否适应厚规格高强度钢的生产需要理论分析与工程验证，也可以减少新产品的研制时间。本文针对滚筒式飞剪剪切厚板的过程进行了数值模拟研究，为计算变形力、验算工模具强度和制订合理的工艺方案提供依据。

1　剪切过程的有限元模型

1.1断裂准则与摩擦条件

滚筒式飞剪机的剪切过程模拟涉及板坯材料的断裂问题，模拟时被加工材料内部单元与单元之间发生分离，需采用合适的断裂准则［3］。结合DEFORM-3D有限元软件的计算特点并参考前人的研究，选择采用积分韧性断裂准则。当材料上各质点的积分破坏值达到临界破坏值时，就认为材料单元断裂了。Cockcroft与Latham提出的Normal C＆L积分韧性断裂准则模型［4］为:

式中:σ*为最大主应力，MPa;为等效应变;为等效应力，MPa;为断裂时等效应变;C为材料的临界破坏值，是一个常数。

DEFORM-3D运用了单元删除的方法来处理失效的破坏的单元，当其中某个单元的损伤达到了临界值，就认为其已被破坏，会将其删除，并会做相应的节点处理和继续计算。C的取值参考前人的研究结果，取值3.1［5］。摩擦类型采用库伦摩擦，取值0.35。

1.2材料性能

飞剪机的剪切过程很快，坯料断裂变形时的应变速率比较大，而应变速率对剪切材料的变形抗力有很大影响，为了使模拟的条件更接近于实际情况，故需测材料在不同应变速率下的应力应变曲线并将其数据导入到DEFORM-3D材料库中用于模拟计算。

通过高温拉伸实验获取高强度的X70管线钢在不同应变速率下的真实应力应变曲线。拉伸实验在Gleeble-3500热模拟实验机上完成，实验温度取900℃和960℃，应变速率取0.1 s－1、1 s－1和8 s－1［6］。从图1可见，应变速率和温度对材料的变形抗力有很大影响。对比图1a和1b两组不同温度下的曲线，可得对于三种不同应变速率，温度降低60℃，拉伸强度极限增加了14%至18%。

对于Q235钢，其真实应力应变曲线参照了赵才华［5］在Gleeble 1500D热模拟实验机上完成的拉伸实验结果。在960℃相同应变速率下，X70管线钢拉伸强度极限比Q235钢增加了约44%。

在金属塑性加工的过程中，弹性应变与塑性应变相比通常很小，在整个变形过程中体积几乎保持不变，因此忽略材料的弹性变形部分，设定材料为各向同性材料，将材料的模型简化为刚塑性模型［8］。

图1　X70管线钢真应力应变曲线Fig.1 True stress and strain curves of X70 steel

1.3几何模型及网格划分

利用Pro/E三维造型软件，建立了飞剪机刀片和中间坯几何模型，如图2所示。在不影响计算精度的情况下，为了减少计算时间，利用DEFORM-3D的网格划分窗口来调整网格的疏密分布:在剪切区，单元网格较密集;在远离剪切的区域，单元较稀疏。金属塑性成形往往伴随着大变形和大位移。中间坯剪切过程变形剧烈且集中在局部，变形到一定程度后初始网格会产生严重畸变，导致计算精度下降，无法收敛，使计算无法进行。为了解决上述问题，模拟时采用了Deform的局部自动网格重划分技术［9］。

图2　剪切过程模拟Fig.2 Shearing process of X70 steel

1.4其他条件

飞剪的上下刀片从接触到剪断板材的过程中，视作匀速圆周运动，由于上下两剪刃的重合量很小，故可认为上下刀片只是在竖直方向进行相对运动剪切中间坯［10］。将上刀片设为上模，下刀片设为下模。上刀片Y向速度值为－100 mm·s－1，下刀片Y向速度值为100 mm·s－1。在设置求解步长时，根据不同的剪切情况，将整个的剪切过程划分为40～60步。求解采用共轭梯度算法，积分方法采用直接积分法。

对剪切过程进行模拟时，设置了在不同中间坯尺寸(厚度40～70 mm)、剪刃曲率半径(100 mm～无穷大)、剪刃间隙(1～7 mm)的模拟方案，模拟时约束了坯料的一个端部。

