（钢铁冶金专业论文）h型钢计算机辅助孔型设计系统的开发.pdf

摘要 摘要 主要研究h 型钢压下规程的制定及优化和a u t o c a d 在h 型钢孔型设计中的应 用即c a r d 系统。采用模块编程技术，根据会属加工学原理，用v b 语吉丌发了一 个基于w i n d o w s 平台的功能较强的h 型钢计算机辅助孔型设计c a r d 系统，该 系统主要包括孔型几何参数计算和参数化绘图等功能。 考虑金属在万能孔型中的流动规律，以及消除或减小成品中的残余应力，按照 压下规程设计的科学程序，制定了合理的压下规程。并且采用了以轧制能耗最小为 追求目标的优化技术，其优化方法为综合约束函数双下降法。这样不但得到质量合 格的产品，而且能耗最低、产品质量较高。 由于h 型钢的孔型具有的结构大致相同，而尺寸不同的特点，因此比较适合采 用参数化设计方法。在参数化绘图模块中，以a u t o c a d 为图形支撑软件，采用 v b 6 0 作为编译器，采用了基于变量设计的参数化尺寸驱动方法，从而直接沟通了 图形尺寸与设计参数的联系。这样，设计者便可以在集成环境下进行h 型钢孔型的 参数化绘图。 关键词：h 型钢，孔型设计，压下规程，优化设计，参数化绘图 河北理_ l 大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h ep r o g r a mi sm a i n l ya b o u tt h eu s eo fa u t o c a di nr o l l p a s s e sd e s i g nf o rh - b e a m p r o d u c t s ，c a l l e dc a r ds y s t e m 。aw i n d o w sp l a t f o r mc a r ds y s t e mo fh - b e a mp r o d u c t s h a sb e e nd e v e l o p e db yv bl a n g u a g ea n dm o d u l ep r o g r a m m i n gb a s e do nm e t a lf o r m i n g p r i n c i p l e 。t h ef u n c t i o n so ft h es y s t e mm a i n l yi n c l u d ed i m e n s i o nc a l c u l a t i n go fr o l l - p a s s e s ，m e c h a n i c a lp a r a m e t e r sd e t e r m i n i n g a n dp a r a m e t e r i z a t i o nd r a w i n g s 。 t h ed e s i g n i n go fd e p r e s s i n gr u l e si st h ec o r ea n dk e yp a r to fhb e a mr o l l i n g t e c h n o l o g yb yu n i v e r s a lr o l l i n g ao nt h ec o n d i t i o no fe x e c u t i n gd e p r e s s i n gr u l e s ，a d o p t i n g o p t i m i z i n gt e c h n i q u e ，m a k i n gm i n i m i z i n gr o l l i n ge n e r g ya sa i m ，o p t i m i z i n gt h ee x i s t i n g d e p r e s s i n gr u l e s ，c a nn o to n l yg e t9 0 0 dq u a l i f i e dp r o d u c t i o n ，b u td e c r e a s ep o w e ru n d e r c u r r e n tc o n d i t i o na n di m p r o v et h eq u a l i t yo fp r o d u c t i o na n dd e c r e a s ew e a r i n go fr o l l e r s a n dt h e nd e c r e a s et h ec o s to fp r o d u c t i o nt oa u a i nm o r ee c o n o m i c a lb e n e f i t t h es t r u c t u r eo fh - b e a m p r o d u c t s i s n e a r l y s a m e ，b u ts i z e sn o t 。s o p a r a m e t e r i z a t i o nd r a w i n g sw o u l db e t t e rf i tf o ri t 。