雷力齊，周倩如，余偉，程知松(北京科技大學(xué)冶金工程研究院，北京100083)

厚規(guī)格管線鋼熱軋中間坯剪切過程有限元分析

雷力齊，周倩如，余偉，程知松
(北京科技大學(xué)冶金工程研究院，北京100083)

滾筒式飛剪是熱連軋生產(chǎn)線重要切頭設(shè)備，能否適應(yīng)厚規(guī)格高強(qiáng)度鋼生產(chǎn)時(shí)中間坯的剪切值得研究。為獲得最優(yōu)剪切條件，在測(cè)試X70管線鋼高溫力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，利用DEFORM-3D有限元軟件，對(duì)滾筒式飛剪剪切厚板過程進(jìn)行了三維模擬，研究了不同模擬條件對(duì)最大剪切力的影響規(guī)律。對(duì)于相同斷面尺寸的中間坯，X70比Q235在960℃時(shí)最大剪切力增加了52%。X70最大剪切力隨厚度增加近似線性增加。相同剪切斷面與溫度下，滾筒式飛剪模擬值與曲柄式飛剪經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值對(duì)比，其最大剪切力大20%以上，其剪切厚板在工藝上是可行的，但需要考慮結(jié)構(gòu)的承載能力以及刀片強(qiáng)度等。

滾筒式飛剪;剪切力;管線鋼;中間坯

0　前言

滾筒式飛剪機(jī)在冶金行業(yè)中，已得到很廣泛的應(yīng)用。其平衡性能良好，允許有較高的剪切速度，結(jié)構(gòu)簡單可靠，總體尺寸較緊湊，滾筒可以進(jìn)行整體更換，剪刃可以在機(jī)組外得到更換，節(jié)省了輔助時(shí)間。然而滾筒式飛剪機(jī)剪切鋼板坯和小型型鋼的厚度不大于12 mm;當(dāng)切頭時(shí)，其剪切的厚度最大僅50 mm左右。根據(jù)研究，滾筒式切頭飛剪理論最大剪切厚度可達(dá)120 mm［1］。目前，有關(guān)滾筒式飛剪機(jī)剪切中厚板管線鋼的研究較少。熱連軋生產(chǎn)線生產(chǎn)高強(qiáng)度管線鋼的級(jí)別已經(jīng)達(dá)到X80，甚至X100，期望軋制的成品厚度在22～25 mm，要求剪切的中間坯厚度將會(huì)增加，滾筒式飛剪是否適應(yīng)厚規(guī)格高強(qiáng)度鋼的生產(chǎn)需要理論分析與工程驗(yàn)證，也可以減少新產(chǎn)品的研制時(shí)間。本文針對(duì)滾筒式飛剪剪切厚板的過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，為計(jì)算變形力、驗(yàn)算工模具強(qiáng)度和制訂合理的工藝方案提供依據(jù)。

1　剪切過程的有限元模型

1.1斷裂準(zhǔn)則與摩擦條件

滾筒式飛剪機(jī)的剪切過程模擬涉及板坯材料的斷裂問題，模擬時(shí)被加工材料內(nèi)部單元與單元之間發(fā)生分離，需采用合適的斷裂準(zhǔn)則［3］。結(jié)合DEFORM-3D有限元軟件的計(jì)算特點(diǎn)并參考前人的研究，選擇采用積分韌性斷裂準(zhǔn)則。當(dāng)材料上各質(zhì)點(diǎn)的積分破壞值達(dá)到臨界破壞值時(shí)，就認(rèn)為材料單元斷裂了。Cockcroft與Latham提出的Normal C＆L積分韌性斷裂準(zhǔn)則模型［4］為:

式中:σ*為最大主應(yīng)力，MPa;為等效應(yīng)變;為等效應(yīng)力，MPa;為斷裂時(shí)等效應(yīng)變;C為材料的臨界破壞值，是一個(gè)常數(shù)。