2　结果及分析

轧件的剪切过程可以分为以下几个阶段:刀片弹性压入金属阶段、刀片塑性压入金属阶段、金属塑性滑移阶段、金属内裂纹萌生和扩展阶段和金属内裂纹失稳扩展和断裂阶段。剪切过程如图2所示。结合刚塑性有限元的特点，可将剪切过程粗略的分为二个阶段:刀片塑性压入金属阶段和金属塑性滑移阶段［11］。

当剪切力小于轧件本身剪切抗力时，轧件只发生局部塑性变形，这一阶段称为压入变形阶段。当剪切力大于轧件本身的剪切抗力时，轧件沿着剪切面产生相对滑移，开始了真正的剪切，这一阶段称为剪切滑移阶段。在第二阶段，由于剪切断面不断变小，剪切力也不断变小，直至轧件的整个截面被剪断为止。

2.1剪刃形状的影响

实际生产中，刀片一般由两组圆弧方向相反的弧形刀片组成，其曲率半径很大，模拟时将其简化为平行刀片。剪刃一般具有一定的弧度，模拟过程中采用了五种不同曲率半径，分别为100 mm、200 mm、400 mm、800 mm和平剪刃的剪刃模型，这里把曲率半径无穷大的剪刃称为平剪刃，图3所示是其中的三种剪刃模型。对于刀片的尺寸为长2400 mm、宽100 mm、高150 mm，曲率半径100 mm为剪刃允许的最小曲率半径。不同剪切曲率半径对应的最大剪切力如图4所示。

图3　不同曲率半径下的剪刃模型Fig.3 Shear blademodel under different curvature radiuses

从图4可以看出，对于中间坯尺寸为长800 mm、宽2 200 mm、厚60 mm的X70管线钢，剪切时，随着剪刃曲率半径的增大，所需的最大剪切力增大，其中平剪刃最大剪切力比曲率半径为100 mm的增加了约23%。剪刃曲率半径在200－800 mm之间时，最大剪切力随剪刃曲率半径的增加而增加，但幅度较小。同时考虑到曲率半径越小(图3)剪刃头部越尖越容易磨损［13］，因此选择曲率半径为400 mm的剪刃进行模拟。

2.2剪刃间隙的影响

在滚筒式飞剪的工程应用中，剪刃间隙作为一个需要经常调节的工艺参数，其值是否合理直接影响到剪切断面质量的好坏。如果其值选取不合理容易导致剪切断面质量不高和带尾现象，在切口处产生许多针状毛刺，进入下道次精轧时，易引起轧辊损伤，甚至可能出现轧件剪不断的情况［2］。

实际生产中飞剪机会根据中间坯的厚度确定一个间隙值，有研究得到了间隙随厚度变化的线性关系式［14］。据此选择了1～7 mm的剪刃间隙进行剪切过程模拟。

从图5可以看出，对于中间坯尺寸为长800 mm、宽2200mm、厚60mm的X70管线钢，剪刃间隙在1～7 mm范围内，剪切时，剪切所需要的最大剪切力随剪刃间隙的增加而减小，接近于线性变化。然而随着剪刃间隙的增加，剪切断面的毛刺越长，带尾现象加重，断面质量越差。为了得到较好的剪切断面并尽量减小剪切时的剪切力，选择剪刃间隙大小在3～4 mm之间比较合适。

2.3钢种的影响

在中间坯尺寸为长800 mm、宽2 200 mm、厚60 mm，剪刃曲率半径为400 mm时，两种材料在960℃时剪切力的时间历程曲线如图6所示，飞剪剪切力在剪切开始后迅速增加，并在约0.12 s，对应切入厚度约为12 mm处达到最大，随后剪切力又逐渐开始变小。在开始阶段，曲线变化较为平滑，是因为在此阶段材料几乎为塑性变形，产生剪切滑移;曲线下降阶段不平滑，是材料发生剪切断裂的影响。材料在相对切入深度为40%时达到其最大剪切力。

