CN103279596A - 一种基于数值模拟的可变速度控制温挤压方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数值模拟的可变速度控制温挤压方法，其关键在于：所述温挤压过程分为温挤压初始剧烈变形阶段、温挤压稳定变形阶段、温挤压变形结束阶段；其具体挤压步骤包括设计正交试验方案，完成前处理建模，进行数值模拟，分析并记录考核指标，建立响应面模型，进行温挤压成形试验验证。本发明针对传统恒速温挤压技术的质量损伤和工艺效率难以调控的问题，根据温挤压过程中不同阶段的速度特性和力能特性，提出了一种基于数值模拟的可变速度控制温挤压方法，此方法可以明显提高温挤压产品的质量，提升工艺效率，缩短工艺路线，可用于温挤压成形新工艺开发，可用于汽车、摩托车、特种装备等温挤压产品制造领域，具有很强的实用价值。

Description

一种基于数值模拟的可变速度控制温挤压方法

技术领域

本发明涉及一种基于数值模拟的可变速度控制温挤压方法，用于对金属产品温挤压成形工艺的设计、开发，属于塑性成形技术领域。

背景技术

温挤压技术是一种介于冷挤压和热挤压之间的工艺，具有组织性能好、成形精度高、模具寿命长等优点，得到了广泛应用。在复杂构件恒速温挤压工艺应用中，由于复杂过渡处局部应力损伤大，造成充不满、裂纹等缺陷，若提高变形温度，则将造成内部组织性能的损失，传统的恒速温挤压工艺难以实现复杂优质构件的精确控形和控性。针对上述问题，研究人员开展了多道次的恒速温挤压和后续热处理改性等复合处理工艺研究，强化温挤压工艺技术性分析和质量控制，一定程度上规范了工艺参数，减少了人机料法环等因素对温挤压产品质量的影响，但依然存在工艺路线长、效率低等突出问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于数值模拟的可变速度控制温挤压方法。

为了实现上述目的，采用以下技术方案，一种基于数值模拟的可变速度控制温挤压方法，其特征在于：所述基于数值模拟的可变速度控制温挤压过程分为三个可控阶段，包括温挤压初始剧烈变形阶段、温挤压稳定变形阶段、温挤压变形结束阶段；其具体挤压步骤如下：

(1)以变形位移量、可变速度曲线、温度为影响因素，设计多组温挤压数值模拟正交试验方案；

(2)完成数值模拟前处理建模，输入变形材料的热塑性本构模型、晶粒尺寸演化模型的参数，设置前处理参数；

(3)针对温挤压产品对象，依次对每组温挤压试验进行数值模拟，每组温挤压试验模拟结束后，分析充型效果、损伤、晶粒尺寸、载荷等考核指标，并记录其考核数据；

(4)以温挤压数值模拟前处理中的变形位移量、可变速度曲线、温度为影响因素，以温挤压数值模拟后处理中的充型效果、损伤、晶粒尺寸、载荷为考核指标，建立考核指标与影响因素之间的响应面模型，并优化出最佳的因素水平组合值；

(5)设定温挤压初始剧烈变形阶段的位移量、温挤压稳定变形阶段的位移量、温挤压变形结束阶段的位移量，将优化出来的可变速度曲线输入到伺服压力机控制系统，将坯料加热到预期的最优温度范围，进行温挤压成形试验验证。

所述温挤压变形位移量，是指凸模与坯料接触开始，到温挤压变形结束，凸模的运动行程；可变速度曲线，指在温挤压过程中，分别设定温挤压初始剧烈变形阶段的速度曲线、温挤压稳定变形阶段的速度曲线、温挤压变形结束阶段的的速度曲线；温挤压温度，是以变形材料的再结晶温度为上限，避开材料的热脆等影响温区，从室温到再结晶温度之间的少无缺陷的温度范围。

所述温挤压数值模拟正交试验的因素主要包括温挤压初始剧烈变形阶段的速度函数曲线v₁、变形温度T，温挤压稳定变形阶段的位移比率r₂、速度函数曲线v₂，温挤压变形结束阶段的位移比率r₃、速度函数曲线v₃；考核指标主要包括：充型效果y_E、损伤y_D、晶粒尺寸y_G、载荷y_F。

