基于響應面法的蓄能器殼體工藝優(yōu)化

宋志遠， 劉淑梅， 莫壯壯， 趙 毅

(上海工程技術大學 材料工程學院， 上海 201620)

蓄能器是液壓氣動系統(tǒng)中的一種能量儲蓄裝置，蓄能器殼體作為蓄能器保護裝置，承受較大的壓力。但在蓄能器殼體冷擠壓工藝中，蓄能器殼體端部存在填充不滿以及表面質(zhì)量較差等缺陷。究其原因，是由于殼體在冷擠壓過程中凹模入模角度與凸模的下壓速度不合理，導致金屬在冷擠壓成型過程中流動不均勻，嚴重影響了殼體表面質(zhì)量。該蓄能殼體采用冷擠壓與溫擠壓結(jié)合的方式，第1步為反擠壓制胚工藝，第2步為正擠壓減徑工藝。

溫擠壓成型是一種精進成型工藝方法，較之于冷擠壓，溫擠壓降低了單位成型壓力，延長了模具壽命，提高了金屬的流動性。目前，國內(nèi)外學者已經(jīng)對各種類型的蓄能器殼體的成型工藝及應力應變做了大量研究。牛亞平等[3]對囊式蓄能殼體進行靜力強度可靠性分析并將蓄能殼體的失效率降低到10-10。仇丹丹等[4]針對汽車蓄能器殼體冷擠壓工藝進行工藝參數(shù)優(yōu)化。王星星等[6]對動壓襯套冷擠壓工藝進行了設計及優(yōu)化。課題組采用響應面分析法和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法來提高蓄能器的成型質(zhì)量，并以降低成型載荷、提高表面質(zhì)量為目標，對蓄能殼體擠壓工藝參數(shù)進行優(yōu)化設計；通過響應面模型和非線性擬合對模擬結(jié)果進行分析，得到了最佳的工藝參數(shù)。

1 零件結(jié)構(gòu)及成型工藝設計

蓄能器材料選用的35號鋼是一種中碳鋼，具有良好的韌性和塑性，鍛造、焊接和冷沖壓性能良好，冷變形塑性高。其力學性能：抗拉強度≥530 MPa，屈服強度≥315 MPa，斷面收縮率ψ≥45%。采用UG三維軟件進行建模，蓄能殼體模型及幾何尺寸參數(shù)如圖1所示。

該蓄能器殼體外形尺寸居中，成型精度較高、結(jié)構(gòu)緊湊復雜、殼體結(jié)構(gòu)變化較多。根據(jù)零件的外形特點及擠壓成型工藝特性，考慮了3種成型方案。

方案Ⅰ：一次復合擠壓成型；

方案Ⅱ：復合擠壓-正擠壓成型-車削加工；

方案Ⅲ：冷擠壓反擠制胚-溫擠壓正擠成型。

其中方案Ⅰ在理論上是可行的，但經(jīng)DEFORM模擬之后，由于其變形量過大，金屬流動極度不均勻，導致單位擠壓力過大而破壞模具，對模具的強度剛度要求更高，所以方案Ⅰ不滿足實際生產(chǎn)的要求。方案Ⅱ中切削加工工藝雖然保證了零件的尺寸精度，但是破壞了金屬流線的連續(xù)性，嚴重影響了蓄能器殼體的力學性能。圖1(a)和圖1(b)為方案Ⅲ的反擠壓與正擠壓的設計圖，其中在零件中產(chǎn)生的皺紋是由于在反擠壓過程中，凹模用于外凸緣成型的上下圓角以及凸模的下壓速度過大，使得在正擠壓過程中的表面磨損過大，金屬流動不均勻?qū)е隆?/p>

2 有限元模型及響應面模型的建立

2.1 有限元模型的建立

使用三維建模軟件進行模具結(jié)構(gòu)的設計可以縮短研發(fā)周期，節(jié)約企業(yè)成本。課題組在UG中建立3D模型，轉(zhuǎn)化成STL格式后導入DEFORM軟件中進行有限元模擬。在冷擠壓成型的過程中，金屬的變形包括塑性和彈性變形。由于彈性變形量遠遠小于塑性變形量，所以在DEFORM中使用剛塑性有限元模型進行模擬，簡化模型復雜度以減少計算量。

2.2 設計變量篩選

本次研究采用響應面法和DEFORM軟件數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，消除由于金屬流動不均勻產(chǎn)生的皺紋，確定工藝參數(shù)的最佳方案。其中，模具材料設置為剛性體，選用剪切摩擦類型，反擠壓工序摩擦因數(shù)設置為0.12，正擠壓工序摩擦因數(shù)為0.25，熱傳導系數(shù)設置為0.000 3，并選用Archard磨損模型[10]。

蓄能殼體在生產(chǎn)過程中，成型溫度是溫擠壓成功的重要因素，選擇材料塑性好、變形阻力低的溫度范圍對于獲得好的成型質(zhì)量至關重要。根據(jù)35號鋼的材料性能與設備能力，初定蓄能殼體溫擠壓的溫度為800 ℃左右；合理模具溫度能夠延長模具壽命，并能減小與坯料的溫度差防止溫度應力的產(chǎn)生；液壓機的下壓速度對成型質(zhì)量有很大的影響，擠壓速度與金屬流動的速度相關性很大，當擠壓速度過大時，可以獲得較高的金屬流速；高流速使得摩擦因數(shù)降低，金屬的慣性增加，并且高流速使熱效應突出，快速成型使得金屬溫度流失減小，更有利于保持金屬的塑形。故文中選取的設計變量為坯料溫度A、模具預熱溫度B及液壓機機下壓速度C，優(yōu)化目標為最終成型載荷R1，設計變量因素水平數(shù)如表1所示。

表1 溫擠壓水平因素表

根據(jù)試模經(jīng)驗,當坯料溫度為750 ℃、模具預熱溫度為300 ℃時，液壓機下壓速度為20 mm/s時，溫擠壓成型載荷為106 kN。

響應面分析法通常有響應面中心組合設計法(central composite design, CCD)和Box Behnken(BBD)2種實驗設計方法。其中BBD響應面法適合于因素不超過3個，水平較少的實驗設計情況;CCD響應面法適合多因素多水平的情況并且有連續(xù)變量存在的情況。故課題組采用CCD響應面法設計3因素2水平的實驗，將實驗參數(shù)范圍輸入Design-Expert軟件，生成CCD響應面實驗表。實驗方案及其對應的響應目標如表2所示。

表2 實驗方案及其響應目標

3 響應面模型的擬合與分析

3.1 響應面模型的擬合

基于表2所示的模擬響應結(jié)果，采用線性回歸的方法建立溫擠壓成型載荷與工藝參數(shù)坯料溫度、模具預熱溫度及液壓機下壓速度之間的回歸模型：

R1=101.65-4.93×A+0.13×B+2.49×C+1.43×AB-2.82×AC-2.37×BC+1.91×A2+2.37×B2-1.46C2。

圖2所示為響應模型的線性預測結(jié)果和真實值離散點離散對比圖。根據(jù)響應模型對響應目標R1的擬合程度，可用真實值離散點與預測值之間的擬合程度來判斷。由圖2可知，預測值與模擬值大致一致，由此證明，該回歸模型的準確度較高。

3.2 響應曲面分析

為了更加直觀地表示各因素與響應目標之間的關系，利用三維曲面圖進一步分析各因素對溫擠壓成型載荷的影響，同時利用方差分析法驗證模型的精度和顯著性。

圖3所示為成型載荷與設計變量之間的關系。由圖3(a)可知，當下壓速度為定值時，隨著初始坯料溫度的升高溫擠壓成型載荷在逐漸下降；當初始坯料溫度達到850 ℃時，成型載荷最低約為102 kN。由圖3(b)可知，當坯料初始溫度為定值，隨模具預熱溫度的升高，成型載荷先降低后升高；隨液壓機下壓速度升高，成型載荷總體呈現(xiàn)上升的趨勢，在成型過程中略有起伏。當模具預熱溫度為300 ℃,液壓機下壓的速度區(qū)中偏高值時，成型載荷最低。

表3 成型載荷的方差分析

基于響應面的優(yōu)化結(jié)果對得出的設計參數(shù)進行非線性優(yōu)化，找出最佳的工藝參數(shù)組合。對于優(yōu)化設計參數(shù)目標分別為坯料加熱溫度A、模具預熱溫度B、液壓機下壓速度C。表4所示為響應面優(yōu)化水平值，對應的最優(yōu)設計變量的組合如表5所示。

表4 非線性算法優(yōu)化條件

表5 最優(yōu)設計變量取值

4 優(yōu)化后的數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖4所示為由響應面作為最佳參數(shù)進行模擬所得到的成型載荷曲線。由圖可知，將第2道工序由冷擠壓改為溫擠壓，工件的成型載荷降低約9.4%，金屬的流動性增加。經(jīng)過優(yōu)化過后，在溫擠壓成型過程中的載荷保持相對的平穩(wěn)，說明金屬流動速度均勻，填充情況良好，由此保證了蓄能殼體的表面質(zhì)量。

5 工藝實驗驗證

為了驗證平衡軸優(yōu)化結(jié)果的準確性，對優(yōu)化設計實驗得出的最優(yōu)結(jié)果進行實驗驗證，將高57 mm,直徑83 mm的坯料在500 T液壓機上進行驗證。圖5(a)所示為在工藝改進之前的結(jié)果，頭部尾部由于流動不均勻的產(chǎn)生表面缺陷，嚴重影響蓄能器殼體的力學性能。圖5(b)為改進工藝并進行優(yōu)化之后的結(jié)果，由圖可知，由于第2步工序采用了溫擠壓減徑，減小成型的變形抗力，提高了金屬的流動性。頭部產(chǎn)生的折疊凹痕消失，尾部皺紋減少，提高了成型的質(zhì)量。

6 結(jié)語

課題組對原有的工藝方案進行改進，將原工藝冷擠壓減徑改為溫擠壓減徑,并針對新工藝方案設計了響應面優(yōu)化實驗，結(jié)合實際的工藝條件，選取了坯料加熱溫度、模具預熱溫度以及液壓機下壓速度作為優(yōu)化變量，最終成型載荷作為響應目標R1，結(jié)合DEFORM進行數(shù)值模擬。得到了各個變量因素共同作用的響應模型，通過對該響應面分析，找到了最優(yōu)的參數(shù)組合,即坯料加熱溫度為792 ℃、模具預熱溫度為292 ℃、液壓機下壓速度為18 mm/s。再次運用DEFORM數(shù)值模擬軟件對響應面模型得出的最佳參數(shù)組合進行模擬驗證，結(jié)果表明優(yōu)化后的載荷比優(yōu)化前降低了9.4%。將響應面法所得到的最優(yōu)參數(shù)應用于實際生產(chǎn)驗證，使用的設備為500 T液壓機。最終獲得了合格零件，并且成型載荷大大減小，達到了期望的目標，對實際的同類型零件有一定的參考意義。