由图6可知，X70管线钢的最大剪切力达到1.52×107N，Q235钢的最大剪切力为1.11× 107N。结合两者的高温变形抗力曲线可知，钢的剪切强度越大时中间坯所需的剪切力越大。虽然X70管线钢的室温强度较Q235钢高2.1倍，但是对于相同断面尺寸的中间坯，X70比Q235在960℃时最大剪切力只增加了52%。

2.4温度的影响

对于中间坯尺寸长800 mm、宽2 200 mm、厚60 mm的X70管线钢，剪刃曲率半径为400 mm，温度为900℃时的最大剪切力为1.78×107N，温度为960℃时的为1.52×107N，可见温度对剪切力有较大影响，900℃的最大剪切力比960℃的增加了17%。

2.5中间坯尺寸的影响

对于中间坯尺寸为长800 mm、宽2 200 mm的X70管线钢，其最大剪切力随厚度(40～70 mm)变化的曲线如图7所示。

图7　不同厚度中间坯的最大剪切力Fig.7 Maximum shearing force under different thicknesses of transfer bar

随着中间坯厚度的增加，所需最大剪切力越大中间坯厚度从40mm增加到70mm，厚度增加了75.0%，上剪刃最大剪切力增加了80.0%，稍大于厚度增加的比率;下剪刃最大剪切力增加了75.5%，与厚度增加比率相近。剪切力随厚度近似呈线性增加。

3　飞剪剪切力的计算

对于剪切设备来说，剪切力是一个很重要的参数。由于影响剪切力大小的因素很多，因此在生产中如何比较准确、简便地确定剪切力的数值很有意义。

对于平行剪刃飞剪，常用的最大剪切力经验计算公式如下［15］:

式中:F为被剪钢坯横断面面积，mm2;τt为被剪切金属在相应温度下的最大单位剪切阻力，N ·mm－2;σt为被剪金属材料在相应温度下的拉伸强度极限，N·mm－2;0.6为考虑的比例系数;K1为刀钝系数，对大型剪切机(P＞107N)，K1=1.1;系数1.6考虑了系统的功率、刀钝、摩擦、温度的损失等因素的影响附加了60%的增能量。

通过Deform-3D后处理得到的应变速率结果显示本次模拟时变形区应变速度平均值为3 s－1左右，因此参考高温拉伸实验结果数据，取拉伸强度极限为200 MPa。利用公式(3)、(4)来计算最大剪切力的值。目前，钢厂曲柄式切头飞剪在960℃剪切断面尺寸为2 200 mm×60 mm的X70中间坯时，利用经验公式计算所得最大剪切力为1.25×107N。表1是其他条件相同，模拟得到的最大剪切力的模拟值和由不同经验公式计算得到的最大剪切力的理论值。

表1　断面尺寸2 200 mm×60 mm中间坯剪切力对比Tab.1 Comparison of shearing force values with the section size of2200 mm×60 mm

根据表1的数据看出，经验公式(3)所得最大剪切力与有限元计算结果近似，但是经验公式(4)所得最大剪切力比有限元计算大，说明理论计算公式的使用是有条件的。

滚筒式飞剪在剪切相同温度与断面中间坯时比曲柄式飞剪最大剪切力大20%以上，主要原因在于曲柄式飞剪采用斜刀片，使得刀片和坯料在同一时间内的接触长度减少，降低了剪切力。滚筒式飞剪剪切过程中其滚动轴承承受剪切力，因此在其剪切厚板时需要考虑结构的承载能力以及刀片强度等。

4　结论

(1)钢的高温剪切力与其室温强度没有直接关系。虽然X70管线钢的室温强度较Q235钢高2.1倍，但是对于相同断面尺寸的中间坯，X70比Q235在960℃时最大剪切力只增加52%。

(2)飞剪最大剪切力随X70中间坯厚度近似线性增加。除中间坯的厚度外，中间坯的材料强度极限、剪刃形状和剪刃间隙直接影响滚筒式飞剪剪切力大小。中间坯的材料强度极限越高、剪刃曲率半径越大则剪切力越大;剪刃间隙越大，所需剪切力越小。

(3)对于中间坯厚度为60 mm的X70管线钢，在960℃下剪切时，选择剪刃曲率半径为400 mm，剪刃间隙为3～4 mm进行剪切，其剪切断面质量良好，所需最大剪切力为1.52×107N，相对较小。

