有色金属材料与工程  2017, Vol. 38 Issue (4): 229-233   PDF    
豆形截面钢丝辊模拉拔工艺数值模拟研究
郭丰伟, 雷君相, 高文静     
上海理工大学 材料科学与工程学院, 上海 200093
摘要:采用二辊五道次辊模拉拔方法成形豆形截面钢丝.依据豆形截面钢丝形状的特殊性及AISI70号钢材的特性,设计了各道次孔型形状.其中第一、二、四、五道次的道次压缩率相等,辊子采用横辊摆放;第三道次的道次压缩率为0,该道次的辊子采用与横辊呈90°的立辊摆放.计算并设计出各道次辊模组成的孔型型腔的截面尺寸和形状,再利用Deform-3D模拟软件对五道次辊拉拔过程进行仿真模拟,分析了工件辊模拉拔过程的变形机理,并对辊模拉拔过程中工件的等效应力、等效应变、模具的载荷等进行了分析,同时选取特殊点进行应力应变比较.研究结果表明,通过辊模拉拔方法生产的豆形截面钢丝,其成形效果良好.
关键词豆形截面钢丝    孔型结构    辊模拉拔    有限元模拟    理论指导    
Simulation Research on Roll Die Drawing Process for Bean-shaped Steel Wire
GUO Fengwei, LEI Junxiang, GAO Wenjing     
School of Materials Science and Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China
Abstract: According to the particularity of bean-shaped cross-section steel wire and characteristics of AISI70 steel, groove shapes in five processes are designed and roll die drawing process is adopted in this paper.The compression ratio in the first, second, fourth and fifth process is equal, and the roll dies are horizontal.The third process compression rate is 0 and the roll dies are vertical, whose angle is 90° compared with horizontal roll dies.The sizes of groove cavities and roll dies shapes are designed.A 3D finite element model of roll die drawing process of the bean-shaped steel wire is developed under the Deform-3D platform and the plastic deformation process of the billet is analyzed.Based on this accurate 3D FE model, the forming laws of roll die drawing of bean-shaped steel wire are illustrated, which includes effective stress distribution and evolution, effective stain distribution and evolution and the load of roll dies.Meanwhile, several special points are tracked to present the effective stain histories during the roll die drawing process.The result shows that forming effect of bean shaped steel wire is good through the process of roller die drawing.This paper provides technical support for the practice of bean-shaped cross-section steel wire.
Key words: bean-shaped cross-section steel wire     groove shape     roll die drawing     3D finite element     theoretical guidance    

辊模拉拔技术结合了拉拔工艺与轧制工艺的特点, 由辊模组成特殊形状型腔, 依靠拉拔机施加在金属坯料上的拉拔力带动辊模转动来实现塑性变形.其中金属坯料为主动运动, 辊模为被动运动[1-3].辊模拉拔最大的特点是不需要用轧机提供复杂能量传递系统, 设备结构简单。它将传统固模拉拔中金属坯料与辊模间的滑动摩擦变为滚动摩擦, 减小了拉拔力, 使拉伸更加省力[4-7].郑宝龙等[8-10]重点介绍了国内外辊拉技术的发展情况以及辊拉技术的特点, 并从运动学角度得出了辊模拉拔外摩擦合力和拉拔力减小可实现高速拉拔的结论.田文彤等[11]对精密Ω形丝的辊模孔型进行设计, 采用五道次辊模拉拔成形, 实现了辊模的交互式设计, 缩短了设计周期.通过对铌锆合金丝材在辊拉拔设备上的试验, 确定了铌锆合金丝材的辊拉生产工艺并成功地应用于生产[12].S形截面不锈钢的辊模拉拔工艺过程采用1道辊弯及两道辊模拉拔的成形方案, 设计出各道次辊模孔型, 利用模拟软件, 分析了工件成形的变形过程[13-14].Lambiase等[15]对辊拉成形过程中坯料尺寸、辊模直径、减薄量及摩擦环境对成形效果的影响进行了分析, 利用最优参数进行了试验验证.

