管筒形零件机械扩径工艺参数的优化方法技术

本发明专利技术涉及一种机械扩径工艺优化设计，特别是涉及一种管筒形零件机械扩径工艺参数的优化方法。其特征是：将机械扩径工艺中制品的尺寸与形状精度指标同时作为优化目标，以管坯直径、变形程度、模具直径和模具边缘圆角半径各主要成形参数为设计变量，基于遗传优化算法和ＢＰ神经网络，实现对管筒形零件机械扩径成形工艺的多目标参数优化，以获得能够同时保证制品尺寸精度和形状精度的最优工艺参数组合。本发明专利技术适用于不同材质，不同规格管筒形零件机械扩径工艺参数的优化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机械扩径工艺优化设计，尤其是管筒形零件机械扩径工艺 最优参数的设计。技术背景机械扩径是一种制造高精度包括尺寸精度和形状精度的管筒形零件的 塑性成形工艺。采用斜块扩孔原理，通过分瓣凸模分段使管坯产生塑性变 形，从而达到改善制品尺寸和形状精度，消除残余应力，提高屈服强度的 目的。因此，它被广泛应用于厚壁筒形件、薄壁旋压筒形件、大直径直缝 焊管、大直径螺旋焊管以及其它大中型管筒形机械零件的最终成形。机械扩径是一种局部变形特征显著的塑性变形过程，是一个与管坯规 格、管坯形状、材料性能、摩擦条件、变形程度、模具直径及其边缘圆角 半径等因素相关的塑性变形过程。体现制品成形精度的横断面尺寸误差和 形状误差都与这些参数相关。但是其关联程度不同。通常将制品横断面的 尺寸误差定义为目标产品公称外径与扩径制品平均外径之差；形状误差定 义为扩径制品最大与最小外径之差。横断面尺寸误差不仅对管坯的断面尺 寸和形状以及变形程度的变化比较敏感，而且因涉及到制品的平均直径， 对模具直径以及模具边缘圆角半径的变化也比较敏感；形状误差对管坯的 横断面形状、变形程度、模具半径和模具边缘圆角半径的变化比较敏感。在生产实际中，如何根据用户对制品尺寸精度与形状精度的要求来确 定管坯规格、管坯形状、变形程度、模具直径和模具边缘圆角半径等主要 工艺参数，是管筒形零件机械扩径工艺设计的一个重要内容。对机械扩径 成形工艺参数进行优化，可以解决管筒形零件的精确成形问题，推进高精 度大中型管筒形零件机械扩径工艺及其装备的自主开发工作，为生产提供 技术支持。显然，上述机械扩径工艺问题可以被抽象为一个在满足制品尺寸精度 和形状精度要求的条件下，通过各主要工艺参数最优组合的多目标优化， 最终解决参数设计的问题。在多目标优化问题中，各分目标函数的最优解常常是互相独立的，所 以不能期望它们的最优点重叠到一起而同时实现最优。对于某些问题，在 分目标函数之间甚至还会出现完全对立的情况，即某一个分目标函数的最 优解却是另一个分目标函数的劣解。求解多目标优化问题的关键是要在决 策空间中寻求一个最优解集。在这个解集中，对于每个解来说， 一个目标 的性能改善往往以另一个目标的性能降低为代价。所以在处理多目标优化 问题时常常需要在各分目标函数的最优解之间进行协调和权衡，以使各分 目标函数尽可能达到近似最优。将遗传算法应用于求解多目标优化问题的方式主要有两种，其中一种 是先将多目标问题转化为单目标优化问题，然后再利用单目标遗传算法寻 求最优解的加权组合优化法。遗传算法是模拟自然界生物进化过程的一种优化方法。它主要依赖于 数值求解，不要求一定显式地表示目标函数，也不要求很强的技巧和对问 题的深入了解。它具有并行处理功能，可以在较大实际空间较快的解决多 变量优化问题，具有全局优化和算法稳定的优点，尤其适用于灵敏度可能 不是连续或者目标函数具有多个极值点、迭代只依赖于目标函数的情况。 从某种意义上讲，遗传算法特别适合于求解多目标优化问题，因为遗传算 法能同时处理一组可能的解(即种群)，经过一次运算就可找到一组有 效解。对于管筒形零件机械扩径工艺这个多目标优化问题，由于已经进行过 大量的前期研究工作，基本上掌握了各分目标函数的重要程度及其变化规 律。