228履帶板異形帽形孔孔型優(yōu)化研究

1、<p>　　228履帶板異形帽形孔孔型優(yōu)化研究</p><p>　　羅 許1，李俊洪1，郭華1，陶功明2</p><p>　　（1.攀鋼集團(tuán)研究院有限公司; 2.攀鋼釩軌梁廠）</p><p>　　摘 要：利用有限元分析軟件DEFORM-3D建立了履帶板軋制過程的仿真模型，對228履帶板軋后軋件變形區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析，找到了在異形帽形孔向切深孔轉(zhuǎn)換時小

2、板與爪過渡圓弧處出現(xiàn)金屬突臺和“V”字形缺陷及在下道次軋制時出現(xiàn)折迭缺陷的原因。利用仿真結(jié)果，對異型帽形孔進(jìn)行優(yōu)化，消除了228履帶鋼成品折迭缺陷，生產(chǎn)應(yīng)用效果良好，為履帶板生產(chǎn)工藝的制定提供了依據(jù)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：履帶板；剛塑性模型；DEFORM-3D；應(yīng)力應(yīng)變；有限元法</p><p><b>　　0 引言</b></p><p

3、>　　228履帶板是繼190、216型履帶板之后開發(fā)的大規(guī)格履帶鋼板。由于履帶板形狀復(fù)雜，由方坯軋制成成品，中間經(jīng)歷方坯到異形梯形軋件、梯形軋件到異形帽形軋件以及異形帽形軋件到履帶軋件的多次形狀轉(zhuǎn)變。生產(chǎn)實踐表明，每一次軋件形狀的轉(zhuǎn)變都易導(dǎo)致軋件出鋼時出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)、彎曲及其它軋制缺陷等。對228履帶板來說，異形帽形軋件（見圖1中2孔）翻鋼進(jìn)入履帶切深孔中（見圖1中3孔）時，其變形很大，而且不均勻，易出現(xiàn)爪尖金屬不足和右側(cè)小板與爪過渡圓

4、弧處出現(xiàn)折迭的現(xiàn)象。</p><p>　　圖1 228履帶鋼800I、II軋機(jī)孔型</p><p>　　軌梁廠在開發(fā)228履帶板時，首次試軋便基本成功，但用戶在使用時發(fā)現(xiàn)小板與爪過渡圓弧處存在通長隱蔽性折迭。通過取樣分析，認(rèn)為是軋件從2孔進(jìn)入3孔時，爪與小板金屬堆積太多及“V”字形缺陷造成。通過對左側(cè)大板厚度進(jìn)行修改后，此缺陷仍不能消除（缺陷見圖2）。</p><p&

5、gt;　　為此，借助DEFORM-3D仿真軟件，建立起228履帶板切深孔的軋制變形模型，通過仿真分析，找出出現(xiàn)折迭的根本原因。在仿真分析的基礎(chǔ)上對切深孔進(jìn)行了優(yōu)化，消除了折迭缺陷，開發(fā)出了高質(zhì)量的228履帶鋼。</p><p>　　圖2 爪與小板過渡圓弧處折迭缺陷</p><p>　　1 建立有限元計算模型</p><p>　　對于228履帶板變形的仿真分析，由于

6、變形復(fù)雜，在仿真計算時的計算量會很大[1-2]。因此，根據(jù)實際情況對模擬過程做了適當(dāng)?shù)暮喕?。本研究采用剛塑性有限元法分?28履帶板的軋制變形，并對問題做了如下必要的簡化[3]：①彈性應(yīng)變比塑性應(yīng)變小得多，因此忽略材料的彈性變形；②忽略成形過程中的Bauschinger效應(yīng)；③材料具有均質(zhì)特征；④不計體積力（重力和慣性力等）的影響。</p><p>　　軋制的幾何模型是通過Pro/E軟件建立生成STL格式，再導(dǎo)入