由于豆形截面钢丝的截面尺寸很小, 尤其是存在极小圆角, 尺寸仅为0.2 mm, 采用传统的固定模拉拔难以保证零件的表面质量, 很难控制产品的尺寸精度.本文采用二辊五道次辊模拉拔方法成形豆形截面钢丝, 通过对其辊拉过程进行塑性变形分析, 使产品的尺寸更精确.

1 成形过程有限元模型建立 1.1 坯料尺寸计算

豆形截面钢丝的尺寸如图 1所示, 它的最大尺寸为2.35 m, 最小尺寸为圆角处的0.2 m, 因其尺寸较小, 属于精密线材成形.在辊模拉拔过程中, 原始圆截面坯料的尺寸可根据经验公式[11]:

图 1 豆形截面钢丝截面形状 Fig. 1 Cross shape of the bean-shaped steel wire
$D=\frac{2(h+b)}{\pi k}$ (1)

式中:D为原始圆截面钢丝坯料的直径; b为豆形截面钢丝的宽度; h为豆形截面钢丝的厚度; k为系数, 可取0.85.

由豆形截面钢丝的尺寸可知, b=2.35 mm, h=0.84 mm, 由此, 原始圆截面坯料的直径为2.39 mm.模拟过程和实际生产过程中, 圆截面钢丝直径取2.4 mm, 豆形截面钢丝的零件图如图 2所示.

图 2 豆形截面钢丝零件图 Fig. 2 Art drawing of the bean-shaped steel wire
1.2 设计各道次压缩率及孔型结构

对于异型丝的辊模拉拔过程, 最重要的就是各道次轧辊组成的孔型型腔是否设计合理, 是否有利于变形过程中的金属流动, 这直接关系到能否生产出符合厂家要求的产品.对于截面形状复杂, 且难变形的线材断面压缩率为15%~25%[16].先利用三维画图软件设计出豆形截面线材的零件图, 计算出豆形截面钢丝零件的截面面积, 再对各道次的压缩率和中间制件的截面积进行反复推算, 得出表 1中数据, 该豆形截面线材采用五道次辊模拉拔方法.最后设计出各道次的孔型形状, 如图 3所示.

表 1 各道次的压缩率和孔型截面积 Tab. 1 Compression ratios and cross-sectional areas of every pass

图 3 各道次孔型截面形状 Fig. 3 Geometry shapes of every pass

该辊模拉拔过程分成五道次辊拉, 前两道次为横辊摆放, 孔型截面均为椭圆形, 道次压缩率相等, 目的是提高原始坯料的强度和塑性.第三道次为立辊摆放, 此道次压缩率为0, 孔型结构依然为椭圆形, 该部分的作用是为减小前两道次产生的展宽.第四道次的孔型型腔结构接近豆形, 该道次为豆形截面线材辊模拉拔的粗成形阶段.第五道次为精密豆形辊模拉拔成形.最后两个道次的压缩率与前两个道次相同.在设计豆形截面钢丝五道次辊模拉拔轧辊孔型过程中, 既充分考虑了金属变形后的塑性, 又考虑了拉拔力不能超过金属出模口的屈服强度, 这样就保证了整个辊模拉拔过程能够稳定、安全, 能够进行连续生产.

1.3 有限元模拟参数设置

应用Deform-3D模拟软件对豆形截面线材的五道次辊模拉拔过程进行模拟.在模拟的前处理阶段, 由于辊子的弹性变形很小, 建模时忽略其弹性变形, 所有的辊子设置为刚体, 而金属坯料设置为弹塑性材料.辊模拉拔过程中, 坯料为主动运动, 辊子为被动运动, 理论上, 辊子与坯料接触点处的线速度与坯料的速度相等.定义材料为AISI-1070, 直接在Deform软件材料库中找到.定义辊子与坯料间的摩擦因数为0.12.由各道次辊模孔型型腔的特殊结构设计出各道次辊模整体的装配图, 如图 4所示.各个道次的模具结构紧凑, 前一工位可做下一工位的导向装置.

