中厚板三辊行星轧制过程有限元分析

三辊行星轧制技术具有加工率大、能耗低、设备投资小等优点，随着三辊行星轧机的国产化，运用三辊行星轧机生产紫铜管的铸轧法得到了迅速的推广，铸轧法采用行星轧制实现了大变形轧制，取消了实心铸锭加热、挤压等工序，直接由水平连铸机组生产出空心管坯，缩短了工艺流程、降低了能耗、减少了设备投资。同时铸轧法还具有成品率高、工模具损耗少等优点［1 －12］。由于采用铸轧法生产铜管相对于传统的挤轧法优势较为明显，当前各个厂家加大了研发铸轧法生产铜合金冷凝管的力度［13］，由于铜合金管尤其是黄铜管的塑性较差，三辊行星轧制过程中管坯开裂问题一直没有攻克。

虽然紫铜管的行星轧制技术已经得到了广泛的应用，但是行星轧制过程中管坯的变形情况很少有研究机构对其进行详细的研究。正是基于这种背景，运用 DEFORM-3D 软件，采用刚粘塑性有限元理论，运用三维有限元技术对紫铜管行星轧制过程进行数值模拟，得出了三辊行星轧制过程中管坯的变形规律，从而为实现塑性较差的铜合金冷凝管的三辊行星轧制打下了良好的基础。

1 铜扁线连续挤压模型

在建立铜管三辊行星轧制数值模型之前，在某三辊行星轧制铜管现场进行了部分工艺参数的测量和分析，给出了合理的数值。工作过程中轧辊的自转和公转速度、推料小车的前进速度根据现场操作台上显示数据进行了记录。当轧制过程达到稳定以后，芯棒与管坯和内部所通氮气之间的热交换边界达到稳定，芯棒温度不变，在进行芯棒温度测量时，选取一根坯料即将轧制完成时快速关闭冷却水，同时将芯棒退出，采用红外测量仪进行温度测量，测量得出芯棒的温度为 700℃。在轧制过程中，当轧辊与辊坯接触时通过与管坯之间的高速摩擦以及传热温度升高很快，当离开管坯时轧辊受到乳化液的喷淋使其表面温度降低，由于轧辊转速很高乳化液的冷却只会降低其表面温度，因此轧辊的表面温度在轧制过程中是交变的，当其与管坯即将脱离时表面温度达到最高，即将于管坯接触之前达到表面温度最低，也就是说在轧辊与管坯接触时存在一个升温过程，而离开管坯后存在一个降温过程。数值模拟过程中为简化计算，取轧辊表面温度在与管坯接触升温过程中的温度平均值。根据轧制后轧辊的颜色以及芯棒测量温度，进行分析得出轧辊轧制过程中的温度取 600℃较为合理。

模拟时采用 Deform3D 软件，应用三维造型软件产生整个系统各个部件的三维实体，将所得图形以“STL”格式导入 Deform 中进行网格化分，建立仿真模型。为了节省模拟时间和计算机存储资源，对大变形部位进行局部网格细分。铜管三辊行星轧制有限元模型如图 1 所示。变形金属为紫铜，材料模型为σ'ijk= σ'i( ε'i，ε''j，Tk) ，式中: σ'ijk－ 流动应力; ε' i－应变; ε''j－ 应变速率; Tk－ 温度。图 2 给出了应变速率为 2. 0 和 3. 0s－ 1时应变和温度对流动应力的影响，利用线性插补可以得出材料的流动应力模型。

2 模拟结果分析

2. 1 三辊行星轧制过程中管坯的温度分布

在实际生产过程中，三辊行星轧制过程中管坯与外界环境之间的热交换系数是十分复杂的，由于轧辊冷却用乳化液的喷淋会溅到管坯上，因此管坯不是简单的与空气接触。在模拟过程中，不能按照实际情况对轧辊进行喷淋，因此从简化计算的方面出发，模拟过程中如图 3 所示，管坯与小车接触的区域( 1) 内只发生管坯与小车和空气之间的热交换，而在区域( 2) 中，假设管坯与环境之间的热交换系数为一个定值。

图 4 所示为轧制过程中金属管坯的温度变化等值线图，图中右边黑色标题代表图中所表示的变量，带颜色的字母和数字与左边图中的颜色线相对应，文中以后所有的这种表示均相同。从图 4 可以看出，在整个轧制变形区中在轧制过程铜管的温度逐渐升高，在轧制工艺区附近( 管坯由旋转变为不旋转的区域) 管坯的温度达到理想的 753℃。同时由于轧制过程中变形热和轧辊与管坯摩擦热的作用，未进入轧辊之前的管坯会受到前面轧制变形热和摩擦热的预热，在与轧辊接触之前温度达到了 386℃，这个温度接近紫铜的再结晶温度范围，对其加工变形是有利的。

以 HAl77-2 黄铜冷凝管的行星轧制为例，要想解决坯行星轧制过程中管坯开裂的问题，就需要在轧制的过程中避开其 500℃左右的“中温脆性区”，如图 5 所示。避开其“中温脆性区”的方式有两种，一种是采用冷却使其加工温度较低，皮尔格轧辊机就是采用这种方式来轧制铝黄铜冷凝管，由于皮尔格轧机轧制过程中管坯的变形程度没有行星轧制这么大，再者其轧制速度较低，可以采用直接对管坯喷淋的冷却方式将管坯温度控制在其“中温脆性区”以下。由于行星轧制过程中金属的变形量较大，同时变形速度较高，同时由于轧制过程中轧辊的高速旋转，不可能采用直接冷却管坯的方式将铝黄铜管坯温度控制在其“中温脆性区”以下，因此这种方式在行星轧制过程中是行不通的。还有一种方式就是提高铝黄铜管坯的初始温度，通过上面紫铜的模拟结果可以看出，由于管坯自身温度升高以后的预热，管坯的初轧温度为 386℃，由于铝黄铜的热传导系数较紫铜低，因此其初轧温度要低于 386℃，因此要想使其初始管坯温度超过其“中温脆性区”，需要对管坯采取直接加热的方式进行预热。

3 结论

在整个轧制变形区中在轧制过程铜管的温度逐渐升高，在轧制工艺区附近( 管坯由旋转变为不旋转的区域) 管坯的温度达到理想的 753℃。同时未进入轧辊之前的管坯会受到前面轧制变形热和摩擦热的预热，在与轧辊接触之前温度达到了 386℃。三辊行星轧制过程中管坯断面变形规律分析经过有限元仿真模拟可观察到三辊行星轧机轧制铜管坯时，管坯从咬入、减径减壁到精整成型的全过程中要经受一个由圆形、三角形、再回到圆形的变形过程。整个变形过程中管坯出现三角形的原因就是变形过程中管坯沿其中两个主方向的变形不均匀造成的。