一种预测轴承钢棒材表面发纹形成原因的方法与流程

1.本发明涉及钢铁生产技术领域，特别是涉及一种预测轴承钢棒材表面发纹形成原因的方法。


背景技术：

2.表面发纹是轴承钢棒材表面缺陷中最常见的一种，为清除这些缺陷，往往不得不花费大量的人力物力，甚至严重影响企业的正常生产和经济效益。在铁路、航空、航天等对棒材产品质量完整性、可靠性要求很高，因此发纹缺陷的确定和控制越来越受到关注。轴承钢棒材是由热连轧工艺生产的，广泛用于机械加工、建筑、家电等行业，其热连轧常采用的孔型系统为箱-椭圆-圆。
3.发纹是钢材表面宏观缺陷之一，通常表现在钢的表面有发状细纹，比裂纹浅而短，沿轧制方向分散或成簇分布。钢表面发纹缺陷的存在会极大影响钢材的力学性能，特别是疲劳强度等。钢材表面发纹会极大降低钢的塑性和韧性，严重的甚至可引起开裂，严重缩短材料的使用寿命。发纹缺陷常见的危害除了促进裂纹萌生外，还体现在引发无损检测伪裂纹显示、形成不可接受表面缺陷、导致密封结构泄漏失效等诸多方面。通过对发纹缺陷不同的表现形式进行研究总结，能更为准确地判断发纹成因，针对性地提出预防措施和检验评价方法，有助于提高产品的质量和可靠性。
4.目前，钢坯加热时温度应力、钢坯轧制时压量和限制宽展、轧材冷却时温度应力和组织应力、钢坯氧化铁皮是发纹的主要形成原因。由于诸多因素影响发纹的形成，并未具体提出某一因素对轴承钢棒材表面发纹的影响。因此，为了有效分析预测轴承钢表面发纹的形成，提出初始轧制温度参数的影响，并规范其它工艺参数，对轴承钢棒材轧制过程进行有限元数值模拟，表征分析其对轴承钢棒材表面发纹的影响。