图 4 辊模拉拔各道次辊模整体装配图 Fig. 4 Whole assembly drawing of every pass in roll die drawing
2 豆形截面钢丝模拟结果分析 2.1 等效应力的分布与演变

豆形截面钢丝在辊模拉拔过程中各道次在轴向方向上的变形是相同的, 因此每道次均取同一位置(中间部位)为研究对象, 对其变形过程中的等效应力进行分析.结果如图 5所示.

图 5 辊模拉拔过程的工件的等效应力分布 Fig. 5 Effective stress distribution in roll die drawing

图 5可知, 在五个道次的辊拉过程中, 各道次的坯料表面的等效应力均比内部的等效应力大.这是因为金属坯料表面与各道次的辊模发生接触后, 在摩擦力的作用下, 接触处的金属发生较大的变形, 此处的材料发生了金属流动.并且变形剧烈处的等效应力比变形小处的等效应力大.由图 5还可发现, 随着辊模拉拔过程的不断进行, 各道次的等效应力呈增大现象.这是因为, 各道次的变形程度越来越大, 当达到第五道次时, 工件基本成形完毕, 此时无论是工件的表面还是中心部位的等效应力, 都是最大的.在豆形截面钢丝五道次辊拉过程中, 辊拉模与坯料接触处为变形区, 在该区域内, 任一道次中金属单元体上的应力状态和应变状态均为一向拉伸两向压缩.

2.2 等效应变的分布与演变

为研究该辊模拉拔过程的等效应变分布情况, 本文选取工件上的3个特殊点进行比较.特殊点的选取如图 6所示.由豆形截面钢丝各道次的孔型形状可知, 辊模拉拔五道次中的左右两点是对称的, 因此只取P3点进行研究.前三道次中, 坯料表面的P1点与P2点是对称的, 而第四与第五道次的P1点与P2点是不对称的, 因此要分别进行分析.各道次中3个特殊点的应变情况如图 7所示.

图 6 特殊点位置 Fig. 6 Locations of special points

图 7 P1, P2, P3点的等效应变 Fig. 7 Effective stain distribution of three points

图 7可知, P1点和P2点处的等效应变明显高于P3点.结合各道次的辊模结构可知原因如下, P1点和P2点处材料发生塑性变形的程度明显大于P3点.P1点和P2点在前3个道次中是完全对称的, 因此前三道次辊拉过程中, 这两点处的等效应变相同.第四道次与第五道次辊拉过程中, P1点和P2点不再是对称的, 因此二者的等效应变有明显的区别.并且这两道次的坯料下表面变形程度高于坯料上表面的变形程度, 所以第四与第五道次中的P2点处, 等效应变高于P1点处的应变值.第三道次为横辊摆放, 水平方向的P3点发生较大变形, 因此P3点在第三道次中等效应变发生明显增大现象, 而在其他道次时, P3点处材料变形程度不大, 因此等效应变值也变化不大.

2.3 辊模载荷的分布

在辊模拉拔过程中, 线材是主动运动的, 金属坯料与辊子间的摩擦作用带动辊子转动.因此, 分析辊拉过程中辊模的载荷情况对于辊拉设备的选择和辊拉模的设计十分重要.由各道次辊子的结构可知, 前两道次的上下两个辊子和第三道次的左右两个辊子是对称的, 因此仅选取上辊(前两道次)和左辊(第三道次)作为研究对象.而第四、第五道次的上下两辊是非对称的, 因此这两个道次中的两个辊子都要作为研究对象.图 8为辊拉过程中各道次中辊模的载荷情况.

