Zr-4合金管材皮尔格轧制过程数值模拟分析：宏观模型的建立、验证及塑性变形分析

皮尔格轧制变形对于锆合金管材的性能有着重要影响,受到学者们的高度重视。长期以来,由于皮尔格轧制是一个高度非线性的三维变形过程,开展实验研究不但成本高昂而且周期较长。本研究以ABAQUS/standard平台,根据多行程皮尔格轧制的运动特点,建立了Zr-4合金管材皮尔格轧制有限元模型,并开展一整个道次的轧制过程模拟。模拟结果表明:预测的管材几何尺寸与实验结果吻合良好,而模拟的轧制力与经典的舍瓦金公式计算结果也比较相符,验证了所建立模型的准确性,可用于进一步仿真分析。模拟结果还表明开口处的管坯应力状态与轧槽底部管坯的应力状态有显著的差别。此外,轧制过程中还存在有明显的剪切变形,而且还有较大幅度的周期性波动,这主要与孔型开口以及管坯回转送进有关。     

冷轧工艺参数对TA18钛合金管材金属流动及成形载荷的影响规律

管材周期式冷轧成形过程是一个复杂的减径、减壁过程,由于轧辊孔型复杂,轧制过程中管坯的塑性变形也较复杂,各种成形工艺参数的选择往往都是经长期实践经验积累得到的,对轧制过程缺乏规律性的认识及定量的分析。本研究则借助三维有限元软件DEFORM-3D再现了冷轧成形过程,对成形过程中金属的流动情况、管材的应力应变分布以及成形载荷进行了深入分析。结果表明:轧制速度和摩擦系数增大会引起径向拉应变和环向压应变减小,送进量增加则使得两者均增大。此外,送进量和摩擦系数增大会显著增加成形载荷。     

基于DOE的锆合金包壳管冷轧质量分析及改善

为了提高锆合金包壳管的冷轧质量,通过统计过程控制技术和工序能力分析研究了锆合金包壳管冷轧后的壁厚偏差问题,并基于试验设计(design of experiment, DOE)技术对皮格尔冷轧工艺进行了优化。包壳管冷轧质量分析和工艺优化试验的结果表明,轧制前管材的壁厚偏差和送进量对轧制后的管材壁厚偏差有显著影响;当轧制前管材壁厚偏差<0.3 mm、壁厚变形量为65%、送进量为1.0 mm/次时,轧制后的管材壁厚偏差最小;通过轧制工艺优化后,反映壁厚偏差离散性的极差平均值由0.036减小到0.018,极差波动也明显减小,轧制质量显著提高;当轧制管材壁厚变形量一定时,对轧制前壁厚偏差较大的管材,采用小送进量轧制,可减小轧制后管材的壁厚偏差,达到提高锆合金包壳管材质量的目的。     

铝管连轧过程孔型参数优化及数值模拟

为了研究孔型参数对铝管连轧过程的影响,采用正交试验优化设计方法设计数值模拟方案,在Marc有限元平台上,研究轧辊孔型参数(侧壁角、侧壁半径比、过渡圆角半径、辊缝大小、轧辊和管坯之间的摩擦因数)分别对轧制力、轧制力距、外径椭圆度和壁厚不均的影响,并分析各参数的影响显著性顺序.结果表明:侧壁角是最重要的影响因素,管坯和轧辊间的摩擦因数对外径椭圆度和壁厚不均的影响居于次位,侧壁半径比对轧制力和壁厚不均的影响最小.根据影响规律获得最优孔型参数组合,并对5机架铝管连轧过程进行有限元模拟分析.     

高精度不锈钢管轧制过程轧制力仿真计算

针对钢管冷轧过程轧制力的影响因素多、计算复杂的问题,本文以舍瓦金提出的轧制力计算方法为依据,利用Fortran语言开发了轧制力计算模拟程序,该程序可用来分析送进量、压下量、孔型参数等对轧制力分布的影响.并以轧制奥氏体不锈钢管1Cr18Ni9Ti为例,研究了送进量和管坯厚度对轧制力分布的影响.     

皮尔格冷轧无缝钢管成形工艺参数及力学研究

皮尔格冷轧无缝钢管工艺参数基本依靠经验选取,其选择不当会导致管材产生缺陷。基于此,本文选取304不锈钢冷轧重要工艺参数——送进量、回转角度和Q(变形压下段和精整段长度的比例)值,通过全流程数值仿真分析了成形过程中管材的力学及成品尺寸的变化规律。结果表明,皮尔格冷轧过程中轧制力、管材等效应力、残余应力以及外径回弹量均随着送进量和回转角度的增大而增大,随着Q值的减小而增大。     

周期式冷轧钢管的新方法

全苏管材工业科学研究与设计工艺研究所研制成功一种周期式冷轧钢管的新方法——二辊—多辊冷轧法,并在试验厂的15～30轧机上做了试验。在轧制过程中,装有异形支承板2的机架1(见图)移动,轧辊3沿此支承板滚动。管坯4通过轧辊变半径轧槽段(Ⅰ段)进行减径,这时沿管壁不施加压力(即不进行减壁)。因此,这一段长度减小(这与在轧机上进行的冷轧过程相类似)。然后,通过轧辊沿支承     

