螺旋錐齒輪鍛造工藝與碳排放模型研究

戴浩文，王安哲，b，查光成，b，孔凡新，b

(南京工程學(xué)院 a. 材料科學(xué)與工程學(xué)院； b. 江蘇省先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211167)

0 引言

國(guó)務(wù)院印發(fā)的《中國(guó)制造2025》中明確提出要將綠色發(fā)展的理念與制造業(yè)相結(jié)合，推動(dòng)制造業(yè)綠色發(fā)展，使之成為21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主導(dǎo)形態(tài)，而以齒輪為代表的零部件更是制造業(yè)的基礎(chǔ)與核心。在齒輪行業(yè)高速發(fā)展的大背景下，低碳制造逐漸成為發(fā)展趨勢(shì)。因此優(yōu)化工藝參數(shù)對(duì)于齒輪制造過(guò)程中的碳排放降低具有重要意義。

目前齒輪主要采用切削加工、模鍛生產(chǎn)和輾環(huán)工藝等加工工藝生產(chǎn)。近幾年，國(guó)內(nèi)外針對(duì)切削制造的碳排放研究已有了很大進(jìn)展，如方旭斌[1]以傳動(dòng)齒輪為研究對(duì)象，考慮齒輪生產(chǎn)的整個(gè)流程，建立了碳排放模型，確定了齒輪切削加工時(shí)的碳排放主要來(lái)源。黃文良等[2]針對(duì)銑削加工建立了模型并通過(guò)粒子算法優(yōu)化得到低碳高效的工藝參數(shù)。KANT G等[3]利用聯(lián)合主成分分析法優(yōu)化了工藝參數(shù)以獲得最低能耗和最優(yōu)的表面粗糙度。雖然齒輪切削加工碳排放模型的研究很多，但由于切削加工工藝本身的局限性，并不能真正符合綠色制造的理念。

相較而言，模鍛工藝由于其具有材料消耗少、成型效率高、材料質(zhì)量好等優(yōu)勢(shì)，更符合低碳設(shè)計(jì)需求。目前，針對(duì)模鍛工藝的碳排放研究主要集中在碳排放的測(cè)定與估算，未探討相關(guān)工藝參數(shù)對(duì)碳排放的影響規(guī)律，例如：TONG Y F等[4]以鍛造過(guò)程的熱處理環(huán)節(jié)為切入點(diǎn)，提出了一種動(dòng)態(tài)聚類(lèi)和分層式的優(yōu)化組合，該方法可以減少加熱時(shí)間，提高熔爐利用率。尹瑞雪等[5-6]以齒輪鍛造為例，建立了一般零件鍛造全過(guò)程的碳排放量化模型，為生產(chǎn)實(shí)際提供了碳排放計(jì)算依據(jù)。

本文以螺旋錐齒輪的熱模鍛過(guò)程為例，將鍛壓速度、模具預(yù)熱溫度、坯料加熱溫度和摩擦系數(shù)作為優(yōu)化變量，將最低的成型載荷和碳排放作為響應(yīng)值，利用響應(yīng)面法，建立碳排放優(yōu)化模型，綜合探究工藝參數(shù)對(duì)成型載荷和碳排放的影響。

1 分析方法

1.1 碳排放量計(jì)算

1)下料工序

螺旋錐齒輪坯料采用剪切法下料，根據(jù)文獻(xiàn)[7]，下料工序產(chǎn)生的能耗及碳排放理論公式為

(1)

式中：E1表示下料工序的能耗，J；iD表示坯料初始直徑，mm；λ表示塑性材料系數(shù)；σb表示坯料抗拉強(qiáng)度；C1表示下料工序碳排放當(dāng)量，kgCO2e；K表示電力能源碳排放系數(shù)，2018年電能碳排放系數(shù)[8]為2.235×10-7kgCO2e/J。

2)鍛前加熱工序

坯料加熱過(guò)程中所吸收的能量可以通過(guò)熱容公式計(jì)算得到：

(2)

式中：E2表示鍛前加熱工序能耗，J；m表示坯料質(zhì)量，g；T1表示加熱后的溫度，℃；T0表示室溫，℃；C(T)表示溫度為T(mén)時(shí)的熱容，kJ/(g·℃)。

3)模鍛工序

鍛造工序碳排放量計(jì)算公式如下：

C3=KE3

(3)

式中：E3為模鍛工序能耗，該值不需計(jì)算，只需利用Origin軟件將鍛造過(guò)程的載荷-行程曲線積分，積分結(jié)果即為E3。

4)切邊工序

由于零件連皮和飛邊厚度較小，加工硬化帶來(lái)的設(shè)備載荷增大對(duì)能量消耗影響較小，故不考慮沖切速度對(duì)結(jié)果的影響。設(shè)備所做功可以按照沖壓的沖裁力與飛邊連皮厚度的乘積計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)為減少計(jì)算量，本文采用簡(jiǎn)化公式，假設(shè)沖裁力不發(fā)生改變，飛邊厚度按照一半進(jìn)行計(jì)算，則碳排放量計(jì)算公式為

(4)

式中：E4表示沖孔切飛邊總能量，J；k為系數(shù)，一般取值1.3；C表示飛邊或連皮的周長(zhǎng)，mm；τ表示材料抗剪強(qiáng)度，MPa；t表示飛邊或連皮厚度，mm。

5)后續(xù)機(jī)加工工序

計(jì)算切削加工能耗時(shí)，考慮到本文重點(diǎn)是探究成形工藝參數(shù)對(duì)碳排放量的影響，為方便計(jì)算，本文只討論工件本身的切削體積損失而不考慮切削加工時(shí)的切削參數(shù)，則該工序的能耗理論公式如下：

C5=KE5=kVμtK

(5)

式中：E5表示機(jī)加工工序能耗，J；k表示修正系數(shù)，取值為2.78×10-7；V表示工件的去除體積，mm3；μt表示切削比能耗，即單位時(shí)間內(nèi)去除單位體積所消耗的能量，W·s/mm3，一般取值為2～9，本文取為6。

6)制造過(guò)程總碳排放量計(jì)算

根據(jù)上文公式，可以建立螺旋錐齒輪零件制造過(guò)程總的碳排放量計(jì)算公式：

(6)

1.2 有限元模擬

本文所研究的螺旋錐齒輪鍛件材料選用20CrMnTi，在Deform軟件中對(duì)應(yīng)的美式牌號(hào)為AISI-4120[70-2200F(20-1200C)]。齒輪幾何參數(shù)如表1所示。

表1 螺旋錐齒輪幾何參數(shù)

對(duì)該齒輪進(jìn)行工藝分析與計(jì)算后，確定齒輪的坯料、上模以及下模的尺寸，其中坯料選用直徑為70mm、長(zhǎng)度為145mm的棒料。

將坯料、上模、下模的STL文件導(dǎo)入至Deform軟件中進(jìn)行有限元模擬，裝配后的幾何裝配模型如圖1(a)所示。在Deform軟件前處理界面中，定義坯料為剛塑性體，劃分120 000個(gè)網(wǎng)格，最小單元格尺寸為1.16mm，上下模均定義為剛體，坯料溫度選擇1 100℃、模具溫度選擇250℃、鍛壓速度選擇75mm/s，坯料與上下模之間的摩擦類(lèi)型均為剪切摩擦，摩擦系數(shù)選擇0.3，坯料與上下模之間的熱交換系數(shù)設(shè)定為11 W·(m2·K)-1。

成型后的等效應(yīng)力如圖1(b)所示。最大等效應(yīng)力為632MPa，遠(yuǎn)低于材料的抗拉強(qiáng)度，因此零件可以安全成型，不會(huì)產(chǎn)生缺陷。

圖1 有限元模擬

1.3 響應(yīng)面法

1)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本文利用響應(yīng)面法中的Box-Behnken Design(BBD)實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)因素和水平見(jiàn)表2。其中，變量因子A、B、C、D分別代表鍛壓速度、模具預(yù)熱溫度、毛坯加熱溫度和摩擦系數(shù)。

表2 響應(yīng)面法試驗(yàn)因素和水平

2 成型載荷與碳排放分析

2.1 成型載荷響應(yīng)面分析

均方差越大的因素代表對(duì)響應(yīng)值的影響越大，觀察可知雙因素交互作用對(duì)成型載荷的影響因素顯著程度順序?yàn)锳D>AB>CD>AC>BD>BC。圖2是AD和AB因素交互作用對(duì)成型載荷影響的響應(yīng)曲面圖。觀察可知成型載荷與摩擦系數(shù)呈正相關(guān)，這是因?yàn)槟Σ料禂?shù)越大，模具與毛坯之間的摩擦力越大，導(dǎo)致成型力急劇增大；模具溫度的升高降低了金屬的變形抗力，使載荷急劇降低；在設(shè)定的速度范圍內(nèi)，鍛壓速度越快，成型載荷呈現(xiàn)先快速降低后緩慢降低最后趨于水平的現(xiàn)象。

圖2 交互項(xiàng)對(duì)成型載荷影響的響應(yīng)曲面圖

2.2 碳排放響應(yīng)面分析

觀察均方差可知雙因素交互作用對(duì)碳排放影響程度大小順序?yàn)锽D>CD>AC>AB>AD>BC。圖3是CD和AB交互項(xiàng)對(duì)碳排放影響的響應(yīng)曲面圖。由圖可知，碳排放量隨著模具預(yù)熱溫度的升高而減少，隨著摩擦系數(shù)的升高而增加。同時(shí)發(fā)現(xiàn)響應(yīng)曲面的等高線曲率較大，說(shuō)明模具預(yù)熱溫度與摩擦系數(shù)的交互作用十分明顯。

圖3 交互項(xiàng)對(duì)碳排放影響的響應(yīng)曲面圖

3 仿真模擬與工藝優(yōu)化

在實(shí)際生產(chǎn)中，為了盡可能地減少能耗，提高企業(yè)效率，需要降低成型載荷與碳排放。利用Design-expert軟件，將成型載荷響應(yīng)值與碳排放設(shè)定目標(biāo)為最小值，得到預(yù)測(cè)的最佳工藝參數(shù)組合為：鍛壓速度為66.95mm/s、模具預(yù)熱溫度為371.14℃、坯料加熱溫度為1 194.78℃、摩擦系數(shù)為0.11，此時(shí)的成型載荷為17 424.2 kN，碳排放為0.252 0kg。

根據(jù)預(yù)測(cè)的最佳參數(shù)組合，再次利用Deform軟件進(jìn)行仿真模擬，得到的成型載荷為16 683 kN，碳排放量為0.249 6kg。實(shí)際模擬結(jié)果與預(yù)測(cè)值誤差較小，說(shuō)明該模型預(yù)測(cè)可靠性較高。同時(shí)對(duì)比4個(gè)因素單獨(dú)對(duì)成型載荷和碳排放的影響程度(圖4)，發(fā)現(xiàn)鍛壓速度對(duì)成型載荷影響顯著，對(duì)碳排放卻幾乎沒(méi)有影響；坯料加熱溫度對(duì)于成型載荷與碳排放的影響程度一致；摩擦系數(shù)、模具溫度和坯料溫度對(duì)載荷和碳排放的影響規(guī)律相同，但是影響程度不同，尤其體現(xiàn)在模具溫度上。

圖4 單因素對(duì)成型載荷和碳排放的影響規(guī)律

因此，綜合考慮4個(gè)工藝參數(shù)對(duì)載荷和碳排放不同的影響程度，為了達(dá)到最低的碳排放量與成型載荷，在加工生產(chǎn)時(shí)鍛壓速度應(yīng)在壓力機(jī)合理范圍內(nèi)盡可能高，坯料加熱溫度應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi)盡可能大，摩擦系數(shù)應(yīng)盡可能小，而模具預(yù)熱溫度對(duì)成型載荷的權(quán)重更高，這在設(shè)計(jì)模具時(shí)應(yīng)該更多地考量。

4 結(jié)語(yǔ)

1)建立了螺旋錐齒輪零件制造加工過(guò)程的碳排放量化模型，包括加工生產(chǎn)過(guò)程中的下料、鍛前熱處理、鍛造、切邊和后續(xù)機(jī)加工的能耗。該模型可以為螺旋錐齒輪的鍛造過(guò)程產(chǎn)生的碳排放量提供理論依據(jù)。

2)螺旋錐齒輪開(kāi)式模鍛加工工藝中各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)成型載荷的影響程度順序?yàn)榕髁霞訜釡囟?模具預(yù)熱溫度>鍛壓速度>摩擦系數(shù)；對(duì)碳排放的影響程度順序?yàn)榕髁霞訜釡囟?摩擦系數(shù)>模具預(yù)熱溫度>鍛壓速度。鍛壓速度與模具預(yù)熱溫度對(duì)碳排放量影響不大，但對(duì)成型載荷的影響顯著，在模具設(shè)計(jì)和設(shè)備選擇時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮模具預(yù)熱溫度。

3)基于響應(yīng)面法得到的優(yōu)化工藝參數(shù)為：鍛壓速度為66.95mm/s、模具預(yù)熱溫度為371.14℃、坯料加熱溫度為1 194.78℃、摩擦系數(shù)為0.11。