纯铜棒材三辊螺旋轧制过程数值模拟

张宏轩，王瑞雪，谢君贤，程 明,3

（1.中国科学院 金属研究所，辽宁 沈阳 110016；2.广东冠邦科技有限公司，广东 佛山 528311；3.广东精艺金属股份有限公司，广东 佛山 528311）

纯铜棒材三辊螺旋轧制过程数值模拟

张宏轩1，王瑞雪1，谢君贤2，程 明1,3

（1.中国科学院 金属研究所，辽宁 沈阳 110016；2.广东冠邦科技有限公司，广东 佛山 528311；3.广东精艺金属股份有限公司，广东 佛山 528311）

三辊螺旋轧机适合于多品种、小批量、难变形材料的小尺寸管棒材开坯。通过对三辊螺旋轧制辊形设计和轧制过程进行研究，根据轧辊辊形计算方程，获得三辊螺旋轧机轧辊各段辊形参数。采用Simufact. Forming软件模拟了纯铜棒材三辊螺旋轧制过程。结果显示，纯铜棒材在三辊螺旋轧制过程中的变形规律为圆形—三角形—圆形的连续过程，轧件在变形段温度可达360℃左右，在轧辊与轧件接触区域内的最大应力为590MPa，最大等效塑性应变为3.8。轧辊在Z轴方向上所受最大载荷为43kN，而在X、Y轴方向上的最大载荷为350kN。Z方向的轴向力有助于铜棒的轴向咬入和抛出，X、Y方向的径向力主要起到减径和定径的作用。

三辊螺旋轧制；辊形；纯铜棒材；轧制力；数值模拟

1 引言

近二十年来，水平连铸-行星轧制的生产方法在制冷空调用管的生产上取得了可喜的成果，生产效率、综合成品率等指标都有了较大幅度的提高，而制造成本和综合能耗有所下降，而且水平连铸更换合金牌号困难，适用于具有较大产量的规模化生产，而对于多牌号、小规模的产品可能会得不偿失。此外，由于该生产方式生产设备和工艺技术的限制，所能生产的产品规格受到一定的局限。

针对于三辊行星轧机的复杂结构与运动特征，三辊螺旋轧机更适合于多品种、小批量、难变形材料的小尺寸管棒材开坯。与传统的挤压法相比，加工效率和生产成本具有显著优势。目前市场上对一些多规格、小批量棒材的需求，为这种轧机的推广提供了市场机会。但国内外关于三辊螺旋轧制这项技术的研究还不多［1］。因此，本文通过数值模拟的方法来对这一轧制过程进行研究，探讨其中的工艺规律。

2 三辊螺旋轧辊辊形设计

［2］中介绍的斜轧轧辊辊形计算方程和文献［3］提出的辊形设计流程，用Matlab设计程序求解轧辊的各段辊形曲线，如图1所示。结合文献［4-5］给出的以直线相连的三辊螺旋轧制辊形的基本尺寸（螺旋角16.5°、后锥角3°、轧辊长度105mm、轧辊最大直径114mm、均整段长度66mm）。通过模拟试轧，获得以弧线相连的三辊螺旋轧制轧辊辊形尺寸，如图2所示。这与文献［6］设计的三辊斜轧机辊形类似，可用于进一步的数值模拟计算。

图1 轧辊各段辊形曲线

图2 弧线相连的三辊螺旋轧辊辊形

3 三辊螺旋轧制的有限元模型建立及参数优化

3.1 轧辊及坯料有限元模型的建立

三辊螺旋轧机模型主要由三个120°平均分布的轧辊、棒坯、喂料小车与套管构成，如图3所示。模型中考虑到了轧辊自身轴线与棒坯轴线调整形成旋转角α和倾斜角β，如图4所示。

图3 三辊螺旋轧制空间模型

图4 旋转角α和倾斜角β示意图

坯料头部采用锥形方便咬入。在Simufact中，除坯料外，模具默认H13模具钢，刚性体。套管在实际中不存在，模拟仿真时棒坯长度远小于实际轧制长度，故需对棒坯进行径向支撑与约束。截取棒坯长度120mm，直径50mm。轧辊的剪切摩擦摩擦系数0.95，套管摩擦系数0.01。轧辊转速50r/min，喂料小车速度40mm/s。初始温度20℃，工件和轧辊间热传导系数401W/（m2·K），工件和环境间热辐射与热对流系数0.25。轧制材料模型选取材料库自带的铜材料AISI为C11000。

3.2 三辊螺旋轧辊辊形参数优化

三辊轧机轧辊的辊形和倾斜角α、螺旋角β、棒材初始直径和成品直径相关。

图5为初选螺旋角β=18°［2］、棒料初始直径50mm、不同倾斜角和断面缩减率的模拟轧制过程，由图可见，倾斜角α=14°断面缩减率50%时，轧件不能轧出，其他两种参数都可以顺利轧制，考虑到效率情况，选取倾斜角α=10.5°断面缩减率40%。

图5 不同倾斜角和断面缩减率的模拟结果

在倾斜角α=10.5°、断面缩减率40%和不同螺旋角的条件下模拟轧制过程，图6为在不同螺旋角下，分析同一横截面上等效应力、应变沿径向分布的情况，可以看出，等效应力和等效应变随着螺旋角的加大而增大。虽然增大螺旋角会使变形抗力增加，但由于三辊轧制时，坯料容易出现心部疏松，所以适当增大螺旋角，有助于改善轧件心部组织。表1为不同螺旋角所对应的平均扭矩值，可以看出，轧辊的扭矩随着螺旋角的增加而增大，三辊螺旋轧制过程中，轧件的一次轧制压下量较大，轧机工作时承受的载荷较大，为降低轧辊扭矩和轧机功率，所以要选取相对较小的螺旋角。综上所述，三辊螺旋轧机在设计中应该选择合理的螺旋角，过大会降低轧辊使用寿命，过小又不利于改善心部组织。本文根据模拟结果分析选择螺旋角β=18°。

图6 螺旋角对应力、应变的影响

表1 不同螺旋角所对应的平均扭矩值

4 纯铜棒材三辊螺旋轧制模拟结果分析

模拟的具体工况参数与上一节相同，图7和图8三辊螺旋轧制的等效应力、等效应变分布图，可以看出，等效应力在接触区由外向内逐渐减小，变形慢慢渗透到金属的芯部，在接触中心应力达到最大，为590MPa（图7）；变形区会随着轧辊的转动而在圆周方向移动，应变云图分布形状与三角形相似，最大应变为3.8（图8）。

图7 等效应力分布图

图8 等效应变分布图

图9为轧辊的轧制力变化情况，可以看出，轧辊在Z轴方向上所受最大轧制力为43kN，见图9（a），在X、Y轴方向上的最大轧制力为350kN，见图9（b），（c）。Z方向的轴向力有助于铜棒的轴向咬入和抛出，X、Y方向的径向力主要起到减径和定径的作用，对设备刚度和轧辊材料提出一定的要求。

图9 轧辊各个方向的轧制力变化情况

图10为模拟轧制过程中温度场的变化情况。随着棒坯被咬入减径后，由于变形热以及摩擦的作用，棒坯温度逐渐上升；当通过集中变形段时，在轧辊辊缝的集中变形段温度可达360℃左右，在集中变形段温度的升高为充分的动态再结晶的发生创造了重要的条件。

图10 纯铜棒材温度场分布图

图11为不同位置截面形状的变化情况。可以观察到，纯铜铜棒经历了从棒坯开始咬入、减径、平整直到轧出的过程，棒坯的形状从圆形—三角形－圆形的顺序不断循环。在棒坯被轧辊咬入之后，受到径向的轧制力作用压缩减径，初步的形成一个接近三角形的断面（图11B），当棒坯达到辊缝最小的轧辊变形区后，棒材被强制性减径，此时变形最大，出现三角形压扁（图11C）。随后经过均整段，轧辊母线近似的平行于棒坯的轴线，此时棒坯受力均匀，横向变形加剧，三角形压扁逐渐消失（图11D）。

