基于DEFORM的水箱拉拔功率计算.pdf

第49 卷Vol.49doi:10.3969/j.issn.1003-4226.2023.04.009第4期No.4金属制品MetalProducts基于DEFORM的水箱拉拔功率计算2023年8 月August2023周洁2，姚利丽2，李呐2（1.江苏兴达钢帘线股份有限公司，江苏泰州2.江苏省结构与功能金属复合材料重点实验室，江苏泰州2 2 57 2 1）摘要：借助DEFORM模拟软件研究水箱拉丝过程中道次压缩率的改变对钢丝拉拔力的影响规律。根据功率与力、力与应力的关系，引入总拉拔功率与拉拔应力的数学公式。把拉拔应力模拟结果代人数学公式通过计算得到总拉拔功率，并与实测功率进行比较，验证有限元模型的可靠性。结果表明：减少拉拔道次，总功率有增加的趋势；只改变前几道次的压缩率，总功率最小。根据实测值修正模拟值，使模拟值与实测值的相对误差较小。总功率与拉拔应力数学关系的引人和有限元模型的建立对实际电耗研究具有参考价值，也为预测钢丝多道次拉拔过程中的电耗提供一种有效途径。关键词：钢丝；拉拔力；有限元；DEFORM软件；道次压缩率中图分类号：TG356225721;文献标识码：ADrawing power calculation of water tank based on DEFORMZhou Jiel:2,Yao Lilil.2,Li Nal,2(1.Jiangsu Xingda Steel Cord Co.,Ltd.,Taizhou 225721,China;2.Jiangsu Key Laboratory for Structural and Functional Metal Materials Composites,Taizhou 225721,China)Abstract:Using DEFORM simulation software,influence of changes in pass compression rate on steel wire drawing forceduring wet drawing process is studied.According to relationship between power and force,as well as relationship betweenforce and stress,a mathematical formula is introduced for total drawing power and drawing stress.The total drawing powerwas calculated by substituting drawing stress simulation results into mathematical formula,and compared with measuredpower to verify reliability of finite element model.Results show that total power tends to increase when drawing passes arereduced;Only changing compression rate of the first few passes results in the smallest total power.The simulated value ismodified according to measured value to minimize relative error between simulated and measured values.The introduction ofmathematical relationship between total power and drawing stress and establishment of finite element model have referencevalue for actual power consumption research,and also provide an effective way to predict power consumption during multi-pass drawing of steel wires.Keywords:steel wire;drawing force;finite element;DEFORM software;pass compression rate水箱拉丝机是主要的金属拉拔生产设备之一，一般采用液体润滑，具有设备简单、维护方便、生产灵活、制品尺寸精确及表面光洁等优点 。拉拔时钢丝发生塑性变形,功率消耗包括均匀变形功率、摩擦损失功率和多余变形功率。这些功率大小与钢丝塑性变形时的道次压缩率、模具结构、润滑条件等因素有关。水箱拉拔道次较多,理论上不同的道次压缩率对拉拔功率存在较大影响。针对拉拔功率的计算和分析，不同文献给出了不同的公式，朱为昌 2 利用上限定理推导出计算功率分量的公式；杨立东等 3 使用拉拔力与拉拔速度计算电机功率的公式；卢学军等 4 通过分析切割钢丝拉拔过程中压缩变形功、摩擦阻力功及在变径区由于速度突然变化而消耗的多余变形功，推导出了功率损耗的数学表达公式。