DEFORM-3D運(yùn)用了單元?jiǎng)h除的方法來處理失效的破壞的單元，當(dāng)其中某個(gè)單元的損傷達(dá)到了臨界值，就認(rèn)為其已被破壞，會(huì)將其刪除，并會(huì)做相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)處理和繼續(xù)計(jì)算。C的取值參考前人的研究結(jié)果，取值3.1［5］。摩擦類型采用庫倫摩擦，取值0.35。

1.2材料性能

飛剪機(jī)的剪切過程很快，坯料斷裂變形時(shí)的應(yīng)變速率比較大，而應(yīng)變速率對(duì)剪切材料的變形抗力有很大影響，為了使模擬的條件更接近于實(shí)際情況，故需測(cè)材料在不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線并將其數(shù)據(jù)導(dǎo)入到DEFORM-3D材料庫中用于模擬計(jì)算。

通過高溫拉伸實(shí)驗(yàn)獲取高強(qiáng)度的X70管線鋼在不同應(yīng)變速率下的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線。拉伸實(shí)驗(yàn)在Gleeble-3500熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上完成，實(shí)驗(yàn)溫度取900℃和960℃，應(yīng)變速率取0.1 s－1、1 s－1和8 s－1［6］。從圖1可見，應(yīng)變速率和溫度對(duì)材料的變形抗力有很大影響。對(duì)比圖1a和1b兩組不同溫度下的曲線，可得對(duì)于三種不同應(yīng)變速率，溫度降低60℃，拉伸強(qiáng)度極限增加了14%至18%。

對(duì)于Q235鋼，其真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線參照了趙才華［5］在Gleeble 1500D熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上完成的拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在960℃相同應(yīng)變速率下，X70管線鋼拉伸強(qiáng)度極限比Q235鋼增加了約44%。

在金屬塑性加工的過程中，彈性應(yīng)變與塑性應(yīng)變相比通常很小，在整個(gè)變形過程中體積幾乎保持不變，因此忽略材料的彈性變形部分，設(shè)定材料為各向同性材料，將材料的模型簡化為剛塑性模型［8］。

圖1　X70管線鋼真應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.1 True stress and strain curves of X70 steel

1.3幾何模型及網(wǎng)格劃分

利用Pro/E三維造型軟件，建立了飛剪機(jī)刀片和中間坯幾何模型，如圖2所示。在不影響計(jì)算精度的情況下，為了減少計(jì)算時(shí)間，利用DEFORM-3D的網(wǎng)格劃分窗口來調(diào)整網(wǎng)格的疏密分布:在剪切區(qū)，單元網(wǎng)格較密集;在遠(yuǎn)離剪切的區(qū)域，單元較稀疏。金屬塑性成形往往伴隨著大變形和大位移。中間坯剪切過程變形劇烈且集中在局部，變形到一定程度后初始網(wǎng)格會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重畸變，導(dǎo)致計(jì)算精度下降，無法收斂，使計(jì)算無法進(jìn)行。為了解決上述問題，模擬時(shí)采用了Deform的局部自動(dòng)網(wǎng)格重劃分技術(shù)［9］。

圖2　剪切過程模擬Fig.2 Shearing process of X70 steel

1.4其他條件

飛剪的上下刀片從接觸到剪斷板材的過程中，視作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，由于上下兩剪刃的重合量很小，故可認(rèn)為上下刀片只是在豎直方向進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)剪切中間坯［10］。將上刀片設(shè)為上模，下刀片設(shè)為下模。上刀片Y向速度值為－100 mm·s－1，下刀片Y向速度值為100 mm·s－1。在設(shè)置求解步長時(shí)，根據(jù)不同的剪切情況，將整個(gè)的剪切過程劃分為40～60步。求解采用共軛梯度算法，積分方法采用直接積分法。

對(duì)剪切過程進(jìn)行模擬時(shí)，設(shè)置了在不同中間坯尺寸(厚度40～70 mm)、剪刃曲率半徑(100 mm～無窮大)、剪刃間隙(1～7 mm)的模擬方案，模擬時(shí)約束了坯料的一個(gè)端部。