因此，采用加权组合优化方法非常适合于求解该问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种管筒形零件机械扩径工艺参数的设计方 法，该专利技术将制品的尺寸与形状精度指标同时作为优化目标，以管坯直径、 变形程度、模具直径和模具边缘圆角半径为设计变量，基于遗传优化算法和BP神经网络(该神经网络映射了机械扩径工艺参数和制品精度之间的非 线性关系)，实现对管筒形零件机械扩径成形工艺参数的优化，以获得能够 同时保证制品尺寸和形状精度的最优工艺参数组合，达到参数设计的目的。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括以下由计算机系统执行 的步骤1 、确定机械扩径成形精度的影响因素已知理想制品的规格，即己知制品外直径Z^和壁厚一 确定影响机械 扩径成形精度的因素坯料材料、摩擦条件、坯料规格(坯料直径和壁厚)、 管坯形状、扩径率、模具直径及其边缘圆角半径。(1) 坯料的材质本专利技术用到的材料管线钢，属于低合金高强度钢 或微合金化低碳高强度钢。主要有X42， X46， X52， X56， X60， X65， X70， X80。(2) 摩擦条件本专利技术采用摩擦类型为粘滑摩擦。(3) 管坯外径i^:根据管坯外径、扩径率、制品外径的相互关系，管 坯外径的计算公式取为式中2w—制品外径；a—扩径率；^一管坯外径。(4) 管坯厚度^己知制品外径，厚度及管坯外径可反推得管坯厚度，由体积不变原理，管坯壁厚的计算公式为 式中-管坯外径；z^—制品外径；,2—制品厚度； q—管坯厚度。(5) 管坯形状即断面圆度4:据现有制管技术， 一般情况下管坯的断 面圆度取为2%~3%。(6) 变形程度即扩径率不同的扩径率会导致不同的制品公称外径， 且制品圆度也相应不同。本专利技术将扩径率确定在0.5% ~ 2.5%之间。(7)模具直径A:为了确定模具直径和制品尺寸之间的关系，引入一 个无量纲的量？，令其等于模具外径与制品内径之比，称作相对凸模直径。 即相对凸模直径对机械扩径的影响就代表了模具直径对机械扩径的影响。 根据现有研究成果，相对凸模直径越大，管坯的不均匀变形越严重。综合 考虑相对凸模直径对制品精度、制品壁厚和回弹等的影响程度，本专利技术认 为相对凸模直径可采用甲=0.925 ~ 1.075 。从而得到模具的直径取值范围 A =，2w-2,2)式中l一制品外径； ^一制品厚度； 甲一相对凸模直径； Z)m—模具直径。(8)模具边缘圆角半径r:模具边缘圆角半径是对制品外观形状有显著 影响的因素之一。它影响管坯与模具的初始接触位置，管坯与模具表面的 贴合行为，进而影响管坯的变形行为。在其他变形条件完全相同的情况下， 模具边缘圆角半径决定了相邻两模具间悬空段弧长，从而影响悬空段管坯 的变形刚度乃至管坯的变形方式。边缘圆角半径越大，悬空段越长，悬空 段刚度越小，反之亦然。边缘圆角半径又不能太小，太小会出现尖角现象。 本专利技术确定的边缘圆角半径的取值范围r = 5~10/m 。2、权衡对比各影响因素对成形精度的影响程度，筛选出精度敏感的主 要因素，摒弃次要因素，修正模拟结果。利用上述成形参数建立有限元计算模型，对管筒形零件机械扩径进行 数值模拟计算，通过对比分析数值模拟计算结果，发现横断面尺寸误差不 仅对管坯的断面尺寸和形状以及变形程度的变化比较敏感，而且因涉及到 制品的平均半径，对模具直径以及模具边缘圆角半径的变化也比较敏感； 形状误差对管坯的横断面形状、变形程度、模具直径和模具边缘圆角半径 的变化比较敏感。因此本专利技术确定管坯直径，变形程度，模具直径和模具 边缘圆角半径为机械扩径工艺成形精度的主要影响因素。管坯直径，变形 程度，模具直径和模具边缘圆角半径为输入，以制品尺寸误差和形状误差为输出，训练BP神经网络映射输入输出之间的非线性关系。为遗传算法中 提供适应度函数。