这些公式都需要反复试验来进行优化。近年来，利用数值模拟方法解决金属塑性成形问题的研究越来越多，并受到国内外学术界的关注 5-8 。笔者为了研究道次压缩率的改变对拉拔力和拉拔功率的影响规律，借助DEFORM有限元第4期分析软件，模拟分析在原2 1个模具的基础上减少1个模具后的不同配模设计对拉拔应力和拉拔功率的影响，并根据模拟计算值与实测值的对比结果，获得总拉拔功率与拉拔应力之间的关系，为合理设计道次压缩率、节省模具个数及预测能耗提供理论依据。1有限元模型简化与假设由于钢丝多道次拉拔过程比较复杂，在有限元建模和计算上需要做出简化和假设 9 ：（1钢丝拉拔属于冷加工，钢丝截面相对较小及冷却条件良好，不考虑摩擦热和变形功；（2）假设钢丝为各向同性拉拔道次道次压缩率/%113.41218.73318.76418.72518.46617.73716.56最终钢丝的拉拔速度为10 m/s,模具半锥角为4.5,模具的定径带长度1=0.4D；（D，为出线直径）。弹性模量为2 0 6 GPa,泊松比为0.3,钢丝密度为7 8 50 kg/m，摩擦因数为0.0 8。钢丝初始长度为5mm,采用绝对网格划分，最大单元尺寸设为0.0 8mm,最大与最小尺寸比设为3：1；由于钢丝表面变形剧烈,为了防止网格畸变,因而对钢丝表面采用了局部网格细化，初始钢丝拉拔有限元模型如图1所示，实测2 1道次钢丝加工硬化曲线如图2 所示。图1初始钢丝拉拔有限元模型Fig.1Finite element model of initial wire drawing2.2原2 1道次模拟结果分析在DEFORM软件中把第1道次的应力场结果模型作为下个道次的初始模型，以此类推，并利用周洁,等：基于DEFORM的水箱拉拔功率计算进行模拟分析。2有限元分析2.1有限元参数设定选取原材料碳质量分数为0.8 2%，初始钢丝直径为1.8 0 mm，最终钢丝直径为0.3 0 mm，采用2 1道次模链进行拉拔模拟，现场生产的2 1道次压缩率见表1。表1现场生产的2 1道次压缩率Table 1 Compression rate of 21 passes produced on site拉拔道次891011121314拉拔方向31材料,且满足体积不变定律；（3)模具与钢丝之间的接触符合库仑摩擦定律；（4)在拉拔过程中，忽略模具的弹性变形,可将其定义为刚体；（5）钢丝和模具都是回转体，根据对称性，选取有限元模型的1/4来道次压缩率/%拉拔道次16.471516.431616.471716.391814.991914.962014.82213600340032003000BdN/32.80026002.4002200拉2.0001800160014001200100000.51.01.5元2.02.5 3.03.5真应变图2 2 1道次钢丝加工硬化曲线Fig.2Work hardening curve of 21 passes steel wireDEFORM软件的网格重划分功能实现多道次钢丝连续拉拔模拟，钢丝采用绝对网格重划分。有限元模拟结果中提取了2 1道次钢丝的拉拔力，按照公式（1)计算每个道次钢丝的拉拔应力，原21道次钢丝的拉拔力及拉拔应力模拟值如图3 所示。在多道次钢丝拉拔过程中，第i道次钢丝的拉拔应力为：0;=F,/A;=F,/道次压缩率/%14.9114.9214.8314.6114.7514.297.54-21模(T(1)32式（1)中：F,为第i道次钢丝的拉拔力,N;为第i道次钢丝的拉拔应力，MPa;A，为第i道次钢丝的横截面积,mm;D,为第i道次钢丝直径,mm。1400-拉拔力1200F一一拉拔应力1000N/48006004002000246810 1214161820拉拔道次图3原2 1道次钢丝的拉拔力及拉拔应力模拟值Fig.3Simulation value of drawing force and drawingstress of original 21 passes steel wire2.3原2 1道次钢丝拉拔功率计算第i道次钢丝的拉拔功率为：P,;=F,u;/1 000,式(2)中：P,为第i道次钢丝拉拔功率,kW;u;为第i道次钢丝拉拔速度，m/s。根据各道次钢丝体积秒流量相等原则，Duo=Diul=.=D,v;=.=Dun,(3)结合式(1)和式（3），代人式(2)可求得第i道次钢丝的拉拔功率与拉拔应力的关系：P,=D,u;0;/4 000=D,u,0;/4 000,(4)式（4)中,D，为最终钢丝直径，Un为最终钢丝的拉拔速度，两者都是已知量。为了计算第i道次钢丝的拉拔功率，只需要知道第i道次钢丝拉拔时所受的拉拔应力；即可。原2 1道次模链的总拉拔功率为：21P总=P:=Ti=14000262422201816141210860246810121416 182022拉拔道次(a)第一种方案金属制品把图3 中2 1道次的拉拔应力模拟值代入式（5），可以求得有限元模拟的总拉拔功率为12.46kW，而在水箱拉丝机上实际测试的总拉拔功率为140013.33kW。