2　結(jié)果及分析

軋件的剪切過程可以分為以下幾個(gè)階段:刀片彈性壓入金屬階段、刀片塑性壓入金屬階段、金屬塑性滑移階段、金屬內(nèi)裂紋萌生和擴(kuò)展階段和金屬內(nèi)裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展和斷裂階段。剪切過程如圖2所示。結(jié)合剛塑性有限元的特點(diǎn)，可將剪切過程粗略的分為二個(gè)階段:刀片塑性壓入金屬階段和金屬塑性滑移階段［11］。

當(dāng)剪切力小于軋件本身剪切抗力時(shí)，軋件只發(fā)生局部塑性變形，這一階段稱為壓入變形階段。當(dāng)剪切力大于軋件本身的剪切抗力時(shí)，軋件沿著剪切面產(chǎn)生相對(duì)滑移，開始了真正的剪切，這一階段稱為剪切滑移階段。在第二階段，由于剪切斷面不斷變小，剪切力也不斷變小，直至軋件的整個(gè)截面被剪斷為止。

2.1剪刃形狀的影響

實(shí)際生產(chǎn)中，刀片一般由兩組圓弧方向相反的弧形刀片組成，其曲率半徑很大，模擬時(shí)將其簡化為平行刀片。剪刃一般具有一定的弧度，模擬過程中采用了五種不同曲率半徑，分別為100 mm、200 mm、400 mm、800 mm和平剪刃的剪刃模型，這里把曲率半徑無窮大的剪刃稱為平剪刃，圖3所示是其中的三種剪刃模型。對(duì)于刀片的尺寸為長2400 mm、寬100 mm、高150 mm，曲率半徑100 mm為剪刃允許的最小曲率半徑。不同剪切曲率半徑對(duì)應(yīng)的最大剪切力如圖4所示。

圖3　不同曲率半徑下的剪刃模型Fig.3 Shear blademodel under different curvature radiuses

從圖4可以看出，對(duì)于中間坯尺寸為長800 mm、寬2 200 mm、厚60 mm的X70管線鋼，剪切時(shí)，隨著剪刃曲率半徑的增大，所需的最大剪切力增大，其中平剪刃最大剪切力比曲率半徑為100 mm的增加了約23%。剪刃曲率半徑在200－800 mm之間時(shí)，最大剪切力隨剪刃曲率半徑的增加而增加，但幅度較小。同時(shí)考慮到曲率半徑越小(圖3)剪刃頭部越尖越容易磨損［13］，因此選擇曲率半徑為400 mm的剪刃進(jìn)行模擬。

2.2剪刃間隙的影響

在滾筒式飛剪的工程應(yīng)用中，剪刃間隙作為一個(gè)需要經(jīng)常調(diào)節(jié)的工藝參數(shù)，其值是否合理直接影響到剪切斷面質(zhì)量的好壞。如果其值選取不合理容易導(dǎo)致剪切斷面質(zhì)量不高和帶尾現(xiàn)象，在切口處產(chǎn)生許多針狀毛刺，進(jìn)入下道次精軋時(shí)，易引起軋輥損傷，甚至可能出現(xiàn)軋件剪不斷的情況［2］。

實(shí)際生產(chǎn)中飛剪機(jī)會(huì)根據(jù)中間坯的厚度確定一個(gè)間隙值，有研究得到了間隙隨厚度變化的線性關(guān)系式［14］。據(jù)此選擇了1～7 mm的剪刃間隙進(jìn)行剪切過程模擬。

從圖5可以看出，對(duì)于中間坯尺寸為長800 mm、寬2200mm、厚60mm的X70管線鋼，剪刃間隙在1～7 mm范圍內(nèi)，剪切時(shí)，剪切所需要的最大剪切力隨剪刃間隙的增加而減小，接近于線性變化。然而隨著剪刃間隙的增加，剪切斷面的毛刺越長，帶尾現(xiàn)象加重，斷面質(zhì)量越差。為了得到較好的剪切斷面并盡量減小剪切時(shí)的剪切力，選擇剪刃間隙大小在3～4 mm之間比較合適。