i nt h em o d u l eo fp a r a m e t e d z a t i o n d r a w i n g s ，i tt a k e sa u t o c a d a sp i c t u r e ss u p p o r t i n gs o f t w a r ea n dt a k e sv ba sc o m p i l e r ， a n di ta d o p t sp a r a m e t r i cd i m e n s i o nb a s e dv a r i a b l e sa n db u i l d sm o d u l ep a r a m e t e r i z a t i o nf o r p i c t u r e so ff i x e dv i e wm o d ea n ds t a n d a r dm o d e ，s ot h er e l a t i o nb e t w e e np i c t u r es i z e sa n d d e s i g n i n gp a r a m e t e r i sb u i l t 。t h u sd e s i g n e r sc a nw o r ko np a r a m e t e r i z a t i o nd r a w i n g sf o r r o l l p a s s e so fh - b e a mp r o d u c t s a k e y w o r d s ：h b e a m ，r o l l p a s sd e s i g n ，d e p r e s s i n gr u l e s ，o p t i m i z i n gd e s i g n i n g ， p a r a m e t e r i z a t i o nd r a w i n g s l l 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：迎茸坞一日期：丛丛年羔月尘日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 虢巡翩虢鲫咎隰必生日 引言 本论文着重研究了h 型钢压下规程的制定和优化及a u t o c a d 在h 型钢孔型设 计中的应用，即c a r d 系统。出于h 型钢品种规格繁多、孔型系统的共用性差，按 照传统的设计步骤，设计过程主要依赖于设计者的经验，计算量大、精度低、设计 周期长，影响了f 常生产，造成人力、物力和经济损失。利用c a r d 系统，建立轧 制过程数学几何模型，应用优化技术，制定合理的压下规程，从而提高孔型设计质 量、合理分配各孔压下量、减少新产品试制周期、改善技术经济指标、给企业带来 很好的经济效益和社会效益。近几年，国家有关部门发展h 型钢及钢结构工程政策 措施的出台和落实，以及我国经济实力的不断增长，国内对h 型钢需求量增大及品 种增多，而国内产量相对较小及品种较少1 1 1 形成了国内h 型钢及h 型钢钢结构产 业的广阔发展前景。 河北理】：大学硕十学位论文 1 1h 型钢概况 1 11 h 型钢的诞生 1 绪论 h 型钢是由普通工字钢发展起来的。1 9 4 7 年，法国人兹尔发明了工字钢。当时 这种工字钢大都在= 路或三辊式轧机上轧制，其腿部受到辊径的限制，采用丌闭口 交替孔型，其内侧带有斜度，即今天的普通形工字钢。由于腿部窄小。它最适合作 各种梁型建筑构件，但不适合作承受纵向弯曲的柱形或桩形建筑构件。因柱形工字 钢除要求腿宽与高度相等外，还要求腿内侧斜度平行。而这种宽腿无斜度的工字钢 比窄腿有斜度的工字钢生产要困难的多。 平行腱工字钢最初是德国格拉茨厂用普通三辊轧机轧成的，质量极不稳定。为 保证腿部平行，后来人们采用一架万能轧机作为精轧机的方法来获得平行腿部，这 种方法能生产出平行腿工字钢和中等尺寸的宽腿工字钢。人们采用万能轧机座精轧 机座生产平行翼缘工字钢和中等尺寸的宽翼缘工字钢，用两个水平辊轧工字钢的腹 板，用两个立辊和上下水平辊的侧面碾轧工字钢的腿部。 万能轧机的出现对宽腿和平行腿工字钢的生产具有决定性作用。尽管力能轧机 可使工字钢的腿部受到垂直压力而宽展和延伸，但它无法精确控制腿部的宽展以及 腿尖部加工的精度。 1 8 9 7 年恪林等人在研究报告中曾明确指出：仅靠一个万能机架是不能保证工字 钢腿部宽展和腿尖部加工精度的，必须还有一架立压机架与之连轧才能保证腿高的 控制和腿尖的良好加工。在试验中他们发现，在万能轧机后面配一架轧边机和力能 轧机构成连轧，轧制时轧边机只轧工字钢翼缘的边端，腹板与轧辊不接触，这样既 可以控制翼缘的宽度又可以保证产品的精度。因此，这种方法得以实际应用。 由于i p e 系列及j p b ( 柱及桩型h 型钢) 系列的工字钢是平行腿工字钢，其断面 如英文字母“h ”，故人们也称这种平行腿的工字钢为h 型钢，有的也称其为宽腿 工字钢。实际上凡是腿内侧无斜度的 t 字钢都统称为h 型钢。