经计算两者的相对误差绝对值小于120010%，说明建立的多道次钢丝连续拉拔有限元模1 000型是有效的。由于拉拔过程中影响因素较多，,如800设备的差异,模具结构 10 、温度 1、反拉力 12 等600因素对应力的影响不同,这些因素的存在使得模400拟计算的功率与实际测试的功率存在差异，另外200实际测试的总拉拔功率还包括滑动损失在内的功率,也可能导致模拟结果与实测值不一致的220情况。3设计模链3.1设计方案在保证产品性能合格的情况下，为减少模具使用数量，节约生产成本，对原2 1模拉拔工艺进行优(2)化,研究在原2 1模的基础上减少1个模具,改变各道次压缩率后对能耗的影响规律，以此选出合适的拉拔工艺。保证总压缩率不变，将原2 1道次模链缩减为20道次模链，共设计4种方案，第一种方案（2 0 模A）：将2 1模的前5道模具缩减为4道模具，其余保持不变；第二种方案(2 0 模-B)：将2 1模的前10 道模具缩减为9 道模具，其余保持不变；第三种方案（2 0 模-C）：将2 1模的前15道模具缩减为14道模具,其余保持不变；第四种方案（2 0 模-D）：全模链压缩率重新排列。4种设计模链与原模链各道次压缩率对比如图4所示，借助DEFORM软件，采用与原2 1模相同的设置条件,对4种设计模链进行连续拉拔模拟,分析各道次压缩率的改变对拉拔应力及Du(5)原2 1模O20模-A第49 卷拉拔功率的影响规律。262422201816141210860246810121416182022拉拔道次(b)第二种方案原2 1模一2 0 模-B第4期26242220181614121083.2设计模链模拟结果分析通过有限元模拟计算，分析处理结果，提取各道次钢丝的拉拔力，并按照公式（1）计算得到各道次的拉拔应力，各道次钢丝的拉拔应力模拟值见表2。从表2 可以看出，随着拉拔的进行，钢丝每道次的拉拔应力总体呈上升的趋势（最终道次除外）；与原2 1模相比，设计模链各道次钢丝对应的拉拔应力值相Table 2Simulation value of drawing stress of each pass steel wire拉拔道次20模-A20 模-B20 模-C20 模-D1564.02816.93715.24749.95713.26694.37712.68748.49850.310867.43.3设计模链拉拔功率比较对2 0 道次模链的模拟结果进行分析,将表2 中各道次钢丝的拉拔应力模拟值代入公式（5），计算4种模链下的拉拔总功率。为了验证模拟结果的正确性，在与原2 1模相同的湿拉机上对2 0 模4种设计模链进行了拉拔，并使用能耗测量仪分别测试拉拔能耗，通过换算得到总功率。不同方案拉拔总功率的模拟值和实测值对比见表3。从表3 可以看出，与原2 1模相比,2 0 模总功率增加。在2 0 模4种设计模链中,方案2 0 模A模拟得到的总功率最小，周洁，等：基于DEFORM的水箱拉拔功率计算一原2 1模V-20模-246810121416182022拉拔道次(c)第三种方案图4不同方案各道次钢丝的压缩率对比Fig.4 Comparison of compression rates of steel wires in different schemes and passes对较大，说明减少模具个数或增加道次压缩率会使各道次的拉拔应力值有升高的趋势。对4种设计模链的拉拔应力之和进行比较，发现拉拔工艺2 0 模A的最小,拉拔工艺2 0 模-D的最大，说明减少1个模具后，前几道次钢丝的压缩率稍微大一些有利于降低拉拔应力的分布，继而有利于减少电能的消耗。表2 各道次钢丝的拉拔应力模拟值拉拔道次20模-A20 模-B20 模-C20 模-D469.8435.5648.1557.8682.6697.0737.6660.9780.2701.9767.7708.5823.7794.2775.4789.9843.0862.8880.5830.43326原2 1模2420模-D22201816141210860246810121416182022拉拔道次(d)第四种方案424.211603.912652.413678.214707.315709.416812.417753.018788.619882.920方案2 0 模-D模拟得到的总功率最大，说明在总压缩率一定的情况下，前面道次压缩率增加可以有效降低拉拔总功率。杨亚楠等 13 指出在前7 个道次中钢丝表层和次表层的形变主要发生在径向和轴向上，周向应变变化不明显，产生的剪切变形较小，故对拉拔应力的影响较小。所以从节能降耗方面考虑，设计模链中的拉拔工艺优选方案为2 0 模A。对比5种模链的实测功率值，发现方案2 0 模-A对应的总功率最小,验证了有限元模拟结果具有可靠性,同时也证明了从节能降耗方面考虑，在原模单位:MPa772.5831.0886.0921.8841.2871.21 008.0959.61 043.11 118.01 139.21.102.21 241.11309.21 361.51 350.91 242.31 359.3851.9899.3982.1948.6982.31 039.21 082.71 156.81 179.01 384.51 266.2830.1913.4923.81 112.0979.21 101.31 274.41 206.91 341.41 385.81 099.334链的基础上，减少1个模具，最有效的配模设计方案是只改变前几道次的道次压缩率，后面的道次压缩率保持不变。