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1、H型钢万能轧制腹板厚度变化分析李浩 章静 孙中建 曹杰（安徽工业大学 安徽 马鞍山 243002）摘 要：借助有限元分析软件MSC. Superform 对H型钢万能轧制过程进行了模拟，着重讨论了万能轧制过程中翼缘与腹板体积比不同对轧件出变形区后，腹板厚度反弹增厚的影响。从模拟结果可以看出，当腹板的延伸大于翼缘的延伸时，轧件出变形区后出现腹板增厚现象，且体积比越大腹板反弹增厚量越大。关键词： H型钢；腹板厚度；变形；有限元法Analysis of web thickness change during Universal Rolling of H-beamLI hao, ZHANG jing,
2、 SUN zhong-jian, CAO jie(School of materials, Anhui University of Technology, Maanshan 243002, China)Abstract: With the aid of finite element analysis software of MSC.Superform, universal rolling of H-beam is simulated, and web thickness change during the rolling process is discussed mainly. It indi
3、cates that the elongation coefficient of web is larger than that of flange, web thickness is increased as it comes out of the roll gap and the more large volume ration of the flange and web, the more big the web thickness.Key words: H-beam; web thickness; deformation; FEM1 前言 随着H型钢应用的日益广泛，人们对其形状尺寸的要
4、求越来越高；由于H型钢腹板宽展受到翼缘的限制，使得腹板无法在宽度方向自由宽展，而使其在厚度方向有所变化，且其变化与翼缘与腹板体积比有关。文献1对H型钢万能轧制过程进行了模拟，并给出了腹板出变形区后厚度反弹增厚现象分析。作者采用有限元分析软件MSC.Superfprm以294200812柱型H型钢的第三道次轧件为模型，分析万能轧制腹板厚度变形特点，有助于对此问题的进一步认识。2 有限元模型与边界条件2.1 孔型、轧机布置与压下规程 图1 孔型形状及轧机布置万能轧制的孔型由一对上下水平辊和一对左右立辊构成，其孔型图如图1所示。由于轧件和孔型都是对称的，在模拟过程中取轧件的1/4为研究对象，孔型的尺
5、寸参数均来自生产现场，水平辊辊径为1400mm,立辊辊径为900mm。第三道次轧后轧件尺寸为270230.326.350.5，其1/4轧件断面尺寸如图2所示。在腹板内高与翼缘宽度尺寸不变的情况下，翼缘厚度分别变为原厚度的60% 、70% 、80% 、90% 、110% 、120% 、130% 、140% 、150% 、160%。 本文采用腹板压下率为33.79%，翼缘压下率为25.79%，翼缘与腹板的压下率之比为0.76，其轧制参数见表1。图2 1/4轧件断面尺寸表1 轧制参数翼缘与腹板体积之比腹板厚度mm翼缘厚度mm腹板辊缝mm压下率%翼缘辊缝mm压下率%轧制速度m/s温度1.9713.15
6、30.38.6033.7922.4925.795.7110502.2935.3526.232.6240.429.982.9545.4533.733.2850.537.483.655.5541.223.9360.644.974.2665.6548.724.5970.752.474.9175.7556.215.2480.859.872.2 坯料、材质与单元划分轧件的材质取Q235，材料的热物理性能参数和变形抗力模型取自MSC.Superform材料库，其长度方向应保证有够实验分析的稳态轧制长度以及能够消除边界效应的影响，综合考虑长度取为1200mm，单元类型选择8节点6面体单元，单元数目取5160
7、8820个。2.3 初始条件与边界条件初始条件：轧件的入口轧制温度为1050，轧辊表面温度取250。边界条件如下：（1）摩擦边界条件：轧制过程中水平辊为主动辊，立辊为从动辊，从动辊在轧件对轧辊的摩擦力作用下转动，轧件对轧辊的摩擦力方向沿轧辊的切线方向朝前，轧辊对轧件的摩擦作用力则相反，与轧件的前进方向相反。不考虑立辊轧制时的前后滑，可以认为轧件与立辊之间的摩擦为滚动摩擦，其值与水平辊的摩擦相比略较小。本文接触面上的摩擦采用库仑摩擦定律，水平轧辊与轧件之间的摩擦系数取0.35，立辊与轧件的摩擦系数取为0.33。（2）传热边界条件：包括轧件与周围环境的对流与辐射换热，轧件与轧辊接触时的接触传热，这
