棒线材轧机计算机辅助孔型设计工艺软件开发

张钊楷，杜晓钟

(太原科技大学重型机械教育部工程研究中心，太原 030024)



棒线材轧机计算机辅助孔型设计工艺软件开发

张钊楷，杜晓钟

(太原科技大学重型机械教育部工程研究中心，太原 030024)

计算机辅助设计发展以前，棒线材轧辊孔型形状参数以及其相关力能参数计算非常耗时而且复杂。本软件基于“两圆夹一扁”的方法进行孔型形状参数的设计，通过乌萨托夫斯基方法等计算宽展，利用试验确定艾科隆德方法和西姆斯方法计算力能参数，依托C++语言进行程序开发，其目的在于大幅度提高设计结果的精度，降低计算时间，准确的做出孔型图。通过对某厂22道次线材轧机的数据进行采集和计算，对本软件进行验证。结果表明软件具有良好的可靠性和严密性。

孔型设计；计算机辅助设计；棒线材轧制；工艺软件

随着科学技术的发展，计算机的广泛应用，工程设计由手工完成变为由计算机辅助完成，孔型设计也必然走同样的发展道路[1]。计算机辅助孔型设计在这些年间的发展，随着客户市场的多元化，也要求轧钢企业具有快速的响应能力，也就要求计算机辅助孔型设计软件具有满足新产品要求和适应实际生产环境变化的能力。这样就需要更全面的孔型设计软件来满足现代棒线材轧钢企业的柔性管理[2]。崔彦洲[3]等人开发的棒材CARD软件，利用一维搜索法对棒材轧制孔型系统进行优化设计，贾丽娜[4]等人利用以等轴断面插非等轴断面的方法开发的棒材连续切分轧制计算机辅助孔型设计软件，余万华[5]等人以孔型设计实际经验为基础开发的计算机辅助孔型设计系统，吕立华[6]等人以轧制能耗最小为目标开发的计算机辅助螺纹钢孔型设计系统，唐文林[7]等人在简单断面型钢计算机辅助优化设计的研究中也开发了以轧制能耗最小为优化目标的系统。

此软件使用Microsoft Visual Studio 2008作为编译器。用C++语言编写算法，大大提高软件的计算速度，对轧制压力的计算采用精准的数学模型，使预报精度大大提高，并且针对不同的工况可以选择不同的力能参数模型和孔型参数计算模型，增大了本系统的使用范围。利用VC++专有的MFC类库组成软件的框架，其内部的许多工具使软件界面更人性化，方便使用者上手。

1 软件数学模型的建立

1.1 断面面积数学模型

在孔型参数计算过程中，孔型断面面积的计算是重要的一环，本软件通过孔型断面面积的计算公式利用迭代法求出孔型的高度和宽度，由于遗传效应[7]的存在，使得断面面积计算公式精度的高低对后续的计算有很大影响，只有降低每一道次的计算误差，才能保证最后成品道次的精度。又由于当前有限元法计算断面面积耗时比较长，而且棒线材轧制过程条件复杂，变形不均匀的特点对有限元法的精度有一定影响，所以，现在多用数学解析模型计算轧件断面面积。如图1所示，本软件的孔型断面面积计算精度可以控制到不超过1%的高精度范围内，从而后续获得的各个孔型参数会更加精确。

图1 φ16.5 mm线材精轧段断面面积的测量值与本软件计算值比较Fig.1 φ16.5 mm wire rod finishing period of section area of the measured values comparing with the calculated values

孔型断面面积数学模型如下：

箱型孔：

(1)

椭圆：

(2)

圆：

(3)

1.2 宽展模型

本软件在众多的轧制过程宽展模型中通过理论计算与实际数值的比较，选择了在考虑不同工况下最接近实际数值的乌萨托夫斯基方法、斯米尔诺夫方法以及巴赫契诺夫方法[8]三种数学模型。其中乌萨托夫斯基方法主要考虑的影响轧件相对宽展系数的主要因素是压下系数、轧件断面形状系数和辊径系数等。斯米尔诺夫利用总功率最小的变分原理，得到的在简单断面孔型中轧制的相对宽展系数。巴赫奇诺夫公式为绝对宽展公式，这种方法在计算平辊轧制和箱形孔型轧制时的相对宽展可以得到接近实际值的数据。

1.2.1 乌萨托夫斯基方法

(4)

(5)

(6)

其中β为相对宽展系数，Wc为相对宽展指数，当ηc在0.1～0.5之间时用式(5)，其他情况用式(6)，ηc为压下系数的倒数，ηc=hc/Hc(hc、Hc分别为轧后和轧前轧件的平均高度)，δc为轧件断面形状系数，δc=B/Hc(B为轧前宽度)，εc为辊径系数，εc=Hc/Dkc(Dkc为轧辊平均工作直径)。

1.2.2 斯米尔诺夫方法

(7)

1.2.3 巴赫契诺夫方法

(8)