原因可能是因为钢丝变形初期,珠光体团主要以协调变形为主,在平行的滑移面上移动的位错很少受其他位错的干扰,此时位错增殖较慢，此阶段的位错移动和增殖所遇到的阻力都较小 14，所以前几道次的压缩率增加对总的拉拔应力的影响较小，对电耗的影响也就越小。表3不同方案拉拔总功率的模拟值和实测值对比Table 3Simulated and measured values comparison oftotal power for different schemes拉拔总功率/kW方案实测值21模13.3320模-A13.1620 模-B13.7120模-C13.9720 模-D14.19根据表3 的数据,通过计算可知模拟值与理论值的相对误差小于10%，说明建立的有限元模型具有参考价值。结合实测总功率，对模拟计算的总功率进行修正，不同方案拉拔实测功率与模拟功率的比值K见表4,K的平均值为1.0 7 7,修正后的模拟值与实测值相比，相对误差小于5%，预测拉拔工艺的总功率可以采用模拟值的1.0 7 7 倍。这也为下一步利用有限元模拟合理设计其他拉拔工艺的道次压缩率和预测拉拔功率提供了一种相对准确的方法。表4不同方案拉拔实测功率与模拟功率比值Table 4Ratio of measured power to simulated power fordifferent drawing schemes方案21模20模-A20 模-B20模-C20模-D4结语利用DEFORM有限元软件模拟研究不同道次压缩率对功率的影响，模拟结果与实际测量结果比较吻合，总功率与拉拔应力之间的关系公式是可借金属制品鉴的。拉拔功率的计算不仅可以校验拉丝机驱动电机的容量，为匹配相应的电机提供参考，还为拉拔工艺优化,进一步合理设计道次压缩率,预测电能的消耗提供了理论依据。参考文献1杨理诚,梁勇.钢丝拉拔成形过程力学特性分析 J.机械设计与制造,2 0 16(10）：53-56.2朱为昌.拉拔过程的能耗分析J.金属制品，19 8 5(2):28-32.3杨立东，顾全忠.直进式拉丝机功率的计算 J.金属制品,2 0 0 8(3）：3 2-3 3.4卢学军,刘嘉霖,孔令印,等.基于能耗计算的PCD拉丝模压缩角优化设计 J.金刚石与磨料磨具工程相对误差/%模拟值12.4612.5912.8112.6412.96比值K1.069 81.045 11.070 01.105 61.094 9第49 卷2016,36(2):60-63.-6.525Hibbitt,Karlsson,Sorensen Inc.Application of implicit andexplicit finite element techniques to metal forming J.-4.32Journal of Materials Processing Technology,1994(45):-6.54649-656.-9.556翟福宝，林新波，张质良，等.有限元模拟在金属塑性成形中的应用 J.锻压机械,2 0 0 0（0 3）：46-48.8.677赵柏森，王怀建，李海峰.金属塑性成形工艺有限元数值模拟技术 J.热加工工艺，2 0 10，3 9（0 7）：8 6-9 0.8陆璐，王辅忠，王照旭.有限元方法在金属塑性成形中的应用 J.材料导报,2 0 0 8（0 6）:8 7-9 1.9钱令希，张雄.结构分析中的刚体有限元法 J.计算结构力学及其应用,19 9 1(0 1）：1-14.10 徐杨，宋仁伯，黄帅，等.翻转式水箱拉丝机拉拔工艺的有限元模拟分析 C/中国金属学会.第九届中国钢铁年会论文集.北京：中国金属学会，2 0 13.11A Haddi,A Imad,G Vega.Analysis of temperature andspeed effects on the drawing stress for improving the wiredrawing process J.Materials and Design,2011,32(08):4310-4315.12 A Skolyszewski,M Packo.Back tension value in thefine wire drawing processJ.Journal of Materials Pro-cessing Technology,1998,80:380-387.13 杨亚楠，刘劲松，张光亮，等.珠光体钢丝多道次拉拔成形过程中的应变路径分析J.精密成形工程，2016(06):26-31.14 姚利丽，底华芳，王威，等.珠光体钢丝冷变形加工硬化行为研究 J.热加工工艺，2 0 17（0 1）：6 9-7 3.（收稿日期:2 0 2 3-0 1-3 0)作者简介周洁1987年生，江苏兴达钢帘线股份有限公司工程师。姚利丽1976年生，高级工程师，江苏兴达钢帘线股份有限公司博士后科研工作站站长。李呐19 9 1年生，江苏兴达钢帘线股份有限公司工程师。