圆钢计算机辅助孔型设计程序系统

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1988.01.012 北京钢铁学院学报 第10卷第1期 Journal of Beijing University Vol,10 No.1 1988年1月 of Iron and Steel Technology Jan.i988 圆钢计算机铺助孔型设计程序系统 王萍庄心怡 王秀美鹿守理 (计莽机系) (压加系) 摘 要 本文介绍在M一150电子计算机和IBM一PC/XT微型机上建立的圆钢计算机辅助孔型 设计程序系统，详细介绍了该程序系统的特点及构成，各梳块的功能及模块功能的实现，同 时给出了该程序系统中使用的计算宽展、屈股应力，轧制力、力矩及轧制温度的模型。 关键词：计算机辅助孔型设计，圆钢孔型设计，孔型设计，轧辊孔型设计 The Program System for Computer Aided Rollpass Design of Round Bar Wang Ping Zhuang Xinyi Wang Xiumei Lu Shouli Abstract In this paper we present the Program System for Computer Aided Rollpass Design of round bar on Computer HITAC M-150 and IBM- PC/XT,The feature and structure of the Program System,each module's function and its realization are discussed in detail.At the same time presents the model for calculating the spread,flowstress,rolling force, moment and rolling temperature. Key Words:com puter aided rollpass design,round bar rollpass desi- gn,rollpass design,roll rollpass design 前 言 CARD(计算机辅助孔型设计)泉讣算机辅助设计(CAD)在孔型设计中的应用。 1987-05-06以偏 76

第 卷第 期 年 月 北 京 钢 铁 学 院 学 报 。 ， 叨 圆钢计算机辅助孔型设计程序系统 王 萍 庄 心 怡 计算机 系 王 秀美 鹿守理 压加系 丫 摘 要 本文介绍在 一 。 电子计算机和 一 微型机上建立的 圆钢计算机辅助孔型 设计程序系统 。 详细介绍了该程序系统的特点及构成 ，各模块的功能及模块功能的实现 。 同 时给出了该程序系统中使用的计算宽展 ， 屈 服应力 、 轧制力 力矩及轧制温度的模型 。 关键词 计算机辅助孔型设计 ，圆钢孔型设计 ，孔型设计 ，轧辊孔型设计 不 夕 ” “ 夕 路少 班 ’ 阴 “ 自 了 一 ， 了 ， ‘ 皿 ， ， ， 了 ， · ， ， 目 前 ︷口 计算 机辅 助孔 烈设计 是 计算机辅助 设计 在孔型 设计 中的应用 一 一 收 稿 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1988．01．012

它具有设计迅速，结果准确性和重复性高，可进行复杂的计算和优化设计等优点。 CARD的应用使孔型设计建立在更科学的基础上，从而摆脱主要靠设计者经验的状态。 近年来，国外已将CARD应用于轧钢厂的孔型设计，甚至还可将设计结果直接给到 数控轧辊车床，控制轧辊加工(CAD/CAM),提高了车削孔型的准确性。 我国近年来也开始了这方面的技术研究。我们研究的圆钢计算机辅助孔型设计程序 系统既能设计新孔型，又能对已有孔型进行验算。在设计新孔型时既可按延伸系数求出 轧件尺寸，再确定孔型尺寸；又可预先给定孔型尺寸，验算轧件尺寸，再修改孔型尺 寸。在计算中既用精确的理论公式，又用经验公式进行对比。此外，由于采用人一机对 话方式，可将设计人员的经验灵活的引入设计过程，设计人员可随时修改设计结果。在 目前孔型设计理论发展的水平还不能使孔型设计完全脱离设计者的经验的情况下，这一 特点对设计结果的适用性就显得特别重要。 11 圆钢CARD程序系统的构成 圆钢CARD程序系统由主程序模块，设计计算和验算模块以及绘图模块三大部分组 成。 1.1模块功能简介 (1)主程序模块。在孔型设计过程中，用户根据不同的设计需要，来选择不同的 公式进行各道次参数的设计计算。主程序模块的基本功能就是要按照用户的意志控制整 个设计过程。因此在主程序中编排了多层提示，设置了若干个标志位，不仅可以灵活选择 设计方法，孔型种类，还可以随时变更、中断设计过程。最后，在完成孔型设计，得 Star四 To give the size of billet and finished produets To give the N (total number of pess)or um (mean coefficient of elongation) To give N To give To calculateμm To cslculete N N K<N To calculate the coefficient of To design esicuiat deformation,resistanee to and chec.、 deformation rolling foree,moment, power,temperature of ber Output total result☑ End 图1主程序流程图 Fig.1 Flowchart of main program module 77

它具有设计迅速 ， 结果准确性和重 复性高 ， 可进行复杂的计 算 和 优 化 设 计 等 优 点 。 的应用 使孔型设计建立在更科学的基础上 ， 从而摆脱主要靠设计 者经验的状态 。 近年来 ， 国外 已将 应用于轧钢厂的孔型设计 ， 甚至还可将设计结果直接给到 数控轧辊车床 ， 控制轧辊加 工 ， 提高 了车削孔型的准确性 。 我 国近年来也开始了这方面的技术研究 。 我们研究的圆钢计算机辅助 孔型设计程序 系统既能设计新孔型 ， 又 能对 已 有孔型进行验算 。 在设计新孔型时既 可按延 伸系数求 出 轧件尺寸 ， 再确 定孔型尺寸 又可预先给定孔型尺寸 ， 验算轧 件尺寸 ， 再修 改 孔 型 尺 寸 。 在计算中既用 精确的理论公式 ， 又用经 验公式进行对比 。 此外 ， 由于采用 人 一 机 对 话方式 ， 可 将设计人员的经验 灵活 的 引入设计过程 ， 设计人 员可随时修改设计结果 。 在 目前孔型设计理论发展的水平还不能使孔 型设计完全脱离设计 者的经 验的 情况下 ， 这一 特 点对设计结果的适用 性就显得特别重要 。 圆钢 程序系统的构成 圆钢 程序系统 由主程序模块 ， 设计计算和 验算模块以 及绘 图模块三大部分组 成 。 飞 。 模块功 能简介 主程 序模块 。 在 孔型设计过程 中 ， 用 户 根据不 同 的设计需要 ， 来选择不 同的 公式进行各道次参数的设计计算 。 主程序模块的 基本功能就是要按照用 户 的意志控制整 个设计过程 。 因此在主程序 中编 排了多层提示 ， 设置 了若干个标志位 ， 不 仅可 以灵活选择 设计方法 ， 孔型种类 ， 还可以随时变更 、 中断设 计 过 程 。 最后 ， 在完成孔型设计 ， 得 了 纽 匕 竺生 一今一 里 炭 八 只 屯 图 主程序流程图 、犷。 口

出各道次的孔型尺寸及相应参数后，还要计算变形系数、变形抗力、轧制压力、力矩、 功率和轧件温度等，并打印输出全部设计结果。此外，主程序模块还有一个非常重要的 功能，就是要完成各程序之间的信息传递。考虑到节省内存空间，提高程序效率，结合 本程序系统具体情况，采用数据公用区和虚实参数的结合两种方法完成数据传递。（主 程序模块流程图见图1) (2)设计计算和验算模块。设计计算和验算模块完成孔型几何尺寸的计算和轧制 条件的验算。根据轧机参数及坯料，成品尺寸，计算出各道孔型的几何尺寸、变形系数 及轧件尺寸，验算咬入条件和轧件在孔型中的稳定性，根据需要可随时对孔型尺寸进行 修改。此外，为完成上述功能，该模块还可以随时向用户显示各项参数的计算结果。由 于目前的孔型设计工作，还不能完全摆脱靠经验来指导设计的状况，因而在设计计算和 验算模块中，也为用户提供了使用经验参数的方便，用户可根据程序系统的提示，要求 改变某些参数，或以经验参数代入，经计算和验算后，也可将结果显示，供用户比较。 简而言之，设计计算和验算模块根据CARD的模型进行大量的复杂的数据计算，同时为 绘图模块提供所需的几何尺寸，见图2。 Start Breakdown Finishing pass Seleet pass To give To give rollpass the size of the size J>N intermediate of billet To calculate'the set billet End caliber size Y To give To give N the K+2 size N-J size To check the spread To give the coefficient of To.calculate To check the elongation K+1 size spread bite rolling diameter modify Y To give and stability the caliber Ithe size experientizl To check coeffleient ze？ the bite To of spread N modify the To check 、caliber the bite To To calculate modify YfTo give s82 N-J size the caliber the size Y size? To To give To check the modify the the size spread bite N caliber and stability size？ K-K+2 To give N the sizel modify thg ealiber To calculate the coefficient of deformation, J=J+1 fo check the stability, IKEN-2 End To tilting To mod:·the wide and hign a ober size 图2设计计算和验算摸块流程图 Fig.2 Flowchart of calculation and examination module 78

出各道次的孔型尺寸及相应参数后 ， 还 要计算变形系数 、 变形 抗力 、 轧制压力 、 力矩 、 功率和轧 件温度 等 ， 并打 印输 出全部设计结果 。 此外 ， 主程序模块还有一个非常重要的 功能 ， 就是要完成各程 序之间的 信息传递 。 考虑到韦省内存空 间 ， 提高程序效率 ， 结合 本程序系统具体情况 ， 采用数据公用 区和虚实参数的结合两种方法完成数据传递 。 主 程序模块流程图见图 设计计算和验算模块 。 设计计算和验算模块完成孔型几 何尺寸的计算和轧制 条件的验算 。 根据轧机参数及坯料 ， 成 品尺寸 ， 计算 出各道孔型的 几何尺寸 、 变形系 数 及轧件尺寸 ， 验算咬人条 件和轧件在孔型中的稳定性 ， 根据需要可随时对孔型尺寸进行 修改 。 此外 ， 为完成上述功能 ， 该 模块还可 以随时 向用 户显示各项参数的计算结果 。 由 于 目前 的 孔型设计 工作 ， 还不 能完 全 摆脱靠经 验来指导设计的 状况 ， 因而在设计计算和 验算模块中 ， 也为用 户提供 了使用经 验参数的方便 ， 用户可 根据程序系统 的提示 ， 要求 改变某些参数 ， 或以经验参数代入 ， 经计算和验算后 ， 也可 将结果显示 ， 供用 户 比较 。 简而 言之 ， 设计计算和验算模块根据 的模型进行大量 的 复杂 的数据计算 ， 同时为 绘 图模块提供所需的 几何尺寸 ， 见 图 。 乙 为 工 比甲卜坪 。 几 · 册 叹 定 尸 几 土 飞 引母 宜 一 又 认 岸说忠 ‘ ‘ 之 匕之 〔 块 二 ， 二 一 ， ， ︸ 图 设计计算和 验算模块流程 图 皿 运 友

(8)绘图模块。绘图模块不仅能绘制标注尺寸的孔型图，还能绘制出轧件断面图， 以及轧件与孔型的重迭图形。每一种孔型用一个子程序来绘制，在子程序中设定了标志 位，根据此标志位的值来抉定绘制哪一种图形。如果用户需要对图形进行修改，可根据 系统提示，重新给出几何尺寸或重新计算几何尺寸。 1.2模块功能的实现 圆钢CARD程序设计系统已先后在M-150电子计算机和IBM一PC/XT微型机上运 行。 在M-150电子计算机系统中，由于系统提供了绘图程序包(GPSL)为绘制图形提 供了便利，另配有高分辨率图形终端及滚筒式X一Y绘图仪，绘制出的图形较一般微机 绘出的图形更精确请晰。CARD系统作成时，利用M-150机VOS2操作系统应用程序及 命令过程，为TSS用户分配对话工作区，使VOS2之下的本身不带有对话功能的扩充 FORTRAN语言实现了对话功能。M-150电子计算机系统存贮容量大，运算速度较快， 在进行复杂断面的设计时，更具有优越性。图3说明了M-150机CARD的环境系统。 在IBM一PC/XT微机系统中，使用FORTRAN77语言及绘图仪绘图命令编制程序 系统。该系统具有使用方便，易于推广，汉宁对话等明显优点。 Stars TSS terminal Open TSS user library cell CARD Start TSS man-machine interaction partition Run CARD Main program module Printer Mathematical Calculate end Graphie terminal subprogram check module Plot module X-Y Plotter library Graphic plotting Subprogram library Graphic-copy device 图3M一150电子计算机CARD的系统环境 Fig,3 The systemic constitution of CARD in M-150 Computer 2 圆钢CARD程序系统中的模型 2.1宽展模型 宽展模型的精确程度对设计出的孔型能否轧制出所要求的轧件十分重要。根据实验 验证，在用等宽度的等效矩形断面，并进行逐步逼近计算的条件下，Wusatowski宽展模 型有很高的精确性1)。因此，我们选用该模型计算轧件宽度。该模型为 B:=41-W 或者B:=入：w1 79

绘图模块 。 绘图模块不仅能绘制标注尺寸 的孔型 图 ，还能绘制 出轧件断面图 ， 以 及轧件与孔型的重迭图形 。 每一种 孔型用一 个子程序来绘制 ， 在子程序中设定了标志 位 ， 根据此标志位的值来决 定绘制哪一种 图形 。 如果用户 需要对图形进行修改 ， 可 根据 系统提孔 重新给 出几何尺寸或重 新计算几 何尺寸 。 。 模块功能的 实现 圆钢 程序设计系统 已先后在 一 电子计算机和 一 微型机 上 运 行 。 在 一 电子计算机系统 中 ， 由于系统提供 了绘 图程序包 为绘制 图形 提 供 了便利 ， 另配 有高分辨率图形终端及滚筒式 一 绘 图 仪 ， 绘制 出的图形 较一般 微 机 绘 出的 图形 更精 确清晰 。 系统 作成时 ， 利 用 一 机 操 作系统应用 程序及 命令过程 ， 为 用 户 分配对话工作 区 ， 使 之下的 本身不带有对话功能 的 扩 充 语 言实现 了对话功能 。 一 电子计算机系统存贮容量大 ， 运算速度较快 ， 在进行复杂断面的设 计时 ， 更具有优 越性 。 图 说 明 了 一 机 的环境系统 。 在 一 微机系统 中 ， 使用 语言及绘 图 仪绘图命令编制程序 系统 。 该 系统具有使用方便 ， 易于推广 ， 汉宁对话等 明显优 点 。 日 图 一 电子计算机 的系统环境 日 人 一 圆钢 程序系统中的模型 宽展模型 宽展模型的精确程度对设计 出的孔型能否轧制 出所要求的轧件十分重要 。 根据实验 验证 ， 在用等宽度的等效矩形 断面 ， 并进行逐步逼近计算的条 件下 ， 宽展模 型有很高的精确性〔 〕 。 因此 ， 我们选用 该模型计算轧 件宽度 。 该模型为 刀 二 。 一 ， 或者 日 久 一 ’

w=-1268C}(D)0.56 式中 B:=621,相对宽展系数： “11，延伸系数 :11,压下系数，i、6、轧件商、宽、长度 hi hm、bm,等效矩形断面高和宽；Da,轧辊工作直径 2,2屈服应力模型 屈服应力是计算力能参数的基础。下面计算式选自文献〔2)。 Ki=K.eto.ma.om3.em 式中：K、m1、m:、ms、m.皆为常数，由钢的成分而定。 日一变形温度，℃，p一变形程度 p一变形速率 2.3轧制力、力矩、功率模型 轧制力按下式计算(2)： Fp=6m1dmKImQ1Q 系数Q按Lippmann和Mahrenholtz(3)式计算： him·arctg Q,=2~√hm-h1m hm=h▣-1+√H: R him him N hom-him .In vhim/hon 1-hem-h1m(1-) hom cael{合√腰na BN=√h,m-hm hom-him .号arctg√h1m hom Ra一轧辊工作半径 系数Qx按Nakajimac4为： Qx=- 0.644 0（0)2 =：,（A为轧件面积) 轧制力矩计算式为： Mate=2F。~lam'm 式中，m为力臂系统，取m=0.5 轧制功率计算式为： P=Mag。.W 式中，W为轧辊角速度 2.4温度模型 轧件温度受变形热、幅射、传导和对流的传热方式的影响。在热轧时，对流散热可 以忽略不计。 由变形功而产生的升温为： 80

班 一 。 。 一 一 了鱼 贝 立二些匕 、 · 、 式 中 日 一 乙 一 ， 一 人 一 ， 相对宽展 系数 “ 、 二 一 延伸系数 压下 系数 、 、 ， 轧 件高 、 宽 、 长度 、 侃 ， 等 效矩形断面高和 宽 。 ， 轧辊工作直径 屈 服应力模型 屈服应力是计算力 能参数的基础 。 下面计算式选 自文献〔 〕 。 二 · ， 气 甲 · 印 。 · 气 甲 式 中 、 。 ， 、 。 、 。 、 ‘ 皆为常数 ， 由钢的成分而定 。 一变形温度 ， ℃ 甲一变形程度 甲一变形速率 轧制力 、 力矩 、 功 率模型 轧制力按下式计算〔 〕 ， 二 一 二 · 尤 ， · · 、 系数 按 二 和 〔 〕式计算 。 · 了 。 一 ，。 丫 二 一 ， ， 飞 ‘ 了一面丁 － ， ， 丫 ，。 。 口 一 二 · 了 二 。 二 。 二 一 。一 了 。 二 一 日各 。 一 、 万粤 ‘ 腆碧 ， 乙 甲 逮亡 华几 李 。 八 乙 。 。 一 二 恻 二 。 一轧辊工作半径 系数 ‘ 按 〔 〕为 ￡ 。 · 、 二 瑞于 ， 、 轧件面积 ’ 七一力八呼 任一月 一功任月 轧制力 矩计算式为 。 。 二 · 扩 式 中 ， 。 为 力臂系统 ， 取。 轧制功率计算式为 尸 。 。 。 式 中 ， 砰 为轧辊 角速度 。 温度模型 轧 件温度受 变形热 、 幅射 、 传导和对流 的传 热方式的影响 。 在热轧 时 ， 对流散热可 以 忽略不计 。 由变形功而产生的升温为

△0.=mpy= F。甲x c·p bm"lam'cp 式中，Kw一变形抗力：Pv一等效变形程度 c、p一轧件比热和密度 由幅射散热而产生的温降为： △0，=- ·A、Csf(00)-（00)↓ 机·C 式中， ε一幅射系数；As一幅射面积，m2 Cs一幅射常数，J/s·m2.K4,T。一轧件平均温度，K T。一环境温度，K,C一比热，J/kg·K t一幅射时间，s,当t>3s时，应分段计算。 由轧件和轧辊接触时的传导散热发生的温度为： △9，=K·（0s-0m)2Am1 mC·Vg 式中，日s一轧件中心温度；0m一轧辊中心温度， V一轧制速度；1一轧件长度； K一热传导系数。 3结束语 在M-150电子计算机和IBM一PC/XT微型机上建立了圆钢计算辅助孔型设计程序 系统。它可以计算轧件及孔型几何尺寸，变形系数，验算咬入条件，轧件在孔型中的稳定 性；计算各道轧件温度、轧制力、力矩和功率等。采用人一机对话方式，可将设计人员 的经验引入设计过程，并随时修改设计结果。该系统设计迅速，计算精确度高，使用方 便。 该系统投人运行后，将设计结果与现厂实用孔型进行对比，证明设计结果可靠。设 计一套孔型包括验算及绘出各种孔型图，仅需30min。 参考文献 (1)Wusatowski,Z.:Fundamentals of Rolling,Pergamon Press, Oxford ,1969 [2 Mauk,P.J.:Rechneruntertutztes Kalibrieren,Diss.an IBF der RWTH Aachen,1983 [3 Lippmann,H.,Mahrenholtz,O.:Plastomechanik der Umformu ng metallischer Werkstoffe,Springer-Verlag,Berlin,1967 [4 Nakajima,K.,Naoi,H.,Wotanabe,K.:ICSTIS,and Trans.ISIJ, Vo1.11,1971 〔5)HITAC VOS2概说，昭和54年10月，8080-3-001-50 〔6〕M-160H通用图形输出程序集GPSL,水利水电科学研究院 〔7〕671-20绘图机使用说明 81

。 甲 乙之 一 － 勺卜 甲 ， 。 · · · 式 中 ， 尤 一 变形抗力 甲 一等效变形程 度 、 一轧 件 比热和密度 由幅射散热而产生 的温降为 。 · 、 一 △ 。 。 力 式 中 ， 。 一幅射系 数 月 一幅射面积 ， 。 “ 、 一 幅射常数 ， · “ · 。 一轧 件平均温度 ， 一 环境温度 ， 一比热 ， · 一 幅射时 间 ， ， 当 时 ， 应分段计算 。 由车 件和 轧辊接触时 的传 导 散热 发生 的温度 为 △ · 一 叽 · 。 · 式 中 ， ，一轧 件 中心 温度 一轧 制速度 一热传导 系数 。 。 · · 犷 一轧辊 中心 温度 一轧 件长度 结 束 语 在 一 电子计算机和 一 微型机上建立 了圆钢计算辅 助 孔型设 计 程序 系统 。 它可 以计算轧 件及孔型几 何尺寸 ， 变形 系数 ， 验算 咬人条件 ， 轧 件在孔型 中的稳定 性 计算各道轧 件温度 、 轧制力 、 力矩 和功率等 。 采 用人一机对话方式 ， 可 将设计 人员 的经 验引入设计 过程 ，并随时修改设计结果 。 该 系统设计迅速 ， 计算精确度 高 ， 使 用 方 便 。 该 系统投 入运行 后 ， 将设计结果与 现厂实用 孔 型进行对 比 ， 证 明设计结果可 靠 。 设 计一套孔型包括 验算 及绘 出各 种孔型 图 ， 仅需 。 参 考 文 献 〔 〕 ， ” ， ， ， 〔 〕 ， 君 尤 ， 。 ， 〔 〕 ， ， ， 寿 ， 不 ， 一 ， ， 〔 〕 ， ， ， ， ， ， ， ， 。 ， 〔 〕 概说 ， 昭和 年 月 ， 一 一 一 〔 〕 一 通用 图形输 出程序集 ， 水 利水 电科 学研究 院 〔 〕 绘图机使用说 明