所述建立考核指标与影响因素之间的响应面模型，具体过程为：

(1)考核指标的质量特征数据的信噪比转化：将信噪比作为衡量质量的重要尺度，信噪比越大，表明质量对噪声因子的敏感性越小，造成的质量损失越小；本发明方法中的考核指标主要包括充型效果指标y_E为望大特性、损伤指标y_D为望小特性、晶粒尺寸指标y_G为望小特性、载荷指标y_F为望小特性；假设温挤压正交试验有N组方案、k个考核指标，将第i个考核指标在第j组试验中形成的第n组质量特征数据记为y_ij(n)，将n组质量特征数据的信噪比记为η_ij，其中1≤i≤k，1≤j≤N，1≤w≤n，则：

若y_ij为望小特性，其信噪比η_ij为：

若y_ij为望大特性，其信噪比η_ij为：

若y_ij为望目特性，假设其望目特性为m，则其改进的信噪比η_ij为：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{ij}}=-10\lg \left(\frac{1}{n}\underset{w=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(y_{\mathrm{ij}}\left(w\right)-m)}^2\right);$

(2)计算综合质量损失：分别计算充型效果指标y_E、损伤指标y_D、晶粒尺寸指标y_G、载荷指标y_F的基于信噪比的标准化质量损失，然后采用目标加权求和法将多指标响应的标准质量损失转化为单响应指标的综合质量损失；

式中：y_ij——第i个考核指标在第j组试验中的标准化质量损失，0≤y_ij≤1；——第i个考核指标在其所有试验中的最大质量损失；Q——质量损失系数；η_ij——信噪比；y_j——第j组试验中的综合质量损失；α_i——权重系数，反映第i个考核指标对稳健性的要求程度，α_i∈[0，1]，且∑α_i＝1；

(3)建立二阶响应面模型：分别将N组温挤压数值模拟试验中的综合质量损失作为响应值y，显著影响因素作为自变量x，建立综合质量损失y与显著影响因素x之间的二阶响应面模型，采用数学规划技术求解最优的参数组合值；其模型如下：

$\min y\left(x\right)=b_0+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_i{x}_i+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_{\mathrm{ii}}{x}_i^2+\underset{i<j}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_{\mathrm{ij}}{x}_i{x}_j$

$s.t.\left\{\begin{array}{c}{t}_{i1}\&le;x_i\&le;t_{i2}\\ i=\mathrm{1,2},...,n\end{array}\right..$

本发明针对传统恒速温挤压技术的质量损伤和工艺效率难以调控的问题，根据温挤压过程中初始变形阶段速度大、后续变形阶段速度低的速度特性，温挤压初始变形阶段力能显著增大、稳定变形阶段力能趋于平缓、结束阶段力能开始增大的力能特性，提出了一种基于数值模拟的可变速度控制温挤压方法，此方法可以明显提高温挤压产品的质量，提升工艺效率，缩短工艺路线，可用于温挤压成形新工艺开发，可用于汽车、摩托车、特种装备等温挤压产品制造领域，具有很强的实用价值。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明实施例中的筒体挤压件的结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

如图1至图2所示，一种基于数值模拟的可变速度控制温挤压方法，所述温挤压过程分为三个可控阶段，包括温挤压初始剧烈变形阶段、温挤压稳定变形阶段、温挤压变形结束阶段；其具体挤压步骤如下：

(1)以变形位移量、可变速度曲线、温度为影响因素，设计多组温挤压数值模拟正交试验方案；

(2)完成数值模拟前处理建模，输入变形材料的热塑性本构模型、晶粒尺寸演化模型的参数，设置前处理参数；

(3)针对温挤压产品对象，依次对每组温挤压试验进行数值模拟，每组温挤压试验模拟结束后，分析充型效果、损伤、晶粒尺寸、载荷等考核指标，并记录其考核数据；

(4)以温挤压数值模拟前处理中的变形位移量、可变速度曲线、温度为影响因素，以温挤压数值模拟后处理中的充型效果、损伤、晶粒尺寸、载荷为考核指标，建立考核指标与影响因素之间的响应面模型，并优化出最佳的因素水平组合值；

