H65黃銅管冷軋變形模擬分析與實(shí)驗(yàn)研究

周玉雄,林高用, 雷玉霞,王 宏,張勝華

(1.中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)(2. 江蘇太倉(cāng)市金鑫銅管有限公司，江蘇 蘇州 215412)

傳統(tǒng)的銅管生產(chǎn)方式主要采用 “實(shí)心錠—穿孔擠壓—(冷軋)—拉伸”法，即“擠壓法”。“擠壓法”無(wú)法生產(chǎn)大長(zhǎng)度的管材，且擠壓時(shí)穿孔料頭、擠壓脫皮、壓余等工藝廢料通常占到錠坯重量的20-30%，因此“擠壓法”生產(chǎn)銅管成品率較低，該方法現(xiàn)在逐漸受到新型的高效短流程銅管生產(chǎn)技術(shù)的挑戰(zhàn)。目前銅管加工的新技術(shù)有水平連鑄空心錠坯-行星軋制”法，即“鑄軋法”，該技術(shù)已成功應(yīng)用于紫銅和白銅管的大量生產(chǎn)，然而對(duì)于H65等普通黃銅來(lái)說(shuō)卻未能實(shí)現(xiàn)，這是因?yàn)樾行擒堉频臏厣^(guò)高(高達(dá)700℃)，而黃銅在200℃～700℃會(huì)發(fā)生脆性轉(zhuǎn)變，軋制易出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)部分企業(yè)正在嘗試采用另外一種無(wú)擠壓的高效短流程銅管加工技術(shù)，即“水平連鑄管坯—皮爾格冷軋開(kāi)坯—拉拔”法進(jìn)行黃銅管生產(chǎn)， 采用該技術(shù)已能成功生產(chǎn)紫銅管和α單相黃銅管，但對(duì)于H65黃銅管的加工尚存在一定的困難。H65有較寬的主成份范圍，屬于介于α單相和α+β黃銅的一種合金，其加工工藝較難把握。采用冷軋方式開(kāi)坯時(shí)，若工藝控制不當(dāng)，管坯中的溫升仍可能引發(fā)β′，脆性相的析出，加上冷軋時(shí)不均勻變形嚴(yán)重，兩軋輥間開(kāi)口部位的管坯將承受較大附加拉應(yīng)力，于是冷軋時(shí)容易產(chǎn)生表面裂紋[1-4]。目前，除了本文作者外，對(duì)H65黃銅的冷軋開(kāi)坯工藝尚無(wú)任何報(bào)導(dǎo)。

本文結(jié)合生產(chǎn)試驗(yàn)，采用有限元數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)H65黃銅管冷軋變形開(kāi)展深入分析，研究成形過(guò)程中的溫度和附加應(yīng)力分布，由此為工藝優(yōu)化提供依據(jù)。

1 有限元建模

1.1 模型簡(jiǎn)化

皮爾格冷軋管是一小段 m長(zhǎng)的管坯在由孔型和芯棒所構(gòu)成的、尺寸逐漸減少的環(huán)形間隙中進(jìn)行減徑和減壁厚的過(guò)程。整個(gè)過(guò)程是周期性、高度非穩(wěn)態(tài)的過(guò)程，每一小段m長(zhǎng)的管坯軋制到成品管尺寸都必須經(jīng)歷十幾次到幾十次的輾軋周期，每個(gè)周期又由正行程、反行程、管料送進(jìn)和旋轉(zhuǎn)部分(如圖1所示，旋轉(zhuǎn)角度θ不能是360°/n，以避免回轉(zhuǎn)角的耦合)組成,且進(jìn)程軋制又分為減徑段、壓下段、預(yù)精整段和精整段。因此，任何完全預(yù)測(cè)的從頭計(jì)算的有限元模擬是不現(xiàn)實(shí)的。為此對(duì)模型做如下簡(jiǎn)化[5]：