三辊冷轧管机轧制过程的数值模拟与试验研究

在简化三辊冷轧管机轧制过程的基础上,根据钢管冷轧过程的变形特点,采用Simufact有限元软件对其轧制过程进行有限元数值模拟。通过仿真模拟,分析了钢管的等效应力、等效应变分布规律及其截面变形特点,并与实际数据进行比较。分析结果表明:建立的有限元模型符合实际,模拟过程与实际轧管成型情况相符合;金属的塑性变形主要发生在减径段和减壁段;随着送进量、轧制频率的增加,轧辊的轧制力相应增大。     

TA18合金管材两辊冷轧变形分析

对TA18合金Φ25mm×5mm管材进行两辊冷轧,检测和分析了变形各段的尺寸、金相组织和硬度。结果表明,两辊冷轧后,管材从退火态变为轧制态,晶粒形态由等轴状变为纤维状;压下段塑性变形集中,加工硬化剧烈,硬度(HV1)由222提高至267;降低空减径量可有效提高管材内壁品质。     

多排辊冷轧管机简介

多排辊冷轧管机是机电部西安重型机械研究所研制的一种高效率的新型冷轧管机。该轧机是在吸收二辊式冷轧管机减径减壁量大、产量高和多辊式冷轧管机采用小直径轧辊轧制薄壁高精度管材的优点,抛弃其缺点(即二辊式的难加工难维修的变断面孔型、同步齿轮齿条、重型轴承等笨重零部件及多辊式的产量低、变形量小等)的基础上而研制的。这种轧机适用于生产各种材质的高质量、高标准的冷轧管材,如:碳素钢、低合金钢、铜及其合金、铝及其合金,尤其适合于轧制用上引法连铸的紫铜管坯。生产实践证明,用上引法连铸的紫铜管坯经多排辊轧机轧制后,可明显改善其组织结构,密度达到8.93,各项机械性能(拉伸、扩口等)均达到使用要求。     

双金属复合无缝钢管冷轧成型过程的数值研究

采用非线性有限元法对不锈钢/碳钢双金属复合钢管的冷轧成型过程进行了数值模拟,得到了钢管在整个冷轧成型过程包括稳定轧制阶段和钢管冷轧脱模以后的位移场和应力应变场。计算结果显示,冷轧成型过程的应力分布十分复杂,在环向没有对称性。本文根据计算结果绘制了钢管的径向、环向及轴向应力分布图。在稳定轧制阶段,径向应力在内层钢管内壁,减径量越大,径向应力越小;环向应力在碳钢和不锈钢界面位置和内层不锈钢管的内壁,减径量越大,环向应力越小;轴向应力与减径量的大小成反比关系。采用冷轧成型工艺生产双金属无缝钢管,成品钢管的直径精度较高,壁厚精度低于直径精度。参数研究表明,计算直径接近理论值,受减径量的影响相对较小;计算壁厚与理论值有一定误差,钢管壁厚精度随减径量的增加而降低。对于本文计算的外径为202 mm,壁厚为11 mm的双金属复合管,在减径量为2 mm时的壁厚相对误差仍小于5%。同时,双金属复合管外层碳钢钢管壁厚变化量相对较大而内层不锈钢管的壁厚变化相对较小。论文的研究成果对于双金属复合钢管冷轧成型工艺设计、孔型和轧辊设计具有参考价值。     

双金属复合无缝钢管冷轧成型过程的数值研究

采用非线性有限元法对不锈钢/碳钢双金属复合钢管的冷轧成型过程进行了数值模拟,得到了钢管在整个冷轧成型过程包括稳定轧制阶段和钢管冷轧脱模以后的位移场和应力应变场.计算结果显示,冷轧成型过程的应力分布十分复杂,在环向没有对称性.本文根据计算结果绘制了钢管的径向、环向及轴向应力分布图.在稳定轧制阶段,径向应力在内层钢管内壁,减径量越大,径向应力越小;环向应力在碳钢和不锈钢界面位置和内层不锈钢管的内壁,减径量越大,环向应力越小;轴向应力与减径量的大小成反比关系.采用冷轧成型工艺生产双金属无缝钢管,成品钢管的直径精度较高,壁厚精度低于直径精度.参数研究表明,计算直径接近理论值,受减径量的影响相对较小;计算壁厚与理论值有一定误差,钢管壁厚精度随减径量的增加而降低.对于本文计算的外径为φ202 mm,壁厚为11 mm的双金属复合管,在减径量为2 mm时的壁厚相对误差仍小于5％.同时,双金属复合管外层碳钢钢管壁厚变化量相对较大而内层不锈钢管的壁厚变化相对较小.论文的研究成果对于双金属复合钢管冷轧成型工艺设计、孔型和轧辊设计具有参考价值.     