其中f为轧件与轧辊的接触摩擦系数，△h为压下量，H为来料高度，Rkc为轧辊平均工作半径。

1.3 轧制温度模型

△T=△Tf+△Tz+△Td-△Tb

(9)

其中△T为每一道的温降，△Tf为由辐射引起的温降，△Tz为由传导引起的温降，△Td为由对流引起的温降，△Tb为由变形热引起的温升。

1.4 轧制力模型

此软件在选择压力公式时，考虑轧制速度和轧制材料的属性，并根据一些实测数据，通过分析比较，放弃一些误差较大的公式，从而选择了艾科隆德单位压力公式和西姆斯单位压力公式作为棒线材轧制压力计算公式。

1.4.1 艾科隆德单位压力公式

P=(1+m)(k+hm)

(10)

(11)

K=9.8(14-0.01t)(1.4+C+Mn)

(12)

h=0.1(14-0.01t)

(13)

(14)

其中△hc为轧辊平均压下量，t为轧制温度，υ为轧制速度，C、Mn为碳锰的百分含量。一般普碳钢选用艾科隆德公式计算可得到准确的计算结果，但是该公式不适用于高速轧制和合金钢轧制。

1.4.2 西姆斯单位压力公式

(15)

K=1.15σs

(16)

ε=△Hc/△hc

(17)

其中σs为变形抗力，在艾科隆德公式不适用时可按钢种不同选用西姆斯公式。由于不同钢种计算所得到的变形抗力不同，所以本软件根据实际数据在软件中包含了一些变形抗力的数据，可以作为备选方案，若设计人员所选钢种不在这些备选方案内，可通过输入对应钢种的参数通过软件自动计算变形抗力，如图2为用两种方法对φ16 mm普碳钢计算后，得到轧制力分布折线图。

图2 φ16 mm普碳钢22道次轧制力分布折线图Fig.2 Broken line graph of 22 times rolling force distribution of φ16 mm Carbon-steel

2 软件系统结构

2.1 数据的输入

原始数据模块包括坯料输入模块，成品输入模块以及各道次参数输入模块三个部分[9]。如图3所示为本软件各个主要模块关系示意图，用户根据提示输入运算参数及目标函数以后即可进行后续的一系列计算和输出。

坯料输入模块中输入坯料的形状和尺寸，轧件钢种的化学成分等。成品输入模块中，成品形状的

图3 软件系统示意图Fig.3 Schematic diagram of software system

选择采用下拉菜单，选择完成品形状后输入成品直径以及偏差作为目标函数使用。各道次的参数输入模块中，用户根据需要通过下拉菜单选择孔型系统及轧辊材质，并输入轧辊直径，辊缝，允许压力，转速比，轧辊转速等，对有现场实测温度能力的轧机可以直接输入实际温度。

2.2 参数计算

图4 等轴孔设计程序流程图Fig.4 Program flow chart of lsometric hole design

参数计算包括轧辊转速的计算，等轴孔参数计算以及扁孔计算三个部分。如图4所示为等轴孔设计流程图，以秒流量相等为限制条件，从而保证无张力或微张力轧制，用户可以根据工况确定堆拉系数，软件默认堆拉系数为1，通过迭代计算满足精度的孔型尺寸，图5是本软件的扁孔设计界面。

图5 扁孔设计界面Fig.5 Interface of flat hole design

在轧辊转速未知且传动方式为组传动的情况下在轧辊转速计算模块内输入想要计算的开始和终了道次数，轧制方向以及作为目标函数的开始和终了道次的转速来计算各道次轧辊转速，下一步，进入等轴孔计算模块。首先，进行成品孔计算，算出成品孔尺寸，其次，输入需要计算的等轴孔起始和终了道次数，修改默认的堆拉系数，最后，点击等轴孔设计按钮完成等轴孔的参数计算，各道次参数会显示在对话框上的列表框内。进入扁孔设计之前，需要选择各道次孔型的充满度，孔型充满度确定以后进行扁孔设计，扁孔参数式根据两圆夹一扁的原理完成设计的，在完成各道次的等轴孔设计以后，只需点击计算按钮就可以逐一显示各个道次的多个符合条件的方案数，即可完成整个孔型设计的过程。

2.3 孔型图输出

孔型的各道次参数计算完成以后软件可以根据所选择的孔型调用相对应的图形代码段，并根据计算所得的参数选择对应的图纸及标注尺寸，通过参数化设计的方法输出孔型图[10]。如图6孔型图都是直线和圆弧组成，每个道次的孔型都可以表示成直线和圆弧的有序排列。

图6所示箱形孔型参数化绘图示意图，箱形孔型是对称结构，所以可以画出其1/4的结构以后通过镜像获得其整个图形，图1、3、5段为直线，2、4段为圆弧，通过计算获得的孔型尺寸，在程序中将5段图形代码的首位坐标值依次相接以后，按中心线镜像即可获得一个完整的箱形孔型图。