2.3鋼種的影響

在中間坯尺寸為長800 mm、寬2 200 mm、厚60 mm，剪刃曲率半徑為400 mm時(shí)，兩種材料在960℃時(shí)剪切力的時(shí)間歷程曲線如圖6所示，飛剪剪切力在剪切開始后迅速增加，并在約0.12 s，對(duì)應(yīng)切入厚度約為12 mm處達(dá)到最大，隨后剪切力又逐漸開始變小。在開始階段，曲線變化較為平滑，是因?yàn)樵诖穗A段材料幾乎為塑性變形，產(chǎn)生剪切滑移;曲線下降階段不平滑，是材料發(fā)生剪切斷裂的影響。材料在相對(duì)切入深度為40%時(shí)達(dá)到其最大剪切力。

由圖6可知，X70管線鋼的最大剪切力達(dá)到1.52×107N，Q235鋼的最大剪切力為1.11× 107N。結(jié)合兩者的高溫變形抗力曲線可知，鋼的剪切強(qiáng)度越大時(shí)中間坯所需的剪切力越大。雖然X70管線鋼的室溫強(qiáng)度較Q235鋼高2.1倍，但是對(duì)于相同斷面尺寸的中間坯，X70比Q235在960℃時(shí)最大剪切力只增加了52%。

2.4溫度的影響

對(duì)于中間坯尺寸長800 mm、寬2 200 mm、厚60 mm的X70管線鋼，剪刃曲率半徑為400 mm，溫度為900℃時(shí)的最大剪切力為1.78×107N，溫度為960℃時(shí)的為1.52×107N，可見溫度對(duì)剪切力有較大影響，900℃的最大剪切力比960℃的增加了17%。

2.5中間坯尺寸的影響

對(duì)于中間坯尺寸為長800 mm、寬2 200 mm的X70管線鋼，其最大剪切力隨厚度(40～70 mm)變化的曲線如圖7所示。

圖7　不同厚度中間坯的最大剪切力Fig.7 Maximum shearing force under different thicknesses of transfer bar

隨著中間坯厚度的增加，所需最大剪切力越大中間坯厚度從40mm增加到70mm，厚度增加了75.0%，上剪刃最大剪切力增加了80.0%，稍大于厚度增加的比率;下剪刃最大剪切力增加了75.5%，與厚度增加比率相近。剪切力隨厚度近似呈線性增加。

3　飛剪剪切力的計(jì)算

對(duì)于剪切設(shè)備來說，剪切力是一個(gè)很重要的參數(shù)。由于影響剪切力大小的因素很多，因此在生產(chǎn)中如何比較準(zhǔn)確、簡便地確定剪切力的數(shù)值很有意義。

對(duì)于平行剪刃飛剪，常用的最大剪切力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式如下［15］:

式中:F為被剪鋼坯橫斷面面積，mm2;τt為被剪切金屬在相應(yīng)溫度下的最大單位剪切阻力，N ·mm－2;σt為被剪金屬材料在相應(yīng)溫度下的拉伸強(qiáng)度極限，N·mm－2;0.6為考慮的比例系數(shù);K1為刀鈍系數(shù)，對(duì)大型剪切機(jī)(P＞107N)，K1=1.1;系數(shù)1.6考慮了系統(tǒng)的功率、刀鈍、摩擦、溫度的損失等因素的影響附加了60%的增能量。

通過Deform-3D后處理得到的應(yīng)變速率結(jié)果顯示本次模擬時(shí)變形區(qū)應(yīng)變速度平均值為3 s－1左右，因此參考高溫拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，取拉伸強(qiáng)度極限為200 MPa。利用公式(3)、(4)來計(jì)算最大剪切力的值。目前，鋼廠曲柄式切頭飛剪在960℃剪切斷面尺寸為2 200 mm×60 mm的X70中間坯時(shí)，利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得最大剪切力為1.25×107N。表1是其他條件相同，模擬得到的最大剪切力的模擬值和由不同經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的最大剪切力的理論值。