3、提出优化问题在管坯直径，变形程度，模具直径和模具边缘圆角半径的合理范围内，寻求一组成形参数以使最终制品的横断面尺寸精度和形状本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种管筒形零件机械扩径工艺参数的优化方法，其特征是：运用ＢＰ神经网络映射机械扩径参数与制品精度之间的非线性关系，提供遗传算法必须的适应度函数，以此完成整个优化过程，最终达到参数设计的目的，具体包括以下由计算机系统执行的步骤：１）确定机械扩径成形精度的影响因素；２）权衡对比各影响因素对成形精度的影响程度，筛选出精度敏感的主要因素，摒弃次要因素，修正模拟结果；３）提出优化问题：３．１）建立数学模型，确定加权因子；３．２）置迭代次数ｋ＝０，随机产生初始种群即一系列的参数值；３．３）利用Ｍａｒｃ软件和ｐｙｔｈｏｎ语言的连接模块ｐｙ＿ｍｅｎｔａｔ计算训练ＢＰ神经的样本，通过该样本训练的ＢＰ神经网络计算适应度函数；３．４）根据适应度值判断是否有优良的种子出现；３．５）输出最优值，得到设计参数。

【技术特征摘要】
1.一种管筒形零件机械扩径工艺参数的优化方法，其特征是运用BP神经网络映射机械扩径参数与制品精度之间的非线性关系，提供遗传算法必须的适应度函数，以此完成整个优化过程，最终达到参数设计的目的，具体包括以下由计算机系统执行的步骤1)确定机械扩径成形精度的影响因素；2)权衡对比各影响因素对成形精度的影响程度，筛选出精度敏感的主要因素，摒弃次要因素，修正模拟结果；3)提出优化问题3.1)建立数学模型，确定加权因子；3.2)置迭代次数k＝0，随机产生初始种群即一系列的参数值；3.3)利用Marc软件和python语言的连接模块py_mentat计算训练BP神经的样本，通过该样本训练的BP神经网络计算适应度函数；3.4)根据适应度值判断是否有优良的种子出现；3.5)输出最优值，得到设计参数。2. 根据权利要求1所述的管筒形零件机械扩径工艺参数的优化方法，其 特征是确定影响机械扩径成形精度的因素坯料材料、摩擦条件、坯料 规格即坯料直径和壁厚、管坯形状、扩径率、模具直径及其边缘圆角半径；(1) 坯料的材质本专利用到的材料管线钢，属于低合金高强度钢或 微合金化低碳高强度钢，主要有X42， X46， X52， X56， X60， X65， X70，X80;(2) 摩擦条件本专利采用摩擦类型为粘滑摩擦；(3) 管坯外径&:根据管坯外径、扩径率及制品外径的相互关系，管 坯外径的计算公式取为<formula>formula see original document page 2</formula>式中 一制品外径；一扩径率； A 管坯外径；(4) 管坯厚度^己知制品外径，厚度及管坯外径可反推得管坯厚度； 由体积不变原理，管坯壁厚的计算公式为<formula>formula see original document page 3</formula>;式中管坯外径；^一制品外径； ,2—制品厚度； q—管坯厚度；(5) 管坯形状即断面圆度4:据现有制管技术， 一般情况下管坯的 断面圆度取为2%~3%;(6) 变形程度即扩径率不同的扩径率对应不同的制品工称外径， 且制品圆度的因素也相应不同，本专利将扩径率确定在0.5%~2.5%之间；(7) 模具直径^:为了确定模具直径和制品尺寸之间的关系，引入一 个无量纲的量甲，令其等于模具外径与制品内径之比，称作相对凸模直径； 相对凸模直径对机械扩径的影响就代表了模具直径对机械扩径的影响；根 据现有研究成果，综合考虑相对凸模直径对制品精度，对制品壁厚，对回 弹等的影响程度，本发明认为相对凸模直...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭宝峰，金淼，王东城，赵石岩，杨艳子，李群，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：13[中国|河北]