(5)设定温挤压初始剧烈变形阶段的位移量、温挤压稳定变形阶段的位移量、温挤压变形结束阶段的位移量，将优化出来的可变速度曲线输入到伺服压力机控制系统，将坯料加热到预期的最优温度范围，进行温挤压成形试验验证。

所述温挤压变形位移量，是指凸模与坯料接触开始，到温挤压变形结束，凸模的运动行程；可变速度曲线，指在温挤压过程中，分别设定温挤压初始剧烈变形阶段的速度曲线、温挤压稳定变形阶段的速度曲线、温挤压变形结束阶段的的速度曲线；温挤压温度，是以变形材料的再结晶温度为上限，避开材料的热脆等影响温区，从室温到再结晶温度之间的少无缺陷的温度范围。

所述温挤压数值模拟正交试验的因素主要包括温挤压初始剧烈变形阶段的速度函数曲线v₁、变形温度T，温挤压稳定变形阶段的位移比率r₂、速度函数曲线v₂，温挤压变形结束阶段的位移比率r₃、速度函数曲线v₃；考核指标主要包括：充型效果y_E、损伤y_D、晶粒尺寸y_G、载荷y_F。

所述建立考核指标与影响因素之间的响应面模型，具体过程为：

(1)考核指标的质量特征数据的信噪比转化：将信噪比作为衡量质量的重要尺度，信噪比越大，表明质量对噪声因子的敏感性越小，造成的质量损失越小；本发明方法中的考核指标主要包括充型效果指标y_E为望大特性、损伤指标y_D为望小特性、晶粒尺寸指标y_G为望小特性、载荷指标y_F为望小特性；假设温挤压正交试验有N组方案、k个考核指标，将第i个考核指标在第j组试验中形成的第n组质量特征数据记为y_ij(n)，将n组质量特征数据的信噪比记为η_ij，其中1≤i≤k，1≤j≤N，1≤w≤n，则：

若y_ij为望小特性，其信噪比η_ij为：

若y_ij为望大特性，其信噪比η_ij为：

若y_ij为望目特性，假设其望目特性为m，则其改进的信噪比η_ij为： ${\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{ij}}=-10\lg \left(\frac{1}{n}\underset{w=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(y_{\mathrm{ij}}\left(w\right)-m)}^2\right);$

(2)计算综合质量损失：分别计算充型效果指标y_E、损伤指标y_D、晶粒尺寸指标y_G、载荷指标y_F的基于信噪比的标准化质量损失，然后采用目标加权求和法将多指标响应的标准质量损失转化为单响应指标的综合质量损失；

式中：y_ij——第i个考核指标在第j组试验中的标准化质量损失，0≤y_ij≤1；

——第i个考核指标在其所有试验中的最大质量损失；Q——质量损失系数；η_ij——信噪比；y_j——第j组试验中的综合质量损失；α_i——权重系数，反映第i个考核指标对稳健性的要求程度，α_i∈[0，1]，且∑α_i＝1；

(3)建立二阶响应面模型：分别将N组温挤压数值模拟试验中的综合质量损失作为响应值y，显著影响因素作为自变量x，建立综合质量损失y与显著影响因素x之间的二阶响应面模型，采用数学规划技术求解最优的参数组合值；其模型如下：

$\min y\left(x\right)=b_0+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_i{x}_i+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_{\mathrm{ii}}{x}_i^2+\underset{i<j}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_{\mathrm{ij}}{x}_i{x}_j$

$s.t.\left\{\begin{array}{c}{t}_{i1}\&le;x_i\&le;t_{i2}\\ i=\mathrm{1,2},...,n\end{array}\right..$

实施例：

本发明实施例选用筒体产品进行温挤压数值模拟试验考核，筒体材料选用30CrMnMoTi。以温挤压初始剧烈变形阶段的速度函数曲线v₁、变形温度T，温挤压稳定变形阶段的位移比率r₂、速度函数曲线v₂，温挤压变形结束阶段的位移比率r₃、速度函数曲线v₃为影响因素；以充型效果y_E、损伤y_D、晶粒尺寸y_G、载荷y_F为考核指标，设计L₈(2⁷)正交试验方案。如下表1所示：

表1温挤压数值模拟L₈(2⁷)正交试验方案

数值模拟前处理时导入模具、坯料的三维几何模型，输入材料的热塑性本构模型、晶粒尺寸演化模型，设置模具预热温度，增加接触传热面，完成前处理建模及参数设置。充型效果的评判方法如表2。数值模拟结束后，记录每组试验的充型效果y_E、损伤y_D、晶粒尺寸y_G、载荷y_F等考核指标数据如表3所示，对考核指标分别赋予权重0.3、0.3、0.2、0.2，进行信噪比、标准质量损失、综合质量损失计算，其计算结果如表4所示。

损伤y_D、晶粒尺寸y_G、载荷y_F其信噪比

充型效果y_E其信噪比

标准质量损失

综合质量损失

表2充型效果质量等级

质量等级	5级	4级	3级	2级	1级
						充型效果	无缺陷	有轻微缺陷	有较低缺陷	有中等缺陷	有严重缺陷

表3考核指标的记录数据

试验号	x1	x2	x3	x4	x5	x6	空列	y1	y2	y3	y4
												1	60	850	0.5	40	0.2	20	(1)	5	0.74	21.4	6.21
2	60	850	0.5	20	0.1	10	(2)	5	0.56	23.1	5.86
												3	60	800	0.7	40	0.2	10	(2)	5	1.15	18.5	6.82
4	60	800	0.7	20	0.1	20	(1)	5	1.07	19.2	6.58
												5	40	850	0.7	40	0.1	20	(2)	5	0.68	22.6	6.03
6	40	850	0.7	20	0.2	10	(1)	4	0.52	23.4	5.69
												7	40	800	0.5	40	0.1	10	(1)	5	1.09	20.1	6.61
8	40	800	0.5	20	0.2	20	(2)	4	0.96	20.4	6.37

表4考核指标数据的转化计算

建立综合质量损失y与影响因素x₁～x₆的二阶响应面模型，优化出二阶响应面模型的最佳参数。同时，定义影响因素x₁～x₆的参数求解区域，应用优化出来的二阶响应面模型求解出最佳的因素水平组合值如表5。

表5响应面模型及其参数水平最优解

将优化出来的温挤压初始剧烈变形阶段的速度v₁＝53.2mm/s、变形温度T＝825℃，温挤压稳定变形阶段的位移比率F₂＝0.61、速度v₂＝39.8mm/s，温挤压变形结束阶段的位移比率F₃＝0.15、速度v₃＝8.8mm/s参数代入数值模拟软件进行试验验证表明：筒体产品的综合质量好，因此可以将数值模拟优化出来参数用于筒体实际温挤压成形试验考核。

本发明针对传统恒速温挤压技术的质量损伤和工艺效率难以调控的问题，根据温挤压过程中初始变形阶段速度大、后续变形阶段速度低的速度特性，温挤压初始变形阶段力能显著增大、稳定变形阶段力能趋于平缓、结束阶段力能开始增大的力能特性，提出了一种基于数值模拟的可变速度控制温挤压方法，此方法可以明显提高温挤压产品的质量，提升工艺效率，缩短工艺路线，可用于温挤压成形新工艺开发，可用于汽车、摩托车、特种装备等温挤压产品制造领域，具有很强的实用价值。

Claims (4)

1.一种基于数值模拟的可变速度控制温挤压方法，其特征在于：所述基于数值模拟的可变速度控制温挤压过程分为三个可控阶段，包括温挤压初始剧烈变形阶段、温挤压稳定变形阶段、温挤压变形结束阶段；其具体挤压方法如下：

(1)以温挤压变形位移量、可变速度曲线、温挤压温度为影响因素，设计多组温挤压数值模拟正交试验方案；

(2)完成数值模拟前处理建模，输入变形材料的热塑性本构模型、晶粒尺寸演化模型的参数，设置前处理参数；

(3)针对温挤压产品对象，依次对每组温挤压试验进行数值模拟，每组温挤压试验模拟结束后，分析充型效果、损伤、晶粒尺寸、载荷等考核指标，并记录其考核数据；

(4)以温挤压数值模拟前处理中的变形位移量、可变速度曲线、温度为影响因素，以温挤压数值模拟后处理中的充型效果、损伤、晶粒尺寸、载荷为考核指标，建立考核指标与影响因素之间的响应面模型，并优化出最佳的因素水平组合值；

