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H 型钢计算机辅助孔型设计技术

摘要：结合实际介绍了目前国内外计算机辅助孔型设计的技术现状及发展。通过认识计算机辅助孔型设计的诸多显著特点和其在生产实际中发挥的重要作用， 指 明了孔型设计今后发展的主要方向。

关键词：孔型；计算机技术；辅助设计；发展

0. 引言

近些年来，随着计算机技术及轧制理论的不断发展，在轧钢领域出现了许多计算机辅助设计系统。其中尤以计算机辅助孔型设计( C o m p u t e r A i d e d Roll —pass Design，简称CARD) 发展最快，大大提高了孔型设计的速度。随着C

A R D技术的发展，各国研究者开始并致力于研究优化孔型设计的方法，以期充分利用C A R D的优点，并达到提高型钢轧制经济效益的目的。对于简单断面型钢的优化孔型设计，目前已取得一些成果。但是对复杂断面型材，由于L 型及轧件的变形复杂，优化孔型设计的工作还不太成熟，需要深人的研究引。

最早的孔型设计者很少甚至没有制图技术、数学方法以及轧制时金属在轧辊间的流动等方面的知识，在设计中他们只有完全依靠人工的个人技术，通过不断试验后才能达到产品所需要的断面尺寸要求。随着制图技术及数学建模的发展，设计人员通过对各种设计变量的分析，凭经验进行产品设计。由于轧制条件对生产过程影响很大，一次试轧成功率低，孔型修改量大，轧材成材率也较低。出现试错法以后，人们逐渐抛弃了经验法。随着计算机技术的进一步发展，计算机辅助设计(CAD)及计算机辅助工程相继出现，它们利用计算机的各种辅助功能进行设计及过程模拟、产品检验。这种技术可以解决试错法耗时、费力及其他众多因素造成的难以解决的问题，并且可以克服不能进行试验的困难。由试错法过渡CAD 、CAE ，对塑性加工业是一次重要的进步。根据世界各主要工业国家钢材品种构成可知，今后在我国的型材生产中，H 型钢将成为重点发展的品种。探讨并研究H 型钢孔型的优化设计，对我国未来的H 型钢生产和产业建设具有重要意义。

1. 计算机辅助孔型设计的技术状况及特点

1.1目前孔型设计的技术状况

孔型设计与轧制设备相关并随装备水平变化，在轧制工字钢、槽钢等带有凸缘的异形断面型钢时，采用二辊孔型只能用开、闭口孔型。这根本无法有效克服孔型横断面上各处变形程度不同，轧辊、动力消耗大，产品尺寸精度、轧制效率低等问题。由于万能轧机以及万能孔型的应用，使得这些问题迎刃而解，孔型设计工作变得较为简单了。例如，由孔型形状和轧件的变形条件所决定，孔型设计可以不计轧件宽展，工字钢的孔型设计类似于轧制板材的压下规程分配。在通常的生产实践中，为了提高产品的轧制尺寸精度，很多人往往只注意到改造设备，研制各种高刚度轧机和新控制技术。但实现型钢的高精度轧制，不仅仅取决于装

备水平，更重要的是取于轧件的变形条件和轧制工艺。

1.2 计算机辅助孔型设计的特点

计算机辅助设计自20世纪80年代初期应用于轧辊孔型设计，出现了计算机辅助于L 型设计系统，简称CAR 系统。由于其具有设计效率高 、可同时发挥计算机和人各自优势等优 越性，近年来在国内外得到较快发展。计算机辅助孔型设计技术的出现，是对孔型设计领域一次伟大的变革，这种技术具有以下明显的优点：( 1 )能够大大提高孔型设计的可靠性 。传统的孔型设计往往受到经验、理论及计算量的限制，对各种方案不能进行充分的研究、比较和判断。设计者本身也不能充分论证设计的合理性、可靠性和优越性。采用计算机孔型设计后，可以进行充分的研究、比较和判断，从而大大地增强了孔型设计的可靠性。( 2 )可以提高孔型设计的效率，缩短孔型设计周期，减少实际试轧次数。对于给定的产品尺寸、形状 和坯料规格，可以有多种孔型设计，但要从中选出最理想的一种，必须进行反复计算、分析和判断。用计算机完成上述任务则可以大大提高设计效率。( 3 )可以引进最优化方法，提高企业经济效益。采用最优方法，可以把最小能耗、最大轧机产量和轧辊磨损最均匀等作为追求的目标函数，通过CAR 系统做出最小能耗、最大轧机产量和轧辊磨损最均匀的最优孔型 设计，这是传统的孔型设计无法胜任的。由于设计时的各种指标达到了最优，轧制时轧辊消耗、电能消耗及轧机备品备件消耗最低，产品成材率最高。

2. CARD系统概况

计算机在轧钢生产技术方面的应用可以归纳为两个方面：一是自动化方面的工艺过程 及参数的控制与监测；二是技术决策方面的各种设计及改造。随着计算机技术的发展及其功能的日益完善，计算机不仅能完成快速、准确的庞大计算任务, 而且还具有了许多新的能力： 计算机的存贮功能使其获得了“记忆能力”；逻辑判断功能使它获得了“思维能力”；图形显示器又为图形显示和实时修改提供了有利条件；精密的自动绘图机又可把设计的最终结果直接输出为标准图纸。可以看出，计算机已不是单一高效的计算工具，而是越来越成为人们进行创造性活动的得力助手。孔型设计在H 型钢生产中十分重要，它关系到产品生产的产量、质量、消耗和工人的操作条件等。由于型钢产品品种不同，孔型系统不同，其计算机辅助孔型设计CARD 软件的功能各不相同。El 前这些CARD 软件基本上都是在windows 环境下，用Visual Basic高级语言进行源程序编程，用户使用软件设计时与正常孔型设计思路一样，区别只是大量的计算、判断、选择都由计算机完成，用户只需要操作鼠标输入必要 的原始数据，在关键时刻进行判断和选择即可。