(1)對(duì)于單送進(jìn)單回轉(zhuǎn)的皮爾格冷軋管，由于反行程軋制時(shí)管料的變形主要是彈性變形，因此，本文將忽略反行程軋制，只模擬一個(gè)正行程的軋制過(guò)程；

(3)由于整個(gè)冷軋管過(guò)程變形主要發(fā)生在減徑段和壓下段，故只對(duì)減徑段和壓下段進(jìn)行建模和分析，且工作段管坯的幾何模型是結(jié)合軋輥孔型和芯棒建立的。

圖1 特定Z坐標(biāo)下的管坯(陰影部分)和孔型(粗實(shí)線(xiàn))橫截面示意圖

1.2 模型參數(shù)設(shè)置

本文有限元模擬的初始管坯尺寸為φ81×8mm，成品管尺寸φ45×3mm。軋輥孔型和芯棒的幾何參數(shù)根據(jù)某公司使用的XⅡT-80圖紙確定，孔型工藝參數(shù)如表1所示，利用三維繪圖軟件Pro/E分別建立軋輥、工件、芯棒和擋板的實(shí)體模型，并在Pro/E中進(jìn)行裝配，然后以stl格式導(dǎo)入DEFROM-3D軟件中，建立的三維有限元模型如圖2所示。

圖2 H65黃銅管皮爾格冷軋管三維有限元模型

管坯材質(zhì)為H65黃銅，其材料參數(shù)可直接從DEFORM-3D材料庫(kù)中導(dǎo)入，管坯定義為塑性體。軋輥、芯棒的材質(zhì)均采用GCr15鋼，其強(qiáng)度和硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于H65黃銅，在軋制過(guò)程僅會(huì)發(fā)生很小的彈性變形，故本模擬將軋輥、芯棒均定義為剛體。

(1)傳熱邊界條件的設(shè)置

為了研究冷軋管過(guò)程的溫升現(xiàn)象(變形熱和摩擦生熱)，將模擬控制方式選擇為變形和傳熱的耦合方式，確定傳熱邊界條件時(shí)考慮軋輥與坯料的接觸熱傳導(dǎo)、坯料與環(huán)境的對(duì)流和輻射傳熱以及潤(rùn)滑乳液與管坯之間的熱傳導(dǎo)。

計(jì)算皮爾格冷軋管過(guò)程的溫度場(chǎng)時(shí)，涉及的內(nèi)熱源有以下兩種：一是塑性變形熱，即變形熱效應(yīng)，其表達(dá)式為

式中：σ為等效應(yīng)力；ε為平均變形速率；η為塑性功轉(zhuǎn)變熱的比例，Wertheimer[7]認(rèn)為對(duì)大多數(shù)金屬而言，變形功的90%轉(zhuǎn)化成為熱量，故這里η取0.9；二是變形區(qū)接觸摩擦功轉(zhuǎn)化熱，單位時(shí)間內(nèi)因軋件與軋輥和芯棒的摩擦而產(chǎn)生的摩擦功均可由(2)式計(jì)算：

Wf=μp(φ)νf(2)

式中：μ為摩擦系數(shù)；p(φ)為軋制力的法向分量；νf為軋件與軋輥或芯棒的相對(duì)速度值；

皮爾格冷軋管過(guò)程的軋件的溫度場(chǎng)邊界面分為自由表面和軋件與軋輥的接觸表面，對(duì)于自由表面存在對(duì)流和輻射以及潤(rùn)滑乳液對(duì)管坯的冷卻作用，其可統(tǒng)一表示為：

q=H(T-T∞) (3)

H=h+hf+hw(4)

hf=Eσ(T+T∞)×(T2+T∞2) (5)

