0 引言
   
    三輥外螺紋斜軋機主要用來軋制各種規格的外螺紋鋼管,它們主要用做自鉆注漿式外螺紋錨管,可實現鉆孔、注漿、錨固等功能一體化,目前在國內屬于一項新技術。外螺紋斜軋技術具有生產率高、材料利用率高、產品質量好、成本低、無噪聲等優點,并得到日益廣泛的應用。軋輥作為該軋機的主要部件,直接影響軋機的壽命以及產品的質量、生產效率等方面,因此軋輥設計的好壞就顯得非常重要。傳統的軋輥設計過多地依賴于設計人員的經驗與判斷,設計精度低,設計周期長,因此將數值模擬技術引入軋輥的設計已勢在必行。
   
    有限單元法作為最常用的數值模擬技術,具有精度高、適應性強以及計算格式規范統一等優點,已成為 現代機械產品設計中的一種重要工具。本文以WZ01型外螺紋鋼管軋機為研究對象,對軋輥進行了應力分析,為輥型優化設計提供了依據。
   
    1 有限元模擬方法分類
   
    1.1 本構關系及其方程
   
    根據金屬材料本構方程的不同,可將有限元模擬方法分為兩類:
   
    (1)彈塑性有限元法:彈塑性有限元法考慮了包括彈性變形的金屬變形全過程,它以 Prandlt-Mises本構方程為基礎。在分析金屬成型問題時,不僅能按變形路徑得到塑性區的發展狀況、工件中的應力、應變分布規律和幾何形狀的變化,而且還能有效地處理卸載問題,計算殘余應力。因此,彈塑性有限元法被用于彈性變形無法忽略的成型過程模擬。
   
    (2)剛塑性有限元法:剛塑性有限元法忽略了金屬變形中的彈性效應,以速度場為基本量,形成有限元列式。剛塑性有限元法雖然無法考慮彈性變形問題和殘余應力問題,但計算程序大大簡化,在彈性變形較小甚至可以忽略時,采用剛塑性有限元法可達到較高的計算效率。
   
    1.2 有限元求解方法
   
    有限元求解方法概括起來有以下兩種形式:
   
    (1)隱式積分算法:算法中應用最廣泛的方法是Newton-Raphson迭代方法。使用隱式求解方法時,每一增量步迭代計算都需要形成大型的稀疏的剛度矩陣,進行反復的迭代計算以達到收斂,這樣使得計算量大,占用存儲空間多,而且對于接觸問題的處理經常引起計算的發散,因此對于許多復雜工藝問題難以進行模擬計算。
   
    (2)顯式積分算法:算法采用中心差分法進行顯式時間積分,因此程序在求解時不需要形成剛度矩陣,雖然仍需形成方程組,然而每一步求解方程組在計算時不需要迭代,其計算步長取決于整個變形體網格單元中最小單元的邊長或對角線長度,網格劃分時要盡量均勻,并避免過小的網格出現。對于接觸問題和其它一些非線性連續問題在顯式積分算法中很容易表達清楚并且能夠一個節點一個節點地進行求解而不必迭代。
   
    2 軋輥模型的建立及有限元分析
   
    外螺紋錨管的斜軋工藝和變形非常復雜,軋件要在三個軋輥組成的三維空間中做螺旋運動。WZ01型外螺紋鋼管軋機的單個軋輥的結構見圖 1,其主要包括兩個支撐端、輥體以及輥體上的輥齒。該輥輥齒采用圓角左旋螺紋,分為成形段和精整段。

    WZ01型外螺紋鋼管軋機按輥徑不同分為 D150、D270兩個系列,分別對應加工 Φ25～Φ45、Φ45～Φ70的鋼管。軋輥螺紋孔型與以下幾個參數有關:螺紋螺距 P、軋件成形角 β1、輥齒牙型斜角 β2、螺牙高度 T、螺牙圓弧半徑 R、輥齒螺旋升角 γ。軋輥螺紋孔型結構見圖 2。為了滿足軋件外螺紋在工程使用中的自鎖要求,螺紋螺距 P必須滿足下式要求: