1、攀 钢 技 术 - 1 - 228履带板异形帽形孔孔型优化研究 罗 许 1，李俊洪 1，郭华 1，陶功明 2 （ 1.攀钢集团研究院有限公司 ; 2.攀钢钒轨梁厂） 摘 要： 利用有限元分析软件 DEFORM-3D 建立了履带板轧制过程的仿真模型，对 228 履带板轧后轧件 变形区的应力应变进行分析，找到 了 在异形帽形孔向切深孔转换时小板与爪过渡圆弧处 出现 金属突台和 “V”字形缺陷及 在下道次轧制时出现折迭缺陷 的原因 。利用仿真结果，对异型帽形孔进行优化，消除了 228 履带钢成品折迭缺陷，生产应用效果良好，为履带板生产工艺的制定提供了依据。 关键词： 履带板；刚塑性 模型； DEFO
2、RM-3D；应力应变；有限元法 0 引言 228 履带板是继 190、 216 型履带板之后开发的大规格履带 钢 板。由于履带板形状复杂，由方坯轧制成成品，中间经历方坯到异形梯形轧件、梯形轧件到异形帽形轧件以及异形帽形轧件到履带轧件的多次形状转变。生产实践表明，每一次轧件形状的转变都易导致轧件出钢时出现扭转、弯曲及 其它 轧制缺陷等。对 228 履带板来说，异形帽形轧件（见图 1 中 2 孔）翻钢进入履带切深孔中（见图 1 中 3 孔）时，其变形很大，而且不均匀，易出现爪尖金属不足和右侧小板与爪过渡圆弧处出现折迭的现象。 图 1 228 履带钢 800I、 II 轧机孔型 轨梁厂在开发 228
3、 履带板时，首次试轧便基本成功，但用户在使用时发现小板与爪过渡圆弧处存在通长隐蔽性折迭。通过取样分析，认为是轧件从 2 孔进入 3 孔时，爪与小板金属堆积太多及 “V”字形缺陷造成。通过对左侧大板厚度进行修改 后 ，此缺陷仍不能消除（缺陷见图 2）。 为此，借助 DEFORM-3D 仿真软件，建立起228 履带板切深孔的轧制变形模型，通过仿真分析，找出出现折迭的根本原因。在仿真分析的基础上对切深孔进行了优化，消除了折迭缺陷，开发出了高质量的 228 履带钢。 图 2 爪与小板过渡圆弧处折迭缺陷 1 建立有限元计算模型 对于 228 履带板变形的仿真分析，由于变形复杂，在仿真计算时的计算量会很大
4、 1-2。因此，根据实际情况对模拟过程做了适当的简化。本 研究 采用刚塑性有限元法分析 228 履带板的轧制变形，并对问题做了如下必要的简化 3： 弹性应变比塑性应变小得多，因此忽略材料的弹性变形； 忽略成形过程中的 Bauschinger 效应； 材料具有均质特征； 不计体积力（重力和惯性力等）的影响。 轧制的几何模型是通过 Pro/E 软件建立生成STL 格式，再导入 DEFROM-3D 的前处理器中。程序首先判断表面节点的接触情况，程序一旦判断接触，则会把相应的边界条件和计算参数施加在节点上。轧制模型如图 3 所示。模拟过程中采用四面体网格进行网格划分。轧件材料 在 模型 中设置为塑性材
5、料，坯料材料选用与 25CrMnB 成分接近的硅锰钢，泊松比为 0.3，杨氏模量 为2.061011 Pa，热膨胀系数为 1.2e-005(1/C)， 常摩擦因子为 0.4， 坯料温度为 1 100 ， 轧辊设置为- 2 - 2010 年第 33 卷第 5 期 刚性材料。 图 3 履带板的轧制模型 2 履带板轧制有限元模拟结果及 分析 依所设几何信息 及成形条件，进行模拟计算，然后利用 DEFROM-3D 软件后置处理器对模拟结果进行可视化分析。当设置在轧件上外加推块（边界条件）的速度变为零时，轧件进入稳定轧制阶段，当载荷在第 350 步时，履带板的整体变形如图 4 所示。 图 4 履带板轧制