现在我们所| 兑的h 型 钢一般包括做梁、柱和桩用的各种腿内侧无斜度的工字钢【2 “。 2 第l 章绪论 1 1 2h 型钢的发展现状及优势 h 型钢一问世，就立即显示出其它工字钢无法比拟的优良力学性能，使其在工 业建筑和民用建筑上获得了广泛的应用，如做高层建筑、码头、厂房的梁、柱、桩 型构件等。而这些构件在高层建筑、码头、厂房以及民用建筑上均己被大量采用。 热轧型钢诞生一百多年来，经历了四个发展阶段。第一阶段即普通工字钢：第 二阶段为窄腿h 型钢( i p e 系列) ：第三阶段为宽腿h 型钢( i p b 系列) ；第四阶段为闭 合形型钢，如方管，是用热轧平行腿槽钢焊接而成的。这种方管比h 型钢断面模数 更大，而且维修施工方便，外形美观，被广泛用于蜂窝粱、龙骨等构件。 2 0 世纪6 0 年代以前，世界上共有大型轧机7 4 套，轨梁轧机2 4 套，宽边钢梁 轧机1 2 套。宽扁钢梁轧机当时以美国为最多共6 套，日本仅有2 套。 表16 0 年代以前大型轨粱轧机的分布 t a b ld i s t r i b u t i o nl i s to fb i gg i r d e ra n dr a i lm i l lb e f o r e1 9 6 0 s 二十世纪六十年代以后，h 型钢受到世界各国的普遍重视。大多数工业发达国 家的钢铁行业都积极筹建h 型钢厂。h 型钢生产在日、美、德、英等国蓬勃发展， 其中h 型钢生产线上的较多、产量较大的是同本和美国。他们h 型钢的产量已经占 型钢总产量的5 0 以上，并呈逐年上升的趋势。在这期间还发展了h e 系列宽翼缘 粱型h 型钢以及柱型和桩型h 型钢。随着世界钢铁工业的发展，h 型钢轧机也随之 得到迅速发展。大多数国家的钢铁界都在积极筹建新型h 型钢轧机。特别是川崎制 铁公司的水岛中型厂和新日铁公司君津大型厂的新式h 型钢轧机，由于采用连续轧 制、高速轧制和计算机控制等新技术1 5 i ，所以无论在产量还是在质量上都得到了很 大提高。 h 型钢具有平行的腿部，便于机械加工和安装，既美观大方又省工省料。h 型 钢用在建筑上可使构件重量减轻3 0 ，用在桥梁上可减轻重量1 5 ，所以现在许多 国家都用h 型钢代替了原来有斜度的工字钢。在国外h 型钢产量占工字钢生产总量 3 河北理上大学硕十学何论文 的8 0 以上，而普通工字钢产量仅占型钢产量的2 3 。据调查，h 型钢以建筑业需 求量最大，占6 0 ；其次是机械加工行业及桥梁制造业，分别占2 0 和8 。据不 完全统计，世界每年h 型钢产量在2 0 0 0 万吨左右，在建生产能力约4 0 0 万吨，总 生产能力在2 5 0 0 力- 吨以上。 h 型钢有以下特点： 1 h 型钢比普通工字钢力学性能好，相同单重时截面模数大。这说明h 型钢 比普通工字钢( i n p ) 抗弯能力大，如1 p e 2 7 0 h 型钢与i n p 2 4 0 普通工字钢相比，抗弯 能力大3 2 截面模数w 。大7 5 c m 3 ：与我国2 2 0 普通工字钢相比，w ，大1 0 4 c m 3 。 2 h 型钢截面设计比普通工字钢合理，在承受相同载荷的条件下，h 型钢比 普通工字钢可节约金属1 0 1 5 ，在建筑上用h 型钢可使结构减轻3 0 - 4 0 ，在 桥梁上可减重1 5 2 0 ，这在国民经济建设中将会收到巨大的经济效果。 3 h 型钢具有造型美观、加工方便、节约工时等优点。h 型钢具有平行的腿 部，各种不同规格的h 型钢可以很方便的组合成许多不同形状和尺寸的构件，而这 往往是普通型工字钢很难达到的。h 型钢便于进行各种机械加工和焊接作业，这不 仅可节约钢材，而且可以大大缩短建设周期。h 型钢在高层建筑、高速公路、飞机 停机坪、导弹发射架等巨型建筑上所体现出的经济效果更加显著。 我国h 型钢生产起步较晚，早期我国完全依靠进口。为了改变这种局面，马鞍 山钢铁公司于八十年代末筹建了我国第一条h 型钢生产线并在1 9 9 4 年4 月一次试 轧成功开始批量生产。从此，结束了我国不能批量生产h 型钢的历史。此后，鞍 山市第一轧钢厂、马鞍山钢铁公司、山东莱芜钢厂先后从国外引进了h 型钢生产 线。马鞍山钢铁公司的h 型钢生产线是国内投资最多、规模最大的h 型钢生产线； 山东莱芜钢厂的生产线也己投入使用。 1 1 3h 型钢发展的趋势 尽管h 型钢在我国尚未完全系列生产，但根据有关部门的市场预测，我国2 1 世纪对h 型钢的潜在需求每年5 0 0 万吨左右。可以预计，随着我国国民经济的发展 和轧机的不断改造，在不久的将来，我国也会完全成系列的生产h 型钢。随着h 型 钢产量的不断增加，市场竞争越来越激烈，所以许多新技术广泛应用于h 型钢生产 中，在工艺方面有：h 型钢连轧技术、用近终形连铸坯轧制h 型钢技术、自由尺寸 h 型钢( s i z ef r e eh b e a m l 控制轧制和在线热处理技术( q u e n c h i n ga n ds e l f - t e m p i n g ) 等 4 第1 章绪论 等。这些新技术在h 型钢生产上的广泛应用，极大地促进了h 型钢生产的发展。