棒線材軋機計算機輔助孔型設(shè)計工藝軟件開發(fā)

張釗楷，杜曉鐘

(太原科技大學重型機械教育部工程研究中心，太原 030024)

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棒線材軋機計算機輔助孔型設(shè)計工藝軟件開發(fā)

張釗楷，杜曉鐘

(太原科技大學重型機械教育部工程研究中心，太原 030024)

計算機輔助設(shè)計發(fā)展以前，棒線材軋輥孔型形狀參數(shù)以及其相關(guān)力能參數(shù)計算非常耗時而且復雜。本軟件基于“兩圓夾一扁”的方法進行孔型形狀參數(shù)的設(shè)計，通過烏薩托夫斯基方法等計算寬展，利用試驗確定艾科隆德方法和西姆斯方法計算力能參數(shù)，依托C++語言進行程序開發(fā)，其目的在于大幅度提高設(shè)計結(jié)果的精度，降低計算時間，準確的做出孔型圖。通過對某廠22道次線材軋機的數(shù)據(jù)進行采集和計算，對本軟件進行驗證。結(jié)果表明軟件具有良好的可靠性和嚴密性。

孔型設(shè)計；計算機輔助設(shè)計；棒線材軋制；工藝軟件

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，計算機的廣泛應(yīng)用，工程設(shè)計由手工完成變?yōu)橛捎嬎銠C輔助完成，孔型設(shè)計也必然走同樣的發(fā)展道路[1]。計算機輔助孔型設(shè)計在這些年間的發(fā)展，隨著客戶市場的多元化，也要求軋鋼企業(yè)具有快速的響應(yīng)能力，也就要求計算機輔助孔型設(shè)計軟件具有滿足新產(chǎn)品要求和適應(yīng)實際生產(chǎn)環(huán)境變化的能力。這樣就需要更全面的孔型設(shè)計軟件來滿足現(xiàn)代棒線材軋鋼企業(yè)的柔性管理[2]。崔彥洲[3]等人開發(fā)的棒材CARD軟件，利用一維搜索法對棒材軋制孔型系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，賈麗娜[4]等人利用以等軸斷面插非等軸斷面的方法開發(fā)的棒材連續(xù)切分軋制計算機輔助孔型設(shè)計軟件，余萬華[5]等人以孔型設(shè)計實際經(jīng)驗為基礎(chǔ)開發(fā)的計算機輔助孔型設(shè)計系統(tǒng)，呂立華[6]等人以軋制能耗最小為目標開發(fā)的計算機輔助螺紋鋼孔型設(shè)計系統(tǒng)，唐文林[7]等人在簡單斷面型鋼計算機輔助優(yōu)化設(shè)計的研究中也開發(fā)了以軋制能耗最小為優(yōu)化目標的系統(tǒng)。

此軟件使用Microsoft Visual Studio 2008作為編譯器。用C++語言編寫算法，大大提高軟件的計算速度，對軋制壓力的計算采用精準的數(shù)學模型，使預(yù)報精度大大提高，并且針對不同的工況可以選擇不同的力能參數(shù)模型和孔型參數(shù)計算模型，增大了本系統(tǒng)的使用范圍。利用VC++專有的MFC類庫組成軟件的框架，其內(nèi)部的許多工具使軟件界面更人性化，方便使用者上手。

1 軟件數(shù)學模型的建立

1.1 斷面面積數(shù)學模型

在孔型參數(shù)計算過程中，孔型斷面面積的計算是重要的一環(huán)，本軟件通過孔型斷面面積的計算公式利用迭代法求出孔型的高度和寬度，由于遺傳效應(yīng)[7]的存在，使得斷面面積計算公式精度的高低對后續(xù)的計算有很大影響，只有降低每一道次的計算誤差，才能保證最后成品道次的精度。又由于當前有限元法計算斷面面積耗時比較長，而且棒線材軋制過程條件復雜，變形不均勻的特點對有限元法的精度有一定影響，所以，現(xiàn)在多用數(shù)學解析模型計算軋件斷面面積。如圖1所示，本軟件的孔型斷面面積計算精度可以控制到不超過1%的高精度范圍內(nèi)，從而后續(xù)獲得的各個孔型參數(shù)會更加精確。

圖1 φ16.5 mm線材精軋段斷面面積的測量值與本軟件計算值比較Fig.1 φ16.5 mm wire rod finishing period of section area of the measured values comparing with the calculated values

孔型斷面面積數(shù)學模型如下：

箱型孔：

(1)

橢圓：

(2)

圓：

(3)

1.2 寬展模型

本軟件在眾多的軋制過程寬展模型中通過理論計算與實際數(shù)值的比較，選擇了在考慮不同工況下最接近實際數(shù)值的烏薩托夫斯基方法、斯米爾諾夫方法以及巴赫契諾夫方法[8]三種數(shù)學模型。其中烏薩托夫斯基方法主要考慮的影響軋件相對寬展系數(shù)的主要因素是壓下系數(shù)、軋件斷面形狀系數(shù)和輥徑系數(shù)等。斯米爾諾夫利用總功率最小的變分原理，得到的在簡單斷面孔型中軋制的相對寬展系數(shù)。巴赫奇諾夫公式為絕對寬展公式，這種方法在計算平輥軋制和箱形孔型軋制時的相對寬展可以得到接近實際值的數(shù)據(jù)。