(5)设定温挤压初始剧烈变形阶段的位移量、温挤压稳定变形阶段的位移量、温挤压变形结束阶段的位移量，将优化出来的可变速度曲线输入到伺服压力机控制系统，将坯料加热到预期的最优温度范围，进行温挤压成形试验验证。

2.如权利要求1所述的基于数值模拟的可变速度控制温挤压方法，其特征在于：所述温挤压变形位移量，是指凸模与坯料接触开始，到温挤压变形结束，凸模的运动行程；

可变速度曲线，指在温挤压过程中，分别设定温挤压初始剧烈变形阶段的速度曲线、温挤压稳定变形阶段的速度曲线、温挤压变形结束阶段的的速度曲线；

温挤压温度，是以变形材料的再结晶温度为上限，避开材料的热脆等影响温区，从室温到再结晶温度之间的少无缺陷的温度范围。

3.如权利要求1所述的基于数值模拟的可变速度控制温挤压方法，其特征在于：所述温挤压数值模拟正交试验的因素主要包括温挤压初始剧烈变形阶段的速度函数曲线v₁、变形温度T，温挤压稳定变形阶段的位移比率r₂、速度函数曲线v₂，温挤压变形结束阶段的位移比率r₃、速度函数曲线v₃；考核指标主要包括：充型效果y_E、损伤y_D、晶粒尺寸y_G、载荷y_F。

4.如权利要求1所述的基于数值模拟的可变速度控制温挤压方法，其特征在于：所述建立考核指标与影响因素之间的响应面模型，具体过程为：

(1)考核指标的质量特征数据的信噪比转化：将信噪比作为衡量质量的重要尺度，信噪比越大，表明质量对噪声因子的敏感性越小，造成的质量损失越小；本发明方法中的考核指标主要包括充型效果指标y_E为望大特性、损伤指标y_D为望小特性、晶粒尺寸指标y_G为望小特性、载荷指标y_F为望小特性；假设温挤压正交试验有N组方案、k个考核指标，将第i个考核指标在第j组试验中形成的第n组质量特征数据记为y_ij(n)，将n组质量特征数据的信噪比记为η_ij，其中1≤i≤k，1≤j≤N，1≤w≤n，则：

若y_ij为望小特性，其信噪比η_ij为：

若y_ij为望大特性，其信噪比η_ij为：

若y_ij为望目特性，假设其望目特性为m，则其改进的信噪比η_ij为： ${\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{ij}}=-10\lg \left(\frac{1}{n}\underset{w=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(y_{\mathrm{ij}}\left(w\right)-m)}^2\right);$

(2)计算综合质量损失：分别计算充型效果指标y_E、损伤指标y_D、晶粒尺寸指标y_G、载荷指标y_F的基于信噪比的标准化质量损失，然后采用目标加权求和法将多指标响应的标准质量损失转化为单响应指标的综合质量损失；

式中：y_ij——第i个考核指标在第j组试验中的标准化质量损失，0≤y_ij≤1；

——第i个考核指标在其所有试验中的最大质量损失；Q——质量损失系数；η_ij——信噪比；y_j——第j组试验中的综合质量损失；α_i——权重系数，反映第i个考核指标对稳健性的要求程度，α_i∈[0，1]，且∑α_i＝1。

(3)建立二阶响应面模型：分别将N组温挤压数值模拟试验中的综合质量损失作为响应值y，显著影响因素作为自变量x，建立综合质量损失y与显著影响因素x之间的二阶响应面模型，采用数学规划技术求解最优的参数组合值；其模型如下：

$\min y\left(x\right)=b_0+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_i{x}_i+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_{\mathrm{ii}}{x}_i^2+\underset{i<j}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_{\mathrm{ij}}{x}_i{x}_j$

$s.t.\left\{\begin{array}{c}{t}_{i1}\&le;x_i\&le;t_{i2}\\ i=\mathrm{1,2},...,n\end{array}\right..$

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