图6 箱形孔型参数化绘图示意图Fig.6 Schematic diagram of parametric drawing of box pass

2.4 轧制参数预报

此模块包括温度的预报和轧制力的预报。计算各道轧件轧制温度，用以设定或校正初始输入的轧制温度。因为温降过程非常复杂，此系统充分考虑了轧制过程中，由热辐射[11]，热传导，热对流引起的温降和变形热引起的温升对轧制温度的影响。选择了比较公认的、考虑比较全面的温降计算公式，计算各道次的轧制温度。将通过计算得到的温度称为计算温度，将通过键盘输入的温度成为设定温度。可用计算温度代替原设定温度，也可不用此计算温度，只做参考，设计人员可以灵活掌握。

图7 参数输入界面Fig.7 Interface of parameter input

3 计算实例

本文根据某厂数据输入计算参数，如上图7所示，根据轧机组的具体情况，计算得到如表1所示列表的右侧数据为22道次轧制过程中的精轧段孔型设计的计算方案。左侧数据为此22道次生产线的实际测量数据，对比可以发现本软件的计算值和生产线的实测值非常接近，最大误差可以控制在2%，平均误差在1%以内。

表1 φ16 mm线材精轧段孔型参数Tab.1 φ16 mm wire rod finishing period of groove parameters

此22道次轧制线采用4-6-6-6的轧机布置方式，其中粗轧机由4台Φ840×750平-立交替布置，中轧机由6台Φ730×750平-立交替布置，预精轧机由6台Φ510×750平-立交替布置，精轧机由6台Φ360×650平-立交替布置。如图7所示，主要工艺参数包括来料尺寸，来料长度，总轧制道次数，成品尺寸及偏差，轧辊直径，辊缝，轧辊转速等。

4 结论

此套棒线材轧机计算机辅助孔型设计工艺软件计算精度高，使用方便，充分利用了计算机的高速计算和准确的推理判断功能，使程序设计具有良好的可靠性，提高了孔型设计的效率和首次试轧的成功率，降低生产成本。同时，自动绘图功能打破了传统的人工软件绘图的局限性，符合生产实际要求。

[1] 赵松筠，唐文林，赵静.棒线材轧机计算机辅助孔型设计[M].北京：冶金工业出版社，2011.

[2] 张云波.面向敏捷制造的供应链柔性管理[D].成都：西南交通大学，2004.

[3] 崔彦洲.棒材计算机辅助孔型设计及优化[D].河北秦皇岛：燕山大学，2005.

[4] 贾丽娜.棒材连续切分轧制计算机辅助孔型设计[J].钢铁，2006，41(3)：59-62.

[5] 余万华，刘飞，高山.计算机辅助孔型设计系统开发[J].金属制品，2014，40(1)：50-58.

[6] 吕立华，马靳江，唐辉.计算机辅助螺纹钢孔型设计系统的开发及应用[J].重庆大学学报：自然科学版，2005，28(10)：27-30.

[7] 唐文林，顾卓，韩静涛.简单断面型钢计算机辅助优化孔型设计的研究[J].西安冶金建筑学院学报，1990，22(3)：215-220.

[8] ESTIVALET，MARIE-CLAIRE，MALIMPENSA.Computer program for bar and rod pass design[J].Revue de Metallurgie.Cahiers D'Informations Techniques，1988，85(10)：795-808.

[9] 周志敏，吴迪，白光润.棒线材孔型计算机优化设计软件[J].钢铁，1996，31(10)：26-29.

[10] 贾柱国，范银平.计算机辅助孔型设计在型线材轧机上的应用[J].轧钢，2001，18(2)：17-19.

[11] 潘璐，帅美荣，黄庆学.孔型设计对棒材连轧稳定性的影响[J].太原科技大学学报，2012，33(2)：123-127.

Computer-aided Roll Pass Design for Wire Rod and Bar Rolling Mill Process of Software Development

ZHANG Zhao-kai，DU Xiao-zhong

(University of Science and TechnologyTaiyuan，The heavy mechanical engineering research center of Ministry of Education，Taiyuan 030024，China)

Taking into account the development of computer-aided design in the past，it is very time-consuming and complex in terms of calculation about shape parameters of rod and wire roll and its associated force parameters.Based on the approach of“two-round clip a flat”，the software has a design of shape parameters calculates spread by Rostov Chomsky method and force parameters with the Echo Lund and Sims by using experimental methods，and it has a program development relying on C++ language which greatly improves accuracy of design，and reduces the computation time with making an accurate pass figure.By verificating the software by data collection and calculation with the 22 passes of the wire mill factory，the results show that the software has good reliability and rigor.

pass design，computer-aided design，rod and wire rolling，process software

2015-03-09

973计划前期研究专项(2012CB722801)

张钊楷(1989-)，男，研究生，主要研究方向为棒线材轧。

1673-2057(2015)06-0465-06

TG332.2

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2015.06.011