在 开坯机采用劈分开坯轧制具有轧制道次多，轧件温降大，产品质量不易控制等缺 点，因此采用以近终形连铸坯为原料，热装炉，x h 轧制法的短流程连铸连轧技术 ( c o m p a c tb e a mp r o d u c t ) ( 简称c b p 技术，是目前世界上h 型钢生产最先进的技术) 。 该工艺省去了普通的x h 轧制法生产线上的丌坯机，只需在万能轧机前面增设一架 立辊轧边机，用以解决连铸坯料与成品尺寸之间的尺寸衔接问题。这种工艺布置， 降低了生产过程中的能量损耗，进一步缩短了生产线的长度，节省了初投资，降低 了产品的生产成本，能带来巨大的经济效益和杜会效益。 1 2 c a r d 系统 1 2 1c a r d 简介 计算机辅助孔型设计( 简称c a r d ) 是七十年代随着计算机的广泛应用而发展 起来的新技术，它是计算机辅助工程在轧钢生产中应用的重要课题。 型钢轧制过程中，孔型的形状对产品的机械性能，尺寸精度及产品规格有很重 要的影响。它关系到轧机生产的产量、质量、消耗和工人的操作条件等等。最早孔 型设计完全是一种手艺，依靠设计者的经验和技巧。随着轧制理论基础特别是塑性 加工力学的发展，人们逐步试图建立有科学依据的孔型设计方法，使孔型设计成为 一门建立在可靠科学基础上的工程技术。因此出现了计算在孔型中轧制的金属变 形、力能参数、温度等各重要参数的理论公式。但由于金属在孔型中轧制时变形的 复杂性，在推导这些理论公式时不得不对研究的情况做大量简化处理，从而影响了 相应公式的计算精度。另外在手工计算中由于理论公式复杂和轧制道次多，计算量 大，使用不便，所以人们长期以来还是借助于简单的经验公式进行计算。一方面由 于经验公式只适用于一定的条件，当条件变化时计算精度降低；另一方面为了简化 计算工作，往往只计算个别参数和验算个别限制条件，这样就使计算结果的可靠性 大受影响1 6 】。因此设计出的孔型往往要经过多次试轧、修萨才能成功的轧制。这样 难免影响正常生产过程，浪费大量人力物力和资金，而且设计周期长。这样的孔型 设计还没有脱离依靠设计者的经验的方法。随着计算机应用技术的发展，给孔型设 计的发展提供了新的可能，出现了计算机辅助孔型设计这个概念。 5 河北理f ：大学硕十学位论文 c a r d 借助计算机的功能代替人工进行复杂计算，使型钢轧制理论的研究深 入，使工艺设计、设备计算和工具设计结合在一起，并有可能使丰富的设计经验和 理论解析相互补充，实现型钢轧制过程的最优设计【7 i 。丌发这项新技术，可以使设 计和试生产过程简化，在优化的目标下实现最大生产率，改善产品质量，降低轧辊 和能量消耗。 计算机辅助孔型设计将设计工作推向个新阶段，使孔型设计从一种经验性很 强的设计方法，转变为一种理论性很强的设计方法。 c a r d 系统具有以下优点； 1 1 能同时发挥计算机和工程技术人员各自的优势 2 1 缩短产品设计时间 3 1 设计效率高 4 ) 提高经济效益 此外在计算机辅助设计中，由于计算机巨大的计算能力和图形显示能力，计 算孔型设计所必需的参数，检验必要的限制条件，适时地在屏幕或其他输出设备上 显示设计结果，c a r d 技术可减少人工设计时繁琐的计算，画图等重复性工作，还 能进行模拟和优化，取得优化孔型设计结果。正是由于c a r d 技术具有计算速度 快，精度高，结果可靠等优点，近年来得到迅速发展。 c a r d 技术经过近4 0 年的发展，己成为集设计，绘图，优化等多种功能于一体 的系统。但由于型钢生产过程的复杂性，按一定优化目标得到的最优解并不一定符 合实际。建立c a r d 专家系统和c a r d c a m 体化是进行多目标优化孔型设计和 实施c i m s 的发展方向。随着计算机技术的不断更新和轧钢理论与轧制技术的进一 步发展，c a r d 技术必将在轧钢生产中发挥更大的作用【8 圳。 1 2 2c a r d 系统的应用和发展 计算机辅助孔型设计( 简称c a r d ) 的研究始于6 0 年代后期，现已有了大量研 究结果。最早的c a r d 系统从功能上看只能完成设计工作的个别环节：有的仅能完 成某些计算工作，有的仅能完成画图工作，有的则仅能完成在一定生产条件下的一 定的孔型系统的某几道次孔型的设计。1 9 7 3 年s u p p o ，u 等发表了圆断面计算机辅助 孔型设计方法，这一方法在孔型设计中的全部有关量都可用数学方程来确定，这是 计算机辅助孔型设计的一个重要发展。后来，他们又将这一方法作了进一步的发 6 第1 章绪论 展。但这个方法中的计算仍是以经验一一统计方法为基础的。1 9 7 8 年k o z o n oh 发 表了孔型设计c a d c a m 系统，把设计数据与n c 编程结合。1 9 8 2 年m a u k ，p j r 发 表了计算机辅助孔型设计。此年，他在k o p p 教授指导下完成的计算机辅助孔型设 计博士论文l 蚓，系统地丌发了简单断面和异型断面孔型计算机辅助设计方法，包括 确定孔型尺寸和轧件尺寸、计算全部变形参数、力能参数、轧件温度等所有重要参 数和绘图功能。 