图11 不同位置截面形状变化

5 结论

本文利用Matlab计算三辊行星轧机轧辊的各段辊形，通过数值模拟获得优化的辊形参数。通过对纯铜棒材三辊螺旋轧制变形过程的模拟分析，得到以下结果：

（1）确定采用的三辊螺旋轧制轧辊倾斜角α=10.5°、螺旋角β=18°、轧辊长度120mm、后锥角5°、最大直径119mm。

（2）纯铜棒材在三辊螺旋轧制过程中的变形规律为圆形－三角形－圆形的连续过程，在轧辊辊缝的集中变形段温度可达360℃左右，超过材料的再结晶温度，能够有效细化晶粒，提高轧件性能。

（3）在模拟轧制过程中，在轧辊与轧件接触的区域内，轧件的最大应力为590MPa，最大等效塑性应变为3.8。轧辊在Z轴方向上所受最大载荷为43kN，而在X、Y轴方向上的最大轧制力为350kN。Z方向的轴向力有助于铜棒的轴向咬入和抛出，X、Y方向的径向力主要起到减径和定径的作用，对设备刚度和轧辊材料提出一定的要求。

参考文献：

［1］李臻熙, 郝梦一. 国内首台中型高精度三辊螺旋轧机试制成功并通过验收[J]. 材料工程, 2012(1):98.

［2］朱之超, 王钢, 赵文. 行星斜轧管机的辊形设计及实验研究[J]. 钢管技术, 1983(4):1-19.

［3］郭佛印, 郭琳. 基于VB语言的三辊行星轧机轧辊精整段曲线的设计[J]. 有色金属加工, 2012, 41(6):39-41.

［4］张新旺. 三辊螺旋轧制成形数值模拟与实验研究[D]. 机械科学研究总院, 2011:15-22.

［5］陆文林, 张新旺, 吴晓炜, 等. 三辊螺旋轧机轧辊参数[J]. 塑性工程学报, 2013, 20(2):40-43.

［6］李振学, 姚东红. 三辊斜轧过程数值模拟与实验对比研究[J]. 精密成形工程, 2011, 4(2):36-39.

Numerical Simulation on Three-roll Helical Rolling Process of Pure Copper Bar

ZHANG Hong-xuan1,WANG Rui-xue1, XIE Jun-xian2, CHENG Ming1,3
（1. Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, Liaoning, China; 2. Guangdong Guanbang Co. Ltd., Foshan 528311, Guangdong, China; 3. Guangdong Jingyi Metal Co. Ltd., Foshan 528311, Guangdong, China）

The three-roll helical rolling mill is suitable for breaking down pipe and rod that is for the material of varieties, small batch and difficult deformation. The roller profile design and rolling process of the three-roll helical rolling mill is investigated in the paper. The calculation equation of roller profile design is established and programmed by Matlab software. After the optimized parameters of the roller profile is obtained, the three-roll helical rolling process is investigated by using Simufact.Forming finite element simulation software. During the three-roll helical rolling process, the cross sections of the pure copper bar start from circle to triangle and then back to circle. And the highest temperature of the deformed billet increases to around 360℃. The maximum stress and strain in the contact area of the roller and billet is about 590MPa and 3.8 respectively. The maximum load along the Z axis of rollers is 43kN. The maximum load along the X and Y axis of rollers is around 350kN. The force in Z axis is contributed to nipping and throwing of the copper bar. The force in X and Y axisis mainly helpful to the diameter reducing and sizing of the bar.

three-roll helical rolling；roller profile；pure copper bar；rolling force；numerical simulation

TG339

A

1009-3842（2016）06-0015-04

2016-07-01

张宏轩（1993-），男，辽宁丹东人，硕士研究生，研究方向为管棒材轧制技术。E-mail: 747839116@qq.com