技术实现要素：

5.本发明针对上述技术问题，克服现有技术的缺点，提供一种预测轴承钢棒材表面发纹形成原因的方法，包括：一、建立数值模拟系统，采用cad软件建立轧辊和轧件的几何模型；二、在msc.marc的前处理器中依据轧辊与轧件的材料特性，设置部件之间的相互作用，设置分析步和载荷；在轴承钢棒材轧制过程中设定轧件属性为塑性、轧辊为刚性；然后对摩擦因素进行定义，选择剪切摩擦，设定轧辊与轧件间接触换热，由于轧件与轧辊呈现出对称性的特点，研究对象可选用1/4轧件和1/2轧辊，并以此建立有限元轧制模型；三、根据实际轧制条件向数值模拟系统输入边界条件、材料参数、工艺参数；在轧制过程中，由于金属产生塑性变形使得轧件温度升高，热功的换热系数0.9，轧件在轧制过程中会与轧辊接触，从而产生摩擦生成热，将该部分热量平均分至轧件和轧辊接触体上接触；四、进行网格划分，利用msc.marc有限元软件中默认的网格类型进行网格划分，网
格类型为八节点六面体；五、根据不同初始轧制温度参数，对轴承钢棒材轧制过程进行有限元数值模拟，获得轴承钢的应力、应变分布规律，温度场和轧制力分布规律，对轴承钢棒材表面发纹形成原因进行分析。
6.本发明进一步限定的技术方案是：前所述的一种预测轴承钢棒材表面发纹形成原因的方法，步骤一，将初始横截面尺寸为250mm
×
300mm的坯料，五架次轧机按平（h）—立（v）模式交替布置，采用箱形-椭圆-圆孔型系统。
7.前所述的一种预测轴承钢棒材表面发纹形成原因的方法，步骤二，轧件与轧辊的摩擦系数设为0.7，等效换热系数9.5kw/m2·
℃。
8.前所述的一种预测轴承钢棒材表面发纹形成原因的方法，步骤三，设置轧辊温度250℃、环境温度25℃。
9.前所述的一种预测轴承钢棒材表面发纹形成原因的方法，步骤三，模拟实验工艺参数如下：道次1：辊缝30mm，轧制线速度0.264m/s，延伸系数1.13，轧辊直径950mm；道次2：辊缝30mm，轧制线速度0.303m/s，延伸系数1.21，轧辊直径870mm；道次3：辊缝30mm，轧制线速度0.352m/s，延伸系数1.18，轧辊直径900mm；道次4：辊缝25mm，轧制线速度0.456m/s，延伸系数1.33，轧辊直径800mm；道次5：辊缝25mm，轧制线速度0.600m/s，延伸系数1.32，轧辊直径800mm。
10.前所述的一种预测轴承钢棒材表面发纹形成原因的方法，步骤四，设置坯料长度为3500mm，划分33600个单元。
11.本发明的有益效果是：本发明可通过有限元数值模拟，分析轴承钢棒材轧制过程中轧件可能出现的发纹缺陷和产生原因，优化工艺参数，提高轧件表面质量和生产效率、降低生产成本。
附图说明
12.图1为轧制工艺示意图；图2为棒材粗连轧有限元模型；图3为模拟1050五个道次轧制轧件表面情况；图4为模拟1075五个道次轧制轧件表面情况；图5为模拟1100五个道次轧制轧件表面情况。
具体实施方式
13.本实施例提供的一种预测轴承钢棒材表面发纹形成原因的方法，轧制工艺如图1，包括：一、建立数值模拟系统，采用cad软件建立轧辊和轧件的几何模型，将初始横截面尺寸为250mm
×
300mm的坯料，五架次轧机按平（h）—立（v）模式交替布置，采用箱形-椭圆-圆孔型系统；二、在msc.marc的前处理器中依据轧辊与轧件的材料特性，设置部件之间的相互
作用，设置分析步和载荷；在轴承钢棒材轧制过程中设定轧件属性为塑性、轧辊为刚性；然后对摩擦因素进行定义，选择剪切摩擦，轧件与轧辊的摩擦系数设为0.7，设定轧辊与轧件间接触换热时，等效换热系数9.5kw/m2·
℃，由于轧件与轧辊呈现出对称性的特点，研究对象可选用1/4轧件和1/2轧辊，并以此建立有限元轧制模型，如图2；三、根据实际轧制条件向数值模拟系统输入边界条件、材料参数、工艺参数；设置轧辊温度250℃、环境温度25℃；在轧制过程中，由于金属产生塑性变形使得轧件温度升高，热功的换热系数0.9，轧件在轧制过程中会与轧辊接触，从而产生摩擦生成热，将该部分热量平均分至轧件和轧辊接触体上接触，具体模拟工艺参数如表1所示：表1 模拟实验工艺参数道次辊缝/mm轧制线速度m/s延伸系数轧辊直径/mm1300.2641.139502300.3031.218703300.3521.189004250.4561.338005250.6001.32800；四、进行网格划分，利用msc.marc有限元软件中默认的网格类型进行网格划分，网格类型为八节点六面体，设置坯料长度为3500mm，划分33600个单元；五、根据不同初始轧制温度参数，对轴承钢棒材轧制过程进行有限元数值模拟，获得轴承钢的应力、应变分布规律，温度场和轧制力分布规律，对轴承钢棒材表面发纹形成原因进行分析。
14.具体应用过程：初始轧制温度可能是引起轴承钢棒材表面发纹的一种关键因素，故设计了不同初始轧制温度的情况。当设计初始轧制温度为1050时，经过五道次轧制后轧件表面情况如图3(a)、(b)、(c)、(d)、(e)所示。从图中可以看出，坯料能顺利经过现有孔型的轧制。在第五道次轧件末端表面出现少量凸起现象。
15.在建模主要分析轧制温度对轴承钢棒材表面发纹的影响，进一步设计初始轧制温度为1075时，经过五道次轧制后轧件表面情况如图4(a)、(b)、(c)、(d)、(e)所示。从图中可以看出，坯料能顺利经过现有孔型的轧制。轧件在第二道次开始表面出现少量凸起，并在轧件末端出现翘起现象，在经过第四道次轧制后轧件表面凸起现象加重。轧件在第三道次和第五道次辊缝处出现明显的耳子，已严重影响了棒材的产品质量。
16.进一步设计初始轧制温度为1100时，经过五道次轧制后轧件表面情况如图5(a)、(b)、(c)、(d)、(e)所示。从图中可以看出，坯料能顺利经过现有孔型的轧制。轧件在第三道次表面出现少量凸起现象，在第四道次轧件表面出现大量的凸起现象。在第五道次辊缝处出现明显的耳子，已严重影响了棒材的产品质量。棒材生产中表面缺陷是影响产品质量最为重要的因素，因此在轧制棒材时应该严格控制表面质量。
17.除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。