7、DEFROM-3D的前處理器中。程序首先判斷表面節(jié)點的接觸情況，程序一旦判斷接觸，則會把相應(yīng)的邊界條件和計算參數(shù)施加在節(jié)點上。軋制模型如圖3所示。模擬過程中采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。軋件材料在模型中設(shè)置為塑性材料，坯料材料選用與25CrMnB成分接近的硅錳鋼，泊松比為0.3，楊氏模量為2.06×1011 Pa，熱膨脹系數(shù)為1.2e-005(1/C)，常摩擦因子為0.4，坯料溫度為1 100 ℃，軋輥設(shè)置為剛性材料。</

8、p><p>　　圖3 履帶板的軋制模型</p><p>　　2 履帶板軋制有限元模擬結(jié)果及</p><p><b>　　分析</b></p><p>　　依所設(shè)幾何信息及成形條件，進(jìn)行模擬計算，然后利用DEFROM-3D軟件后置處理器對模擬結(jié)果進(jìn)行可視化分析。當(dāng)設(shè)置在軋件上外加推塊（邊界條件）的速度變?yōu)榱銜r，軋件進(jìn)入穩(wěn)定軋

9、制階段，當(dāng)載荷在第350步時，履帶板的整體變形如圖4所示。</p><p>　　圖4 履帶板軋制后的變形</p><p>　　2.1 切深孔軋制過程分析</p><p>　　對切深孔整個軋制過程進(jìn)分450步進(jìn)行仿真計算。軋制模擬計算完成后，從軋件穩(wěn)定軋制區(qū)截取一部位進(jìn)行分析，見圖5。在爪與小板過渡圓弧處網(wǎng)格線密集重迭，同時過渡圓弧處金屬突起成臺。</p>

10、;<p>　　從其斷面形貌上看出，大板與爪過渡圓弧處變形正常，沒有明顯的金屬突起和折迭。小板與爪連接處則可看出金屬突臺，同時在突臺下方形成了“V”字形的缺陷。按經(jīng)驗在下一道次軋制中，如果小板沒有受到橫向展寬變形，則該缺陷無法消除。相反，如果小板向上彎曲，再加上過渡圓弧處的突臺金屬向下流動，則必然形成折迭。實際的折迭缺陷是否出現(xiàn)在該道次，有必要進(jìn)行下一道次的仿真分析。</p><p>　　圖5 切深孔

11、（第3孔）仿真結(jié)果</p><p>　　2.2 切深孔下道次仿真分析</p><p>　　用切深孔（第3孔）軋出軋件結(jié)果作為軋件模型，根據(jù)生產(chǎn)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行相似參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行下道次的仿真分析，計算結(jié)果見圖6。</p><p>　　從穩(wěn)定軋制區(qū)形貌上看，爪與小板過渡處已經(jīng)存在更密集的網(wǎng)格曲線，類似折迭，出現(xiàn)的位置也與實物一致。</p><p>

12、　　圖6 軋件在切深孔第4孔的軋制仿真結(jié)果</p><p>　　選取變形后軋件穩(wěn)定軋制區(qū)折迭缺陷處附近的節(jié)點，進(jìn)行變形分析，見圖7。 發(fā)現(xiàn)在折迭處的應(yīng)變量最大，這是由小板與爪在過渡處的金屬凸臺在“V”字形缺陷處軋合導(dǎo)致，軋制過程中該處的應(yīng)變量不斷積累，并會出現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變集中，從而導(dǎo)致此前的“V”字形缺陷演變成折迭缺陷甚至部分出現(xiàn)迭合。為后面的最終產(chǎn)品在使用過程中埋下質(zhì)量隱患。且模擬結(jié)果與實際生產(chǎn)實物（見圖1）相比較

13、，比較吻合，證明該工藝過程仿真成功，同時為接下來的優(yōu)化試驗打下良好的基礎(chǔ)。</p><p>　　圖7 經(jīng)第4孔軋件小板與爪過渡圓弧處應(yīng)變情況</p><p><b>　　3 孔型參數(shù)優(yōu)化</b></p><p>　　經(jīng)過上述對軋件三維變形仿真分析知，228履帶板鋼異形帽形軋件爪尖頭長先進(jìn)入孔型，寬且厚的大板要進(jìn)入孔型必須產(chǎn)生以爪根為旋轉(zhuǎn)點的

