[发明专利]无缝钢管斜轧穿孔过程的DEFORM有限元建模

说明书

技术领域

本发明涉及一种无缝钢管斜轧穿孔过程的建模方法，具体是一种无缝钢管斜轧穿孔过程的DEFORM有限元建模方法，及在DEFORM有限元建模基础上的混合建模方法。 

背景技术

无缝钢管作为一种经济断面钢材，在国民经济中占有很重要的地位，广泛用于化工、石油、电站、锅炉、航空、汽车、机械制造、船舶、航天、地质、能源、建筑及军工等各个部门. 

生产无缝钢管的三个变形工序是穿孔、轧管、减径。管坯穿孔是热轧无缝钢管生产流程中的第一道变形工序，二辊斜轧穿孔由两个相对轧制线倾斜布置的桶形轧辊、两个导盘的和一个位于其中间的顶头所构成，如图1所示.

由于轧管工具形状的复杂，变形工具既有旋转运动，又有直线运动，所受外力除轧辊、导盘（或导板）、顶头外有的还有前后张力，而且影响穿孔过程的因素很多，包括：轧辊、顶头、导盘、送进角、辗轧角、入口锥角、出口锥角等等，这些因素导致轧管工序变形空间的几何学、力学和运动学的分析十分复杂，因此精确地确定穿孔时参数是设计和生产中都有待解决的关键问题.

斜轧穿孔的工艺参数是穿孔机设计考虑的主要参数，它对无缝钢管穿孔过程能否顺利完成，以及穿孔能耗起着决定作用. 但是钢管斜轧穿孔过程金属变形非常复杂，金属流动规律难以掌握. 实际工作中，人们往往依靠经验或借鉴同类机组来选取穿孔过程的参数，所以很难较准确地把若干个参数调整好，进而也很难确保穿孔过程能够处于最佳状态，能耗达到最低. 所以，通过研究建立穿孔过程三维有限元模型，来为日后优化控制提供模型，将优化的参数带入模型中仿真，可以避免在生产现场调试优化的参数，降低了不必要的损失. 因此建立穿孔机三维模型，仿真穿孔过程具有非常重要的理论价值及实践意义. 将DEFORM有限元分析法应用于斜轧穿孔过程建模中，建模精度较高，建模时间短. 以DEFORM有限元建模方法为基础，结合现场实际数据，利用ELM算法建立基于DEFORM有限元和实际数据的混合模型。

发明内容

本发明的目的，是提供一种无缝钢管斜轧穿孔过程的DEFORM有限元建模方法，及在其基础上结合实际生产数据和ELM算法，提出的一种混合建模方法. 

有限元法是为了适应电子计算机的使用而发展起来的一种非常新颖和有效的数值计算方法. DEFORM（Design Environment for Forming）是由美国 Battle Columbus实验室在八十年代早期开发的一套有限元分析软件，是一套基于工艺模拟系统的有限元系统（FEM），适用于热、冷、温成形模拟，专门设计用于分析各种金属成形过程中的材料和温度三维流动，为实际生产提供极有价值的工艺分析数据。它处理的对象为复杂的三维零件、模具等，典型的应用包括锻造、挤压、镦头、轧制、自由锻、弯曲和其它成形加工手段。

(1) 坯料尺寸、材质选择及单元划分 

考虑到模拟计算时所用计算机的计算能力和计算时间以及实际生产所用管坯规格，选择模拟计算所用管坯为：直径D_b=178mm；材质为AISI-1045，相当于中国标号的45#钢；圆坯长度的确定一方面应保证轧件充满变形区并稍有盈余，另一方面要考虑缩短计算时间，本文取L_b=400mm；为了减少穿孔时的壁厚不均，在管坯咬入端设置定心孔，定心孔深h=10mm，直径d=30mm。将管坯使用15 000个四面体单元离散化。

(2)几何模型的建立 

实心坯斜轧孔型由轧辊和导盘构成，变形工具的主要尺寸、转速及调整参数如下：轧辊直径 D_g=1000mm；入口锥角β=2.75°；转速n_g=120r/min；导盘直径D_p=1800mm；转速n_p=26r/min；送进角α=12°；辗轧角Φ=0°；轧辊距离B_ck=154.6mm；导盘距离L_ck=173mm.

轧辊、导盘、顶头在模拟中被认为是模具. 轧辊、导盘和顶头的几何模型均按宝钢钢管厂生产所用尺寸规格建立，它们的三维图形如图2-5.