1 9 8 2 年，前苏联c m n o n o bb k ，l i l u i o bb a 等发表了他们在多年研究基础上开 发的简单断面最优化孔型设计自动计算系统。这个系统中使用的模型是他们多年来 用全功率极小化变分原理对孔型轧制过程进行研究得出的结果。这个方法可以计算 各种孔型系统轧制时金属变形( 延伸系数、宽展系数、压下系数、孔型充满度、轧 件和孔型尺寸) 、力能参数( 平均单位压力、轧制力和轧制力矩) 、允许咬入角、 稳定性所允许的轧件轴比和孔型延伸能力利用程度等。此外，这一系统还有选择孔 型系统和制定轧制方案的模块和验算轧制速度条件、轧件咬入条件、轧制稳定性条 件、轧机设备强度、传动电机能力等等限制条件的模块。孑l 型设计优化算法采用了 动态规划法。该系统可在给定了成品和坯料形状和尺寸、设备特性、道次数、终轧 速度后，以能耗最低为目标，优化轧制制度：也可以在给定成品和坯料的形状和尺 寸、轧机特性后，确定道次数和终轧速度，以达到能耗最小、道次最少、轧制速度 最大( 产量最高) 的综合优化。 c a r d 专家系统正处于探索和发展时期。将a i ( 人工智能) 引入c a r d ，综合 运用专家系统技术，计算技术，数据库技术和计算机图形技术，使计算机除作为一 种辅助设计工具，用作金属变形分析，孔型优化设计，数值计算和图形绘制以外， 还用作知识工程工具，为设计人员的方案决策，性能参数确定等提供智能支撑。这 种以知识库为基础的c a d 技术，把设计的内涵和设计的表示联系起来，并引导用户 对设计的过程和表示形式做出选择和决定。计算机辅助孔型设计的智能化，将会极 大地改变传统孔型设计的现状。因为在孔型设计中有一些重要决策，不便于用数学 表达，属于经验知识性的。这部分决策在c a r d 系统中往往靠人一机对话，由设计 者凭经验决定【1 1 以3 1 ，即孔型设计在一定程度上仍依赖于设计者的经验，难以得到最 优结果。 目前，虽然有一些c a r d 专家系统已经产生，但仍需进一步地完善和开发多 功能优化型c a r d 综合考虑影响轧制过程的各种因素，并使其量化，根据一定的优 7 - 河北理i 丈学硕十学位论文 化目标用数学方法寻求最优解但是，型钢生产是一个复杂的过程，并不是所有的 信息都适用于数摸化，尤其是对复杂断面型钢，按一定优化目标得到的最优解可能 并不符合实际只有建立专家系统，让计算机能够模拟人脑的思维过程，才能真f 达到c a r d 的优化目标i 1 4 i 。 因此c a r d 系统将是未来孔型设计的主要途径，使从孔型设计到孔型加工完成 投入生产完全实现自动化。 1 3 变形规程的设计及优化 在轧钢生产中，坯料经过数道次的轧制，产生塑性变形，最终轧制出符合 产品标准的成品钢材，这一系列的轧制过程，是按着设计者根据生产条件所设 计的轧制变形规程进行的。因此，为使轧钢生产能够达到优质、高产、低消 耗，则需要合理地设计轧制变形规程。 轧制变形规程，对于不同类型的轧机所包括的内容也不完全相同。对于初 轧机主要是指压下规程和速度制度；对于板带钢轧机主要指压下规程、速度制 度、温度制度、张力制度和辊型制度；对于型线材轧机主要指孔型设计和张力 制度；对于管材轧机则主要指变形制度。轧制变形规程的制定是轧钢工艺设计 中基本的问题之一。在制定轧制变形规程时，我们总是希望所制定的轧制变形 规程是最好的。一般说来，最好的轧制变形规程，在单位时间内轧制产品的产 量最高，产品的质量最好，各种消耗( 包括电耗、燃料消耗、金属消耗、轧辊 消耗等等) 最少，因此该产品的经济效益最好。反之，如果轧制变形规程不合 理或不完全合理，则会使生产过程不顺利，影响到产量、质量，甚至无法正常 生产。轧制变形规程是轧制工艺的核心，对轧钢生产至关重要。合理的制定轧 制变形规程，使轧制过程达到最佳状态，是工艺设计人员所追求的目标。 目前，在生产中制定轧制变形规程，如型钢的孔型设计，板带钢的压下规 程等，一般情况下还是以经验法为主。孔型设计时展宽系数的确定、板带钢轧 制时压下量的确定等还都是根据设计者的生产经验来确定【1 5 4 “。虽然采用经验 法所确定的变形规程能够满足生产要求，但不一定是最好的。我们不能够以生 产出产品为最终目的，而是要以最好的生产工艺，优质、高产、低消耗的进行 生产为目标这样j 1 能使产品有更强的竞争能力。 8 第1 章绪论 要确定最优的* l n 变形规程，按通常的经验法来制定要达到陔目的是比较困难 的。这是由于用经验法确定某参数时，是在该参数的可行域内凭经验而确定的，很 难做到确定的该参数是最佳参数。在制定轧制变形规程时，有时我们可能制定出几 个方案加以比较，择优选取。这个比较、选择的过程，也可以说是最原始的优化过 程。择优选取，首先必须有多个方案，然后在这些方案中选择较好的方案。在一定 的生产条件下，生产某个产品，在确定轧制变形规程时，所涉及到的方案很多，单 凭设计者的计算和经验是难以完成的。随着计算机应用技术的提高和普及，使用计 算机来完成这样的任务才使之成为可能。确定最优的轧制变形规程，称为* l n 变形 规程的优化设计。优化设计( o p t i m a ld e s i g n ) 是指在一切可能的设计方案中寻求最 优方案。