1.2.1 烏薩托夫斯基方法

(4)

(5)

(6)

其中β為相對寬展系數(shù)，Wc為相對寬展指數(shù)，當ηc在0.1～0.5之間時用式(5)，其他情況用式(6)，ηc為壓下系數(shù)的倒數(shù)，ηc=hc/Hc(hc、Hc分別為軋后和軋前軋件的平均高度)，δc為軋件斷面形狀系數(shù)，δc=B/Hc(B為軋前寬度)，εc為輥徑系數(shù)，εc=Hc/Dkc(Dkc為軋輥平均工作直徑)。

1.2.2 斯米爾諾夫方法

(7)

1.2.3 巴赫契諾夫方法

(8)

其中f為軋件與軋輥的接觸摩擦系數(shù)，△h為壓下量，H為來料高度，Rkc為軋輥平均工作半徑。

1.3 軋制溫度模型

△T=△Tf+△Tz+△Td-△Tb

(9)

其中△T為每一道的溫降，△Tf為由輻射引起的溫降，△Tz為由傳導引起的溫降，△Td為由對流引起的溫降，△Tb為由變形熱引起的溫升。

1.4 軋制力模型

此軟件在選擇壓力公式時，考慮軋制速度和軋制材料的屬性，并根據(jù)一些實測數(shù)據(jù)，通過分析比較，放棄一些誤差較大的公式，從而選擇了艾科隆德單位壓力公式和西姆斯單位壓力公式作為棒線材軋制壓力計算公式。

1.4.1 艾科隆德單位壓力公式

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為軋輥平均壓下量，t為軋制溫度，υ為軋制速度，C、Mn為碳錳的百分含量。一般普碳鋼選用艾科隆德公式計算可得到準確的計算結(jié)果，但是該公式不適用于高速軋制和合金鋼軋制。

1.4.2 西姆斯單位壓力公式

(15)

K=1.15σs

(16)

ε=△Hc/△hc

(17)

其中σs為變形抗力，在艾科隆德公式不適用時可按鋼種不同選用西姆斯公式。由于不同鋼種計算所得到的變形抗力不同，所以本軟件根據(jù)實際數(shù)據(jù)在軟件中包含了一些變形抗力的數(shù)據(jù)，可以作為備選方案，若設(shè)計人員所選鋼種不在這些備選方案內(nèi)，可通過輸入對應(yīng)鋼種的參數(shù)通過軟件自動計算變形抗力，如圖2為用兩種方法對φ16 mm普碳鋼計算后，得到軋制力分布折線圖。

圖2 φ16 mm普碳鋼22道次軋制力分布折線圖Fig.2 Broken line graph of 22 times rolling force distribution of φ16 mm Carbon-steel

2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)的輸入

原始數(shù)據(jù)模塊包括坯料輸入模塊，成品輸入模塊以及各道次參數(shù)輸入模塊三個部分[9]。如圖3所示為本軟件各個主要模塊關(guān)系示意圖，用戶根據(jù)提示輸入運算參數(shù)及目標函數(shù)以后即可進行后續(xù)的一系列計算和輸出。

坯料輸入模塊中輸入坯料的形狀和尺寸，軋件鋼種的化學成分等。成品輸入模塊中，成品形狀的

圖3 軟件系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of software system

選擇采用下拉菜單，選擇完成品形狀后輸入成品直徑以及偏差作為目標函數(shù)使用。各道次的參數(shù)輸入模塊中，用戶根據(jù)需要通過下拉菜單選擇孔型系統(tǒng)及軋輥材質(zhì)，并輸入軋輥直徑，輥縫，允許壓力，轉(zhuǎn)速比，軋輥轉(zhuǎn)速等，對有現(xiàn)場實測溫度能力的軋機可以直接輸入實際溫度。

2.2 參數(shù)計算

圖4 等軸孔設(shè)計程序流程圖Fig.4 Program flow chart of lsometric hole design

參數(shù)計算包括軋輥轉(zhuǎn)速的計算，等軸孔參數(shù)計算以及扁孔計算三個部分。如圖4所示為等軸孔設(shè)計流程圖，以秒流量相等為限制條件，從而保證無張力或微張力軋制，用戶可以根據(jù)工況確定堆拉系數(shù)，軟件默認堆拉系數(shù)為1，通過迭代計算滿足精度的孔型尺寸，圖5是本軟件的扁孔設(shè)計界面。