14、順時針的變形力，同時小板要進(jìn)入孔型也要產(chǎn)生以爪根為旋轉(zhuǎn)點的逆時針變形力[4]見圖8(a)。由于大板旋轉(zhuǎn)變形力遠(yuǎn)大于小板，所以金屬堆積在小板爪根處。故異形帽形孔設(shè)計不合理是造成成品折迭缺陷的主要原因。 </p><p>　?。╝）修改前 (b) 修改后</p><p>　　圖8 修改前后異形帽形孔變形圖</p><p>　　通過現(xiàn)場調(diào)研，結(jié)合生產(chǎn)工

15、藝和軋輥設(shè)計特點，要減輕或消除切深孔的金屬堆積和“V”字形缺陷應(yīng)減少大板的旋轉(zhuǎn)力，應(yīng)減小大板與爪的夾角。將原122º夾角改為110º夾角，修改后的異形帽形孔型見圖8(b)。</p><p>　　采用相同的有限元仿真模型對優(yōu)化后的孔型進(jìn)行軋制過程仿真。按照前述方法仿真出的切深孔軋件圖，4孔軋件小板與爪過渡圓弧處斷面圖見圖9。顯然，修改后的孔型在切深孔和第4孔均沒有出現(xiàn)折迭等缺陷，軋件的殘余應(yīng)力分

16、布比較均勻，軋后軋件的截面尺寸較好，無明顯的表面缺陷。</p><p>　　圖9 軋件應(yīng)力場分布及截面形貌</p><p>　　按此方案優(yōu)化的孔型，該坯料與設(shè)計的軋輥孔型尺寸較接近，在實際生產(chǎn)中軋輥磨損小，小板與爪過渡圓弧處的折迭缺陷也完全消除，軌梁廠多批次投料生產(chǎn)，最終的軋件質(zhì)量好，軋制履帶板鋼合格率高，在企業(yè)困難時期起到了真正的降本增效效果，增加了一定的收益。</p>

17、<p><b>　　4 結(jié)論</b></p><p>　　通過對228履帶板切深孔第三、第四孔軋制過程的模擬仿真，找到了折迭缺陷的產(chǎn)生原因，提出了優(yōu)化方案，并經(jīng)試驗和生產(chǎn)實踐驗證，應(yīng)用效果良好。</p><p>　　1)采用修改前的孔型參數(shù)，軋件經(jīng)切深孔軋制后在小板與爪過渡圓弧處會形成金屬堆積和“V”字形缺陷。切深孔軋件進(jìn)入下道次軋制后產(chǎn)生完全封閉的折迭缺

18、陷。仿真分析缺陷與實物缺陷位置基本一致。</p><p>　　2)切深孔軋件金屬堆積和“V”字形缺陷的形成主要是大板以爪根為旋轉(zhuǎn)點的順時針變形力遠(yuǎn)大于小板以爪根為旋轉(zhuǎn)點的逆時針變形力所致。</p><p>　　3)將異型帽形孔大板與爪的夾角由原來的122º夾角改為110º角度后，減小了大板以爪根為旋轉(zhuǎn)點的順時針變形力，軋件應(yīng)力應(yīng)變分布比較均勻，爪與小板過渡處軋制后未出現(xiàn)

19、金屬凸臺，表面缺陷少，消除切深孔和第4孔的折迭缺陷，與實際生產(chǎn)相符，軋件質(zhì)量好，能滿足客戶要求。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 李素麗,張治民. 履帶板多向主動加載成形過程數(shù)值模擬. 南方金屬,2008, 160(1): 1-5. </p><p>　　[2] 華 林,趙仲治. 多向模鍛合模分析和參數(shù)

20、設(shè)計. 汽車科技. 1997, 1: 6-7. </p><p>　　[3] 徐新平,王均安. 硅鋼軋制過程的有限元數(shù)值模擬. 上海金屬. 2005, 27(4): 30-33. </p><p>　　[4] 王瑁成,邵 敏. 有限單元法基本原理和數(shù)值方法. 北京: 清華大學(xué)出版社. 1998.</p><p><b>　　編輯 楊小琴</b>