(4)相同剪切断面与剪切温度，相对于曲柄式飞剪，滚筒式飞剪剪切厚中间坯时最大剪切力大20%以上。采用滚筒式飞剪剪切厚中间坯是可行的，但在结构上需要考虑轴承的承载能力以及刀片强度等。

［1］陈小林．滚筒式切头飞剪剪切过程模拟及动力学分析［D］．秦皇岛:燕山大学．2011．

［2］大久保博之，李金生．带钢热连轧机中滚筒式切头飞剪剪切机理的研究［J］．重型机械，1980 (10):22．

［3］蒲思洪，温彤，吴维，等．韧性断裂准则与阀值选取的理论及试验研究［J］．热加工工艺，2009，38 (3):18．

［4］Cockcroft M G，Latham D J．Ductility and the work-ability of metals［J］．J Inst Metals．1968，96 (1):33．

［5］赵才华．异周速滚筒式飞剪力能参数分析及剪切机理研究［D］．重庆:重庆大学，2010．

［6］余伟，卢小节，陈银莉，等．卷取温度对热轧X70管线钢层流冷却过程残余应力的影响［J］．北京科技大学学报，2011，33(6):721．

［7］林鹏飞，胡水平，余伟，等．高钢级管线钢变形抗力模型［J］．塑性工程学报，2012，18(6):47．

［8］张莉，李升军．DEFORM在金属塑性成形中的应用［M］．北京:机械工业出版社，2009．

［9］李传民，王向丽，闫华军，等．DEFORM5．03金属成形有限元分析实例指导教程［M］．机械工业出版社．2007．

［10］王凤辉，卢建霞．平行刃剪切机剪切过程的有限元仿真模拟分析［J］．塑性工程学报．2003，10(2): 18－24．

［11］俞洪杰，马立峰，冀俊杰，等．滚筒式飞剪机的剪切性能理论分析及有限元模拟［J］．重型机械，2012(4):46．

［12］齐婧．滚筒式飞剪的剪切机理及刃形与参数分析［D］．大连:大连理工大学，2013．

［13］Ma L F，Huang Q X，Huang Z Q，et al．Establishment of optimal blade clearance of stainless steel rolling-cut shear and test of shearing force parameters［J］．Journal of Iron and Steel Research，International．2012，19(9):52．

［14］Li Y，Ye Q，Fan F，et al．Finite elementmethod analysis of effect of blade clearance on plate shearing process［J］．Journal of Iron and Steel Research，International．2012，19(10):26．

［15］黄华清．轧钢机械［M］．冶金工业出版杜，1980．

FEM analysis for shearing process of hot rolled thick pipeline steel transfer bar

LEILi-qi，ZHOU Qian-ru，YUWei，CHENG Zhi-song
(Engineering Research Institute of USTB，Beijing 100083，China)

Drum flying shear is an important crop equipmenton the hot continuous rolling line．Whether it can be used to cut thick steel transfer bar with high strength is worth studying．In order to obtain the optimal shear condition，the shearing process of thick pipeline steel transfer bar by drum flying shear is simulated with the three-dimensional finite element software DEFORM-3D based on the high temperaturemechanical properties test of X70．The influence laws of several factors to the maximum shearing force are researched．The maximum shearing force of X70 is only 52%up on that of Q235 at960℃．Themaximum shearing force of X70 increases approximately linearly with the increase of thickness．The drum flying shearing force obtained by the simulation and the crank flying shearing force calculated by empirical formula are compared．When shearing the same specifications of transfer bars at the same temperature，themaximum shearing force of drum flying shear ismore than 20%up on that of crank flying shear．It's feasible to cut thick transfer bar while the carrying capacity of structure and the blade strength need to be considered．

drum flying shear;shearing force;pipeline steel;transfer bar

TG333.2

A

1001－196X(2015)02－0069－06

2014－10－16;

2014－11－25

雷力齐(1987－)，男，北京科技大学冶金工程研究院研究生。

周倩如(1989－)，女，北京科技大学冶金工程研究院研究生。