6、后的变形 2.1 切深孔轧制过程分析 对切深孔整个轧制过程进分 450 步进行仿真计算。轧制模拟计算完成后，从轧件稳定轧制区截取一部位进行分析， 见 图 5。在爪与小板过渡圆弧处网格线密集重迭，同时过渡圆弧处金属突起成台。 从其断面形貌 上 看出，大板与爪过渡圆弧处变形 正常，没有明显的金属突起和折迭。小板与爪连接处则可看出金属突台，同时在突台下方形成了 “V”字形的缺陷。按经验在下一道次轧制中，如果小板没有受到横向展宽变形，则该缺陷无法消除。相反，如果小板向上弯曲，再加上过渡圆弧处的突台金属向下流动，则必然形成折迭。实际的折迭缺陷是否出现在该道次，有必要进行下一道次的仿真分析。 图 5 切深
7、孔（第 3 孔）仿真结果 2.2 切深孔下道次仿真分析 用切深孔（第 3 孔）轧出轧件结果作为轧件模型，根据生产测试数据进行相似参数设置，进行下道次的仿真分析，计算结果见 图 6。 从稳定轧制区形貌上看，爪与小板过渡处已经存在更密集的网格曲线，类似折迭，出现的位置也与实物一致。 图 6 轧件在切深孔第 4 孔的轧制仿真结果 选取变形后轧件稳定轧制区折迭缺陷处附近的节点，进行变形分析， 见 图 7。 发现在折迭处的应变量最大，这是由小板与爪在过渡处的金属凸台在 “V”字形缺陷处轧合导致，轧制过程中该处的应变量不断积累，并会出现应力应变集中，金属凸台 V 字缺陷 折迭 攀 钢 技 术 - 3 -
8、从而导致此前的 “V”字形缺陷演变成折迭缺陷甚至部分出现迭合。为后面的最终产品在使用过程中埋下质量隐患。且模拟结果与实际生产实物（见图 1）相比较，比较吻合，证明该工艺过程仿真成功，同时为接下来的优化 试 验打 下 良好的基础。 图 7 经第 4 孔轧件小板与爪过渡圆弧处应变情况 3 孔型参数优化 经过上述对轧件三维变形仿真分析知， 228履带板钢异形帽形轧件爪尖头长先进入孔型，宽且厚的大板要进入孔型必须产生以爪根为旋转点的顺时针的变形力，同时小板要进入孔型也要产生以爪根为旋转点的逆时针变形力 4见图 8(a)。由于大板旋转变形力远大于小板，所以金属堆积在小板爪根处。故异形帽形孔设计不合理是造
9、成成品折迭缺陷的主要 原因 。 （ a）修改前 (b) 修改后 图 8 修改前后异形帽形孔变形图 通过现场调研，结合生产工艺和轧辊设计特点，要减轻或消除切深孔的金属堆积和 “V”字形缺陷应减少大板的旋转力，应减小大板与爪的夹角。将原 122夹角改为 110夹角，修改后的异形帽形孔型见图 8(b)。 采用相同的有限元仿真模型对优化后的孔型进行轧制过程仿真。按照前述方法仿真出的切深孔轧件图， 4 孔轧件小板与爪过渡圆弧处断面图见图 9。显然，修改后的孔型在切深孔和第 4 孔均没有出现折迭等缺陷 ，轧件的残余应力分布比较均匀，轧后轧件的截面尺寸较好，无明显的表面缺陷 。 图 9 轧件应力场分布及截面
10、形貌 按此方案优化的孔型， 该坯料与设计的轧辊孔型尺寸较接近， 在实际生产中 轧辊磨损小， 小板与爪过渡圆弧处的折迭缺陷也完全消除，轨梁厂多批次投料生产，最终的 轧件质量好，轧制履带板钢合格率高，在企业困难时期起到了真正的降本增效效果，增加了一定的收益。 4 结论 通过对 228 履带板切深孔第三、第四孔轧制过程的模拟仿真，找到 了折迭缺陷的产生原因，提出 了 优化方案，并经 试 验和生产实践验证，应用效果良 好。 1)采用修改前的孔型参数，轧件经切深孔轧制后在小板与爪过渡圆弧处会形成金属堆积和“V”字形缺陷。切深孔轧件进入下道次轧制后产生完全封闭的折迭缺陷。仿真分析缺陷与实物缺陷位置基本一致