21、</p><p>　　收稿日期：2010-08-02</p><p>　　∽∽∽∽∽∽∽∽∽∽∽∽∽∽∽∽∽∽∽∽∽∽∽∽∽∽∽∽∽∽∽∽∽∽∽∽∽∽∽∽∽∽∽∽∽</p><p>　　馬鋼入選國家首批兩化融合促進(jìn)節(jié)能減排試點示范企業(yè)</p><p>　　由于在信息化與工業(yè)化兩化融合促進(jìn)節(jié)能減排方面成效顯著，馬鋼股份公司從150多家參選企業(yè)中

22、脫穎而出，獲國家級首批“兩化融合促進(jìn)節(jié)能減排試點示范企業(yè)”稱號。</p><p>　　利用信息化手段促進(jìn)節(jié)能減排，當(dāng)前已成為鋼鐵行業(yè)轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的有效途徑。而以信息化為支撐，通過信息化與工業(yè)化的有機(jī)融合，則可拓展產(chǎn)品綠色制造能力，減輕環(huán)境負(fù)荷壓力，提高社會效益和環(huán)境效益，促進(jìn)社會可持續(xù)發(fā)展。近年來，馬鋼應(yīng)用循環(huán)經(jīng)濟(jì)的理念，不斷優(yōu)化生產(chǎn)工藝流程和能源經(jīng)濟(jì)運行模式，以兩化融合為促進(jìn)節(jié)能減排的加速器，并探

23、索出長流程鋼鐵企業(yè)促進(jìn)節(jié)能減排的馬鋼模式。如，改造傳統(tǒng)工藝流程和設(shè)備，實現(xiàn)工藝裝備現(xiàn)代化，打造循環(huán)經(jīng)濟(jì)建設(shè)支撐體系，特別是轉(zhuǎn)爐基礎(chǔ)自動化、焦?fàn)t自動控制與信息化技術(shù)的國產(chǎn)化開發(fā)、電廠DCS控制系統(tǒng)改造等，在行業(yè)內(nèi)外具有很好的應(yīng)用推廣價值和廣闊的市場。在優(yōu)化工藝信息資源、降低工序能耗方面，馬鋼以焦?fàn)t自動加熱系統(tǒng)、棒材穿水冷卻自動化控制技術(shù)、鋼渣在線處理自動化技術(shù)等項目促進(jìn)了節(jié)能降耗，提高了能源利用效率。 能源管理系統(tǒng)（EMS）是企業(yè)

24、信息化系統(tǒng)的一個重要組成部分。其主要功能是實現(xiàn)能源系統(tǒng)分散的數(shù)據(jù)采集和控制、能源集中的管理調(diào)度和能源供需平衡、單位能耗及工序能耗的對標(biāo)評價、能源需求預(yù)測、能源設(shè)備管理等。馬鋼新區(qū)能源中心EMS系統(tǒng)運行以來，實現(xiàn)了節(jié)能減排的目標(biāo)，提</p><p>　　為充分利用ERP信息系統(tǒng)平臺，馬鋼ERP實現(xiàn)了全公司各生產(chǎn)主線的原輔料物流的在線跟蹤和控制，提高了內(nèi)部生產(chǎn)需求、采購、倉儲、配送、原料和能源消耗、產(chǎn)出物流的運營效率

25、，對核心業(yè)務(wù)的協(xié)同管理發(fā)揮出有力的支持作用，保持了公司內(nèi)部物流、信息流、資金流的高度一致，該項目也使企業(yè)內(nèi)部專業(yè)協(xié)同一致水平和決策效率得到明顯提高。</p><p>　　在獲“兩化融合促進(jìn)節(jié)能減排試點示范企業(yè)”榮譽(yù)后，馬鋼能環(huán)部負(fù)責(zé)人表示：“下一步，馬鋼將依托信息化平臺，實現(xiàn)公司級能源優(yōu)化集中管理；以ERP系統(tǒng)功能擴(kuò)展為平臺，繼續(xù)優(yōu)化能源消耗成本，為生產(chǎn)經(jīng)營決策提供數(shù)據(jù)支撐；同時，根據(jù)馬鋼生產(chǎn)流程，利用信息與控制