这种寻优过程需要大量的计算工作，繁重的计算工作若出人工来完成不仅 工作量大，而且是难以实现和完成的。 在* l n 变形规程优化设计时，首先必须要明确优化的目标，也就是说最优 指的是什么最优。我们所说的最优，都有一定的相对性并且与我们所确定的 寻优目标密切相关。这个目标是设计者对轧制过程提出来的具体要求，若用数 学形式描述出来就称之为目标函数【1 7 i 。最优目标的选择，关系到所得结果是否 合理可行。一般选择最优目标是按照生产过程的特点由设计者确定，以使生产 工艺过程达到最佳，轧制产品达到优质、高产、低消耗。 计算机的应用是当前科学技术的重大突破。计算机技术在各个领域中的应 用促进了科技和经济的发展。随着计算机的应用和普及，为最优化技术提供了 有利的计算工具。由于最优化技术是在一切可能的方案中选择最优方案，需要 大量的计算以便进行优化。而计算机为这种繁重的计算创造了条件，使得最优 化技术快速的发展起来。也可以说，最优化技术发展是以计算机技术发展为基 础的。 在轧钢生产中，最优化技术用于轧制变形规程的设计较为广泛。例如，型钢生 产中的孔型设计，板带钢轧制过程中的压下规程设计以及高速线材轧机精轧机的微 恒张力设计等，采用优化方法进行设计已较为普遍。最优化技术在轧制变形规程中 的应用，不但能够使轧制过程趋于最优，而且使轧制规程的制定，由技艺向工程科 学迈进。 型钢孔型设计、板带钢压下规程设计等传统的设计方法是按照经验所确定 的变形系数和变形率来设计孔型和压下制度。这种设计方法已不适应现代化的 9 河北理 ：入学硕士学位论文 生产方式。因为随着科学技术的发展，生产技术水平在不断提高，产品的技术 要求也在不断提高，并且要求轧制过程达最优状态。所以用最优化方法确定轧 制变形规程是必然的趋势。 最优化技术在轧制变形规程设计中的应用对轧钢生产向最佳化迈进是重要的 一步，而且对于现代化轧钢生产也是非常必要的。型钢的孔型设计凭经验难以完成 最优的孔型设计。而通过建立数学模型、确定目标函数和约束条件、选用合适的优 化方法而得到的结果是所有可能方案中的最佳方案。这种建立在科学分析基础上的 工艺制度，才能适应于现代化的轧钢生产。 随着轧制理论体系的完善和最优化技术的发展，最优化技术在轧制领域的应用 也会不断提高和扩大，并且将使车l sj j 技术水平向更高层次发展。 1 4 课题概况 1 4 1 选题的目的和意义 孔型设计是轧钢工艺的重要组成部分，同时也是型钢生产中最关键的环节之 一。孔型设计的优劣直接影响到产品质量、轧机产量、产品成本和工人的劳动条件 等。其目的就是正确运用金属在孔型中变形的规律，通过最优的孔型系统，用最少 的轧制道次，最省的能耗，把钢锭或钢坯轧成各种不同断面形状、尺寸准确、表面 光洁、性能照好的型钢材1 1 ”。 在计算机辅助设计中，由于计算机巨大的计算能力和图形显示能力，计算孔型 设计所必需的参数，检验必要的限制条件，适时地在屏幕或其他输出设备上显示设 计结果，c a r d 技术可减少人工设计时繁琐的计算，画图等重复性工作，还能进行 模拟和优化，取得优化孔型设计结果。汇是由于c a r d 技术具有计算速度快，精度 高，结果可靠等优点，近年来得到迅速发展。 c a r d 技术经过近4 0 年的发展，已成为集设计，绘图，优化等多种功能于一体 的系统。但出于型钢生产过程的复杂性，按一定优化目标得到的最优解并不一定符 合实际。建立c a r d 专家系统和c a r d c a m 一体化是进行多目标优化7 l 型设计和 实施c i m s 的发展方向。随着计算机技术的不断更新和轧钢理论与轧制技术的进一 步发展，c a r d 技术必将在轧钢生产中发挥更大的作用【1 9 _ 2 1 l 。 1 0 第1 章绪论 基于以上原因，我们做了这个课题。本课题主要研究h 型钢压下规程的制定和 优化及a u t o c a d 在h 型钢孔型设计中的应用，即自动参数化绘图。采用模块编程 技术，根据金属加工学原理，用v b 语言丌发了一个基于w i n d o w s 平台的功能较 强的h 型钢计算机辅助孔型设计c a r d 系统，该系统主要包括参数化绘图、孔型几 何参数计算等功能。 1 4 2 研究内容与方法 将c a d 应用于h 型钢孔型设计，并使之完全自动化是困扰国内外h 型钢生产 的一个难题。本文立足于对金属在孔型中变形规律的分析，运用几何模型和计算机 技术所编制的程序来模拟实际工艺过程。 本课题的重点研究内容如下： 1 压下规程的设计及优化。 2 编制接口程序实现v b 与a u t o c a d 的连接。 3 建立完整的h 型钢孔型自动参数化绘图的程序系统，实现计算机辅助孔型设 计。 课题采用的技术路线和研究方法： 首先对国内外已发表的数学模型进行分析、筛选。确定可以借鉴的数学模型或 模型骨架。应用文献中的建模方法和成果，结合制定的压下规程和轧制参数之间的 对应关系，以及优化结果，对数学模型进行修正，以便得到可实现参数化绘图的几 何模型。 利用所得模型编制现场的参数化绘图程序。对于高级语言( v i s u a lb a s i c6 0 ) 来说 其计算能力较强而绘图能力却相对较差。