11、。 2)切深孔轧件金属堆积和 “V”字形缺陷的形成主要是大板以爪根为旋转点的顺时针变形力远大于小板以爪根为旋转点的逆时针变形力所致。 3)将异型帽形孔大板与爪的夹角由原来的122夹角改为 110角度后，减小了大板以爪根为旋转点的顺时针变形力，轧件应力应变分布比较均匀，爪与小板过渡处轧制后未出现金属凸台，表面缺陷少，消除切深孔 和第 4 孔的折迭缺陷，与实际生产相符，轧件质量好，能满足客户要求。 优化后轧制过渡段 有效应变时间 /s - 4 - 2010 年第 33 卷第 5 期 参考文献 1 李素丽 ,张治民 . 履带板多向主动加载成形过程数值模拟 . 南方金属 ,2008, 160(1):
12、1-5. 2 华 林 ,赵仲治 . 多向模锻合模分析和参数设计 . 汽车科技 . 1997, 1: 6-7. 3 徐新平 ,王均安 . 硅钢轧制过程的有限元数值模拟 . 上海金属 . 2005, 27(4): 30-33. 4 王瑁成 ,邵 敏 . 有限单元法基本原理和数值方法 . 北京 : 清华大学出版社 . 1998. 编辑 杨小琴 收稿日期： 2010-08-02 马钢入选国家首批两化融合促进节能减排试点示范企业 由于在信息化与工业化两化融合促进节能减排方面成效显 著，马钢股份公司从 150 多家参选企业中脱颖而出，获国家级首批 “两化融合促进节能减排试点示范企业 ”称号。 利用信息化手
13、段促进节能减排，当前已成为钢铁行业转变发展方式、发展低碳经济的有效途径。而以信息化为支撑，通过信息化与工业化的有机融合，则可拓展产品绿色制造能力，减轻环境负荷压力，提高社会效益和环境效益，促进社会可持续发展。近年来，马钢应用循环经济的理念，不断优化生产工艺流程和能源经济运行模式，以两化融合为促进节能减排的加速器，并探索出长流程钢铁企业促进节能减排的马钢模式。如，改造传统工艺流程和设备，实现工艺 装备现代化，打造循环经济建设支撑体系，特别是转炉基础自动化、焦炉自动控制与信息化技术的国产化开发、电厂 DCS 控制系统改造等，在行业内外具有很好的应用推广价值和广阔的市场。在优化工艺信息资源、降低工序
14、能耗方面，马钢以焦炉自动加热系统、棒材穿水冷却自动化控制技术、钢渣在线处理自动化技术等项目促进了节能降耗，提高了能源利用效率。 能源管理系统（ EMS）是企业信息化系统的一个重要组成部分。其主要功能是实现能源系统分散的数据采集和控制、能源集中的管理调度和能源供需平衡、单位能耗及工序能耗的对标评价、能源需求预 测、能源设备管理等。马钢新区能源中心 EMS 系统运行以来，实现了节能减排的目标，提高了新区能源系统各项主要经济技术指标，各项指标均达到国内先进水平，年创经济效益 11 368 万元。 为充分利用 ERP 信息系统平台，马钢 ERP 实现了全公司各生产主线的原辅料物流的在线跟踪和控制，提高
15、了内部生产需求、采购、仓储、配送、原料和能源消耗、产出物流的运营效率，对核心业务的协同管理发挥出有力的支持作用，保持了公司内部物流、信息流、资金流的高度一致，该项目也使企业内部专业协同一致水平和决策效率得到明显提高。 在获 “两化融合促进节 能减排试点示范企业 ”荣誉后，马钢能环部负责人表示： “下一步，马钢将依托信息化平台，实现公司级能源优化集中管理；以 ERP 系统功能扩展为平台，继续优化能源消耗成本，为生产经营决策提供数据支撑；同时，根据马钢生产流程，利用信息与控制技术，建立、完善以多种模型支撑的能源管理系统，开发出快速准确的能耗预测、能源调度、能耗评价与能耗诊断、能源应急调配预案等的管理和控制功能，使两化融合在节能 减排方面发挥出巨大效益。 ” （摘自： http:/