表1　斷面尺寸2 200 mm×60 mm中間坯剪切力對(duì)比Tab.1 Comparison of shearing force values with the section size of2200 mm×60 mm

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)看出，經(jīng)驗(yàn)公式(3)所得最大剪切力與有限元計(jì)算結(jié)果近似，但是經(jīng)驗(yàn)公式(4)所得最大剪切力比有限元計(jì)算大，說明理論計(jì)算公式的使用是有條件的。

滾筒式飛剪在剪切相同溫度與斷面中間坯時(shí)比曲柄式飛剪最大剪切力大20%以上，主要原因在于曲柄式飛剪采用斜刀片，使得刀片和坯料在同一時(shí)間內(nèi)的接觸長度減少，降低了剪切力。滾筒式飛剪剪切過程中其滾動(dòng)軸承承受剪切力，因此在其剪切厚板時(shí)需要考慮結(jié)構(gòu)的承載能力以及刀片強(qiáng)度等。

4　結(jié)論

(1)鋼的高溫剪切力與其室溫強(qiáng)度沒有直接關(guān)系。雖然X70管線鋼的室溫強(qiáng)度較Q235鋼高2.1倍，但是對(duì)于相同斷面尺寸的中間坯，X70比Q235在960℃時(shí)最大剪切力只增加52%。

(2)飛剪最大剪切力隨X70中間坯厚度近似線性增加。除中間坯的厚度外，中間坯的材料強(qiáng)度極限、剪刃形狀和剪刃間隙直接影響滾筒式飛剪剪切力大小。中間坯的材料強(qiáng)度極限越高、剪刃曲率半徑越大則剪切力越大;剪刃間隙越大，所需剪切力越小。

(3)對(duì)于中間坯厚度為60 mm的X70管線鋼，在960℃下剪切時(shí)，選擇剪刃曲率半徑為400 mm，剪刃間隙為3～4 mm進(jìn)行剪切，其剪切斷面質(zhì)量良好，所需最大剪切力為1.52×107N，相對(duì)較小。

(4)相同剪切斷面與剪切溫度，相對(duì)于曲柄式飛剪，滾筒式飛剪剪切厚中間坯時(shí)最大剪切力大20%以上。采用滾筒式飛剪剪切厚中間坯是可行的，但在結(jié)構(gòu)上需要考慮軸承的承載能力以及刀片強(qiáng)度等。

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FEM analysis for shearing process of hot rolled thick pipeline steel transfer bar

LEILi-qi，ZHOU Qian-ru，YUWei，CHENG Zhi-song
(Engineering Research Institute of USTB，Beijing 100083，China)

Drum flying shear is an important crop equipmenton the hot continuous rolling line．Whether it can be used to cut thick steel transfer bar with high strength is worth studying．In order to obtain the optimal shear condition，the shearing process of thick pipeline steel transfer bar by drum flying shear is simulated with the three-dimensional finite element software DEFORM-3D based on the high temperaturemechanical properties test of X70．The influence laws of several factors to the maximum shearing force are researched．The maximum shearing force of X70 is only 52%up on that of Q235 at960℃．Themaximum shearing force of X70 increases approximately linearly with the increase of thickness．The drum flying shearing force obtained by the simulation and the crank flying shearing force calculated by empirical formula are compared．When shearing the same specifications of transfer bars at the same temperature，themaximum shearing force of drum flying shear ismore than 20%up on that of crank flying shear．It's feasible to cut thick transfer bar while the carrying capacity of structure and the blade strength need to be considered．

drum flying shear;shearing force;pipeline steel;transfer bar

TG333.2

A

1001－196X(2015)02－0069－06

2014－10－16;

2014－11－25

雷力齊(1987－)，男，北京科技大學(xué)冶金工程研究院研究生。

周倩如(1989－)，女，北京科技大學(xué)冶金工程研究院研究生。