基于響應(yīng)面法的空調(diào)壓縮機(jī)斜盤工藝優(yōu)化

文/黃廣，閔忻龍，馬成昊，王海寧，毛加勉，甘國強(qiáng)·合肥工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(S202010359038)

汽車空調(diào)壓縮機(jī)是汽車制冷系統(tǒng)的心臟，其中斜盤式壓縮機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、壓縮性能良好、體積小巧、運(yùn)行平穩(wěn)、易于加工制造等優(yōu)勢(shì)。斜盤是斜盤式壓縮機(jī)的核心部件，鑒于其長(zhǎng)期高速運(yùn)轉(zhuǎn)以及受摩擦產(chǎn)生的高溫，對(duì)其耐磨性、強(qiáng)度及硬度等力學(xué)性能具有很高的要求。傳統(tǒng)變形工藝制造的零件存在著整體強(qiáng)度不高、易變形等缺點(diǎn)。由于熱模鍛成形有模膛引導(dǎo)金屬的流動(dòng)，鍛件內(nèi)部的鍛造流線按鍛件輪廓分布，從而提高了零件的力學(xué)性能和使用壽命，操作簡(jiǎn)單實(shí)用，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，生產(chǎn)效率高。

本文采用響應(yīng)面分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，以降低成形載荷、提高材料利用率為目標(biāo)，對(duì)斜盤成形工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過響應(yīng)面模型和非線性擬合對(duì)模型結(jié)果進(jìn)行分析，得到了最佳的工藝參數(shù)，以期提高斜盤的成形質(zhì)量。

為解決斜盤在成形過程中存在的成形載荷高、材料利用率低等缺點(diǎn)，本文提出采用熱模鍛成形工藝方案，開展了多目標(biāo)下不同工藝參數(shù)的模擬研究。通過響應(yīng)面優(yōu)化法對(duì)熱模鍛成形過程進(jìn)行試驗(yàn)分析，找到最佳的工藝參數(shù)。利用Deform-3D 軟件對(duì)最優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，得到了噸位低、材料利用率高的成形工藝方案，對(duì)相同類型零件的實(shí)際生產(chǎn)過程具有一定的參考價(jià)值。

斜盤及其模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

斜盤鍛件設(shè)計(jì)

圖1 斜盤零件圖

由于鋁合金密度低，與目前的轎車輕量化發(fā)展趨勢(shì)相符合，是制造斜盤類零件的熱門材料，本文選用的A390 過共晶鋁合金，其有優(yōu)異的力學(xué)性能、耐磨性和良好的尺寸穩(wěn)定性。圖1 為斜盤零件尺寸圖，由于零件形狀較為規(guī)則，因此僅需一次加工成形。采用UG 三維軟件進(jìn)行建模，針對(duì)研究目標(biāo)件尺寸，通過鍛件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，單邊加工余量為1mm，獲得斜盤鍛件的三維模型如圖2 所示，其中圖2(b)A 區(qū)域的充填過程對(duì)鍛件成形質(zhì)量具有重要影響。

圖2 斜盤鍛件幾何模型圖

鍛造模具設(shè)計(jì)

基于圖2 斜盤鍛件模型，通過布爾運(yùn)算得到了模具型腔的形狀和尺寸。考慮實(shí)際成形過程中坯料穩(wěn)定放置，設(shè)計(jì)方案一成形簡(jiǎn)易模具及相應(yīng)坯料如圖3(a)所示。該方案中，坯料為φ74mm×13mm 的斜切圓柱，角度為20.5°。

圖3 模具裝配圖

通過初步模擬分析，發(fā)現(xiàn)在成形后期，由于上沖頭向下行進(jìn)距離較長(zhǎng)，凹模右下部分所需金屬過多，導(dǎo)致金屬在鍛件右下角充填時(shí)壁厚減薄。因此，當(dāng)上沖頭繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，坯料右側(cè)金屬被向下鐓粗，最終形成折疊，如圖4(a)所示。為防止折疊缺陷的產(chǎn)生，將沖孔連皮置于鍛件圓孔中心位置，得到方案二如圖3(b)所示。通過模擬該方案成形過程，獲得成形過程中坯料變形情況如圖4(b)所示，該種情況下未出現(xiàn)方案一中折疊缺陷。

圖4 成形后期鍛件缺陷分析圖

成形過程分析

方案二中上沖頭在成形過程中的載荷-位移曲線圖如圖5 所示。基于成形噸位及坯料變形情況，斜盤鍛件成形過程可分為四個(gè)階段，分別用不同顏色表示，且四個(gè)階段下坯料與模具的接觸情況如圖6 所示。

圖5 載荷-位移曲線圖

圖6 成形過程接觸圖

第一階段中，坯料中心圓孔位置與模具接觸圖如6(a)所示，該過程中成形所受載荷最大僅在10t 左右；第二階段坯料斜盤部分上表面與模具之間接觸面積迅速增大，導(dǎo)致上沖頭所受載荷快速上升，該階段末期由于斜盤部分上表面與沖頭完全接觸，導(dǎo)致成形載荷較為平穩(wěn)；第三階段坯料側(cè)表面與模具接觸面積增大，所受載荷迅速增大至100t 左右；第四階段為圖2(b)中A 區(qū)域的填充過程，成形末期由于成形完成，導(dǎo)致成形噸位迅速上升，最終成形載荷為355t。

響應(yīng)面模型建立

通過前期的分析研究，主要影響斜盤鍛件成形質(zhì)量(成形載荷、材料利用率)的因素有：坯料溫度、上模下行速度、圓角半徑以及盲孔深度。為此，本研究選取相應(yīng)的參數(shù)因子及優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計(jì)變量因素水平數(shù)見表1。

在Design Expert 軟件中輸入試驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍，生成CCD 響應(yīng)面試驗(yàn)表。將中心復(fù)合設(shè)計(jì)制定的四種試驗(yàn)條件依次進(jìn)行鍛造模擬，記錄其成形載荷和材料利用率見表2。

響應(yīng)面模型的擬合與分析

響應(yīng)面模型的擬合

根據(jù)表3 及表4 可以看出，F(xiàn) 值表示整個(gè)擬合方程的顯著程度，此模型中的F 值為27.59 同時(shí)其P 值小于0.0001，表明此模型的結(jié)果是顯著的。在擬合統(tǒng)計(jì)中，決定系數(shù)為0.7390，校正決定系數(shù)為0.8919，其差值小于0.2 說明此數(shù)據(jù)是可信的，表明回歸模型解釋數(shù)據(jù)的能力較強(qiáng)。充分精度=17.0559 ＞4，表明該模型的分辨能力足夠。

根據(jù)表2 的模擬響應(yīng)結(jié)果，采用線性回歸的方法建立成形載荷與工藝參數(shù)坯料溫度、下行速度、圓角半徑及盲孔深度之間的回歸模型：

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍表

表2 數(shù)據(jù)記錄表格

表3 成形載荷方差分析

表4 成形載荷擬合統(tǒng)計(jì)

Y=3 3 4.3 2-1 5.2 1×A+0.3 7 5 0×B-23.63×C+18.04×D-7.94×A×D-7.19×C×D-9.13×B2+7.87×C2+6.37×D2

圖7 為成形載荷目標(biāo)預(yù)測(cè)值和模擬值的擬合曲線。試驗(yàn)中記錄的數(shù)據(jù)與響應(yīng)模型預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)較為接近，預(yù)測(cè)值與實(shí)際值大致相同，由此表明，該回歸模型的可信度較高。

響應(yīng)面分析

圖7 成形載荷目標(biāo)預(yù)測(cè)值和模擬值的擬合曲線

為直觀地表示各因子與成形載荷響應(yīng)之間的關(guān)系，利用三維曲面圖進(jìn)一步分析各因素對(duì)成形載荷的影響。由擬合模型給出的函數(shù)方程可知，下行速度不會(huì)改變其他因子對(duì)響應(yīng)的影響，并且盲孔深度和圓角半徑對(duì)成形載荷的影響較大。通過對(duì)盲孔深度和圓角半徑對(duì)成形載荷的影響進(jìn)行響應(yīng)面法分析，得到響應(yīng)面如圖8 所示。可以看出，當(dāng)坯料溫度和下行速度為設(shè)計(jì)中心水平時(shí)，成形載荷隨盲孔深度的增大而增大，隨圓角半徑的增大而減小。當(dāng)盲孔深度為最大值13.5mm、圓角半徑為最小值2mm 時(shí)，成形載荷取得最大值397t；當(dāng)盲孔深度為最小值4.5mm、圓角半徑為最大值4mm 時(shí)，成形載荷取得最小值為315t。

圖8 盲孔深度與圓角半徑對(duì)成形載荷的影響

基于響應(yīng)面的結(jié)果對(duì)得出的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)最優(yōu)方案進(jìn)行模擬，其因子數(shù)值設(shè)置與試驗(yàn)結(jié)果見表5，由于模擬結(jié)果與模型預(yù)測(cè)吻合度高，表明該模型可信度高，優(yōu)化成形方案合理可行。

優(yōu)化后的數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖9 為成形完成時(shí)的等效應(yīng)力分布圖，可以看出在成形過程中應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在坯料與模具接觸的左上和右下部分(即圖2(b)中A 區(qū)域)。高應(yīng)力區(qū)的出現(xiàn)是由于鍛件在成形末期該處最后充填引起。從此圖可以看出無異常的應(yīng)力集中現(xiàn)象，各處的材料受力較為均勻，無充填不滿現(xiàn)象發(fā)生。

圖9 最優(yōu)方案等效應(yīng)力分布圖

圖10 最優(yōu)方案等效應(yīng)變分布圖

圖11 為優(yōu)化前(設(shè)計(jì)中心方案)與最優(yōu)方案的載荷-位移曲線對(duì)比圖，由圖可以看出，在成形過程中，最優(yōu)方案上沖頭所受載荷上升較為平緩且最大載荷比中心方案小60t 左右。

結(jié)束語

圖11 載荷-位移曲線圖

本文基于響應(yīng)面法對(duì)斜盤類零件成形過程開展了多目標(biāo)下優(yōu)化工藝參數(shù)的模擬研究。結(jié)合實(shí)際的工藝條件，選取了坯料溫度、下行速度、圓角半徑及盲孔深度作為優(yōu)化變量，最終成形載荷作為主要響應(yīng)目標(biāo)，材料利用率作為次要響應(yīng)目標(biāo)，通過Deform-3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了各個(gè)變量因素共同作用的響應(yīng)模型。通過對(duì)該響應(yīng)面分析，獲得最優(yōu)的參數(shù)組合，即坯料溫度360℃、下行速度9mm/s、圓角半徑5mm、盲孔深度11.5mm。通過對(duì)最佳參數(shù)組合進(jìn)行模擬驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)得到的數(shù)據(jù)與回歸模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)吻合良好，并且通過分析其等效應(yīng)力、等效應(yīng)變、載荷-位移曲線表明此方案成形結(jié)果良好，達(dá)到所期望的目標(biāo)，對(duì)相同類型零件的實(shí)際生產(chǎn)過程具有一定的參考價(jià)值。