[發明專利]一種基于模鍛模具磨損的工藝參數優化方法

有效

• 申請號: 201810772556.0
• 申請日: 2018-07-13
• 公開（公告）號: CN109033590B
• 公開（公告）日: 2023-09-12
• 發明（設計）人: 蔡力鋼;劉海東;程強;張彩霞;趙永勝
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/17
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

1.一種基于模鍛模具磨損的工藝參數優化方法，其特征在于：通過建立模鍛工藝的模具磨損修正模型，分析各項工藝參數對模具磨損的影響程度，對模鍛成型過程中關鍵工藝參數進行正交試驗設計；通過有限元模擬軟件對整個模鍛成型過程進行仿真實驗，提出基于正交試驗法的工藝參數優化方法，從工藝參數的優化設置上來減少模鍛成型過程中的模具磨損；

具體包括如下步驟：

步驟1：基于Archard磨損理論，建立適用于模鍛工藝的模具磨損修正模型；

步驟1.1建立Archard磨損模型；

在Archard磨損模型中，磨損率能表示成如下函數模型：

式中，V是磨損體積，K是磨損系數，P是模具受壓，l是模具和坯料之間的切向相對滑移距離，H是模具硬度，v是變形速度，Δt是磨損過程中的接觸時間；d是微分符號，表示各個變量的變化率；則dV、dp、dl分別表示為磨損體積、模具受壓、滑移距離的變化率；

步驟1.2建立基于模鍛工藝的模具磨損修正模型；

模具磨損的修正模型：

式中，W是模具磨損量，dW表示模具磨損量的變化率，K是磨損系數,s和t分別表示為模鍛工藝中模具的位移和時間參數，σ_n是坯料的應力值，v是變形速度,H_m是模具硬度；所以σ_n(s,t)、v(s,t)、H_m(s,t)分別表示為模具在某一時間處于某一位置下的應力值、變形速度和模具硬度；

建立模鍛工藝參數與模具的最大磨損量之間的函數模型：

W_max＝f(v,T,ε_F,m)??????????????(5)

式中，W_max為最大磨損量，v為變形速度，T為變形溫度，ε_F為變形程度，m為摩擦因子；如果忽略不同坯料材料、模具材料本身的性質區別，只考慮工藝參數對模具磨損的影響，那么變形速度v、變形溫度T、變形程度ε_F相對應的工藝參數就是坯料的初始溫度、模具的初始溫度和上模的打擊速度；即這三個工藝參數就是對熱模鍛成型過程中的模具磨損量有較大影響的關鍵性工藝參數；

步驟2：對關鍵性工藝參數進行基于模鍛模具磨損的正交試驗設計；

步驟2.1基于模鍛工藝的正交試驗設計；

根據新建立的熱模鍛模具磨損修正模型中所推導出的三個關鍵的工藝參數，進行三因素四水平的正交試驗設計，有效的減少仿真實驗的工作量，進一步提高實驗效率；采用L₁₆(4³)的正交表，即將坯料的初始溫度、模具的初始溫度和上模的打擊速度作為三個實驗因素，在每個因素下面找到4個水平的數值，一共進行16組實驗，用Deform軟件仿真分析每一組實驗結果所得出的模具磨損量，最后推導出使模具磨損深度最小的最佳工藝參數；

根據本實驗實際生產的工藝要求：初始坯料溫度范圍是T₁～T₂℃，初始模具溫度范圍是t₁～t₂℃，上模打擊速度范圍是V₁～V₂mm/s，把初始坯料溫度、初始模具溫度和上模打擊速度作為3個因素來劃分成4個水平；即坯料的初始溫度分別為：T₁、T₂℃，模具的初始溫度分別為t₁、t₂℃，上模打擊速度分別為：V₁、V₂mm/s；

步驟2.2基于極差分析法的試驗數據處理；

極差分析法的定義：

式中，p為水平個數，n為實驗次數，k為試驗序號，為第j因素的第i水平的實驗結果，T_ij為第j因素中所有第i水平的試驗結果之和，M_ij為第j因素中所有第i水平的試驗結果的平均值；極差R_j的公式為：

R_j＝max(M_ij)-min(M_ij)??????????????????(7)

極差分析法能分析出第j因素對試驗結果的影響程度；在一次正交試驗中，某一個因素極差值的大小和該因素對實驗結果的影響程度呈現正比關系；利用極差分析法能夠推導出各個關鍵性工藝參數對模具磨損的影響程度排序；

步驟3：利用有限元模擬軟件進行模鍛工藝的仿真試驗；

步驟3.1基于模鍛成型過程的有限元試驗理論基礎；

在模鍛成型過程中，對材料與模具之間的接觸面采用離散化分析，模具磨損公式：

式中：W為模具磨損量，k為磨損系數，M為總時間步數，N為接觸面的總結點數，σ_n為坯料的應力值，v為變形速度，H為模具硬度，Δt為時間步；σ_n(s,t)、v(s,t)分別表示為模具在某一時間處于某一位置下的應力值和變形速度；而σ_n與v的值都能根據有限元計算來得到；在k和H固定不變的情況下，就能通過數值模擬的方法計算出一次熱模鍛成型過程中模具和材料接觸面的磨損量，即通過有限元模擬計算出整個熱模鍛工藝過程中的模具磨損深度；

步驟3.2建立有限元仿真模型；

采用SolidWorks軟件構建本次模鍛工藝中所需要的上模、下模和坯料模型，然后導入到有限元仿真軟件Deform里面，得到所需要的有限元仿真模型；在Deform中進行相關的工藝參數設置；單位制選擇SI，坯料設置為塑性體，模具設置為剛性體；坯料材料采用40CrNiMoA，其對應的國際鋼號為AISI-4340，模具材料采用5CrNiMo，其對應的國際鋼號為AISI?L6，初始坯料溫度范圍是T₁～T₂℃，初始模具溫度范圍是t₁～t₂℃，上模運動速度范圍是V₁～V₂mm/s，下模處于靜止狀態；熱摩擦系數設置為0.7，熱傳導系數設置為11；成型過程中采用Archard磨損模型來預測模具的磨損量；

步驟3.3有限元仿真實驗結果；

用Deform軟件依照正交試驗方案對模鍛成型過程進行16次仿真實驗分析，得出不同工藝參數組合條件下的模具磨損深度，并記錄。