对于绘图软件( a u t o c a d 2 0 0 2 ) 来说恰好 相反，计算能力差而绘图能力强【矧，这样设计者自然而然地想到用高级语言计算， 用a u t o c a d 软件绘图。这就要求高级语言和绘图软件之间要有接口，设计者给出参 数，经高级语言处理后能够调用a u t o c a d 绘出所需的图形。即用v b 6 0 开发 a u t o c a d 进行参数化绘图的方法。 河北理【。人学硕士学位论文 2 压下规程设计 2 , 1 压下规程设计的科学程序 2 1 1 调查研究掌握情况 调查研究的主要内容： 1 了解产品技术条件，包括产品断面几何形状、尺寸和公差标准、表面状态 以及内部金相组织和机械性能等。有时还应了解用户对产品的特殊要求和使用情 况： 2 掌握生产车| 日j 情况，包括可供选择的坯料种类、断面形状与尺寸或者按设 计要求允许选择的坯料条件：车间设备特征及其主要技术性能如轧机布置形式、机 架数目、轧辊尺寸、电机能力、转速高低以及轧机前后的附属设备等。有时还要了 解工人的操作习惯； 3 收集与产品有关的技术资料，作为设计的参考。主要包括生产该产品的同 类车间选用的孔型系统、设计方法、变形参数( 如道次、变形量分配等) 以及生产的 难点和存在的问题等。 2 1 2 合理孔型系统的选择 孔型系统反映着所轧产品在生产过程中的形状变化的特点。因此，孔型系统选 择的是否合理不仅直接影响产品的质量，而且对生产的正常进行以及工人操作条件 均有重要影响。因此，选择孔型系统时应在充分调查研究、对多种方案进行对比的 基础上慎重确定。 2 1 3 确定轧制道次 在一定的工艺与设备条件下，确定轧制道次其实质就是正确地决定总变形量。 总延伸系数u ：满足如下关系式： 式中 u2 = a o a n 第2 章压下规程设计 u ：一总延伸系数 凡一原料断面积 a 。一成品断面积。 总延伸系数u ：又等于各道次延伸系数的乘积，即有如下关系 pz = u1 4i t2 + u3 un = ( a 0 a 1 ) + ( a 1 a 2 ) + ( a 2 a 3 ) ( f 。，l f n ) 一2 式中： ul 、“2 、“3 u 。一相应道次的延伸系数； a 1 、a 2 、a 3 氏一相应道次轧件的断面积。 如用平均延伸系数“p 代表各道次的延伸系数，则： “z = p 1 + p2 u3 un = up n 3 平均延伸系数一般是根据经验数据选取的。但是在既定条件下，平均延伸系数的大 小既反映了t f l $ 0 进程的快慢，也反映了轧件在孔型内变形的剧烈程度。因此，平均 延伸系数要根据所轧钢种、孔型系统、轧机布置等具体生产条件选定。 按总延伸系数u ：和平均延伸系数u 。即可确定轧制道次n n = o n l tz ) 0 n up ) = 0 n a o - l n a ) l n 斗。4 确定轧制道次n 时，应根据轧制的具体条件决定选用偶数道还是奇数道，并本着各 架负荷均匀以取得最短轧制节奏的原则，合理分配各架轧机上的道次数。 2 1 4 分配各道次延伸系数 各道次延伸系数大小受很多因素的影响，不仅要考虑金属的塑性条件，还要考 虑咬入能力、轧辊强度、电机能力、孔型磨损以及成型条件等因素。实际生产经验 证明，上述各种因素通常是综合发生作用的。因此，延伸系数分配要根据具体情况 辩证考虑，统筹兼顾。一般延伸系数分配曲线如图i 所示： 1 3 塑j ! 里：! ：叁堂堡主堂堡堡苎 拓 撩 曼 制 鬟蓁錾蓁 、 赵 i2 34 5 n 轧制谨故顺序号 图1 延伸系数分配曲线圈 f i g 1d i s t r i b u t i n gc u r v eo l le l o n g a t i o nm o d u l u s 延伸系数分配的根据是： 1 轧制开始时，轧件温度较高，表面氧化铁皮较多，摩擦系数小，咬入困 难，此时延伸系数的分配主要考虑咬入条件的限制； 2 随着轧件表面氧化铁皮的脱落，咬入条件大为改善，此时应充分利用轧件 温度高、塑性好、变形抗力低的特点给以大变形： 3 最后几道为保证成品断面形状和尺寸的f 确性。减少孔型磨损，提高轧辊 使用寿命以及降低能耗应采用较小延伸系数。 各道次延伸系数确定之后要进行校核，看其乘积是否等于总延伸系数，如若不 等则需进行调整，使之相等。 2 1 5 检验与校核 通常校核内容有咬入条件、轧辊强度、电机负荷、轧件在孔型内的充满情况及 稳定性等f 纠。 2 2 万能轧机压下规程设计 2 2 i 压下规程设计原理 万能道次h 型钢的变形较其他道次复杂的多，因而其几何模型的建立也较繁 琐。与板带材轧制过程不同，由于h 型钢断面形状的特殊性和四辊孔型中金属变形 1 4 第2 章压f 规程殴计 的复杂性，h 型钢在力能轧机上进行轧制时，其腹板和翼缘间存在着很强的牵连作 用。主要表现在以下几个方面： 1 1 腹板和翼缘问的金属流动。 2 1 腹扳厚度的减薄和复原。 3 、腹板和翼缘内部存在的因力求获得相同延伸而产生的内部拉( 压) 应力。 4 1 翼缘宽度受腹板和翼缘压下率平衡与否的影响而产生的增大或减小。 