皮尔格轧机的工具加工

管材皮尔格冷轧的特点是轧制工艺参数和设备结构参数之间具有非常密切的关系,因此,需要详细了解这种轧制方法中的所有因素。工具形状和尺寸的加工必须考虑:在如图1所示的变形区中,管坯要从外径 D_o、内径D_j、壁厚 T。轧制到外径 D_(o f)、内径 D_(i f)、壁厚     

Zr-4合金管材轧制无间隙孔型的应用

锆合金包壳管是核反应堆的第一个屏障,其主要承担着包裹核芯块的作用。包壳管主要由两辊皮尔格轧制完成生产,该轧制工序影响着包壳管的力学性能和收缩系数（CSR）性能。文章通过室温拉伸实验和CSR实验,对比了无间隙孔型和有间隙孔型对Zr-4合金管材轧制影响。结果表明:使用无间隙孔型轧制出Zr-4合金管材的外径、内径尺寸偏大、椭圆度较小,可为后续工序提供充足的余量;使用无间隙孔型进行Zr-4合金管材轧制可有效的提高轧制生产效率;使用无间隙孔型进行Zr-4合金管材批量轧制生产,轧制后的管材室温抗拉强度、屈服强度、延伸率及CSR性能满足技术指标要求,可以代替有间隙孔型的Zr-4合金管材轧制生产。     

钛及钛合金管材的冷轧

本文研究了利用挤压管坯冷轧钛及钛合金管材的工艺条件。研究证明,冷轧 OT-4和 BT-5-1钛合金管材时,内径减缩量不应超过(D_з)/(D_(тр)≤1.25～1.35。根据管径的允许减缩量,对于端部装料的ХПТ型冷轧机,心棒的锥度不应大于2tg α=0.015～0.02。冷轧时,压力值与强度极限成正比。冷轧钛合金的破裂现象,在很大程度上取决于减壁的同时管径的减缩,即取决于心棒的锥度。研究表明,BT-1-1合金径1个轧程的允许变形程度可达80%,OT-4合金—70%,BT-5-1合金-65%。设计孔型时,为实现高速度轧制钛及钛合金管材,送料量应取10～12毫米,取总延伸系数μ_∑=2.5～4。     

皮尔格冷轧过程钢管周期送进量优化模型的建立与验证

以皮尔格轧机冷轧304不锈钢管为例,建立周期送进量优化模型。通过对拉伸试验获得的应力-应变曲线进行非线性拟合得到材料的本构关系方程;通过对钢管变形特征的分析得到了基于增量理论的钢管当量应变的计算方法;根据皮尔格轧制钢管截面变形特点导出截面横移量的计算方法;综合利用上述结果以及材料卸载定律解出冷轧304不锈钢钢管在指定回弹量下的周期送进量;通过有限元仿真和现场轧制试验验证了周期送进量优化模型的正确性。为皮尔格轧制工艺参数选择奠定理论基础。     

钢管三辊减径过程孔型设计方法研究

对钢管张力减径机组孔型设计进行了研究,提出了一种新的孔型设计方法。并采用ANSYS/LS-DYNA软件对准48 mm×6 mm的20钢管进行了减径过程有限元模拟,对轧制过程中单辊轧制力、钢管壁厚以及钢管速度的变化进行了分析。最后,进行了钢管三辊减径实验,获得了符合要求的钢管,证实了该孔型设计方法是合理的。     

BT_1钛合金管的冷轧

为了合理的利用金属的塑性,减少裂纹和增加管子横截面的稳定性,必须减少空减径;空减径减少可以改善管材表面质量。给出了中等尺寸 BT_(1-0)钛合金管采用锌扩散涂层,空减径由1～2毫米减少到0.1～0.2毫米的冷轧工艺流程,退火间的道次延伸率和总延伸率。在轧制之前,管坯内外表面采用由表面活性物质 on—10,并以滑石粉作为充填剂组成的粘稠润滑剂进行润滑。轧制时管子外面浇锭子油。结果指出:锌涂层完全     

无缝钢管张力减径过程的有限元分析

根据张力减径机组轧制工艺,采用非线性有限元法建立了三维热力耦合弹塑性有限元模型,运用该模型对实际张力减径过程进行了数值模拟,得到了管坯的温度场、应变场和应力场分布规律,分析了管坯经过各机架时的壁厚变化。模拟得到的轧制力能参数与现场实测结果吻合较好,为张力减径过程的工艺理论研究提供了依据。     

乌克兰HPT—95型高效冷轧管机投入工业性生产

乌克兰SumyFrunzeNPO公司与高新制管技术公司合作研制的HPT-95型高效冷轧管机目前已投入工业性生产。该冷轧管机轧制的管子尺寸精度高,其直径公差为士（0．04～0．07）mm,壁厚不均度达士（2％～3％）。在该轧管机上,钢管的变形是在两对连续成型辊和一个固定式芯棒上一次完成的。变形区的长度增加了1．7～1．9倍,但轧管机的机架行程、动态负荷或主传动功率井未增大。由于管坯在两对辊间要受到轴向压缩,故HPT一95型冷轧管机能有效地将管子的壁厚偏差减小67％～80％。因此,该轧管机能用各种壁厚的管坯,包括张力减径机轧出的管端增…