8、里轧件与环境的对流换热系数取0.02 kW / ( m2 )。轧件与环境间的辐射换热系数可根据辐射定律进行转换，热辐射率取0.8。轧件与轧辊之间的接触热传导一般用接触热传导系数来简化处理，本计算热传导系数取15 kW / ( m2 )。轧件对称面采用绝热边界处理，即q = 0。由于金属变形和接触面的摩擦使轧件产生温升，其热功转换系数取0.9。3 模拟结果及其分析3.1 轧件断面形状及等效塑性应变分析部分轧件断面等效塑性应变分布如图3所示，由轧件断面累积等效塑性应变的分布可以看出，由于H型钢特殊的形状和变形条件，轧件断面变形是很不均匀的，腹板的变形量较大且很不均匀，翼缘的变形量较小且较为均匀。由
9、于等效塑性应变大的金属受到等效塑性应变小处金属的限制作用，两处的金属存在一定的拉扯作用，故翼缘很大程度上限制了腹板的延伸，而腹板对翼缘的拉动作用随着翼缘体积的增加是逐渐减小的。 11.148 21.016 30.844 11.264 21.111 30.957 11.375 21.215 31.05440.752 50.620 60.488 40.805 50.652 60.491 40.893 50.732 60.572=1.97 =2.62 =3.28 11.494 21.301 31.108 11.738 21.504 31.269 12.06 21.778 31.48940.914 5
10、0.721 60.528 41.35 50.799 60.565 41.20 50.912 60.624 =3.93 =4.59 =5.24图3 轧件断面形状及累积等效塑性应变由图3可以看出, 随着翼缘与腹板的体积比的增大，轧件的累积等效塑性应变也逐渐变大，累积等效塑性应变在为1.97时，其最大值与最小值之差为0.6左右，而在为5.24时，其累积等效塑性应变最大值与最小值之差则超过1.3.。分析认为；造成轧件变形程度增加和断面累积等效塑性应变不均匀程度的增加，除了与翼缘和腹板压下率之比有关，还与翼缘的压下量有关，可以看出，随着翼缘厚度的增加，在翼缘和腹板压下率不变的情况下，翼缘厚度增加，则翼缘
11、的压下量也逐渐的增加有关。3.2 轧件腹板厚度变化分析从图5可以看出，轧件进变形区时，腹板先是有较小的增厚，随后压下，出变形区时轧件腹板又反弹增厚。腹板的反弹增厚可以解释为腹板的横向变形受到立辊的限制，纵向的延伸变形又受到轧件翼缘的限制，轧件的变形较为困难，因此轧件出变形区后，出现金属向高度方向流动，即腹板厚度的反弹增厚现象。腹板厚度的反弹增厚也印证了腹板与翼缘延伸的不一致。 图4 腹板节点编号 图5 体积比=1.97表1 模拟轧制不同体积比腹板厚度变化1.972.292.622.953.283.63.934.264.594.915.24腹板厚度/mm18.118.218.418.618.81
12、9.0019.0119.119.1219.219.2腹板厚度变化/mm 0.680.780.981.181.381.581.591.681.701.781.78图6 不同体积比腹板厚度变化由图5及表1可以看出，在翼缘与腹板的压下率不变的情况下，轧件出变形区后，腹板厚度随体积比增加而增加，翼缘与腹板体积比在1.973.6区间时，腹板厚度反弹增厚量随体积比地增加呈线性增加。体积比在3.935.24之间时,腹板厚度反弹增厚量随体积比的增加趋于平缓，说明翼缘对腹板向前延伸的阻碍作用是有限的。不难看出，在压下比为0.76时，轧件出变形区后，出现了腹板反弹增厚现象，且增厚量随着体积比增加而增加。分析认为：
13、体积比越大，则翼缘在轧件总体积中所占体积分数相对越大，腹板在轧件总体积中所占的比例则相对是逐渐减少。由于万能轧制过程中水平辊是主动辊，腹板首先与水平辊相接触，并在整个轧制过程中显示为较强的主动性。翼缘在水平辊侧面和立辊的共同作用下产生变形，在立辊的带动下发生变形，因立辊为被动辊，在翼缘的压下率保持不变的情况下，翼缘在整个轧件中所占的体积比例越大，则翼缘显示的被动性则越明显，对腹板向前延伸阻碍就越大，因腹板无宽展，则只能向高处方向流动，使得腹板反弹增厚量越大。4 结论（1）在翼缘与腹板的压下率之比为0.76时，轧件出轧制变形区后，腹板出现反弹增厚现象，且随着翼缘与腹板体积比变大，其腹板厚度反弹增厚量变大。（2）在压下率之比小于的情况下，随着翼缘体积比变大，其轧件断面不均匀变形也变大，且不均匀变形主要集中在腹板。参考文献：1. 曹杰，奚铁，章静等，H型钢万能轧制变形分析J，重型机械，2005 No.12. 乔兵，徐旭东，万能轧机轧制H型钢的数值模拟分析J，钢铁研究，2005 No.63. 崔振山，刘才，于丙强等，H型钢热轧轧制力的数值模拟J，钢铁研究学报，2001，13（3）：2730.4. 刘建军，曹鸿德，赵文才，用万能法轧制