圖5 扁孔設(shè)計界面Fig.5 Interface of flat hole design

在軋輥轉(zhuǎn)速未知且傳動方式為組傳動的情況下在軋輥轉(zhuǎn)速計算模塊內(nèi)輸入想要計算的開始和終了道次數(shù)，軋制方向以及作為目標函數(shù)的開始和終了道次的轉(zhuǎn)速來計算各道次軋輥轉(zhuǎn)速，下一步，進入等軸孔計算模塊。首先，進行成品孔計算，算出成品孔尺寸，其次，輸入需要計算的等軸孔起始和終了道次數(shù)，修改默認的堆拉系數(shù)，最后，點擊等軸孔設(shè)計按鈕完成等軸孔的參數(shù)計算，各道次參數(shù)會顯示在對話框上的列表框內(nèi)。進入扁孔設(shè)計之前，需要選擇各道次孔型的充滿度，孔型充滿度確定以后進行扁孔設(shè)計，扁孔參數(shù)式根據(jù)兩圓夾一扁的原理完成設(shè)計的，在完成各道次的等軸孔設(shè)計以后，只需點擊計算按鈕就可以逐一顯示各個道次的多個符合條件的方案數(shù)，即可完成整個孔型設(shè)計的過程。

2.3 孔型圖輸出

孔型的各道次參數(shù)計算完成以后軟件可以根據(jù)所選擇的孔型調(diào)用相對應(yīng)的圖形代碼段，并根據(jù)計算所得的參數(shù)選擇對應(yīng)的圖紙及標注尺寸，通過參數(shù)化設(shè)計的方法輸出孔型圖[10]。如圖6孔型圖都是直線和圓弧組成，每個道次的孔型都可以表示成直線和圓弧的有序排列。

圖6所示箱形孔型參數(shù)化繪圖示意圖，箱形孔型是對稱結(jié)構(gòu)，所以可以畫出其1/4的結(jié)構(gòu)以后通過鏡像獲得其整個圖形，圖1、3、5段為直線，2、4段為圓弧，通過計算獲得的孔型尺寸，在程序中將5段圖形代碼的首位坐標值依次相接以后，按中心線鏡像即可獲得一個完整的箱形孔型圖。

圖6 箱形孔型參數(shù)化繪圖示意圖Fig.6 Schematic diagram of parametric drawing of box pass

2.4 軋制參數(shù)預(yù)報

此模塊包括溫度的預(yù)報和軋制力的預(yù)報。計算各道軋件軋制溫度，用以設(shè)定或校正初始輸入的軋制溫度。因為溫降過程非常復雜，此系統(tǒng)充分考慮了軋制過程中，由熱輻射[11]，熱傳導，熱對流引起的溫降和變形熱引起的溫升對軋制溫度的影響。選擇了比較公認的、考慮比較全面的溫降計算公式，計算各道次的軋制溫度。將通過計算得到的溫度稱為計算溫度，將通過鍵盤輸入的溫度成為設(shè)定溫度?？捎糜嬎銣囟却嬖O(shè)定溫度，也可不用此計算溫度，只做參考，設(shè)計人員可以靈活掌握。

圖7 參數(shù)輸入界面Fig.7 Interface of parameter input

3 計算實例

本文根據(jù)某廠數(shù)據(jù)輸入計算參數(shù)，如上圖7所示，根據(jù)軋機組的具體情況，計算得到如表1所示列表的右側(cè)數(shù)據(jù)為22道次軋制過程中的精軋段孔型設(shè)計的計算方案。左側(cè)數(shù)據(jù)為此22道次生產(chǎn)線的實際測量數(shù)據(jù)，對比可以發(fā)現(xiàn)本軟件的計算值和生產(chǎn)線的實測值非常接近，最大誤差可以控制在2%，平均誤差在1%以內(nèi)。

表1 φ16 mm線材精軋段孔型參數(shù)Tab.1 φ16 mm wire rod finishing period of groove parameters

此22道次軋制線采用4-6-6-6的軋機布置方式，其中粗軋機由4臺Φ840×750平-立交替布置，中軋機由6臺Φ730×750平-立交替布置，預(yù)精軋機由6臺Φ510×750平-立交替布置，精軋機由6臺Φ360×650平-立交替布置。如圖7所示，主要工藝參數(shù)包括來料尺寸，來料長度，總軋制道次數(shù)，成品尺寸及偏差，軋輥直徑，輥縫，軋輥轉(zhuǎn)速等。

4 結(jié)論

此套棒線材軋機計算機輔助孔型設(shè)計工藝軟件計算精度高，使用方便，充分利用了計算機的高速計算和準確的推理判斷功能，使程序設(shè)計具有良好的可靠性，提高了孔型設(shè)計的效率和首次試軋的成功率，降低生產(chǎn)成本。同時，自動繪圖功能打破了傳統(tǒng)的人工軟件繪圖的局限性，符合生產(chǎn)實際要求。

[1] 趙松筠，唐文林，趙靜.棒線材軋機計算機輔助孔型設(shè)計[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2011.

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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計劃前期研究專項(2012CB722801)

張釗楷(1989-)，男，研究生，主要研究方向為棒線材軋。

1673-2057(2015)06-0465-06

TG332.2

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2015.06.011