2.1 CARD系统的几个发展阶段

20世纪70年代，国外就已经开展了计算机辅助孔型设计CARD 技术面的研究，国内的计算机辅助孔型设计于80年代开始。根据计算机运用的情况，这项技术的发展可以分为以下几个阶段：单一功能型CARD ；多功能型CARD ；多功能优化型CARD ；功能专家系统型C ARD。其中专家系统型是未来CAR 发展的主要方向。

2.2 CARD系统的组成形式和目前发展形式

根据孔型设计的特点和计算机的功能，CARD 系统应由一系列具有各种功能的模块或界面组 成。在设计过程中需要不断调用它们以便完成确定的设计任务。根据功能不同，可将所有模块分成三大部分：设计计算部分、人机交换部分和输

人输出部分。目前CARD 系统主要有三种形式：会话型、最优型和CAD ／CAM 联合型。此三种CAR 系统各自有不同的侧重点和适用情形，但无论哪种CARD 系统都要用到大量的数学模型，数学模型精度的高低直接影响到孔型设计的质量。

3. CARD软件的技术应用

3.1数学模型

1). 宽展模型2 ).轧制压力和力矩模型.3) 轧制温度模型.4) 能耗模型

3.2 优化方法简析

计算机辅助孔型设计(CARD)要实现孔型设计，系统所选取的目标函数应该较为简明、便于计算，能够反映孔型设计优化目标的本质并且便于计算机求解。只有选择了合理的数 学模型，才能实现能耗最小、相对生产率最高等一系列设计目标。影响最优化目标的因素是多方面的，并且有的因素影响较大，有的因素影响较小。为将生产过程的优化问题用数学模型来描述并便于计算，需要简化处理影响轧制过程的强弱因素，使相应的数学模型既能反映实际生产过程而且又易于求解。由于计算量对目标函数的确定及其结果的优化关系密切，所以在优化设计的过程中，应恰当确定设计常量的数目并尽量减少设计变量的数目，去粗取精，以使计算工作量减少从而实现数学模型的简化。我们常以节约轧制能耗为追求目标，应用最优化理论优化H 型钢万能轧制的压下规程，在满足产量、质量和设备能力等前提下采用相对等负荷的方法使总轧制能耗(轧制各道次功率之和) 最小，求出该目标函数的最优解，从而使生产在低能耗、低成本的条件下进行，进而得到优化的轧制规程。

4. CARD技术的进一步发展

当前由于轧制理论还很不成熟、很不完善 ，因此出现了很多描述金属变形、受力、运动状态参数的数学模型，不同的数学模型有不同的变形条件。因此，产品不同，孔型系统不同，设备条件不同，就要选用不同的数学模型，通常我们应取同类轧机孔型系统的实测值与理论计算值相对误差最小的数学模型作为辅助孔型设计的选定数学模型。从目前国内各型钢生产企业的使用效果来看，简单断面的CARD 系统比较成功，但异形断面型钢则不太成熟。

4 .1 建立孔型辅助设计应用程序库

一般情况下，孔型图和配辊图都是由直线和曲线组成的二维图形，利用CAD 技术就可以完成图形绘制。若想CARD 技术得到推广，应将金属压力加工的轧辊模具所需的理论计算公式、经验公式和图表曲线的有关计算等编制程序建立L 型辅助设计应用程序库，同时将各种轧制产品按标准规定的断面、几何尺寸以图形数据化形式存放于计算机中，需要时可以实现随时调用，图5给出了计算机辅助孔型设计的系统框图。

4.2 发展辅助加工一体化CAD/CAM联合系统

轧辊孔型计算机辅助设计的发展方向是计算机辅助加工，简称CAD ／CAM 联合系统。把计算机辅助设计的结果存入磁盘组，再通过计算机控制数控机车，以加工成轧辊的最终孔 型，或控制数控切割机或电火花加工电极用以加工孔型样板。这种CAD ／CAM 相结合的系统，从设计到制造无需通过图纸，就能组成一体化生产。

5. 结语

H 型钢孔型设计的成功与否主要是看它在实际生产中发挥的作用。采用合适的优化方法对复杂断面的H 型钢进行优化设计，可以提高产品SL~KJ的经济效益。为了使设计效果更加显著，需要有更精确地描述轧在于L 型中的变形规律和轧制力能参数的数学模型。运用CARD 技术进行H 型钢的孔型设计，只要孔型设计得理想，便可以得到符合有关标准的产品尺寸，保证产品的高精度、光洁的表面质量以及优良的力学性能；可以增大轧辊的共用性，减少停机时间，提高轧机的生产能力；可以使 轧件在各孔型或道次中尽可能地变形均匀，或则减少道次数，从而使电耗降低。另外通过改进 L 型设计，使得轧制稳定性提高，操作简单，中间轧废减少，不仅提高了轧机的作业率，还减少了金属损耗。可以看出，通过计算机辅助孔型设计不仅要获得所要求产品的断面形状、尺寸和性能，还要满足产品质量、轧机生产能力、金属消耗、能耗、产品成本和劳动条件等整个生产系统综合提高的要求，这是孔型设计今后发展的主要方向。

参考文献：

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