二辊锥形辊穿孔机力能参数的有限元仿真计算及现场测试

黄贤安， 王 敏

（太原重工技术中心， 山西 太原 030024）

试（实）验研究

二辊锥形辊穿孔机力能参数的有限元仿真计算及现场测试

黄贤安， 王 敏

（太原重工技术中心， 山西 太原 030024）

由于二辊锥形辊穿孔机轧制变形的复杂性，导致轧制力、轧制力矩以及顶头止推力等重要力能参数的数学计算很困难。应用有限元仿真软件Simufact.forming对二辊锥形辊穿孔机轧制过程进行仿真计算，可以得到上述力能参数，并通过与现场测试值的对比验证计算结果的正确性，解决了二辊锥形辊穿孔机的力能参数计算问题。

穿孔机 轧制力 轧制力矩 止推力 有限元

二辊锥形辊穿孔工艺是斜轧穿孔工艺的一种，其能够穿制高合金钢和连铸坯，与其他工艺相比提高了穿孔效率和穿孔质量，因此日益受到重视。近年来，新建的轧管机组大多数配备了二辊锥形辊穿孔机。

穿孔机的力能参数主要是轧制力、轧制力矩、顶头止推力等。这些力能参数是穿孔机设备设计过程中主要考虑的参数，其对轧机零件的刚度、强度以及电机功率的选择有直接的影响[1]。

由于二辊锥形辊穿孔机轧制过程中存在较大的不均匀变形，变形区和边界条件又很复杂，还存在一个内加工工具顶头，这些因素都使得二辊锥形辊穿孔机轧制力能参数的确定复杂化。目前这一问题尚不能在理论上作严格的数学处理，而只能用一些近似的简化处理方法，把复杂的变形过程与受力状态理想化。

有限元法作为一种数值计算分析方法，是20世纪50年代航空工程结构问题的一种离散数学方法。这种方法的主要特点是，对于任何复杂边界条件、复杂结构对象和初始条件，都可以应用该方法进行求解，特别适合于求解多物理场作用下的超静定工程问题，包括结构分析、热分析、电磁分析、流体分析等各种问题[2]。

Simufact.forming是 基 于 MSC.superform 和MSC.superforge开发出来的先进的材料加工及热处理工艺有限元仿真优化平台。其具有简单易用、精确、功能强大、求解快、支持六面体网格全自动划分等优点。

以下采用Simufact.forming软件对太原重工股份有限公司为黑龙江建龙钢铁有限公司设计并生产的Φ273 mm二辊锥形辊穿孔机上轧制的某一规格钢管的轧制过程进行有限元仿真计算，并将计算结果与现场实验测试结果进行对比。

1 有限元仿真计算

1.1 有限元模型的建立

二辊锥形辊穿孔机有限元模型建立步骤如下：

1）利用Solidworks软件建立二辊锥形辊穿孔机的三维几何模型，由轧辊、顶头、导板、推板及轧件组成，如图1所示。

图1 几何模型

2）将此模型另存为stl格式导入到Simufact. forming中。

偏头痛是临床中极为常见的神经内科疾病，患者的临床表现较为多样，严重情况下疼痛会导致患者无法进行正常的活动，影响患者的生活和工作，目前临床中主要采用药物对患者进行治疗，并且具有较好的临床疗效，但是临床中使用药物较多，对于何种药物为最佳尚没有确切的研究[1]。

3）定义模具及轧件的材料，为节约计算时间，将所有模具定义为刚体。

4）定义温度条件。

5）轧件的网格初始划分。

6）定义载荷，主要有轧辊转速及推板上推力和行程。

7）定义模具的摩擦系数。

8）定义运算时间等参数。

步骤3）—7）不分先后。

所建立二辊锥形辊穿孔机的几何及有限元模型的主要模型参数如表1所示。

表1 主要模型参数

1.2 有限元仿真的结果（见图2）

由图2可以看出，仿真的结果：轧件的出口壁厚约为24.1 mm，直径约为246.2 mm；最大轧制力约为1 910 kN；最大轧制扭矩约为456.8 kN·m；最大顶头止推力约为642 kN。

图2 有限元仿真模拟结果图

轧制力、轧制扭矩及顶头止推力的变化趋势基本一致：力能数值在工具与轧件建立接触前为0值；随后力能数值沿曲线逐渐增大；在工具与轧件建立完全的接触时到达某一峰值；在工具与轧件建立完全接触后到轧件与工具开始脱离接触时的这段时间内，力能数值围绕这一峰值上下波动，并在此时间内出现最大值；最后在轧件与工具脱离接触过程中逐渐下降。这一变化趋势与实际轧制过程的一致。

2 轧制力的实验测量

2.1 实验测量方法

轧制力的测量采用在穿孔机压下螺母的上方安装4个自制的压力传感器，如图3-1所示，轧制力为4个传感器所测轧制力的总和。顶头止推力的测量传感器安装在闭锁装置处，如图3-2所示。轧制扭矩测量传感器安装在主传动减速机输出轴的联轴器上，如图3-3所示。

图3 传感器安装位置图

2.2 实验测量参数

管坯直径210 mm，管坯长度4 000 mm，出口毛管直径Φ245～Φ247 mm，壁厚24～25 mm，其余参数与表1一致。

2.3 实验测量结果

实验测量轧制力结果见表2。

3 仿真与实验测量结果的对比

仿真与实验结果对比见表3。

由表3可以看出，仿真结果与实验测量结果非常接近，误差控制在5%以内。

4 结论

1）采用Simufact.forming有限元仿真软件对二辊锥形辊穿孔机轧制过程进行仿真，通过轧件截面图、力能曲线图可以清晰地看到轧件壁厚、轧件直径、轧制力、轧制力矩以及顶头止推力。

表2 实验测量值

表3 仿真与实验结果对比

2）仿真计算结果与实验测试结果非常接近，表明采用Simufact.forming计算的结果可靠。

[1] 李国祯.现代钢管轧制与工具设计原理[M].北京：冶金工业出版社，2006：86.

[2] 刘劲松，肖寒，段小亮.SIMUFACT在材料成型与控制工程中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2012：4.

（编辑：苗运平）

Finite-element Simulation and Site Test of Two Cone Rollers Piercing Mill

Huang Xian'an,Wang Min
（Technology Center of Taiyuan Heavy Industry Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030024）

Due to the complex deformation of two cone rollers piercing mill,the valuable force parameters such as rolling force,rolling turning moment,thrusting force and etc.are very difficult to be mathematical computed.The finite-element simulation software Simufact.forming is used to simulate the process of two cone rollers piercing mill, and the valuabe force parameters as mentioned above can be obtained.Comparing these simulated force parameters with the site test verifies the simulated result.The problem about computing force parameter of two cone rollers piercing mill is be solved.

piercing mill,rolling force,rolling turning moment,thrusting force,finite-element simulation

TG331

A

1672-1152（2017）01-0003-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.01.02

2016-12-27

黄贤安（1980—），男，硕士研究生，现就职于太原重型机械集团有限公司技术中心轧钢所，工程师。