式中：q為熱流密度；H為等效導(dǎo)熱系數(shù)；T、T∞分別為軋管表面和周?chē)h(huán)境溫度；h為對(duì)流傳熱系數(shù)，這里取0.02KW/(m2.K); hf為輻射傳熱系數(shù)；hw為噴射到管坯的乳液與管坯的傳熱系數(shù)，根據(jù)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果的吻合程度來(lái)看，取值為0.06 KW/(m2.K)較為合理；E為黑度，這里取0.6；σ為玻爾茲曼常數(shù)。

對(duì)于軋件與軋輥的接觸熱傳導(dǎo)可表示為：

qc=hc(T-Tt) (6)

式中：hc為接觸導(dǎo)熱系數(shù)，本文模擬取hc=11 KW/(m2.K)；T、Tt分別為軋件接觸部分表面溫度和軋輥接觸部分表面溫度。

(2)摩擦接觸條件的設(shè)置

冷軋管實(shí)際生產(chǎn)中，由于管坯外表面不斷更新潤(rùn)滑乳液對(duì)其進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑，而內(nèi)表面卻無(wú)潤(rùn)滑，故管坯與軋輥的接觸摩擦力相對(duì)較小，取剪切摩擦因子f=0.08，而管坯與芯棒和擋板的接觸摩擦力相對(duì)較大，取剪切摩擦因子f=0.12。

(3)運(yùn)動(dòng)條件的設(shè)置

模擬皮爾格冷軋管的過(guò)程中，為了防止管坯沿軸向發(fā)生剛體運(yùn)動(dòng)，需要在管坯尾部加一固定擋板。另外，軋制過(guò)程中，管坯在X、Y、Z方向都受到力的作用，為了防止軋制出來(lái)的管料發(fā)生振動(dòng)和彎曲，需要對(duì)成品管前端面增加約束，使Vx=Vy=0(相當(dāng)于實(shí)際導(dǎo)向輥的導(dǎo)向作用)。皮爾格冷軋管過(guò)程是軋輥的運(yùn)動(dòng)沿管坯軸向的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和繞其自身的軸轉(zhuǎn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)，本文模擬中軋輥的自轉(zhuǎn)速度為10.916rad/s,沿管坯軸向的速度為2406mm/s[8-10]。

2 試驗(yàn)方法

某公司采用“水平連鑄管坯—冷軋開(kāi)坯—拉拔”的技術(shù)方案進(jìn)行了H65黃銅管的生產(chǎn)試驗(yàn)研究，通過(guò)開(kāi)展一系列工藝試驗(yàn)和檢測(cè)分析，從熔煉、水平連鑄、冷軋、拉拔等工藝環(huán)節(jié)對(duì)H65黃銅管高效短流程工藝進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化。本文重點(diǎn)對(duì)冷軋管工藝進(jìn)行分析研究，本文取得的樣品均來(lái)自該公司生產(chǎn)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。

將經(jīng)粗磨、精磨和拋光后的試樣進(jìn)行腐蝕(腐蝕劑為：5g三氯化鐵+ 15ml鹽酸+100ml蒸餾水)后，在4XC型金相顯微鏡上觀察樣品鑄態(tài)、軋管態(tài)的金相組織。

3 結(jié)果及分析

3.1 有限元模擬分析結(jié)果

(1)溫度場(chǎng)分布

正行程開(kāi)軋時(shí)，假設(shè)管坯溫度分布是均勻的，開(kāi)軋后管坯的溫度場(chǎng)分布取決于塑性變形產(chǎn)生的熱效應(yīng)、接觸摩擦生熱以及管坯與周?chē)h(huán)境的熱交換。圖3為管坯軋制到第260步時(shí)的溫度場(chǎng)分布情況，可以看出，孔型側(cè)壁開(kāi)口處的管坯溫度相對(duì)較低，其溫升主要來(lái)自塑性功的轉(zhuǎn)換。而孔型脊部區(qū)域的管坯溫度相對(duì)較高(局部區(qū)域高達(dá)300℃，紅色顯示)，其溫升是變形熱效應(yīng)和摩擦生熱共同作用的結(jié)果。另外從

(待續(xù))