图 8 辊模拉拔过程模具载荷 Fig. 8 Roll die loads in roll die drawing

图 8可知, 各道次辊模载荷情况大致可分成两个阶段.第一阶段为加载区, 载荷从0逐渐增大.随着金属坯料完全进入孔型型腔中, 沿轴向方向的变形是重复进行的, 此时进入载荷稳定区.

5个道次中第二道次辊模的载荷最大, 达392 N.其次为第一道次, 为346 N.最小为第三道次的辊模, 仅为143 N.这是因为第三道次的道次压缩率为0, 材料没有发生大的变形.在第四道次与第五道次中, 由于下模与金属坯料接触时的变形比上模与金属接触时的变形大, 因此这两个道次稳定变形阶段的下模载荷高于上模载荷.

3 结论

(1) 豆形截面钢丝经五道次二辊辊模拉拔成形, 其中前两道次与最后两道次的道次压缩率相同, 且这四道次辊模为横辊摆放.第三道次的道次压缩率为0, 辊模为立辊摆放, 与其他道次辊模呈90°.采用五道次辊模拉拔工艺成形豆形截面线材是切实可行的, 豆形钢丝成形效果较好.

(2) 设计了各道次辊模形状, 使辊模设计更加便利快捷.各道次轧辊孔型型腔设计合理, 有利于金属的塑性变形, 并且整个辊模拉拔过程稳定、安全, 能够进行连续生产.

参考文献
[1] 王文娟, 李建康. 眼镜框架用TB5钛合金丝材的辊模拉拔[J]. 热加工工艺, 2014(17): 125–126.
[2] 周林, 雷霆, 方树铭, 等. 精密异型钛材辊模拉轧加工工艺研究[J]. 钛工业进展, 2007, 24(2): 34–36.
[3] 季龙官, 方树铭, 雷霆, 等. 拉拔低塑性金属异型材的四辊辊拉模的新设计[J]. 云南冶金, 2007, 36(6): 44–51.
[4] 宁兴龙, 王国宏, 周芸, 等. 辊模与辊模拉伸[J]. 重型机械, 2001(3): 20–22.
[5] 张玉新, 李勇, 郝用兴, 等. Y型辊模拉拔工艺的三维数值模拟研究[J]. 锻压技术, 2007, 32(1): 46–49.
[6] 郑宝龙, 李连诗. Y型三辊辊模长芯棒拉拔无缝钢管的工艺研究[J]. 钢管, 1998(1): 1–4.
[7] 周林, 雷霆, 方树铭, 等. 精密异型钛材辊模拉轧加工工艺研究[J]. 稀有金属, 2007, 37(S1): 122–125.
[8] 郑宝龙, 朱为昌. 辊拔和辊轧生产技术[J]. 金属制品, 1996(S1): 1–6.
[9] 郑宝龙, 朱为昌, 徐言东. 辊模拉拔技术及其应用[J]. 金属成形工艺, 1996(1): 43–46.
[10] 郑宝龙, 朱为昌, 刘希和. 辊模拉拔运动学分析[J]. 金属制品, 1996, 22(5): 10–13.
[11] 田文彤, 杨辉, 刘遗城. 精密Ω形丝的辊模孔型设计[J]. 锻压技术, 2007, 32(4): 62–64.
[12] 吴孟海, 赵洪章, 李积贤, 等. 辊模拉拔技术在铌锆合金丝材生产中的应用[J]. 宁夏工程技术, 2008, 7(4): 310–313.
[13] 介亚克, 雷君相, 刘兴芬. S形截面不锈钢钢丝的成形与模拟分析[J]. 模具工业, 2010, 36(8): 18–21.
[14] 戴月红. S型截面不锈钢钢丝成形工艺和模具设计[J]. 机械研究与应用, 2012(4): 98–100.
[15] LAMBIASE F, DI I A. Experimental and finite element investigation of roll drawing process[J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2012, 21(2): 161–166. DOI:10.1007/s11665-011-9932-1
[16] 戴宝昌. 重要用途线材制品生产新技术[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2001.