5 ) 腹板和翼缘的压下率及轧制速度要保持适当比例，以保证变形的均匀性， 尽量减小或消除残余应力。 h 型钢万能轧制时，由于腹板和翼缘间存在着金属流动，所以翼缘的宽展也相 当复杂。在万能轧制的开始阶段，以翼缘压下为主，因此金属除纵向延伸外，亦产 生横向流动，即翼缘金属向腹板流动。在轧制后期，以腹板压下为主，从而一部分 金属由腹板流向翼缘。计算宽展的公式，多为计算轧制过程结束后由翼缘流向腹板 的金属量。影响宽展的因素很多，其中腹板和翼缘的压下率差是影响金属流动的主 要因素，另外还有入1 3 形状系数、腹扳和翼缘的宽度比、厚度比、摩擦系数、轧辊 直径、后张力等。翼缘宽展是h 型钢在万能道次轧制时，最主要的变形参数之一， 对翼缘宽展规律的掌握，直接影响压下规程的制定及对产品尺寸精度的控制。 万能孔型中的腰部道次压下系数n 可设计为5 3 0 ，其中成品万能孔型中腰 部压下系数n 为5 1 0 ，其他各道次可逐渐加大。为了保证轧件腰部不出现波浪， 在成品道次以及成品前1 3 个道次，边部压下系数应略大于腰部压下系数，即q m = n 。+ f o 5 ) 。在轧制顺序的前几个道次，由于轧件腰厚，同时由于轧制条件需要， 可适当采用n t l ”。因此，轧制过程可分为翼缘单独压 。下和翼缘与腰同时压下两个过程。将翼缘单独压下的部分称为i 区，把腰和翼缘同 时压下的部分称为i i 区。在i 区，翼缘压下，腰不受水平辊压下。但由于腰和翼缘 是一个整体，受翼缘压下的影响而引起纵向附加拉应力，使腰厚减薄。在i i 区，由 于腰压下率大于翼缘压下率，腰受翼缘延伸的约束，即受纵向压应力。轧后腰厚比 水平辊缝大，这种现象称为腰厚的恢复现象。 3 在i 区和l i 区，腰和翼缘的压下率不同，可是，由于腰和翼缘是作为一个 整体而延伸的，因此，压下率大的一方受纵向压应力，小的一方受纵向拉应力。纵 向拉压应力改变了轧制压力。所以，万能轧机孔型中轧制时力能参数的计算要充分 考虑纵向拉压应力对水平辊和立辊轧制压力的影响，绝不能单纯用板轧制时的压力 公式计算。 2 2 3 u 和e 孔型的设计 1 成品孔型 成品万能孔型的设计主要是确定h 型钢边部内侧间距，即u f 孔型水平辊宽度 w h t w h = ( i - i - - 2 0 1 0 1 2 - 1 0 1 4 5 式中： h h 型钢的高度，m m ； t h 型钢的边厚，m m 。 1 6 第2 章压下规程设计 2 万能孔型 成品万能孔型u f 以前的万能孔型的设计，实际上也是确定水平辊的宽度w ， 一殷取为： w = w h 6 即万能孔型的水平辊宽度w 与成品万能孔型u f 的水平辊宽度w h 相等。车修轧辊 之后，有可能w w h ，但应使w w h ，w h w 的差值可随所轧h 型钢的规格而 异，轧制小规格h 型钢时w h w 应小些；轧制大规格h 型钢时w h w 可大些， 尘产实践使用的w h w = 2 7 - 4 3 r a m 。 此外还有水平辊的侧壁斜度0 ，它应与立辊的锥度相等。成品前万能孔型的侧 壁斜度，以角度计0 = 彳6 ，以百分数计为8 1 0 5 。 若用多个万能孔型时，各万能孔型的宽w i _ w = w h 。 3 轧边孔型的设计 轧边孔型的水平辊宽度w e ，取之等于相对应的万能孔型水平辊宽度w ，即w e = w ，其侧壁斜度0e ，亦取为等于对应的万能孔型的侧壁斜度0 ，即0e = 0 。 为保i i e l 件边端质量，在轧边孔型的槽底斜面应与侧壁成9 0 - 角。 按棱边计的轧边孔型深度h e ，可用下式确定为： h e = h h 一6 一7 式中： h h 一成品热状态的最小边高，m m ； 6 一轧件腰部与水平辊之间的间隙，可取为3 - - 1 0 m m ： a 一边高的正公差，m m 。 在选取6 值时，应注意使轧边孔型的腰部在任何条件下，都不与轧件腰部接 触。为了避免水平辊与轧件腰部接触且有压下量时造成马达跳闸。有时将轧边孔型 的上下水平辊再多车去一些。 2 2 4u e 机组压下规程的制定 在制定u e 机组压下规程或轧制规程时，应使边部延伸系数u 与腰部延伸系数 p ，、边部压下系数n 。和腰部压下系数r ly 、边部压下率et 和腰部压下率ey 都保持 如下关系： ut uy ；1 1 t ny ；8t 6y 8 1 7 河北理j ：入学硕十学俄论文 这样，在确定出各道次的腰部压下量或压下系数或压下率之后，则可分别求出各道 次轧件腰部厚度，同时根据上述原则确定出各道次轧件边部厚度。 在轧边孔型或轧边道次中，轧件边部的压下量较小，由于仅轧制边端，若边部 压下量较大，会使边部压弯，因此压下量一般为5 m m 左右，或更小些。压下率约为 2 一4 。 轧件在u 孔型中轧制时，轧件的边高会有变化，a e 多尔任科夫提出如下公式 确定轧件边部在u 孔型中轧制时的增长量h u ： 式中 矗h t 一自然增长量： a h u = h i + a h e t h e l 一强迫增长量。 从u 道次到u 道次时，轧件边部的自然增长量h i 为 9 h i = 2 5 4 t ( t